hi fi power amplifier - is sobrero
TRANSCRIPT
![Page 1: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/1.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
HI-FI power amplifier
Data la mia passione per lâHI-FI, due anni fa decisi di realizzare un amplificatore portatile.
La mia idea era quella di realizzare un diffusore hi-fi attivo. Lo schema a blocchi dellâamplificatore era
composto da:
un filtro L-P del secondo ordine VCVS in serie ad un blocco amplificatore a sua volta collegato ad
un woofer;
un filtro B-P del quarto ordine VCVS ( formato da un H-P ed un L-P ) in serie ad un blocco
amplificatore a sua volta collegato ad un midrange;
un filtro H-P del secondo ordine VCVS in serie ad un blocco amplificatore a sua volta collegato ad
un tweeter;
Tutto questo sarebbe stato poi racchiuso in un unico case a forma di parallelepipedo dove allâinterno vi era
il circuito elettrico di filtraggio e di potenza ed allâesterno i 3 altoparlanti disposti nel seguente ordine:
partendo dallâalto, tweeter, midrange e woofer.
Dal consiglio di un professore capii che tale amplificatore non avrebbe avuto una grande qualitĂ e di
conseguenza pensammo che la miglior soluzione sarebbe stata quella di realizzare un vero e proprio
amplificatore HI-FI che fornisse in uscita circa 150W RMS.
Lo schema a blocchi dellâamplificatore, nella seconda versione, era composto da:
un equalizzatore a 5 bande che adoperasse filtri B-P VCVS;
un sommatore che ripristinasse il segnale e lo ricomponesse nelle sue componenti in frequenza,
esaltate od attenuate;
un preamplificatore che aumentasse la tensione di quanto necessario per pilotare i transistor finali;
un finale di potenza che aumentasse la corrente per pilotare i tre altoparlanti;
A causa di problematiche organizzative e di continui malfunzionamenti, spesso causati da contatti precari
dovuti a saldature malfatte o imprecisioni delle macchine da stampa della scuola, nel circuito stampato del
controllo toni, non Ăš stato possibile realizzare lâintero progetto.
Lâamplificatore ha quindi assunto una terza ed ultima fase comprensiva di un controllo toni a cinque bande,
un sommatore invertente ed un piccolo amplificatore di corrente.
Se ne deduce che lâamplificatore Ăš stato realizzato in mono e non in stereo.
Controllo toni a 5 bande Come Ăš evidente dallo schema allegato, lâequalizzatore Ăš composto da 5 filtri passa-banda VCVS con
frequenze di centro banda rispettivamente:
40 Hz, ± 12dB;
155 Hz, ± 12dB;
625 Hz, ± 12dB;
2,5 KHz, ± 12dB;
10 KHz, ± 12dB;
equalizzatore sommatore Finale di
potenza
![Page 2: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/2.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Ogni filtro Ú preceduto da un potenziometro da 22KΩ che se ruotato genera un guadagno che oscilla da +
12dB a -12dB dipendentemente dal verso di rotazione e quindi dalla resistenza. In questo modo Ăš possibile
esaltare o meno la frequenza di centro-banda.
Lâinseguitore posto tra il potenziometro ed il filtro VCVS, serve per evitare che la variazione di resistenza nel
potenziometro, possa influire sulla frequenza di centro-banda del filtro.
Le uscite dei cinque filtri sono convogliate a lato del circuito stampato che poi verrĂ collegato ad un
sommatore invertente.
Qui di seguito verrĂ riportata la lista componenti di ciascun filtro VCVS comprensivo anche del circuito di
guadagno ed attenuazione ( potenziometro ed inseguitore di tensione).
