Distorsión No Lineal

Distorsión No Lineal

La forma más común de distorsión es la no lineal, asociada a circuitos saturados: Volviendo al circuito analógico, supongamos que tiene varias etapas de procesado y amplificación, normalmente la distorsión aparecerá cuando la salida de una de estas etapas tiene un nivel demasiado alto para la entrada de la siguiente. Lo que va a ocurrir es que la onda eléctrica, que luego será sonido, va a verse deformada por no poder alcanzar todo el nivel que tiene después de amplificarla, el circuito tiene unos nuevos límites que no se pueden sobrepasar, y cuando la señal los alcanza la señal cambia de forma.

THD o Distorsión Armónica

Si lo analizamos desde otra perspectiva podríamos pensar que el circuito está comprimiendo o limitando la señal, la diferencia es que mientras el compresor intentaba alterar únicamente la dinámica de la onda, ahora estamos alterando la dinámica y también la componente armónica. Si observamos una señal que tiene un número de armónicos, y que después de procesarla tiene un número distinto de armónicos, diremos que hemos cambiado su componente armónica. Cuando una señal atraviesa un circuito que no puede procesar todo su volumen, el resultado es que el sonido sufre una reducción de su dinámica y un aumento en sus armónicos, eso es lo que estamos acostumbrados a llamar distorsión. Para medirla se utiliza el porcentaje THD (Total Harmonic Distortion, distorsión armónica total), que se calcula contando el número de nuevos armónicos presentes en la señal distorsionada. Es muy importante aclarar que estamos analizando un circuito que deforma la señal dependiendo de su nivel, si es alto se deforma, si es bajo no se deforma. Esta distorsión aparece cuando nos pasamos con la ganancia en algún momento, en cualquier equipo de sonido suele haber una lucecita roja para avisarnos de que hemos alcanzado el límite del aparato.

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Es muy interesante hacer pruebas y experimentos con esta distorsión, porque tiene muy mala fama, pero no es tan destructiva como nos la venden, quizá una luz roja sea un símbolo demasiado negativo. El primer test que muchos ya hemos hecho es dejar que la luz se encienda, y darnos cuenta de que el sonido tampoco esta cambiando mucho. Algunas veces no se aprecia ningún cambio, otras veces el cambio puede mejorar el sonido, pero eso es muy difícil de escuchar cuando una luz roja esta taladrando tu conciencia. ¿Y si fuera una luz verde? Como el verde no es tan agresivo ni peligroso podríamos darnos cuenta de que algunos equipos analógicos mejoran la señal cuando distorsionan. Si muchos técnicos de mastering utilizan el brickwall limiting como un paso determinante en su flujo de trabajo, ¿porqué no podemos nosotros usar otro aparato distinto para conseguir un resultado muy similar? No dejemos que el color de una luz o el miedo a lo desconocido nos cierren las puertas a la experimentación. El brickwall limiting lo explico en el artículo sobre Procesar un estéreo.

Pero la distorsión armónica no es la única que aparece cuando saturamos un circuito, de hecho gran parte de los armónicos que aparecen no son producidos por esta distorsión sino por la intermodulación de mezcla.

Distorsión por Intermodulación o IMD

Cuando dos o mas señales se mezclan en un circuito, se produce la distorsión de intermodulación o IMD (Inter Modulation Distortion). Igual que hemos dicho que la distorsión armónica puede sonar agradable en determinados casos, la IMD no resulta agradable al oído nunca, precisamente porque las frecuencias que genera no tienen una relación armónica con la señal original. Para entender la intermodulación vamos a suponer que introducimos dos señales  de distinta frecuencia en un amplificador, si el diseño electrónico no lo evita una señal va a modular la frecuencia de la otra, y viceversa. El resultado es que ante dos frecuencias A y B, se producirán otras dos: (A + B) y (A – B), es decir la suma y la diferencia de las originales. Cuanto más nos acercamos al punto de saturación, mayor volumen tendrán estas frecuencias parásitas con respecto al nivel de las fundamentales.

Probablemente si la IMD fuera solo esto no resultaría tan problemática, porque la realidad es que, como siempre en la vida, los problemas nunca vienen solos: la distorsión armónica y la IMD se producen al mismo tiempo y en el mismo circuito, por lo que cada nuevo armónico producido por la THD va a producir sus intermodulaciones con los otros armónicos y con la fundamental. Este es el proceso que ocurre en un amplificador de guitarra, si solo existiera THD el resultado sería menos agresivo y ruidoso, pero como hay que añadir la IMD, acabamos con un sonido que tiene muy poco parecido con el sonido original de la guitarra. Cuando digo ruidoso me refiero a la sensación de ruido blanco añadido, es decir que una cantidad considerable de IMD produce tantas frecuencias aleatorias, no relacionadas con la fundamental, que acaba asemejándose al ruido blanco.

