Hola, ¿cómo estás? Espero que te encuentres muy bien. Yo estoy muy feliz de que estés aquí nuevamente, listo para aprender algo nuevo. Hoy te voy a platicar de los PREAMPLIFICADORES, un sistema muy interesante que se utiliza muchos campos importantes de la electrónica y es destinado a diversas aplicaciones, destacando en la acústica y la ingeniería de audio.

El objetivo primordial de este artículo, es que al final sepas de forma detallada lo que es un preamplificador, y seas capaz de trabajar con este tipo de componentes, e incluso explicar con tus propias palabras de que se trata.

Para cumplir este objetivo, voy a explicarte desde el concepto básico de lo que es un preamplificador y su funcionamiento, hasta datos más complejos, como teoría matemática necesaria para su diseño y comprensión. Descuida, que todo será poco a poco, para que lo entiendas de manera tranquila.

Sin más preámbulo, comencemos este viaje, ¡Vamos!

¿Qué es un preamplificador?

Un preamplificador, o abreviado muchas veces como “preamp”, es un sistema electrónico que se encarga de convertir una señal eléctrica inicialmente débil y con pocas características de potencia, a una señal de salida mucho más fuerte.

Y esto lo hacemos con el objetivo de llevar dicha señal de entrada a un nivel con múltiples propiedades, como la alta tolerancia al ruido, a este nivel se le llama “nivel de línea”; además, esta nueva señal esta lista para ser procesada dependiendo las necesidad. Lo más usual que podemos encontrar es que esta nueva señal sea enviada a un nuevo amplificador de potencia y finalmente a otro tipo de sistema. Como ya te mencioné, esto depende directamente de las necesidades que se tengan respecto al uso de esta señal, por ejemplo.

Uno de los campos donde más se utilizan estos dispositivos, es en el campo musical y de acústica, pues muchas veces se requieren amplificar las señales de los sensores analógicos, de los cuales podemos rescatar como mayor ejemplo los micrófonos. En este caso, los preamplificadores se deben colocar cerca del sensor.

No obstante, los preamplificadores también tienen aplicación con sensores que producen señales grandes en sus salidas, como lo son los fotodiodos, tubos fotomultiplicadores (PMT) de placa de microcanal, multiplicadores de electrones y los sensores de centelleo, así como también tienen presencia en la electroscopia con rayos X y rayos gamma.

En el siguiente apartado, conoceremos un poco de la historia de este sistema, para que posteriormente veamos las características de un preamplificador.

Historia del preamplificador

Se tiene registro que el primer preamplificador que se inventó fue a manos de Lee de Forest, quien también inventó el triodo para las válvulas de vacío. Posteriormente, el desarrollo y avance de este magnífico dispositivo se enfocó en el avance de las telecomunicaciones y el campo militar.

Sin embargo, un invento que impulsó por completo el desarrollo de los preamplificadores, fue el transistor, que en 1948 fue descubierto por William Shockley, en los laboratorios. La unión de estos inventos surgen de la necesidad de disminuir los costos de aplicación de líneas telefónicas de larga distancia, con el objetivo de aplicar el alcance de señal.

Hasta ahora, es uno de los sistemas más importantes en la historia de la electrónica orientada a la acústica y la música, pues permitió por mucho tiempo un optimo funcionamiento de los micrófonos, pastillas y demás dispositivos.

Ya sabemos que es un preamplificador y su historia, pero, ¿Cuáles son las características de un preamplificador ideal? ¿Cuál es su descripción? Veámoslo en seguida.

Características de un preamplificador ideal

Para que podamos decir que un preamplificador es ideal, este debe ser esencialmente lineal; cuando decimos que un preamplificador debe ser lineal, significa que tendrá una ganancia de valor constante en su rango de trabajo. Otras características importantes, es que debe tener una alta impedancia de entrada, con el objetivo de que detecte con una mínima corriente la señal de entrada que se desea amplificar, y una baja impedancia de salida, para que exista un cambio mínimo en el voltaje de salida. El rendimiento de ruido es otro aspecto que se debe destacar en los preamplificadores.

