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Fecha: 23 Ago 1997

La página de efectos analógicos

Delay, eco, reverberancia

Un delay se fabrica facilmente con una línea de retardo analógica de tipo BBD; la reverberancia obtenida mediante este sistema es muy pobre, ya que carece de realismo. Para un buen reverb recomiendo el sistema de resortes.
No voy a discutir aquí el teorema del muestreo de Nyquist, baste decir que deberemos samplear a una frecuencia mayor del doble de la componente más alta que encontremos en la fuente de señal. Para el caso de una guitarra, podemos reducir el ancho de banda a 5 ó 6 KHz, por lo que una señal de 10/12 KHz será el mínimo para nuestro reloj, obteniendo un retardo máximo de unos 25 ms. en un TDA 1022 (no nos sirve) y unos 250 ms en un MN3005.
La verdad, que como eco es bastante poco, apenas si sirve para un par de efectos de delay. El mejor eco se logra con una unidad de cinta sin fin
El diagrama en bloques es sencillo: la señal pasa primero por un filtro anti-alias, que limita el ancho de banda de la señal a la mitad de la mínima frecuencia a usar como reloj, y entra luego a la línea de retardo. La salida se filtra luego para eliminar los restos de la señal de reloj y se realimenta a un sumador en la entrada para lograr la repetición, a la vez que se la suma a la señal original antes de dejar el efecto.
Para mejorar la pobre relación señal/ruido del BBD, se suele intercalar un compresor/expansor a fin de que la línea de retardo trabaje con señales más fuertes.
El tiempo de delay se ajusta variando la frecuencia del oscilador de reloj.

Flanger

El flanger es idéntico al delay, excepto que para lograr el delay variable, se reemplaza al oscilador de reloj por un VCO, que es a su vez modulado por un LFO (Low Frequency Oscillator) cuya señal sea preferentemente triangular.
Por los problemas que tienen los BBD, el efecto de flanging obtenido es bastante pobre, siendo preferible la implementación digital o con DSP. El BBD a utilizar debería tener pocas etapas, como para poder lograr retardos muy cortos y como máximo 10 ms. El TDA1022 no suele ser el más apropiado, pero funciona. He visto algunos circuitos con MN3007, pero no tengo información acerca del chip.

Chorus

El chorus es idéntico al flanger, excepto que se elimina la realimentación, y el LFO da mejores resultados si es senoidal Aún con los problemas que tienen los BBD, el efecto de chorus obtenido es bastante bueno, aunque resulta inferior al obtenido mediante la implementación digital o con DSP.
El TDA1022 da muy buenos resultados como BBD para chorus, siempre que no se pretenda exceder los 25ms de delay. El MN3005 resulta de un delay un poco excesivo, pero se tiene la ventaja de poder trabajarse con mayor ancho de banda para el mismo delay.

Pitch shift o Desplazamiento de frecuencia

Es posible realizar uno de estos bichos con un chorus, en el cual el LFO es un diente de sierra lineal. No obstante, el efecto no es del todo agradable. La implementación con dos chorus en contrafase resulta teóricamente posible, no obstante no la he probado y no creo que las técnicas analógicas sean las apropiadas para esta tarea.

Reverberancia

Se logra una excelente cámara de reverberancia con un par de resortes de distinta longitud (y constante k) conectados a un par de trasductores. Se excita al trasductor de entrada con un amplificador de potencia (0,5W bastarán), y éste transmite la señal a los resortes. En el otro extremo se recoge la señal con el otro trasductor y se envía a un amplificador diferencial (para evitar el zumbido). Debe tenerse cuidado de limitar los bajos en el amplificador excitador y ecualizar correctamente el amplificador diferencial. Esto se debe a que los trasductores son bobinas, es decir, inductores. Estamos excitando a un inductor con una fuente de tensión, entonces la corriente que circula a través del inductor inducirá un flujo magnético que moverá una pieza ferromagnética conectada al resorte. Este flujo será directamente proporcional a la corriente, y la corriente será inversamente proporcional a la frecuencia, entonces, para compensar esto, el amplificador excitador deberá tener una respuesta en frecuencia directamente proporcional a la frecuencia, al menos dentro del rango de audio que se necesita. A la salida, se produce el proceso inverso, ahora la pieza ferromagnética se mueve dentro de un campo magnético, induciendo una tensión proporcional a la derivada de la variación del flujo magnético, lo que implica una directa dependencia de la frecuencia, ya que d(sin(wt))/dt = w cos(wt). Por razones constructivas, este comportamiento es de algún modo atenuado, por lo que una transferencia de tipo 1/f no es necesaria. Experimentar con nuestra cámara en particular suele ser la mejor opción.

Eco

El mejor eco se logra con un grabador de cinta de 3 cabezas y una cinta sin fin: una cabeza borra, otra graba y la tercera reproduce. El tiempo de eco es el que tarda la cinta en pasar de la cabeza de grabación a la de reproducción (el largo del cassette si ponemos primero la de reproducción y luego la de grabación en el sentido del recorrido de la cinta). El retardo se varía variando la velocidad de la cinta.

Compresión, expansión , compresión-expansión, compresores/limitadores, downward expanders y noise-gates.

