Amplificatore audio - Tesina per tecnico industriale

1° Blocco – Stadio Separatore

Figura 1

Principio di funzionamento:

Questo blocco è uno stadio separatore posto all’inizio del circuito. Il suo scopo è quello di regolare il

volume del segnale in ingresso, o meglio la sua ampiezza, attraverso un potenziometro logaritmico da

10; poi grazie al condensatore elettrolitico C6 è possibile eliminare le eventuali componenti continue

provenienti da qualche possibile disturbo del segnale in ingresso. L’insieme di C6 e R16 costituisce un

filtro passa alto che ha una frequenza di taglio . Infine ho collegato un

Voltage follower, la cui proprietà è quella di prendere il segnale in ingresso e di trasferirlo in uscita,

quindi la tensione di uscita segue le variazioni della tensione d’ingresso. Inoltre serve ad evitare l’effetto

di carico, ovvero separa la grande impedenza del generatore applicato all’ingresso da quella del resto

del circuito che è più bassa, evitando così di compromettere il funzionamento del circuito.

2° Blocco – Filtro Passa-Basso

Figura 2

Discussione sul funzionamento:

Questo blocco è un filtro passa basso di Butterworth, del secondo ordine, di tipo VCVS (Voltage

Controlled Voltage Source). Questo circuito si chiama appunto passa-basso perché permette di filtrare le

frequenze che vanno da 0 Hz fino a una frequenza desiderata, per poi attenuare tutte quelle successive.

La caratteristica di questo filtro è che ha una risposta piatta del valore di centro banda ed ha un

guadagno pari a 1,59V. Tale filtro consente una transizione di tipo monotona e priva di ondulazioni tra

banda passante (che contiene le frequenze interessate) e banda oscura (che contiene le frequenze da

eliminare), quindi è particolarmente adatto per le applicazioni audio.

Il filtro che ho utilizzato presenta due poli, ma è possibile realizzare filtri di ordine pari e maggiore al

secondo, ponendo in cascata più unità elementari come quella della figura 2.

Qui in basso il grafico che rappresenta i diversi andamenti di questo filtro a seconda del numero di poli:

Figura 3

Dimensionamento:

1) Fissato il numero n dei poli, con n pari, si pongono n/2 stadi elementari in cascata:



n = 2 n stadi = 1 .

2) Per facilitare il dimensionamento dei componenti si scelgono R1=R2=R, e C1=C2=C.

3) Fissato il valore della frequenza di taglio ft = 2 kHz, si sceglie un valore di C = 10 nF e si ricava il



valore di R utilizzando la formula R = ottenendo: R = 7958 . Poiché non è un valore di

resistenza esistente, vado a scegliere un valore che sia presente tra quelli nominali e che si



avvicini di più a quello calcolato, ovvero R = 8,2 k . Variando R quindi, mi andrà anche a variare

la frequenza di taglio, ottenendo ft = 1941 kHz , che si avvicina molto a 2 kHz.

4) In funzione del numero di poli che devono essere presenti nella risposta in frequenza si

determina, utilizzando la tabella seguente, il valore del guadagno statico K.

Figura 4

Poiché il filtro che sto utilizzando è del secondo ordine, il mio guadagno statico sarà: K = 1.586.

Ora sapendo che nei filtri di Butterworth il coefficiente di smorzamento Z = 0.707 mi vado a

calcolare il valore del guadagno A dalla formula:

 

Z = 0.707 = A = 1.586 (A = K)

che è esattamente il valore riportato in tabella. Poiché il circuito è sostanzialmente un

( )

amplificatore non-invertente, so che il guadagno A = quindi per dimensionare

definitivamente il circuito mi vado a scegliere un valore di R (compreso tra 10 k e 100 k) in

i

modo da calcolare R :

f   

( )  

A = R = R (A – 1) con Ri = 8200 R = 4805

f i f

Il valore trovato però non è presente nella gamma dei valori nominali, quindi a causa della

notevole sensibilità che presenta il filtro VCVS rispetto alla variazione dei valori dei componenti

del circuito, è conveniente utilizzare un trimmer e, mediante l’utilizzo di un multimetro,

impostarlo esattamente al valore di 4,8K. Personalmente ho deciso di utilizzare una resistenza



R da 4700 , poiché c’è una differenza di soli 100, che mi andrebbero solamente a variare

f

minimamente il guadagno del filtro.