En resumen, estas son las características de trabajo más importantes en un amplificador ideal:

• Linealidad.
• Alta impedancia de entrada.
• Baja impedancia de salida.
• Rendimiento ante el ruido y la interferencia.
• Si la ganancia en el preamplificador es alta, la relación señal-ruido (SNR) de la señal final es producto de la SNR de la señal de entrada.

Ahora que conocemos las características que debe tener un preamplificador ideal, es tiempo de conocer los tipos de preamplificadores que existen.

Tipos de preamplificadores

En el estudio de los preamplificadores, tenemos tres clases principales:

• Preamplificadores sensibles a la corriente.
• Preamplificadores de capacidad parásita.
• Preamplificadores sensibles a la carga.

A continuación, veremos las propiedades de cada una de estos tipos de preamplificadores.

Preamplificadores sensibles a la corriente

Este tipo de preamplificadores es ideal para aplicaciones donde se requieren sensores que generen una señal de salida medianamente grande y de un crecimiento constante y rápido a través de una impedancia de salida alta. Generalmente, en el diseño de este preamplificador se coloca una impedancia de 50 ohms; suele conectarse un cable coaxial de este valor a la salida del sensor o detector, con el objetivo de que el pulso de corriente del sensor genere el pulso de tensión deseado a través de la nueva carga, que es el cable coaxial, y medir los pulsos temporización que algunos sensores poseen, como las placas de fotomultiplicadores.

La carga de 50 ohms del preamplificador sensible a la corriente proporciona una transformación del impulso de corriente del sensor a un impulso de voltaje. Si el tiempo de subida del preamplificador es menor al tiempo de subida del sensor, la amplitud del pulso de voltaje en la salida del preamplificador se expresa de la siguiente forma:

En la anterior fórmula, lin hace referencia a la amplitud del impulso de corriente del sensor, mientras que A se refiere a la ganancia de voltaje del preamplificador.

Preamplificadores de capacitancia parásita

Estos preamplificadores son ideales para medir la amplitud de pulso o la electroscopia de sensores que generan señales de salida medianamente grandes, con tiempos de subida rápidos. Una de las características más importantes de este amplificador, es que tiene una impedancia de entrada de aproximadamente 5 Megaohms; debido a esto, el impulso de corriente que puede generar el sensor es integrado a la capacitancia parásita combinada, que se encuentra en la entrada del preamplificador y en la salida del sensor. La capacitancia parásita en estos preamplificadores va desde los 10 hasta los 50 pF.

Otra característica a tomar en cuenta en su aplicación, es que no se deben utilizar con sensores que sean semiconductores, debido a que los preamplificadores de capacitancia parásita tienen una ganancia en sensible a las variaciones de la capacitancia parásita.

Preamplificadores sensibles a la carga

Los preamplificadores sensibles a la carga son ideales para las aplicaciones de espectroscopia energética, en las cuales se utiliza mayoritariamente el fotodiodo. Este preamplificador es un elemento se encarga de acoplar la impedancia y cambia las características de la señal proveniente del sensor.

Es uno de los favoritos en la rama de los espectrométricos por contribuir con poco ruido al sistema en general, pues este ruido es controlado en el circuito por cuatro componentes básicos: un transistor de efecto de campo (FET) en la entrada del preamplificador (ideal por su bajo nivel de ruido), un elemento resistivo en la misma entrada donde se encuentra el transistor, las corrientes de fuga de entrada del sensor y del transistor y la capacitancia total de entrada.

Lo que acabamos de ver en esta sección, son los diversos preamplificadores que existen para algunos campos de aplicación, como es la electroscopia, por decir un ejemplo. Sin embargo, como te mencioné en la introducción, los preamplificadores tienen un uso especial dentro del mundo de la acústica y la música, pues por muchos tiempo fue un dispositivo independiente esencial para optimizar la calidad del sonido; por lo tanto, en los siguientes apartados nos centraremos en los preamplificadores en los sistemas de audio y sus características.

