Preamplificador micrófono electret: operacional

Viendo las estadísticas del blog me sorprende la cantidad de gente que busca un preamplificador para micrófono. Creo que sería bueno publicar algunas entradas al respecto.

Siempre que necesitemos captar una señal tenemos que cuidar todo el recorrido desde su origen hasta que la registramos. En particular para una señal sonora me refiero a cosas como:
  • Un buen acondicionamiento, observar las condiciones ideales para generar la señal con el mínimo ruido. Esto incluye por ejemplo una cámara anecoica, o una habitación silenciosa, aislar el sistema de vibraciones mecánicas, etc. Cuando sea posible, utilizando un micrófono direccional impedimos que se capten señales de ruido ambiental. Si captamos ruido en una fase tan temprana será casi imposible eliminarlo luego, así pues buscaremos los medios para que la señal que captemos sea lo más limpia posible.
  • Un micrófono adecuado. Y no significa el más caro que haya. A veces es mejor un micrófono de carbón, otras veces es preferible uno de condensador o un electret. ¿Direccional u omnidireccional? ¿Cual es la impedancia de salida? ¿Y la máxima presión sonora? ¿Preamplificado o no? Si no está bien blindado además podría captar ruido eléctrico que, una vez amplificado, puede enmascarar la señal útil.
  • Conductores blindados. Hay que poner especial atención a no captar ruido a través de los cables que conectan el micro con el preamplificador, y las distintas etapas entre sí.
  • Un preamplificador de bajo ruido. Dependiendo del origen de la señal puede que esta sea muy débil y usemos varias etapas amplificadoras en cascada. Es importante minimizar el ruido sobre todo en las primeras para no amplificarlo junto a la señal.
  • Tratamiento posterior. Ya registremos la señal en un PC o la enviemos a un grabador, amplificador, etc. tal vez tengamos que aplicar distintos filtros. Estos dependen de las características de la señal que nos interese.

En esta entrada hablaré de los preamplificadores, y más concretamente de los basados en operaciones.


No voy a explicar lo que es un amplificador operacional, si no lo conocéis podéis mirarlo en la Wikipedia y en alguno de los enlaces externos de tal página.

Alimentación dual y simple
Primero explicaré cómo se hace la alimentación. Muchas veces para simplificar el diagrama se omite esta parte. Los amplificadores operacionales en general funcionan con tensión dual. Es decir, para alimentarlos tenemos que tener 0, +V y -V. Sería algo así:
Pero a menudo sólo tenemos una fuente de alimentación sencilla, 0, y +V, como una pila. Cuando medimos tensiones siempre fijamos un punto de referencia y puesto que lo que medimos son diferencias de potencial el 0 es un punto arbitrario, depende de donde pongamos la punta negra del polímetro medimos una tensión u otra.

El truco para usar operacionales en circuitos que no disponen de tensión dual es crear una tierra artificial. Usando un divisor resistivo con dos resistencias de igual valor el nodo intermedio estará justo a la mitad de la tensión de alimentación.

Suponed que tenemos una batería de 9V. Ponemos nuestra referencia, la punta negativa del polímetro, en el borne negativo. Medimos 0V en el hilo negativo, normal, no hay diferencia de potencial entre nuestra referencia y ella misma. Medimos 4.5V en el punto medio, y 9V en el borne positivo de la pila. Ahora cambiamos nuestra referencia y situamos la punta negativa en el punto intermedio. Mediremos -4.5V en el borne negativo de la pila, 0V en el punto de unión y +4.5 en el superior.

Esa será la tensión de referencia que vea el operacional. Cuando usemos una pila de 9V este creerá que lo estamos alimentando con una tensión dual de ±4.5V. El valor de las resistencias no es crítico pues las entradas apenas requieren corriente, basta con que haya una tensión estable. A veces se añaden dos condensadores de pequeña capacidad en paralelo con las resistencias, su función es absorber cualquier transitorio; normalmente se pueden eliminar sin problema, y sólo son precisos cuando la alimentación es especialmente ruidosa, como por ejemplo en un coche. Su valor tampoco es crítico, del orden de nanofaradios.

