Electrónica Básica: Previo de audio con CD4069B

Entre las cosas interesantes que se suelen ver a menudo en la electrónica de consumo, es el modo en que los ingenieros exprimen al máximo sus recursos y logran crear circuitos muy sencillos, en ocasiones con componentes que en su concepción original, fueron ideados para cumplir funciones muy diferentes. Observa como este séxtuple inversor CMOS CD4069B (exacto, un circuito lógico – digital) puede trabajar como un eficaz previo (pre-amplificador) de audio de alta calidad y aprovechando que estamos trabajando con sonido, nada mejor que verlo en acción, incorporado en un sencillo indicador de nivel de audio. ¿No lo conocías? Sorpréndete

Este simple circuito integrado, el CD4069B, que siempre fue tan útil en aplicaciones dedicadas a circuitos lógicos, como inversor de estado (de cero a uno y viceversa) tiene tantos años en el mercado como los más antiguos circuitos de puerta aislada, CMOS de la misma línea 40XX. El uso que hemos otorgado siempre a este tipo de circuito integrado fue el que aprendimos en los centros de estudios y el que observamos en las publicaciones técnicas de antaño: la función lógica. Recordemos que los circuitos CMOS datan de los años 1960 y tuvieron la misión, junto a los circuitos, también lógicos pero de tecnología TTL, de salir al mercado para intentar reducir los tamaños de los complejos y enormes sistemas transistorizados de la época. Durante los años 1950 (pleno auge del control transistorizado) una placa de 20 cm x 20 cm constituía lo que en 10 años más tarde pasaría a ser un simple circuito integrado TTL o CMOS de 7 pines por lado. Algo como esto.

El reinado y extenso campo de acción del CD4069B estuvo siempre en los circuitos lógicos. En un único encapsulado se podían almacenar hasta seis circuitos inversores de señal lógica y los precios irrisorios a los que llegaron a caer estos componentes, catapultaron aún más su proliferación en circuitos de control electrónico, donde la lógica dictaminaba el funcionamiento. “Si – No”, “1 – 0”, “Verdadero – Falso”. Sin embargo y gracias a gente curiosa e investigadora como tú, el diseño elemental de una “compuerta inversora” permitiría su aplicación en un campo no previsto: el audio. Gracias a la disposición interna de los transistores MOS complementarios que le dan estructura interna, el circuito básico de una “unidad” ofrece la posibilidad de trabajar, dentro de un rango lineal de señales (como es el caso del audio), agregándole una realimentación adecuada y controlada,  para evitar la saturación de los transistores tipo P y N que forman el par CMOS interno de cada compuerta. De hecho, en los viejos manuales y hojas de datos; la idea de diseño o “concepto”, ya estaba presente invitando a su estudio.

En los primeros lugares que tuvieron una buena acogida fue en el diseño de los circuitos preamplificadores de señal de micrófono, dedicados a usos en telefonía y en previos RIAA, empleados para amplificar y ecualizar, en forma correcta, el audio obtenido de la reproducción de los discos de vinilo. Luego, cuando la efectividad obtenida, tras años de pruebas y ensayos demostrando confiabilidad y extrema sencillez constructiva, hicieron que el circuito fuera adoptado por la casi totalidad de fabricantes de teléfonos inalámbricos y desarrolladores aficionados alrededor de todo el mundo. Por supuesto que un circuito transistorizado (y muy sencillo por cierto) también se puede utilizar para el mismo fin. Además, existen en el mercado otros circuitos integrados diseñados para esta función específica de pre-amplificar el audio de un micrófono a condensador (electret). Sin embargo, el encanto de resolver problemas con elementos no dedicados al uso para los que fueron creados, en ocasiones, suele ser muy interesante, curioso, aleccionador y por que no, innovador en la materia.

El circuito utilizado para transformar el par complementario de salida CMOS en un sistema amplificador de audio se basa, como mencionamos antes, en un pequeño indicio que los desarrolladores de estos circuitos integrados nos señalaron desde el comienzo: Colocar una resistencia de alto valor para realimentar la salida sobre la entrada (con un desfasaje en la señal de 180°). De este modo, se lleva a los transistores a un punto de trabajo lineal, es decir, de amplificación sin llegar al punto de saturación. Vale aclarar que esto solo es válido para este circuito integrado, debido a sus características constructivas. Otros circuitos CMOS poseen una diferente circuitería interna que hacen imposible el procesamiento de  señales de audio y mucho menos aún, los circuitos integrados de tecnología TTL. Sólo éste, el CD4069B, gracias a su sencillez, permite jugar con audio.