Preamplificadores en los sistemas de audio

Los preamplificadores orientados a la música siguen conservando el mismo concepto, el cual nos dice lo siguiente:

Los preamplificadores son un sistema electrónico que tienen la capacidad de aumentar el voltaje de una señal eléctrica, con el propósito de elevar su nivel y aumentar el control sobre dicha señal.

De esta forma, en los sistemas de audio los preamplificadores tienen la misión de elevar las bajas señales que proviene de micrófonos o transductores, incluso se llega a trabajar con sonidos de línea de bajos o guitarras. La misión del preamplificador es llevar estas bajas señales eléctricas a lo que se conoce como nivel o señal de línea, que de forma estándar, es de 0 dBV y 1 volt. Para que te des una mejor idea del trabajo que realiza el preamplificador, tienes que saber que el nivel de la señal de un micrófono va de los -60 dBV con 0.001 volts, a -40 dBV con 0.010 volts. Una vez nivelada la señal de audio inicial, es enviada a otra etapa de control de audio, como el amplificador.

Los preamplificadores de audio son más habituales de lo que crees, pues es un sistema que puedes encontrar fácilmente en los televisores, teléfonos celulares, algún equipo de música o un intercomunicador habitacional. La importancia de este dispositivo en el campo del audio es muy grande, sobre todo a la hora de la grabación, ya que este sistema es el primer peldaño entre la fuente de audio con sus diversos sensores o transductores, y en donde se almacenará ese audio. Otro punto que vale la pena destacar y que debes saber, es que tiene gran influencia en el sonido y sus propiedades, pues el preamplificador puede colorear el sonido, distorsionarlo o incluso hacerlo cristalino.

Al final, si se decide trabajar con un preamplificadores de audio, es importante saber elegir el preamplificador adecuado para el objetivo que se busca; de otra forma, puedes obtener en tu sonido un resultado muy contrario a lo deseado.

Ya que exploramos a detalle la definición y las características generales de los preamplificadores de audio, es turno de que me acompañes a conocer cuantos tipos de amplificadores de audio existen, y cuales son sus especificaciones. ¿Vamos?

Tipos de preamplificadores de audio

Dentro de los preamplificadores de audio, existen tres tipos de preamplificadores básicos, esenciales en el campo de la música:

• Preamplificadores valvulares.
• Preamplificadores de estado sólido.
• Preamplificadores integrados.

Preamplificadores valvulares

Este tipo de preamplificadores de audio se caracterizan por tener como componente esencial una válvula de vacío, la cual permite que el preamplificador tenga una respuesta lente a los impulsos, dando en el sonido resultante un toque de calidez y coloración. En función a la calidad de la válvula de vacío que se ocupe, se tendrá también un mayor brillo en los instrumentos y en las voces; por esto mismo, es frecuentemente seleccionado para remarcar frecuencias graves, percusiones graves, bombos, bajos y en la voz de los cantantes.

Comprar preamplificadores de válvulas de vacío

Preamplificadores de estado sólido o mediante transistores

Este tipo de preamplificadores también son conocidos como preamplificadores de transistores, y son los que más se han utilizado a lo largo de la industria musical. Uno de los rasgos característicos de este tipo de preamplificadores es que se puede obtener un sonido mucho más limpio, y poseen un mayor piso de ruido a comparación de los preamplificadores de válvula de vacío.

Una de las configuraciones más utilizadas para diseñar preamplificadores de este tipo, es la de la amplificación en modo emisor común, pues por su versatilidad es más fácil de construir. En este tipo de diseño, la señal de entrada es aplicada entre el emisor y la base, mientras que la señal amplificada es originada entre el colector y el emisor. Para lograr que la corriente de la base tenga control sobre la corriente del colector se necesita de la polarización, la cual puede ser de tres formas distintas:

• Polarización directa.
• Polarización por contrarreacción de voltaje.
• Polarización por divisor de tensión.