El Origen de la distorsión

Cuando un circuito añade armónicos a una señal distorsionándola, le está cambiando el color y la dinámica, nuestro oído percibe muchos cambios. La mayor diferencia entre la distorsión de un circuito y la de otro la percibimos al comparar sus armónicos nuevos, y los componentes más usados para producir distorsión producen una componente armónica muy diferente: estamos hablando de válvulas, transistores, transformadores y la cinta de grabación analógica.

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Válvulas o tubos

Fueron la primera forma de amplificar una señal eléctrica, se inventaron en los años 1880s, pero no se empezaron a usar en el sonido y la electrónica hasta la primera década del siglo 20. Se usaban en radios, televisores, amplificadores, grabadores y también en los ordenadores mas antiguos, curiosamente las primeras tecnologías digitales usaban válvulas. Gracias a todo el tiempo que llevan en uso, su calidad ha ido evolucionando y sus secretos han sido desvelados por completo, hoy en día el sonido de mayor calidad posible viene de los equipos audiófilos de válvulas. Una vez que se han mejorado tanto los diseños con tubos, la distorsión ha dejado de ser un problema, y en los equipos de alta gama es prácticamente imposible de medir. Utilizando válvulas se ha conseguido una linealidad (o ausencia de distorsión) inalcanzable para otros circuitos, pero a costa de unos precios que pocos estudios profesionales pueden alcanzar.

Una de las características implícitas de las válvulas es su alta impedancia de salida, esto hace que su conexión con otros equipos sea muy diferente en comparación con los transistores. Cuando un circuito de alta impedancia alimenta otro circuito, su respuesta en frecuencias se ve alterada de una forma muy agradable para el oído humano. Se produce una “ecualización” fruto de las distintas resistencias que presentan los graves, medios y agudos, y el resultado es que tanto los graves como los agudos se ven amplificados mientras que los medios se mantienen sin exagerar. Este efecto “sonrisa” se puede asignar al uso de las válvulas, pero se puede conseguir con un ecualizador fácilmente. No estamos hablando de distorsionar generando nuevos armónicos, sino de una suave alteración del nivel de algunas frecuencias.

Muchas de las características de distorsión que se suelen asignar a las válvulas no las producen ellas mismas, sino las tipologías de circuitos donde se integran. Debido a la forma de trabajar de las válvulas y a su alta impedancia de salida, los circuitos que las incluyen necesitan también trabajar con transformadores para adaptar estas impedancias.

Transformadores

El uso de circuitos con tubos sigue siendo un lujo, aunque muchas veces no se eligen para obtener un sonido limpio y puro, sino para llevarlos a la distorsión y aprovechar el sonido característico que aportan al saturar: el soft clipping (limitación suave). Quizá debido a la mayor visibilidad y espectacularidad de las válvulas, se ha creado el mito de que son ellas las causantes del soft clipping, cuando en realidad no es en los tubos donde se produce la distorsión, sino en los transformadores. Siempre que hay válvulas tiene que haber transformadores porque de otra forma la impedancia de salida sería demasiado alta para conectar las distintas partes del circuito y para la conexión con otros equipos.

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Cuando el sonido alcanza el nivel máximo del circuito el transformador redondea la señal, aplicando algo parecido a la compresión llamado soft clipping, con lo que se consigue un volumen mayor y una dinámica menor sin aumentar significativamente el número de armónicos. Además es importante el hecho de que según los armónicos se alejan de la frecuencia original, su nivel va decreciendo. Parece que nuestro oído tiene especial predilección por el soft clipping, tanto que muchas veces no se percibe como distorsión sino como compresión con un aumento de densidad y de calidez. También es interesante saber que esta “compresión” no se realiza por igual en todas las frecuencias, sino que es mayor en los graves, mientras que los agudos se ven atenuados muy suavemente, resultando menos agresivos.

Transistores

También estos componentes están rodeados de falsos mitos y de historias imposibles, muchas de ellas dedicadas a compararlos con las válvulas para concluir que su sonido es peor. Se inventaron en los años ‘40 y se empezaron a utilizar en los ‘50. Los primeros transistores se hicieron con germanio, aunque el gran salto se dio con los de silicio. Sus ventajas son la sencillez de diseño, su capacidad de miniaturización y la fácil producción en masa, y gracias a estas características fueron capaces de desbancar a las válvulas en menos de una década, tanto en el mercado doméstico como en el profesional. Al compararlos con las válvulas veremos que funcionan con voltajes mucho menores, lo que les proporciona menor headroom o amplitud de trabajo; eso también les permite ejercer menos trabajo efectivo, lo que nos lleva a diseñar circuitos más complejos y técnicas de amplificación más agresivas con la integridad de la señal.

