hi fi power amplifier - is sobrero

Progetto redatto da Stefano Vaccarone

HI-FI power amplifier

Data la mia passione per l’HI-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 dell’amplificatore 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 all’interno vi era

il circuito elettrico di filtraggio e di potenza ed all’esterno i 3 altoparlanti disposti nel seguente ordine:

partendo dall’alto, tweeter, midrange e woofer.

Dal consiglio di un professore capii che tale amplificatore non avrebbe avuto una grande qualità 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 dell’amplificatore, 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 è stato possibile realizzare l’intero progetto.

L’amplificatore 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 l’amplificatore è stato realizzato in mono e non in stereo.

Controllo toni a 5 bande Come è evidente dallo schema allegato, l’equalizzatore è 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


Ogni filtro è 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 è possibile

esaltare o meno la frequenza di centro-banda.

L’inseguitore 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 verrà collegato ad un

sommatore invertente.

Qui di seguito verrà 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 ⇒ (valori commerciali 270Ω);

1 resistenza R2=18456Ω ⇒ (valori commerciali 18KΩ+470Ω);

1 resistenza R3=513Ω ⇒ (valori commerciali 470Ω+39Ω);

2 resistenze R4=R5=36912Ω ⇒ (valori commerciali 33KΩ+3,9KΩ);

2 condensatori C1=C2=2.2uF;

1 potenziometro 22KΩ;



1 resistenza R1=327Ω ⇒ (valori commerciali 330Ω);

1 resistenza R2=23KΩ ⇒ (valori commerciali 22KΩ+1KΩ);


2 resistenze R4=R5=46KΩ ⇒ (valori commerciali 47KΩ);

2 condensatori C1=C2=470nF;





1 resistenza R2=17325Ω ⇒ (valori commerciali 15KΩ+2.2KΩ);


2 resistenze R4=R5=34650Ω ⇒ (valori commerciali 33KΩ+1,5KΩ);




Lista componenti filtro fo=2,5KHz:



1 resistenza R2=19687Ω ⇒ (valori commerciali 18KΩ+1KΩ+680Ω);


2 resistenze R4=R5=39374Ω ⇒ (valori commerciali 39KΩ+330Ω);





1 resistenza R1=2385Ω ⇒ (valori commerciali 2,2Ω+180Ω);

1 resistenza R2=162420Ω ⇒ (valori commerciali 150KΩ+12KΩ+39Ω);

1 resistenza R3=4512Ω ⇒ (valori commerciali 3.9KΩ+680Ω);

2 resistenze R4=R5=324840Ω ⇒ (valori commerciali 220KΩ+100KΩ+4.7KΩ+100Ω);



Comportamento teorico del circuito di filtraggio:

Per avere la conferma dell’esatta progettazione dei filtri, decisi, prima di realizzare praticamente

l’equalizzatore, di simularne il comportamento mediante l’impiego del software Multisim, della National

Instrument.

Comportamento teorico filtro fo=40Hz:

Azione del potenziometro del guadagno, ±20dB, nel centro-banda del filtro:


Comportamento teorico filtro fo=2,5KHz:


Comportamento teorico filtro fo=10KHz:



Comportamento reale del circuito di filtraggio:

Dall’analisi del comportamento dei diagrammi di Bode del modulo si deduce che non è stata effettuata la

compensazione dell’effetto di aliasing.

Essenzialmente, nell’incrocio, tra un diagramma di Bode e l’altro, 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 l’equalizzatore mediante l’impiego di un filtro

passa-basso del secondo ordine VCVS, un filtro passabanda del quarto ordine VCVS , avente la capacità 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 un’approssimazione 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- dell’ 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

all’uscita.

Per quanto riguarda, invece, i valori resistivi derivati dai calcoli, si potrebbero tranquillamente adoperare

dei trimmer multi-giro, regolati, prima dell’installazione, al valore preciso.

Il primo circuito stampato fu concepito con trimmer multi-giro, ma a seguito di malfunzionamenti, decisi di

abolirli, a causa della complessità che ne conseguiva.

L’ultima versione adopera dei ponti resistivi che possiedono una notevole tolleranza, ma che a fini didattici

è 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 l’intero anno scolastico è stato dedicato alla ricerca dei problemi di malfunzionamento relativi

allo stampato, che spesso si riconducevano a saldature malfatte o a contatti precari.


Caratteristiche tecniche integrato TL082 e circuito interno:

Parametri di funzionamento:

corrente di Bias, considerando =25°C, 50 ;

,, impedenza d’ingresso, 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 d’ingresso differenziale =±30V;

Tensione d’ingresso massima =±15V, ( la non deve superare la tensione massima di

alimentazione o comunque );

Circuito interno amplificatore operazionale Tl082:

A grandi linee è possibile analizzare il

circuito nel seguente modo. Lo stadio

d’ingresso è 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 più piccolo valore di tensione

continua. Gli ingressi fanno a capo alle basi

dei due transistor FET dell’amplificatore

differenziale. Come stadio d’uscita 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 è stato precedentemente smembrato nelle sue

componenti in frequenza, attenuate o esaltate dal circuito di filtraggio e fornire un canale unico in uscita.