Descuida, que más adelante hablaremos de cada una de forma puntual.

Preamplificadores integrados

Este es uno de los preamplificadores especiales y más accesibles, pues una de sus mayores características es que es de bajo costo, pero logrando grandes resultados con el sonido que se planea trabajar. Sus características sobe el sonido son muy similares a las características que manejan los preamplificadores de transistores, que acabamos de ver anteriormente.

El preamplificador por defecto que se utiliza es el amplificador operacional (OPAM. Las configuraciones más usuales en los preamplificadores, son los siguientes:

• Amplificador inversor.
• Amplificador no inversor.

Los preamplificadores integrados más famosos son Amek y los Solid State Logic. 

Conocer los diferentes tipos de preamplificadores de audio que existen y sus características es muy importante, pues te puede dar una idea de cómo se realizan estos dispositivos electrónicos y, si algún día necesitas trabajar con alguno, sepas cual es el que más se ajusta a tus objetivos. Sin embargo, algo que debes saber y prestar atención, es que hoy en día la preamplificación ya no se maneja como un modulo independiente, pues muchos equipos de sonido ya traen incluido un preamplificador; por esto, te recomiendo observar muy bien las especificaciones de cada equipo que compres o necesites.

Dejando un poco de lado la teoría, pasemos al comienzo de la parte práctica con una pregunta: ¿Cómo diseñar electrónicamente un preamplificador de transistores? Y digo de transistores, pues es el que tiene mucha mas versatilidad para construirse como un elemento electrónico independiente y observar su funcionamiento. En el siguiente apartado aprenderemos con detalle todo esto. ¿Me acompañas?

¿Cómo diseñar un preamplificador de estado sólido? Circuitos y fórmulas

Como vimos en el apartado anterior, los amplificadores de estado sólido o de transistores dependen, de forma evidente, de una configuración de transistor. Generalmente la configuración que se utiliza en los preamplificadores de audio a base de transistores es la de amplificación en modo emisor común. Para lograr esto, necesitamos de una polarización, las cuales punteamos más arriba.

Para diseñar un preamplificador de transistores, debemos conocer los tipos de polarización, sus circuitos y formulas, para que al final con los datos de las señales de entrada podamos calcular el valor de las resistencias que debe tener nuestro arreglo. Por ahora, veamos a detalle las polarizaciones.

Polarización directa

A continuación, te muestro el circuito de esta polarización:

Recordemos que esta polarización directa esta en modo emisor común. Las fórmulas para calcular las diferentes propiedades del circuito son las siguientes:

• Corriente de emisor:

Donde:

• I_E= Corriente de emisor.
• I_C = Corriente de colector.
• I_B = Corriente de base.

Si deseas calcular los voltajes de la configuración, debes tomar en cuenta la caída de voltaje que existe entre la base y el emisor del transistor, la cual usualmente tiene un valor de 0.7v. Para calcular el voltaje de la base, utilizamos la siguiente fórmula:

Donde:

• V_B = Voltaje en la base.
• V_CC = Voltaje de la fuente de alimentación.

Para calcular la corriente que pasa por el colector, se utiliza la siguiente expresión matemática:

Donde:

• Beta = Ganancia del transistor (especificado por el fabricante).

Posteriormente de conocer la corriente de colector, ya podemos conocer el valor de la resistencia del colector con la siguiente fórmula:

Donde:

• V_CE = Voltaje entre colector y emisor.

Esas son todas las fórmulas esenciales para la polarización directa, ahora vamos a conocer de que se trata la polarización por contrarreacción de voltaje.