Lista componenti filtri attivi:
Lista componenti filtro fo=40Hz:
1 integrato : TL082;
1 resistenza R1=271Ω â (valori commerciali 270Ω);
1 resistenza R2=18456Ω â (valori commerciali 18KΩ+470Ω);
1 resistenza R3=513Ω â (valori commerciali 470Ω+39Ω);
2 resistenze R4=R5=36912Ω â (valori commerciali 33KΩ+3,9KΩ);
2 condensatori C1=C2=2.2uF;
1 potenziometro 22KΩ;
Lista componenti filtro fo=155Hz:
1 integrato : TL082;
1 resistenza R1=327Ω â (valori commerciali 330Ω);
1 resistenza R2=23KΩ â (valori commerciali 22KΩ+1KΩ);
1 resistenza R3=621Ω â (valori commerciali 550Ω+56Ω);
2 resistenze R4=R5=46KΩ â (valori commerciali 47KΩ);
2 condensatori C1=C2=470nF;
1 potenziometro 22KΩ;
Lista componenti filtro fo=625Hz:
1 integrato : TL082;
1 resistenza R1=254Ω â (valori commerciali 220Ω+33Ω);
1 resistenza R2=17325Ω â (valori commerciali 15KΩ+2.2KΩ);
1 resistenza R3=480Ω â (valori commerciali 470Ω+10Ω);
2 resistenze R4=R5=34650Ω â (valori commerciali 33KΩ+1,5KΩ);
2 condensatori C1=C2=150nF;
1 potenziometro 22KΩ;
![Page 3: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/3.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Lista componenti filtro fo=2,5KHz:
1 integrato : TL082;
1 resistenza R1=289Ω â (valori commerciali 270Ω+18Ω);
1 resistenza R2=19687Ω â (valori commerciali 18KΩ+1KΩ+680Ω);
1 resistenza R3=547Ω â (valori commerciali 470Ω+82Ω);
2 resistenze R4=R5=39374Ω â (valori commerciali 39KΩ+330Ω);
2 condensatori C1=C2=33nF;
1 potenziometro 22KΩ;
Lista componenti filtro fo=625Hz:
1 integrato : TL082;
1 resistenza R1=2385Ω â (valori commerciali 2,2Ω+180Ω);
1 resistenza R2=162420Ω â (valori commerciali 150KΩ+12KΩ+39Ω);
1 resistenza R3=4512Ω â (valori commerciali 3.9KΩ+680Ω);
2 resistenze R4=R5=324840Ω â (valori commerciali 220KΩ+100KΩ+4.7KΩ+100Ω);
2 condensatori C1=C2=1nF;
1 potenziometro 22KΩ;
Comportamento teorico del circuito di filtraggio:
Per avere la conferma dellâesatta progettazione dei filtri, decisi, prima di realizzare praticamente
lâequalizzatore, di simularne il comportamento mediante lâimpiego del software Multisim, della National
Instrument.
Comportamento teorico filtro fo=40Hz:
Azione del potenziometro del guadagno, ±20dB, nel centro-banda del filtro:
![Page 4: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/4.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Comportamento teorico filtro fo=155Hz:
Azione del potenziometro del guadagno, ±20dB, nel centro-banda del filtro:
Comportamento teorico filtro fo=625Hz:
Azione del potenziometro del guadagno, ±20dB, nel centro-banda del filtro:
![Page 5: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/5.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Comportamento teorico filtro fo=2,5KHz:
Azione del potenziometro del guadagno, ±20dB, nel centro-banda del filtro:
Comportamento teorico filtro fo=10KHz:
Azione del potenziometro del guadagno, ±20dB, nel centro-banda del filtro:
![Page 6: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/6.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Comportamento reale del circuito di filtraggio:
Dallâanalisi del comportamento dei diagrammi di Bode del modulo si deduce che non Ăš stata effettuata la
compensazione dellâeffetto di aliasing.
Essenzialmente, nellâincrocio, tra un diagramma di Bode e lâaltro, si sviluppa una somma tra i due segnali
che tende ad amplificare ulteriormente le frequenze, producendo picchi non desiderati.
Per compensare tale errore, sarebbe stato meglio progettare lâequalizzatore mediante lâimpiego di un filtro
passa-basso del secondo ordine VCVS, un filtro passabanda del quarto ordine VCVS , avente la capacitĂ di
attenuare le frequenze della banda oscura con una pendenza di 80dB/dec ed infine un filtro passa-alto del
secondo ordine VCVS. Tutti e tre i filtri avrebbero dovuto adottare unâapprossimazione Butterworth, che
avrebbe garantito una buona piattezza in banda.
In questo modo i diagrammi di Bode del modulo non si sarebbero incrociati.