Otra opción para nuestra tierra artificial es usar otro operacional con las entradas unidas. El amplificador de la imagen tiene ambas entradas al mismo potencial luego su salida debe ser 0V (con un mínimo offset). Pero el operacional cuenta con que está alimentado con tensión dual, su salida será 0 referido a esta tensión dual. Realmente la salida será tal que haya el mismo potencial entre esta y la tensión positiva de alimentación, que entre esta y la tensión negativa. En la práctica eso es justo la mitad de la tensión de alimentación, que es lo que queríamos.

El problema de usar la tierra artificial para la entrada no inversora, es que no está al mismo potencial que la tierra real, la que conectamos a la tierra de otros circuitos a la entrada o la salida (como el micrófono o la tarjeta de sonido). En el circuito anterior la tierra artificial (punto medio del divisor) estaba 4.5V por encima de la tierra real (polo negativo de la pila). Es preciso eliminar la componente continua a la entrada y a la salida y dejar sólo la señal alterna. Eso se consigue interponiendo un condensador y se llama acoplamiento en alterna.


El valor de estos condensadores determinará la frecuencia mínima que puede amplificar nuestro circuito, pues actúan como filtro paso alto. Si tienen muy poca capacidad las frecuencias bajas serán muy atenuadas. Si son demasiado grandes tendrán pérdidas importantes y tampoco queremos eso. Se suele usar un valor de entre 100nF y 10µF.

Amplificador inversor

Este tipo de preamplificador es el más utilizado para conectar un micro electret. Es muy fácil de construir. Sus propiedades vienen descritas en muchos sitios, aquí por ejemplo.

En este esquema podéis ver un típico amplificador inversor de ganancia  Rf / Rin. Si queremos una ganancia muy elevada tenemos dos opciones:
  1. Subir la ganancia de la etapa. Significa disminuir Rin y aumentar Rf tanto tomo necesitemos. Es muy sencillo de hacer pero las desventajas son múltiples: disminución de la impedancia de entrada, aumento del ruido electrónico (crece con la ganancia), disminución de la banda pasante y es posible que aparezcan autooscilaciones.
  2. Añadir otra etapa. Podemos conseguir elevadas ganancias utilizando dos o más etapas en cascada. Nos libramos de los inconvenientes anteriores pero a cambio tenemos mayor consumo, un esquema más complicado y una dificultad añadida que es ajustar cada etapa para que no sature a la siguiente.
Se recomienda utilizar un sólo operacional para ganancias menores a ×20 y dos o más etapas de ahí en adelante. Rara vez necesitaremos preamplificar tanto una señal sonora.

En algunos casos se utiliza un buffer, que es un amplificador de ganancia 1, es decir no amplifica nada. Su misión es adaptar la impedancia, pues presenta una alta impedancia de entrada, útil para tomar la señal del micro; y una baja impedancia de salida, que puede aplicarse a las siguientes etapas.

Respuesta en frecuencia

La banda de frecuencias en las que podemos usar nuestro amplificador la perfilan tres factores:
  • La resistencia R1. Que determina la impedancia de entrada.
  • El condensador C1. Que junto con la impedancia de entrada forma un filtro pasa-altos. Recortando efectivamente la componente continua, pero también las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte.
  • El slew-rate del integrado. Los operacionales incorporan una compensación interna para evitar que oscilen espontáneamente cuando trabajan con mucha ganancia. Esa limitación restringe la velocidad con la que puede variar la tensión de salida, e impone por tanto una frecuencia máxima de trabajo. Esta dependerá de la ganancia y de la amplitud de la señal de entrada.

Así pues tenemos un filtro pasa-altos (de primer orden) en la entrada y uno pasa bajos a la salida. Vamos a tomar el circuito siguiente y lo simularemos para obtener un diagrama de bode.


Siendo estos los valores:
R1 = 10k
R2 = 100k
C1 = 220nF
IC = OP90

El OP90 es un operacional caro especialmente adaptado para operar con poca alimentación, en nuestro proyecto podemos usar otro de propósito general más barato como el uA741 o el TL081.


