Preamplificador de micrófono piezoeléctrico con alimentación phantom

Preamplificador de micrófono piezoeléctrico con alimentación phantom

Este circuito amplifica la señal de un micrófono piezoeléctrico y se alimenta directamente de la tensión phantom que proporcionan las mesas de mezcla y las interfaces de audio. Utiliza los dos amplificadores del OPA1678 (U1A y U1B) en configuración simétrica de espejo: U1A entrega la señal en fase y U1B la señal invertida, formando una salida en modo diferencial.

El OPA1678 es un amplificador operacional dual de audio de alta fidelidad con muy baja distorsión (THD+N de 0,00013 %), bajo ruido (4,5 nV/√Hz) y ancho de banda de 10 MHz. Su rango de alimentación de 4,5 a 36 V y su bajo consumo (1,6 mA por canal) lo hacen ideal para circuitos alimentados por phantom power.

Cómo funciona

Alimentación desde phantom power

La tensión phantom llega por el conector J1. El diodo zener ZD1 (24 V) actúa como limitador de protección: fija la tensión máxima que puede llegar al OPA1678 para no exceder su tensión máxima de alimentación, pero no regula la tensión (por debajo de 24 V el zener no conduce y el chip trabaja con la tensión disponible). El condensador C2 (0,1 µF) desacopla la alimentación, y C1 (22 µF) proporciona reserva de corriente para los picos de la señal de audio. Las resistencias R1 y R2 (1,2 kΩ cada una) limitan la corriente desde la línea phantom, siguiendo el esquema estándar de alimentación phantom balanceada.

Rama no inversora (U1A)

El micrófono piezoeléctrico MIC1 se conecta a la entrada inversora de U1A a través de una red de acoplamiento. Los condensadores C5 (22 µF) bloquean la componente de continua. Las resistencias R3 y R4 (1 MΩ cada una) proporcionan la polarización de la cápsula piezoeléctrica y definen la impedancia de entrada, que debe ser alta para preservar la respuesta en graves del transductor.

El diodo D1 (TPD1E1B04) protege la entrada del amplificador contra descargas electrostáticas (ESD) que podrían llegar a través del cable del micrófono.

Las resistencias R5 y R6 (100 kΩ cada una) forman un divisor que establece el punto de polarización de la entrada no inversora. El condensador C3 (390 pF) forma parte de la red de compensación de frecuencia.

U1A está montado en configuración inversora, con R14 como resistencia de entrada y R7 como resistencia de realimentación. Su ganancia es:

$A_{v,\,U1A} = -\frac{R_7}{R_{14}}$

El signo negativo indica el desfase de 180° que introduce esta rama.

Rama inversora (U1B) — salida diferencial

U1B es la rama espejo de U1A: recibe la misma señal de entrada del micrófono (a través de su propia red de acoplamiento) y trabaja con la misma topología inversora, pero con la señal aplicada en sentido opuesto. El resultado es que la salida de U1B es la inversa exacta de la salida de U1A.

Las dos salidas (U1A y U1B) forman así una señal diferencial: la información de audio útil es la diferencia entre ambas, mientras que cualquier ruido común (interferencias, ruido de la alimentación phantom) aparece igual en las dos ramas y se cancela en el receptor. Este esquema entrega el doble de amplitud útil que una salida single-ended y mejora enormemente la inmunidad al ruido en cables largos.

Los condensadores C3 y C4 (390 pF), en paralelo con las resistencias de ganancia de cada rama, fijan el ancho de banda del amplificador. Debe ser suficientemente amplio para mantener una respuesta plana en toda la banda de audio, pero no tanto como para dejar pasar ruido de alta frecuencia o comprometer la estabilidad de la etapa: la capacidad propia del micrófono piezoeléctrico, junto con el cable, puede favorecer la oscilación si el ancho de banda del bucle es excesivo, y estos condensadores lo limitan al rango útil.

Salida

Las dos ramas se llevan al conector de salida J2 en modo diferencial (una al pin caliente y la otra al pin frío), lista para conectarse a una entrada balanceada de una mesa de mezcla, interfaz de audio o grabadora.

Micrófono piezoeléctrico vs. electrodinámico

Característica	Piezoeléctrico	Electrodinámico
Impedancia de salida	Muy alta (>1 MΩ)	Baja (150–600 Ω)
Señal de salida	Muy baja	Baja a media
Respuesta en frecuencia	Extensa, con pico de resonancia	Más plana
Aplicación típica	Instrumentos acústicos de contacto	Voz, instrumentos a distancia

El piezoeléctrico necesita una impedancia de entrada alta (R3, R4 = 1 MΩ) para no perder graves. Un preamplificador genérico de baja impedancia atenuaría las frecuencias bajas del transductor.

Protección ESD

El diodo D1 (TPD1E1B04) es un protector ESD de TI diseñado específicamente para líneas de señal sensibles. Soporta descargas de ±8 kV por contacto y ±15 kV por aire según IEC 61000-4-2, con una capacitancia parásita de solo 0,5 pF que no afecta a la señal de audio.

Alimentación phantom

La alimentación phantom se suministra a través de las resistencias R12 y R13 (100 kΩ cada una) del lado de la mesa de mezcla, por los mismos conductores que transportan la señal de audio. Este circuito extrae la corriente necesaria (unos pocos mA) de esa tensión a través de R1 y R2 (1,2 kΩ), la limita con ZD1 (24 V) y la filtra con C1 y C2.

Los 24 V del zener representan la tensión máxima que puede aparecer en la alimentación del OPA1678, no un valor regulado: si la fuente phantom entrega menos tensión, o la caída en R1/R2 es grande por consumo, el chip se alimentará con menos de 24 V y funcionará igualmente (su rango operativo es 4,5 a 36 V). El papel de ZD1 es evitar que se supere el límite superior en ningún caso.

Aplicaciones

• Micrófono de contacto para instrumentos acústicos. Captación de guitarra, violín, piano o percusión pegando un transductor piezoeléctrico al cuerpo del instrumento.
• Micrófono de campo. Grabación de ambiente, naturaleza o efectos de sonido con un piezoeléctrico encapsulado, alimentado directamente por la grabadora.
• Hidrofonía. Los hidrófonos piezoeléctricos captan sonido bajo el agua; este preamplificador proporciona la impedancia de entrada y la ganancia necesarias.
• Sensores de vibración. En diagnóstico de maquinaria, los piezoeléctricos captan vibraciones mecánicas que este circuito amplifica para su análisis.
• Instalaciones de arte sonoro. Micrófonos de contacto distribuidos en superficies (paredes, cristales, metal) amplificados individualmente por phantom power.