A livello di miglioramenti tecnici, si sarebbe potuto evitare il circuito potenziometro-inseguitore, adottando
un semplice potenziometro inserito al posto della resistenza di guadagno ( quella posta sul v- dellâ OP-
AMP). Il diagramma di Bode del modulo avrebbe raffigurato un piccolo errore di massimo qualche dB in
corrispondenza della frequenza di taglio, che non avrebbe dato alcun fastidio sul segnale riprodotto
allâuscita.
Per quanto riguarda, invece, i valori resistivi derivati dai calcoli, si potrebbero tranquillamente adoperare
dei trimmer multi-giro, regolati, prima dellâinstallazione, al valore preciso.
Il primo circuito stampato fu concepito con trimmer multi-giro, ma a seguito di malfunzionamenti, decisi di
abolirli, a causa della complessitĂ che ne conseguiva.
Lâultima versione adopera dei ponti resistivi che possiedono una notevole tolleranza, ma che a fini didattici
Ăš trascurabile.
Questa scelta progettuale mi ha consentito una maggiore semplificazione dello stampato, con conseguente
facilitazione nella risoluzione dei problemi.
Prove, misure pratiche circuito di filtraggio:
Il circuito di filtraggio ha richiesto una mole di lavoro per quanto riguarda la realizzazione pratica e le
conseguenti prove di funzionamento.
Quasi tutto lâintero anno scolastico Ăš stato dedicato alla ricerca dei problemi di malfunzionamento relativi
allo stampato, che spesso si riconducevano a saldature malfatte o a contatti precari.
![Page 7: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/7.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Caratteristiche tecniche integrato TL082 e circuito interno:
Parametri di funzionamento:
corrente di Bias, considerando =25°C, 50 ;
,, impedenza dâingresso, considerando =25°C, ,=10 Ω;
CMRR (Common Mode Rejection Ratio), considerando <10KΩ, CMRR=100dB;
, corrente di alimentazione, =3,6mA;
Slew Rate, SR=
THD (Total, Harmonic, Distortion), considerando , =10KΩ, =20p-p, BW=20Hz-20KHz,
THD=0,02%;
Tensione di alimentazione massima duale = ± 18V;
Tensione dâingresso differenziale =±30V;
Tensione dâingresso massima =±15V, ( la non deve superare la tensione massima di
alimentazione o comunque );
Circuito interno amplificatore operazionale Tl082:
A grandi linee Ăš possibile analizzare il
circuito nel seguente modo. Lo stadio
dâingresso Ăš formato da un amplificatore
differenziale alimentato da un generatore
di corrente costante e controllato da un
generatore di corrente a specchio. Questa
configurazione viene utilizzata per
aumentare il CMRR ed eliminare in uscita
anche il piĂč piccolo valore di tensione
continua. Gli ingressi fanno a capo alle basi
dei due transistor FET dellâamplificatore
differenziale. Come stadio dâuscita sono
impiegati due finali di potenza in
configurazione push-pull a simmetria quasi complementare.
Sommatore invertente Le uscite del circuito di filtraggio vengono convogliate in un sommatore invertente ( schema allegato alla
relazione tecnica).
Il sommatore ha il compito di ricomporre il segnale che Ăš stato precedentemente smembrato nelle sue
componenti in frequenza, attenuate o esaltate dal circuito di filtraggio e fornire un canale unico in uscita.
![Page 8: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/8.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Lista componenti sommatore invertente:
1 integrato TL081;
6 resistenze R1=R2=R3=R4=R5=R6=1,2KΩ;
1 resistenza R7=1Ω;
Comportamento teorico del sommatore invertente:
Lâimpiego delle cinque resistenze del valore di 1,2KΩ, su ogni ingresso serve ad evitare che la corrente
attraverso unâuscita del circuito di filtraggio, possa rientrare in unâaltra uscita del circuito stesso.
Inizialmente sulla rete di retroazione era stata inserita una resistenza da 1,2KΩ, in serie ad un
potenziometro da 10KΩ, capace di regolare il guadagno ad anello chiuso dellâamplificatore operazionale.
In questo modo sarebbe stato semplice regolare il volume dellâintero amplificatore, attraverso lâausilio del
potenziometro stesso.
Per avere un quadro generale del funzionamento, anche in questo caso Ăš stato simulato il circuito,
mediante il software di simulazione Multisim della National Instrument.