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:

L’impiego delle cinque resistenze del valore di 1,2KΩ, su ogni ingresso serve ad evitare che la corrente

attraverso un’uscita del circuito di filtraggio, possa rientrare in un’altra 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 dell’amplificatore operazionale.

In questo modo sarebbe stato semplice regolare il volume dell’intero amplificatore, attraverso l’ausilio del

potenziometro stesso.

Per avere un quadro generale del funzionamento, anche in questo caso è 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 d’uscita avente frequenza f=10KHz

e tensione V=5Vp.

Come si può notare a parità di scala l’onda sinusoidale minore corrisponde ad uno degli ingressi di valore

V=1Vp e f=10KHz, mentre l’onda sinusoidale maggiore corrisponde all’uscita 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 è ancora sicuri che il segnale d’ingresso, venga fedelmente ricostruito dal suddetto

circuito.

Nelle prove di laboratorio è stato applicato un segnale sinusoidale in ingresso al circuito di filtraggio del

valore di V=1V e frequenza f=10KHz.


L’uscita 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 è stata messa in discussione l’utilità del trimmer multi-giro da 10KΩ, messo sulla

retroazione.

L’uscita rimaneva in saturazione positiva fintanto che il potenziometro non raggiungeva valori resistivi pari

all’ohm.

Di conseguenza quest’ultimo è stato rimpiazzato da una resistenza del valore di 1Ω che potrebbe essere

sostituita da un banale cortocircuito.

Caratteristiche tecniche integrato TL081 e circuito interno:


Tensione di alimentazione massima duale = ± 18V;

Range in alimentazione singola: = 6V÷36V;

Tensione d’ingresso massima =±15V, ( la non deve superare la tensione massima di

alimentazione o comunque );

Tensione d’ingresso 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 d’ingresso è 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 più piccolo

valore di tensione continua. Gli ingressi fanno capo alle basi dei due transistor FET dell’amplificatore

differenziale. L’uscita, a grandi linee, è pilotata da un finale di corrente push-pull a simmetria quasi

complementare.


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 C4=4,7uF, 16V;


1 resistenza R1=10Ω;

Caratteristiche di funzionamento amplificatore di potenza LM386N -4:

Descrizione interna circuito elettrico integrato:

L’integrato 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.


Come si deduce dallo schema

circuitale interno, l’integrato è

composto da uno stadio differenziale

d’ingresso 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 d’uscita

è invece un finale di potenza push-

pull single ended. La tensione è

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. L’impiego di due diodi

posti in parallelo alle basi, è quello di mantenerle leggermente polarizzate, in modo da rendere il transistor

in conduzione anche in presenza di segnali d’ingresso minori di 0,7V.

Se non fosse così il finale di potenza risentirebbe della distorsione di crossover, dove per l'appunto, il

transistor non entrerebbe in conduzione con sagnali d’ingresso minori di 700mV, formando, nel caso di un

ingresso sinusoidale, la situazione illustrata nella figura sottostante ,( classica degli amplificatori in classe B):


Tensione di alimentazione = 5V÷18V;

Potenza d’uscita, considerando =16V, RL=32Ω, THD=10%, Pout= 700mW÷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 d’ingresso, =50KΩ;

Tensione ammissibile d’ingresso =(-0,4V÷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 un’onda sonora all’uscita

dell’altoparlante.


La scelta di una potenza così bassa è stata dettata dalla mancanza di tempo da dedicare alle prove circuitali

relative al circuito di amplificazione di corrente.

Come già discusso precedentemente, tutto l’anno scolastico è stato dedicato alla risoluzione delle

problematiche relative al funzionamento del circuito di filtraggio e ciò ha influito parecchio sulle

implementazioni e sui miglioramenti che avrei voluto apportare al progetto.

Sviluppi futuri ed utilità: L’amplificatore, frutto della terza fase attraversata nella costruzione e nella progettazione, è quindi

completo di un controllo toni che lo rende installabile in ogni ambiente. Certo, non disponiamo di centinaia

di watt, ma è quanto basta per avermi fornito un’ ampia visuale di quello che è il vasto mondo dell’HI-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, l’amplificatore verrà 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, verrà implementato un alimentatore stabilizzato per alimentare gli amplificatori operazionali ed il

circuito di amplificazione che invece dovrà avere una parte di alimentazione dedicata a causa della tensione

superiore di funzionamento.

Schemi elettrici:

Schema elettrico amplificatore di corrente:


Board amplificatore di corrente:

Schema elettrico sommatore:


Board sommatore:

Schema elettrico circuito di filtraggio (prima fase di progettazione):


Board circuito di filtraggio ( prima fase di progettazione):

:


Schema elettrico circuito di filtraggio (seconda fase di progettazione):

Board circuito di filtraggio (seconda fase di progettazione):

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