Polarización por contrarreacción de voltaje

El circuito perteneciente a esta polarización es este:

Si te fijas bien, en este tipo de polarización en la resistencia de colector (RC) circulan las corrientes de base (IB) y de colector (IC); esto nos da la pauta para poder calcular el voltaje del colector, viéndose matemáticamente de la siguiente forma:

Para calcular el voltaje de la base, puedes utilizar la siguiente fórmula:

Finalmente, para calcular la corriente de la base tenemos la siguiente fórmula:

Polarización por divisor de voltaje

Finalmente, el circuito de esta última polarización se ve de la siguiente forma:

En este tipo de polarización se utiliza un divisor de voltaje, el cual tiene como objetivo fijar un voltaje en la base del transistor por medio de RB1 y RB2.

Para empezar a conocer mejor las características de este circuito, comenzamos conociendo el voltaje de la base del transistor con la siguiente fórmula:

Antes de calcular la corriente de la base, debemos calcular la resistencia de Thevenin (RTH) por medio del calculo paralelo de RB1 y RB2. Matemáticamente, esto se ve de la siguiente forma:

Ahora si, podemos conocer como calcular la corriente de la base:

Para calcular la corriente en la resistencia de emisor (RE) utilizamos la siguiente fórmula:

Para conocer el voltaje de emisor, utilizamos esta expresión:

Finalmente, con todos estos datos, podemos calcular el voltaje entre el colector y el emisor:

En el siguiente apartado veremos un ejemplo en el cual tendremos que encontrar el valor de todas las resistencias del preamplificador para que funcione de forma correcta con los datos de las señales de entrada y salida. Vamos a utilizar algunas de las fórmulas que vimos anteriormente e introduciré algunas nuevas que nos ayudarán a cumplir con nuestro objetivo. Ven, veamos como se hace.

Ejercicio: ejemplo de como diseñar un preamplificador

Para nuestro ejercicio, tenemos el siguiente diseño:

Aquí el objetivo es encontrar el valor que deben de tener las cuatro resistencias para que el preamplificador funcione con la ganancia esperada. Para obtener esta última información, y conocer como debería trabajar este preamplificador, necesitamos tres datos esenciales sobre el preamplificador:

• Máxima amplitud de la señal que se va a aplicar a la base del transistor.
• Máxima amplitud de la señal que deseas como resultado en el colector.
• Máxima corriente del colector.

Para conocer el primero de estos datos, solo basta con saber cual es el valor de la señal de entrada del preamplificador; en nuestro caso, el voltaje de entrada (Vin) es de 0.030 volts (una señal muy débil), para posteriormente obtener una señal de salida de 0.5 volts de amplitud máxima, todo alimentado por 12v. ¿Qué ganancia deberá proporcionar la preamplificación? Una de las maneras de averiguarlo, es dividir el valor de la señal de salida con el de la entrada; en nuestro caso, quedaría como 0.5v entre 0.03v, quedando 16.67 veces de ganancia. Esta ganancia significa que la señal de entrada se tiene que amplificar 16.67 veces para llegar a los 0.5 volts. Matemáticamente esto se ve de la siguiente manera:

Para conocer la máxima corriente de colector es muy sencillo, pues muchas veces viene especificado en el propio transistor a utilizar. En este ejemplo vamos a utilizar el BC548C, que tiene una máxima corriente de colector (ICmax) de 100 mA y una ganancia de corriente (Beta) de 400.

Por último, este preamplificador es de elevada ganancia, pues se va a escoger un valor de corriente 150 veces menor a la corriente máxima del colector.

Ya con estos datos, podemos empezar a calcular las resistencias. Comenzaremos calculando la corriente de colector del transistor.

Ya con estos datos, podemos calcular el valor de las resistencias R3 y R4:

Para la resistencia cuatro:

Para conocer el valor de la resistencia 1 (R1) y la resistencia 2 (R2) necesitamos obtener  el valor del voltaje de emisor del transistor y el voltaje de base, lo cual se hace de la siguiente forma:

• Voltaje de emisor (VE).