Existen circuitos integrados que implementan la función compresión/expansión, como el NE570/1/2, sin embargo, resultan sumamente malos para compresores/limitadores y downward expanders o noise-gates.
Para realizar uno de estos efectos, se necesita un circuito analógico que realice la función de calcular el logaritmo para obtener el valor de la señal en dB. Esto es bastante problemático, ya que este tipo de circuitos debe trabajar explotando la transferencia exponencial de un diodo o un transistor, la cual a su vez es dependiente de la temperatura.
La reducción de la ganancia implica la existencia de un atenuador controlado por tensión, puede utilizarse un FET como resistencia variable, pero un VCA hecho con un OTA (Operational Transconductance Amplifier) como el CA3080 suele ser mejor elección.
Existen circuitos integrados como el SSM2120 de Analog Devices que realizan todas las funciones necesarias, la implementación discreta es posible, pero resulta complicada. Por razones de tiempo, aún no he podido probar mi desarrollo discreto.
Una solución muy simple si no requiere extrema precisión, resulta el conectar un FET como resistencia variable en el lazo de realimentación de un amplificador operacional, y controlarlo a su vez con los picos integrados de la señal de salida, de modo que el FET disminuya la ganancia cuando la señal aumenta y la aumente cuando ésta disminuye.

Phaser o phase shifter

El phaser se construye con algunas redes desfasadoras en cascada, 4 ó 6 son suficientes. La variación del desfasaje se logra reemplazando la resistencia R por un FET, el cual es a su vez controlado por un LFO. Este FET, conectado como resistencia variable, necesita una señal de bajo nivel para no generar excesiva distorsión, por lo que este circuito tiende a distorsionar si se lo excita con señales elevadas. El LFO suele ser un diente de sierra, para compensar la ley de variación del FET; resultando una aproximación aceptable.

Aclaraciones y explicaciones adicionales

Línea de retardo BBD

Una línea de retardo BBD es una cadena de capacitores que intercambian cargas a un ritmo marcado por una señal de reloj.
BBD significa Bucket Brigade Delay, literalmente, "retardo a brigada de baldes". Es una analogía del intercambio de cargas con el pasaje de baldes de agua, donde el agua representa las cargas. Se llena un balde en la última etapa hasta el máximo, y en la primera etapa se lo llena con el nivel de señal. Al ritmo del reloj , se vacían de la salida hacia la entrada todos los baldes sobre su compañero. Si tenemos dos baldes, el balde #1 tiene la señal de entrada y el balde #2 está lleno hasta el tope. Al vaciar el contenido del #2 sobre el #1, éste se llena hasta el tope, por lo que en el #2 queda el contenido que antes tenía el #1, dado que entregó a éste la diferencia para lllenarlo. Extendiendo el número de baldes, entendemos como se logra el retardo.
El retardo obtenido depende de la cantidad de etapas (capacitores) y del período de la señal de reloj: Td = #etapas / Freloj. Hay circuitos comerciales como el TDA1022 que tiene 512 etapas, el MN3005, y otros que nunca pude conseguir...
Esencialmente, el reloj que necesitan suele ser de dos fases, por lo que el retardo obtenido será Td = #etapas / (2 * Freloj)
En general, no soportan una Freloj de más de 1MHz, y mucho antes ya empiezan a distorsionar la forma de la señal, debido al tiempo que demoran los capacitores en transferir las cargas.
Tienen un rango dinámico bastante reducido, ya que el ruido a la salida es bastante alto y no toleran una señal de entrada muy grande (~Vcc/3). Un TDA1022 produce un retardo mínimo de unos 500 useg, pero la amplitud de la señal de salida es bastante baja, y la distorsión bastante elevada.

Amplificador logarítmico

Un diodo en el lazo de realimentación de un operacional resuelve este problema: la ecuación del diodo es Id = Is * e ^ (Vd * q/kT), el circuito presenta entonces Vo = Vd = kT/q * ln( Vi / (R * Is)), ya que Id = Vi/R.
El problema es que no sólo tenemos dependencia de la temperatura, sino que la presencia del término R * Is torna prácticamente inusable el resultado, introduciendo una fuerte dependencia a parámetros constructivos y también a la temperatura...
Se recurre entonces a utilizar un par de transistores apareados con sus emisores unidos, entonces, sabiendo que Ic = Is e ^ (Vbe * q/kT), resulta Vo = kT/q * (R4/R3 + 1) * ( ln(Vi / R1) - ln(Iref)). De este modo, buscando que (R4/R3 +1) tenga una característica 1/T (insertando un termistor), se compensa la deriva térmica introducida por el término kT/q.
Glosario: k es la constante de Boltzmann; q es la carga del electrón; T es la temperatura ansoluta; Is es la corriente inversa de saturación.

FET como resistencia variable

Para valores pequeños de señal (menos de 300mV) entre drain y source, el circuito de la figura presenta una resistencia drain-source inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la tensión de control. La red de realimentación se introduce para eliminar la distorsión de segunda armónica, introduciendo distorsión de tercera armónica pero en mucho menor grado, resultando aceptable para los valores indicados de señal. La única condición es que R sea mucho mayor que la rds a utilizar y a la vez la reactancia capacitiva de C sea mucho menor que R a la frecuencia de trabajo. Se llama 'ron' a la resistencia rds que se mide cuando la tensión de control es cero. Vp es la tensión de estrangulación (de corte) del FET, y como ron, es un parámetro constructivo.

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