Simulazione:

Dopo aver calcolato i valori dei componenti posso procedere a disegnare il circuito sul computer,

utilizzando MULTISIM. In questo modo possibile effettuare uno studio in frequenza per vedere

l’andamento ideale del segnale al variare della frequenza.

Figura 5

Come si può vedere, nel grafico sono indicati il valore del massimo guadagno del filtro, che si avvicina

molto al valore dell’amplificazione K (1.586), e della frequenza di taglio che è quasi uguale a quella

calcolata (1,941 kHz). Infatti la frequenza di taglio è quel valore di frequenza per cui il modulo della

funzione di trasferimento al valore di centro banda diventa , cioè 1.10.

√

Una volta che ho simulato il comportamento del circuito con il programma e vedo funziona, posso

procedere con la progettazione del circuito stampato utilizzando ULTIBOARD, che mi permette di

disporre i componenti e di collegarli tra loro secondo lo schema elettrico, e poi di realizzarlo con la fresa.

Successivamente vado a montare i componenti sul circuito stampato e controllo che non ci siano errori

sulla scheda utilizzando un tester, che mi permette di verificare la continuità di ogni pista, e quindi la

continuità del segnale. Ora si può procedere ad analizzare il comportamento del circuito funzionante.

Prove pratiche del filtro Passa-Basso:

Fornendo al circuito un’alimentazione duale di ±(12÷15V), e un segnale in ingresso di tipo sinusoidale di

ampiezza 1V picco-picco, vado a vedere il comportamento del segnale in uscita aumentando la

frequenza.

Frequenza (Hz) Vo (V) 1,800

1,600

100 1,625 1,400

200 1,625 1,200

350 1,625 1,000

500 1,625 0,800

600 1,625 0,600

700 1,625 0,400

900 1,625 0,200

1000 1,625 0,000 0 5000 10000

1300 1,562

1550 1,469 L’andamento reale del filtro è molto simile a quello

1650 1,406 teorico simulato infatti, come si può vedere dalla

1800 1,344 tabella, la frequenza di taglio è circa pari a 2,1 kHz.

1950 1,250

2100 1,172

2200 1,100

2390 1,000

2500 0,938

2667 0,840

2888 0,750

3230 0,625

3630 0,530

4080 0,438

4200 0,420

4500 0,400

4700 0,386

5000 0,379

5500 0,377

6000 0,376

7500 0,375

8000 0,375

8500 0,375

9000 0,375

9500 0,375

10000 0,375 3° Blocco – Filtro Passa-Banda

Figura 6

Discussione sul funzionamento:

Questo blocco è un filtro passa-banda con le stesse caratteristiche di quello precedente. Lo scopo di

questo blocco è quello di filtrare le frequenze che vanno da 1500 Hz a 5500 Hz utilizzando un

altoparlante di tipo midrange adatto a riprodurre questa gamma di frequenze.

Dimensionamento:

1) Si procede fissando un valore della frequenza centrale della banda passante, nel mio caso

⍵ = 2 f ⍵ = 17593

 

f = 2.8 KHz, e mi vado a ricavare la pulsazione di centro banda n 0 n

0

rad/s . √

2) Quindi fisso R1=R2=R3=R e C1=C2=C e utilizzando la formula R = scelgo arbitrariamente

⍵

un valore di C e mi ricavo R. Con C = 8.2nF ottengo R = 10k.