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El hecho de que sean el estándar en la electrónica profesional y doméstica desde los años ‘60 nos debe ayudar a entender que pueden proporcionar una calidad altísima. Valga como ejemplo saber que la mayoría de los discos que podemos escuchar hoy en día se han grabado y procesado usando transistores, quedando en segundo lugar la tecnología digital, y las válvulas en último puesto.

En cuanto al sonido de los transistores debemos volver al término soft clipping para saber que cuando se alcanza el nivel máximo de un transistor, éste se va a comportar de forma distinta al transformador porque aplicará el llamado “hard clipping” o limitación dura. La principal diferencia es que se producirán bastantes armónicos y éstos no bajarán tanto de nivel al alejarse su frecuencia de la original. Al observar una onda con hard clipping se puede ver que se ha perdido suavidad, y ha aparecido un corte justo en el nivel máximo. Para el oído el resultado es un sonido muy agresivo, con una distorsión que tiene una alta componente de ruido, es decir que sus armónicos tienen poca relación con la frecuencia original, y están más relacionados con las características y del circuito electrónico.

Hard Clipping Vs Soft Clipping

Gráficos pertenecientes a la página Soft Clipping de Elliot Sound Products, usados con permiso del autor.

En rojo podemos ver una onda senoidal distorsionada con “hard clipping” en un circuito de transistores, mientras que en verde vemos el efecto del “soft clipping” de un circuito de válvulas y transformadores. Arriba se puede apreciar cómo la onda roja se rompe al llegar al límite, y cómo la verde se redondea con mayor suavidad. La distribución de sus armónicos es también diferente, sobre todo se puede apreciar que los armónicos verdes van atenuándose al hacerse más agudos, por otro lado los armónicos rojos se atenúan mucho menos y con altibajos, quedando los armónicos impares más altos que los pares. También se puede apreciar la aparición de ruido entre los armónicos de la gráfica roja, esto es fruto de la IMD residual.

En estos gráficos solo se puede comparar la distorsión armónica, porque la IMD ha sido eliminada con realimentación negativa. Esto quiere decir que para conseguir tal nivel de distorsión tendríamos que estar saturando el circuito mucho más allá de la luz roja, y llegados a estos niveles tendríamos que soportar una distorsión bastante alta, siempre desagradable. Solo hay que recordar que los gráficos representan los armónicos resultantes de una sola onda senoidal, es decir que a partir de un sonido con un solo armónico estamos produciendo 10 nuevos armónicos dentro del rango audible (y muchas más en el campo de los ultrasonidos). En ambos casos la distorsión es demasiado alta y desagradable, pero es la única forma de conseguir unos gráficos representativos. Digamos que la distorsión de válvulas con transformadores es menos desagradable que la de transistores, y las dos son insoportables por igual.

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Diseño del Amplificador

Como hemos visto la típica división entre válvulas y transistores no es tan importante como nos hace creer el marketing, un buen diseño de transistores puede sonar mil veces mejor que uno mediocre con válvulas ya que ambos componentes entran en hard clipping, y sólo los transformadores distorsionan con soft clipping. El tipo y la cantidad de distorsión va a depender totalmente del diseño del amplificador, y el hecho de que use tubos o transistores solo influirá ligeramente en el color de la distorsión. Existen dos grandes tipos amplificadores: Single Ended y Push-Pull, los últimos pueden ser de clase A, B, AB, C y D, y los primeros solo son de clase A.

Single Ended

Los amplificadores clase A son los que más respetan la integridad del sonido, porque procesan toda la onda por el mismo circuito y su único inconveniente es que amplifican relativamente poco antes de distorsionar. Por debajo de la distorsión pueden producir el sonido más limpio y claro, y cuando rompen el sonido lo hace de forma suave y agradable. Históricamente es la tipología más antigua, aunque hoy se puede encontrar en amplificadores de guitarra de baja potencia y en algunos equipos de estudio de gama alta.

Su distorsión se caracteriza por generar armónicos pares e impares, con mucho volumen en el de segundo orden (el doble de la frecuencia fundamental), y una IMD bastante alta en la que sobresalen las frecuencias graves. Gracias a esta distorsión su sonido es muy respetado entre los amplificadores de guitarra.

Push-Pull

Los diseños clase B, AB y C son mucho mas efectivos, capaces de amplificar mas con el mismo gasto de energía, el problema es que no tratan muy bien a la señal y puede producir varios tipos de distorsión, algunos muy desagradables al oído. Para trabajar lo primero que hace es crear dos caminos para la onda, en uno se amplificará la fase positiva y en otro la negativa, después de amplificarse por separado, las dos fases se vuelven a mezclar para mandar la señal completa a la salida. En estos procesos de descomposición y recomposición de la onda se producen algunas deformaciones de la onda, llamadas distorsión de cross-over, que añaden unos armónicos muy agudos.