Pasando al circuito, vemos que podemos “encadenar” o “sumar” varias etapas de amplificación de acuerdo a nuestras necesidades. Para nuestro ejemplo, sólo dos fueron suficientes para alcanzar el rendimiento esperado. Incluso, siguiendo técnicas de filtrado activo, como las empleadas en amplificadores operacionales (que no son objeto de análisis en este artículo de Electrónica Básica), se pueden obtener curvas de amplificación con énfasis en determinadas gamas (o porciones) de frecuencias para construir filtros activos, aprovechando algunas puertas en desuso dentro de un circuito de mayor complejidad. Para nuestra tarea, este circuito, es tan satisfactorio como lo que has visto en el primer video.

La alimentación que hemos propuesto para energizar todo el dispositivo parte de una batería de 9Volts  y las realimentaciones utilizadas en las “etapas de amplificación” (¿no suena extraño, sabiendo que estamos hablando de un circuito lógico – digital?) son hechas con simples resistencias de carbón de 470K acopladas entre sí por una resistencia de 1K. Para aquellos teóricos / estudiosos que deseen comprender mejor las ecuaciones y los cálculos relacionados con la ganancia de cada etapa e incluso, si desean ver más aplicaciones con este tipo de inversores CMOS (conversores A/D, Osciladores, Filtros Pasa-Bandas, etc.), al final del artículo dejamos un enlace de descarga a un excelente material teórico con el que podrán avanzar más en los diseños y sus estudios. Nuestra meta hoy es amplificar un micrófono a condensador (electret), divertirnos con ello mientras construimos un PCB (que también te facilitamos el PDF para realizarlo) y armamos un indicador de nivel de audio con entrada por micrófono, con una entrada adicional para cualquier aplicación que requiera de un indicador de nivel. Aquí tienes el circuito completo.

La parte del indicador de nivel, a primera vista puede asustar un poco, pero analizando lo que ya hemos visto en entregas anteriores, donde hablamos de circuitos con LEDs, nos encontramos con transistores que se encargan de actuar como interruptores para que cada LED encienda. La corriente máxima de cada LED estará controlada por las resistencias colocadas en serie y los transistores se activarán de acuerdo a la tensión y corriente que tengan en sus respectivas “Bases”. Observa este punto: además de la resistencia que posee cada Base en serie, tenemos diodos 1N4148 que, a medida que avanza la conexión hasta el último LED, formarán una serie que provocará una caída de tensión (muchas junturas en serie) con el resultado de que al último transistor le llegará “la última parte” de la señal. En términos prácticos, esto es, el nivel más alto de señal de entrada. Aquél nivel que superó todos los diodos y llegó a activar el último transistor.

Otro detalle a notar es que las resistencias (de Base de cada Transistor) disminuyen su valor al acercarnos al último LED. Esto también se debe a la explicación anterior. La tensión final será muy baja y para que exista una corriente que sea capaz de activar el transistor, por lo tanto, la resistencia deberá ser de menor valor a las anteriores. Por ejemplo, si decidiéramos bajarle el valor a todas las resistencias de las bases de los transistores, la señal necesaria para que el sistema trabaje en forma normal deberá ser menor. ¿Por qué? Porque las junturas Base – Emisor llegarían a su activación (tensión 0,5 a 0,7Volts), (repasemos los artículos anteriores) con menor tensión ya que las resistencias de Base serán de menor valor y por Ley de Ohm la corriente (de Base) será mayor. No olvidemos que estamos trabajando con transistores BJT y estos necesitan de una determinada corriente de base para entrar en saturación (en esta aplicación). ¿Por qué utilizamos este tipo de indicador discreto (con transistores individuales) y no un circuito integrado dedicado (LM3914/LM3915)? Pues para que podamos ver entre todos la tarea que cumplen los diodos 1N4148 y cómo se podrían colocar dos o más en lugar de uno, o sobre las variaciones que tienen las resistencias de Base a medida que avanzamos hacia el último LED, es decir, para ver un circuito y jugar con él. Si hubiéramos buscado otra clase de efectividad, hubiéramos comprado un módulo hecho o lo hubiéramos construido con un PIC.

El resto es jugar, divertirnos, ampliarlo, mejorarlo, utilizar esto en una corbata en una fiesta (¡Tendrás tu audio-rítmico propio!) o hacerlo SMD y colocarlo en un par de gafas, para que los LEDs se enciendan desde el centro hacia fuera y mucho más. Es decir, las ideas locas ahora te tocan a ti y con ellas sorprendernos.