El gráfico está dividido en tres colores. En la zona verde la ganancia es ×10 (o bien 20dB), R2/R1. Hacia la izquierda encontramos la frecuencia de corte del filtro C1/R1. Esta comienza cuando la ganancia ya es 3dB menor que a esperada, en este gráfico está en 72Hz, zona amarilla. A partir de ahí hacia abajo comienza una pendiente de -20dB por década. Hasta llegar a la zona roja que comienza en 7.2Hz. Aquí ya no sólo no hay amplificación alguna, sino que el circuito atenúa las frecuencias inferiores. Por la parte derecha las altas frecuencias empiezan decaer a los 27kHz, frecuencia de corte superior, zona amarilla. Es más que suficiente si tenéis en cuenta que no oímos tonos por encima de 20kHz

Circuito práctico

Después de todo lo anterior, para finalizar os dejo con un ejemplo de preamplificador sencillo para micrófono usando operacionales. He coloreado de rojo la tensión positiva, de negro la tensión negativa, en azul lo que sería la tierra artificial y de verde la ruta de la señal.


Ganancia: ×10 (20dB)
Frecuencia de corte inferior: 3Hz

R3 y R4 forman nuestra tierra artificial, que está a la mitad de la tensión de alimentación. R5 es la resistencia de polarización del micrófono electret mientras que C1 y R1 forman un filtro para suprimir la componente continua proveniente de aquel. R2 es la resistencia de realimentación, que determina la ganancia junto a R1. Si necesitáis aumentar o disminuir la ganancia podéis sustituir R2 por un potenciómetro de 200k por ejemplo, mejor que colocar un potenciómetro de volumen a la entrada.

Si necesitáis más amplificación lo mejor es encadenar otra etapa igual a continuación, así tendréis ×100 (40dB). El LM358 y el TL082 se usan mucho para esto pues en el mismo encapsulado contienen dos operacionales. Otra opción es cambiar el valor de R2 para que valga 50 ó 100 veces R1.

Siempre que uséis un operacional tenéis que atender a:
  • La tensión de alimentación. Con fuentes duales no hay problema, pero a la hora de usar fuentes simples recordad que para el operacional es como si se dividiera la tensión por la mitad. Y puede para que no alcance la mínima tensión que recomienda el fabricante. Además mientras menor sea la alimentación, menor la salida, y más fácil es que distorsione la señal.
  • El factor de ruido. Importantísimo si queremos captar sonidos débiles. El LM358 y el LM741 por ejemplo son muy ruidosos en comparación con el el TL081.
  • La banda pasante. Hay amplificadores que son más lentos que otros pero a cambio tienen otras propiedades deseables, como baja tensión de alimentación o nivel de ruido. Necesitamos alcanzar un compromiso entre lo que necesitamos por una parte y por otra. Los datasheets más habituales se encuentran sin problemas en Internet.
Sin duda me dejo muchas cosas, pero como introducción creo que ya está bien. Iremos aclarando algunos puntos en otras entradas, y como siempre os animo a buscar en Internet lo que no entendáis, todo esto está explicado en mil sitios.

31 comentarios:

  1. hola el circuito funciona amigo?

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  2. Hola. En las pruebas que hice funcionaba, sí.

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  3. Una pregunta, ¿los capacitores tienen que ser sin polaridad?.

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  4. Hola. La teoría dice que lo mejor es que sean no polarizados. Pero no por la polaridad, sino por las pérdidas. Podríamos decir que los electrolíticos son "lentos".

    Pero en cuanto superas los pocos microF lo habitual es usar electrolíticos, que tienen polaridad, y no pasa nada, te explico:

    Lo que quieres es bloquear la componente continua y dejar pasar sólo la alterna. Lo que tú tienes antes del condensador es una señal AC más otra DC (positiva o negativa) sumadas. Luego a un lado del condensador (el que tiene la continua) la tensión será siempre más positiva, o más negativa (depende del signo de la continua) que al otro. Si respetas esa polaridad todo funcionará correctamente.


    Al margen de esto, si se necesita mása capacidad sin polaridad a veces lo que se hace es colocar dos electrolíticos en serie, pero en oposición. O sea uniendo sus terminales negativos entre si, y empleando sólo los positivos como entrada y salida de la señal. La capacidad resultante es la de dos condensadores en serie. Pero como te dije antes, no hace falta.

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  5. no tendran un previo que funcione con 3v....................porque todo tiene que ser con 9v o 12V ?

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  6. ¡Claro que hay previos a 3V! Y menos. Lo que ocurre es que los operacionales que trabajan a esas tensiones son difíciles de encontrar. Y los micrófonos electrec dificilmente trabajan si bajas mucho de 3V.