Collegando in ingresso al sommatore cinque generatori di funzione aventi frequenza f=10KHz e tensione
V=1Vp, si ottiene, misurando con un oscilloscopio, un valore sinusoidale dâuscita avente frequenza f=10KHz
e tensione V=5Vp.
Come si puĂČ notare a paritĂ di scala lâonda sinusoidale minore corrisponde ad uno degli ingressi di valore
V=1Vp e f=10KHz, mentre lâonda sinusoidale maggiore corrisponde allâuscita di valore V=5Vp e f=10KHz.
Comportamento reale del sommatore invertente:
Praticamente il circuito di somma desta ancora dei dubbi per quanto riguarda il funzionamento. Al
momento non si Ăš ancora sicuri che il segnale dâingresso, venga fedelmente ricostruito dal suddetto
circuito.
Nelle prove di laboratorio Ăš stato applicato un segnale sinusoidale in ingresso al circuito di filtraggio del
valore di V=1V e frequenza f=10KHz.
![Page 9: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/9.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Lâuscita di tale sommatore risulta essere comunque una sinusoide, il cui valore di tensione dipende dallo
stato dei filtri e dalla posizione dei potenziometri del circuito guadagno-attenuazione.
Apparentemente sembrerebbe che la soluzione adottata sia funzionante, ma occorre valutare la
performance con un ingresso audio, precisamente V=10mV/20mV.
Durante le prove Ăš stata messa in discussione lâutilitĂ del trimmer multi-giro da 10KΩ, messo sulla
retroazione.
Lâuscita rimaneva in saturazione positiva fintanto che il potenziometro non raggiungeva valori resistivi pari
allâohm.
Di conseguenza questâultimo Ăš stato rimpiazzato da una resistenza del valore di 1Ω che potrebbe essere
sostituita da un banale cortocircuito.
Caratteristiche tecniche integrato TL081 e circuito interno:
Parametri di funzionamento:
Tensione di alimentazione massima duale = ± 18V;
Range in alimentazione singola: = 6VĂ·36V;
Tensione dâingresso massima =±15V, ( la non deve superare la tensione massima di
alimentazione o comunque );
Tensione dâingresso differenziale =±30V;
CMRR (Common Mode Rejection Ratio)=86dB, considerando +25 , =50Ω;
Slew Rate SR=
, considerando +25 , = 10V, = 2kΩ, = 100pF;
Corrente di Bias, considerando +25 ,, ††, =20nA;
Circuito interno amplificatore operazionale Tl081:
Come si nota dallo schema elettrico lo stadio dâingresso Ăš composto da un amplificatore differenziale,
alimentato da un generatore di corrente costante e controllato da un generatore di corrente a specchio.
Questa configurazione viene utilizzata per aumentare il CMRR ed eliminare in uscita anche il piĂč piccolo
valore di tensione continua. Gli ingressi fanno capo alle basi dei due transistor FET dellâamplificatore
differenziale. Lâuscita, a grandi linee, Ăš pilotata da un finale di corrente push-pull a simmetria quasi
complementare.
![Page 10: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/10.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Amplificatore di corrente con LM386
Lista componenti circuito amplificazione di corrente:
1 integrato LM386N-4;
1 condensatore elettrolitico C1=220uF, 16V;
1 condensatore plastico C2= 470nF;
1 condensatore elettrolitico C3=10uF, 16V;
1 condensatore elettrolitico C4=4,7uF, 16V;
1 condensatore elettrolitico C5=1uF, 25V;
1 resistenza R1=10Ω;
Caratteristiche di funzionamento amplificatore di potenza LM386N -4:
Descrizione interna circuito elettrico integrato:
Lâintegrato LM386N-4 della Texas Instrument, rappresenta in questo circuito un piccolo amplificatore di
potenza. Lo schema circuitale ed i relativi dati tecnici sono elencati qui di seguito.
![Page 11: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/11.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Come si deduce dallo schema
circuitale interno, lâintegrato Ăš
composto da uno stadio differenziale
dâingresso alimentato da un
generatore a specchio di corrente
dove gli ingressi ( input, -input), fanno
capo alle due basi dei transistor dello
stadio differenziale. Lo stadio dâuscita
Ăš invece un finale di potenza push-
pull single ended. La tensione Ăš
in grado quindi, di oscillare tra la
massa e la tensione di alimentazione
+ .