• Voltaje de base (Vb).

Posteriormente, debemos averiguar el valor de la corriente de polarización (Ip) que pasa por R1 y R2. Este valor es igual a la corriente de base (Ib) multiplicado por 10, así que primero encontraremos el valor de Ib:

Ahora que ya tenemos la corriente de base, podemos calcular la corriente de polarización:

Ya hecho todo esto, ya podemos pasar a calcular R1 y R2:

• Para la resistencia 1 (R1).

• Para la resistencia 2 (R2).

Finalmente, el diseño de nuestro preamplificador nos queda de la siguiente manera:

Como pudiste observar, aplicar las ecuaciones y las expresiones matemáticas para diseñar un preamplificador de transistores con polarización básica es muy fácil, pues el único detalle es saber el valor de los voltajes del transistor que queramos manejar, así como sus propiedades de ganancia máxima y los valores que tendremos en la entrada del transistor y el valor que queremos obtener.

Vídeo del preamplificador

Si has llegado hasta aquí, quiero felicitarte por tu dedicación y entrega hacía este magnífico y extenso tópico que son los preamplificadores, pues son un sistema muy complejo e incluso difícil de comprender si nos metemos en lo profundo de su funcionamiento, sobre todo en aquellos preamplificadores de estado sólido o de transistores; sin embargo, creo firmemente que el conocer como se diseña un preamplificador y calcular el arreglo de resistencias que debe llevar e circuito te ayudó de mucho para entender como trabajan de forma electrónica estos componentes.

Podemos concluir que los preamplificadores son una parte esencial en el campo de la música y en el proceso de control de audio, e ignorar esta etapa es un error muy grande, pues tiene muchísima influencia en el sonido resultante. Existe una variedad de marcas de preamplificadores en el mercado, donde algunas ofrecen más que otras, pero un punto importante a rescatar que se enseñó en este artículo, es que debes saber con firmeza cuáles son tus objetivos al hablar de sonido; debes saber cómo quieres que la señal de audio final sea percibida y escuchada por los demás. Teniendo en cuenta esto, ahora si puedes ir en busca de que preamplificador es el mejor para ti, incluso más allá de una marca, saber que configuración y que topología te conviene más. Sin duda alguna, los preamplificadores han sabido tomar su lugar en un campo tan inmenso como lo es la acústica, y seguirá siendo así por mucho tiempo.

Antes de despedirme, te dejo algunos puntos importantes que vale la pena recordar en esta racha final, para irnos con algunos conceptos frescos, ¿te parece?

• Un preamplificador se define como un sistema electrónico que permite aumentar el voltaje de una señal inicialmente débil para que pueda ser procesada en etapas posteriores.
• En los preamplificadores de audio, las señales iniciales pueden provenir de transductores como micrófonos o incluso de instrumentos musicales.
• Aparte de la aplicación estrella que tiene el preamplificador en el campo de la música, estos dispositivos también se utilizan en la electroscopia y en el control de rayos gamma.
• Existen tres tipos de preamplificadores de audio: valvulares, de estado sólido e integrados.
• Los preamplificadores de audio valvulares tiene la característica de crear un sonido final muy colorado.
• Los preamplificadores de estado sólido entregan un sonido mucho más limpio o cristalino.
• Los preamplificadores operacionales tiene las mismas características que los preamplificadores de estado sólido; no obstante, estos son más pequeños y baratos.
• Los preamplificadores más conocidos son los de estado sólido o de transistores, por sus características de sonido y su versatilidad en el diseño.

Así es como hemos llegado al final de este artículo, espero te haya gustado y hayas aprendido mucho hoy. No olvides compartirlo con tus amigos o con alguien quien creas que le servirá de mucho o sea apasionado de la música y de la electrónica. Te invito a que explores más artículos relacionados a este, estoy seguro de que te van a gustar.

Jamás dejes de aprender, y aplicar lo aprendido.

¡Hasta la próxima!