    Con tensiones por debajo de 5V te convendría más usar transistores, el circuito que describo en http://electronicayciencia.blogspot.com/2010/04/preamplificador-para-microfono.html te puede servir.

    Sin embargo como ya aviso tiene algunas flaquezas, que te afectarán más o menos dependiendo de para qué lo vayas a usar.

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  7. hola, muy bien explicado todo. Pero te quiero hacer una consulta... Me quiero hacer un dispositivo que permita escuchar los latidos de mi bebito que tiene 6 meses en la guatita de la mamá... servirá este? con el TL081, claro. Y que tipo de microfono es recomendable? piezoelectrico o uno unidireccional solamente... estoy recien investigando al respecto, gracias!

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  8. Excelente explicación , me aclaraste muchas dudas.

    Saludosy gracias!

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  9. Buenas tardes, tengo una duda sobre el circuito práctico que está en la imagen. Leí tu otro post sobre como usar un micrófono electrónico. Mi duda es si el circuito práctico esta diseñado para micrófonos electrónicos y sólo tengo que colocarlo en el mismo o bien primero necesito hacerle las modificaciones al micro con una de las tres opciones de los otros diagramas y luego colocarlo en el circuito práctico. Dejo mi correo por si gustas contactarme ahí, de todos modos checo el blog.

    Gracias de antemano.

    mail: marcusimpius@hotmail.com

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  10. Hola Impius. Esta preparado para conectar el micro electret directamente.

    Las modificaciones que leíste eran por si con las características que vienen de fábrica se te queda corto. Es como hacerle una especie de tunnig al micrófono para que no sature en con un sonido fuerte. Por si queremos grabar por ejemplo una trompeta.

    Para un uso normal como hablar no tienes que modificarlo. El circuito práctico te sirve.

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  11. funcionaria con microfonos de guitarra electrica?

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  12. Buenas tardes , he montado el cto que propones aqui y tengo muchisimo ruido, no se si es por el c.i LM358, o es que el micro electrec, esta cascado, te digo que el ruido es todo continuo, y la voz se oye muy bajisima casi al hablar se distorsiona, este cto lo quiero para obtener conversaciones es posible estaria agaradecido si me contesta a este medio saludos y gracias por tu tiempo, ah y que se me olvidaba feliz año nuevo.

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  13. oye me gustaria consultar la conexion con el TL081, como se hace? igual que el lm 358, gracias

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  14. Hola. Ando buscando un circuito de pre-amplificador para micrófono, que funcione con una pila de 1,5 voltios. Tuve uno, hace como 10 años atrás, que lo conseguí para un equipo de banda ciudadana, que funcionaba una maravilla; pero a los 2 meses de tenerlo, me robaron el equipo, junto al mic preamplificado. No quería entonces desarmarlo para "copiar el circuito", porque era muy nuevo.....Y hasta el día de hoy LAMENTO MUCHÍSIMO NO HABERLO HECHO !!!!!
    Si me podés dar una mano, sería fantástico.
    Muchas Gracias.
    Daniel (L4E850)

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  15. buenas tardes! me pregunto si este circuito puede captar sonidos a dos metros de distancia, y sino es así, q me puede recomendar para q esto sea posible?, q capte un sonido a dos metros?..
    gracias y q tengan buen día!!

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  16. Hola, ¿se puede alimentar con 12 V para alimentarlo directamente desde la fuente de PC? gracias.

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  17. Se puede alimentar a 12V sin ningún problema. Y a más, lo único que hay que tener en cuenta es la corriente que circula por el micro, y si es demasiada aumentar la resistencia R5. Para 12V el mismo que esquema que viene servirá.

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  18. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

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  19. Hola, necesitaría un pre pero para que funcione a 15 V para microfono, por favor decime como hago los cálculos para adaptar este o otro gracias.

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  20. Hola, estoy practicando con una electret, mi idea es captar sonidos a 2 metros y hacer que se encienda unos cuantos leds, por ejemplo: captar música. Esto es para no estar cruzando cables y tambien poder hacerlo portable, quisiera saber si debo agregar mas de una etapa de amplificacion para poder polarizar los transistores que encenderian los leds.
    Gracias y felicidades por el blog, es muy muy bueno

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  21. @Mikepower, me alegro de que te guste el blog.