I transistor, incominciano a condurre con una tensione sulla base maggiore di 0,7V. Lâimpiego di due diodi
posti in parallelo alle basi, Ăš quello di mantenerle leggermente polarizzate, in modo da rendere il transistor
in conduzione anche in presenza di segnali dâingresso minori di 0,7V.
Se non fosse cosĂŹ il finale di potenza risentirebbe della distorsione di crossover, dove per l'appunto, il
transistor non entrerebbe in conduzione con sagnali dâingresso minori di 700mV, formando, nel caso di un
ingresso sinusoidale, la situazione illustrata nella figura sottostante ,( classica degli amplificatori in classe B):
Parametri di funzionamento:
Tensione di alimentazione = 5VĂ·18V;
Potenza dâuscita, considerando =16V, RL=32Ω, THD=10%, Pout= 700mWĂ·100mW;
Guadagno , con un C=10uF tra pin 1 e 8, Av=46dB;
Larghezza di banda , considerando =6V e pin 1 e 8 aperti, 300KHz;
Distorsione THD (Total Armonic Distorsion), considerando =6V, =8Ω, =125mW, f=1KHz,
pin 1 e 8 aperti, THD=0,2%;
Rin, resistenza dâingresso, =50KΩ;
Tensione ammissibile dâingresso =(-0,4VĂ·0,4V);
Impedenza altoparlante 4Ω;
Corrente di Bias, considerando =6V, pin 2 e 3 aperti, =250nA;
Il circuito fornisce una potenza di circa =1W, quanto basta per poter rilevare unâonda sonora allâuscita
dellâaltoparlante.
![Page 12: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/12.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
La scelta di una potenza cosĂŹ bassa Ăš stata dettata dalla mancanza di tempo da dedicare alle prove circuitali
relative al circuito di amplificazione di corrente.
Come giĂ discusso precedentemente, tutto lâanno scolastico Ăš stato dedicato alla risoluzione delle
problematiche relative al funzionamento del circuito di filtraggio e ciĂČ ha influito parecchio sulle
implementazioni e sui miglioramenti che avrei voluto apportare al progetto.
Sviluppi futuri ed utilitĂ : Lâamplificatore, frutto della terza fase attraversata nella costruzione e nella progettazione, Ăš quindi
completo di un controllo toni che lo rende installabile in ogni ambiente. Certo, non disponiamo di centinaia
di watt, ma Ăš quanto basta per avermi fornito unâ ampia visuale di quello che Ăš il vasto mondo dellâHI-FI.
Ho imparato ad utilizzare i filtri e ad interfacciarli con un amplificatore di corrente e ad utilizzare il software
di simulazione indentato dalla National Instrument, che rappresenta un vero e proprio laboratorio virtuale.
Per quanto riguarda gli sviluppi futuri, lâamplificatore verrĂ provvisto di un preamplificatore ed un finale di
corrente in configurazione push-pull ,in classe AB, a simmetria quasi-complementare alimentato da una
doppia alimentazione.
Inoltre, verrĂ implementato un alimentatore stabilizzato per alimentare gli amplificatori operazionali ed il
circuito di amplificazione che invece dovrĂ avere una parte di alimentazione dedicata a causa della tensione
superiore di funzionamento.
Schemi elettrici:
Schema elettrico amplificatore di corrente:
![Page 13: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/13.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Board amplificatore di corrente:
Schema elettrico sommatore:
![Page 14: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/14.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Board sommatore:
Schema elettrico circuito di filtraggio (prima fase di progettazione):
![Page 15: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/15.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Board circuito di filtraggio ( prima fase di progettazione):
:
![Page 16: HI FI power amplifier - IS Sobrero](https://reader030.vdocuments.us/reader030/viewer/2022021522/620a6fb8d0c5cf2d38674fe3/html5/thumbnails/16.jpg)
Progetto redatto da Stefano Vaccarone
Schema elettrico circuito di filtraggio (seconda fase di progettazione):
Board circuito di filtraggio (seconda fase di progettazione):