Cuando un circuito Push-Pull se sobrecarga produce una distorsión formada por armónicos pares e impares, todos ellos con un volumen muy similar, por otro lado la IMD que produce es menor que en Single Ended, la solución que se utiliza es aplicar una realimentación electrónica. Una parte de la señal de salida se vuelve a introducir en la entrada del circuito con su fase invertida, de esta forma se elimina prácticamente toda la IMD así como la distorsión de cross-over y también todos los armónicos pares de la THD. El resultado es menos distorsión, aunque la que consigue salir carece de frecuencias graves, por lo que nos resulta mas ruidosa y áspera. Hoy en día todos los amplificadores que no son clase A, utilizan la realimentación negativa para ser más eficientes y conseguir un sonido más limpio.

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Saturación de cinta

Además de en la circuitería, la señal puede distorsionar en la cinta donde la grabamos. Para grabar sonido el multipistas va alineando las partículas metálicas de la cinta, de forma que éstas forman una onda similar al sonido que se graba. Cuanto más alto es el nivel que grabamos, más partículas se magnetizan, y cuando alcanzamos el nivel máximo es porque ya no hay mas partículas para alinear. En ese momento se alcanza la saturación de cinta, que produce una distorsión parecida a la de un amplificador single-ended, además de una compresión de la señal.

La fama de la saturación de cinta (o tape saturation) no le viene por su distorsión, sino porque antes de alcanzar su nivel máximo ya está produciendo una compresión y una distorsión muy suave. El principal efecto se produce en los agudos ya que los transitorios (agudos por definición) pierden mucha de su dinámica. Por otro lado la distorsión genera una cantidad pequeña de armónicos graves. La principal característica de esta saturación es que es muy suave y gradual, de hecho es otra forma de conseguir soft-clipping, esta vez con un sonido característico, mucho mas comprimido.

Distorsión digital

Un sistema digital no puede sobrecargarse como uno analógico, si en un sistema de 16 bits hay 65.536 niveles para el nivel de una señal, no puede haber uno mas cuando el sonido es mas alto. La distorsión digital elimina totalmente la parte de onda que estaría por encima de su límite, se produce un recorte o truncado quedando una onda con picos y valles planos, horizontales, muy parecida a la de hard clipping. Por supuesto armónicamente hablaremos de IMD y THD, con resultados tanto o más desagradables que en analógico, muchas veces se producen picos y transitorios de nivel muy alto.

Gracias a algunos algoritmos de simulación y modelado acústico se han conseguido resultados muy buenos en procesadores digitales de distorsión. Después de analizar la distorsión de un equipo analógico, un programa puede procesar una señal digital y producir un resultado muy parecido al original sin salir del entorno digital. Existen multitud de plug-ins, procesadores, efectos y amplificadores de guitarra que disponen de esta tecnología, y son capaces de simular todas las distorsiones de las que hemos hablado aquí. Por ahora el sonido de un buen amplificador sigue sin ser igualado por ningún aparato digital, quizá en el futuro lo consigan.

Las otras partes de este artículo sobre distorsión son:

Para la elaboración de este artículo he usado información de las siguientes páginas y artículos:

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    • rbtigmol
    • 30/04/12

    Finalmente desmitificas que es mejor un ampli valvular a uno “solid state”? Porque he leido tantas cosas (el problema es que no he tenido oportunidad de probar tanto) que ya no se con que quedarme. Pues estoy barajando si comprarme un ampli para guitarra a transistores o valvular….
    Agradecería tu opinion… si procede

    • Víctor
    • 30/04/12

    Gracias por tu comentario,
    Y sobre tu pregunta te diré lo típico: depende. Sobre todo depende del sonido que quieras conseguir y del dinero que puedas gastar. Si te sobra el dinero compra un ampli bien caro de válvulas y tendrás bastante versatilidad. Si no tienes tanto dinero tendrás que elegir un estilo y olvidar otros. Las válvulas (y sobre todo en clase A) suelen producir un sonido añejo, mejor si te gusta la música de los 50, 60 o 70’s. Para sonidos más modernos, con distorsión más “definida” o sin distorsión quizá sea mejor un buen ampli de transistores. Los pedales son otra forma mucho más asequible de conseguir sonar como los grupos que te gustan.. y también los hay de válvulas y de transistores.

    • christians
    • 21/06/12

    Gracias por la info.

    • ABEL HERRERA
    • 19/01/13

    QUE BUEN ARTICULO :
    =) GRACIAS

    • rodraspark
    • 5/11/14

    hey muchas gracias por tus artículos de distorsión, me has ayudado a entender el concepto, mejor que los profes que tengo. Estudió Ing en telecomunicaciones, me voy a dar una vuelta más seguido por tu blog; tambien lo voy a compartit con mis compañeros.
    Gracias

    • Anónimo
    • 5/07/16

    ¡GRACIASSSSS!

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