    Si he entendido bien, lo que quieres es que los LEDs se enciendan cuando haya un sonido. Para eso tras el primer amplificador necesitarás colocar un operacional a modo de comparador. En él fijas un umbral. Cuando la señal en el micrófono alcance el valor umbral la salida del comparador cambiará de 0 a +V o al revés. Tan sólo utiliza esa tensión para polarizar los transistores que enciendan los led.

    Busca en Google por interruptor controlado por sonido, o por palmada y fíjate en los esquemas.

    Un saludo.

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  22. Federico:
    Hola, como va? Crees que funcionaria un microfono electret para una guitarra criolla? (cuerdas de nylon con caja de resonancia) ¿Sera necesario para este caso modificar la conexion del transistor interno del electret? (Agregando una resistencia como lo explicas en el articulo de microfonos electret)
    Muy claras explicaciones, he encontrado aqui respuestas que venia buscando hace mucho tiempo. Gracias
    Saludos

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  23. Oie no kieres ser maestro? jaja gracias pór tu aporte apenas ando metida en esto pero has sido de gran de ayuda gracias

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  24. uso estos microfonos en las cabinas de los tractocamiones de mi empresa por que los sistemas de rastreo lo incorporan sin embargo obsdervo que en muchos tractores aparece un ruido extraño con motor apagado, este ruido es como un pequeño zumbidito que oscila... lo extraño es que cuando toco con mis dedos el microfono en la parte de su chasis que se une con el - del mismo el ruido desaparece y se escucha perfecto... alguien podria decirme que esta pasando y como puedo eliminar ese ruido?? uso cable especial para microfono.

    saludos

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  25. Hola, muy bueno tu aporte pero te pido que me ayudes ya que no tengo mucha idea de esto, pero me gusta. La pregunta es adonde se conecta la salida. ¿se conecta directamente a un altavoz?, es decir como seguiría a continuación para obtener el sónido del micrófono. Armé el circuito con un TL081 y la salida la conecté a un altavoz de 8 ohm pero se sentía un ruido muy fuerte y apenas se escuchaban los sonidos. Espero que puedas ayudarme y disculpas por mi ignorancia.

    Saludos y muchas gracias,

    Mauricio

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  26. Que tal, muy bueno tu blog, pero quisera preguntarte de dónde sacaste los cálculos de los filtros y de la resistencia del electret, si hago la ley de hom 9V/2200 = 4mA, pero explicaste en otra que no debe pasar 1mA, si podrías explicar o hacer un blog con los cálculos de los filtros, el amplificador y el electret estaría buenísimos, Gracias!

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  27. Este preamplificador sirve para la guitarra electrica? Porque yo quiero conectar la guitarra electrica a este preamplificador y de alli a mi amplificador de 100 W

    PD: No me interesa tener equalizacion, solamente la entrada para la guitarra y la salida poner un RCA para ir al amp.

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  28. saludos, en estos momentos estoy haciendo un circuito para diferenciar la voz masculina de la femenina con filtros, me gustaria saber cual es voltaje pico que ofreceria el pre con lm 358 en dos etapas

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  29. muy buenas me gusto mucho el articulo. lo único a corregir seria el tema de los condensadores, en paralelo es que se suma su capacidad, mientras que en serie si son iguales, la capacidad sera la mitad.

    saludos!

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  30. hola buenos dias:

    Preg1)En el diagrama de bode obtienes la frecuencia de corte de 72.34Hz del filtro pasa altos a partir de C1=220nf R1=100k. Y como obtienes la frecuencia de corte de 72Khz del filtro pasa bajos?? que valores estas usando?? como es la conexion para ese caso??

    Pregunta2) La ganancia para un Amplificador Inversor es de -Rf/Rin. Es un valor negativo, y le estas dando positivo, por que?? No seria adecuado un amplificador no inversor?? Por que usar un amplificador no inversor?? cuando usar una ganancia negativa??

    Pregunta 3) Puedo modificar el diseño que has presentado, para usar una fuente simetrica para el opamp y otra fuente para el circuito?? Digo esto, para no tener la componente DC y no utilizar esos filtros, ya que deseo utilizar filtros activos con otros operacionales en otra etapa. Como seria el diseño para ese caso??

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