3) Successivamente volendo realizzare un filtro su modello di Butterworth, scelgo Z=0.707 e mi

ricavo il fattore di merito = 0.707. √

4) Trovo il valore dell’amplificazione = 2; questo valore è facilmente realizzabile poiché

basta scegliere Ri=Rf=10k e quindi +1 = 2.

5) Poiché il guadagno non è sufficiente, è necessario aggiungere in cascata un amplificatore non

invertente che mi dia in uscita lo stesso guadagno del filtro passa-basso e del passa-alto.

Simulazione:

Quindi dopo aver calcolato i valori dei componenti vado a simulare il circuito con il multisim, e mediante

lo la funzione “Grapher” ottengo il grafico che rappresenta l’andamento del segnale in ingresso al

variare della frequenza: Figura 7

Come si può osservare dal grafico, la prima frequenza di taglio è di circa 1,35kHz, mentre la seconda è di

5,62kHz, quindi sono abbastanza simili ai valori desiderati. Inoltre il guadagno massimo del filtro è di

1,61 alla frequenza centrale di 2,8 KHz.

Se l’amplificazione fosse stata fatta direttamente sulle resistenze Rf ed Ri del filtro, il segnale in uscita

avrebbe avuto una banda passante più ristretta e quindi più selettivo, come si può vedere in figura 7.1.

La differenza tra le due figure è che in quest’ultima il filtro passa-banda esclude un area maggiore e

quindi alcune frequenze risultano amplificate meno rispetto a tutte le altre, andando quindi ad

aggravare la qualità del suono.

Prove Pratiche del filtro Passa-Banda:

Una volta che la simulazione mi ha dato dei buoni risultati di funzionamento, posso procedere anche qui

con la prova pratica. Inserisco lo stesso segnale del filtro passa-basso all’ingresso di questo filtro, ed

eseguo nuovamente uno studio in frequenza, ottenendo i seguenti valori:

5600 1,219

Frequenza (Hz) Vo(V) 5800 1,156

6300 1,094

100 0,112 6800 1,031

200 0,206 7400 0,969

300 0,300 8600 0,844

400 0,406 9200 0,781

500 0,500 11000 0,687

600 0,594 13500 0,594

700 0,680 14500 0,531

800 0,766 19300 0,4

900 0,844 25000 0,344

1000 0,912

1100 1,000 Dalla tabella si possono vedere le due frequenze

1200 1,062 di taglio, osservando quindi che la banda

1300 1,141 passante reale è maggiore di quella prevista

1400 1,219 dalla simulazione, e che in questo caso ne ricavo

1500 1,281 un vantaggio secondo le mie preferenze di

1700 1,406 ascolto.

2000 1,531 1,800

2200 1,594 1,600

2300 1,625 1,400

2600 1,656 1,200

2800 1,656 1,000

3300 1,625 0,800

3700 1,562 0,600

0,400

3900 1,500 0,200

4300 1,469 0,000

4500 1,406 90 900 9000

4700 1,344

5100 1,281

5300 1,250

4° Blocco – Filtro Passa-Alto

Figura 8

Discussione sul funzionamento:

Questo blocco è un filtro passa-alto con le stesse caratteristiche di quelli precedenti. Lo scopo di questo

blocco è quello di filtrare le alte frequenze che vanno dai 6 kHz in poi, anche se oltre i 20 kHz l’orecchio

umano non è in grado di sentirle. Per riprodurre questa gamma di frequenze è necessario un

altoparlante di tipo tweeter, in modo da poter udire meglio i suoni che superano i 6 kHz, più o meno fino

a 15/16 kHz.

Dimensionamento:

È possibile dimensionare abbastanza facilmente il filtro passa-alto allo stesso modo del filtro passa-

basso, ripetendo lo stesso procedimento:

1) Fissato il numero n dei poli, con n pari, si pongono n/2 stadi elementari in cascata:



n = 2 n stadi = 1 .

2) Per facilitare il dimensionamento dei componenti, anche qui si scelgono R1=R2=R, e C1=C2=C.

3) Fissato il valore della frequenza di taglio ft = 4 kHz, si sceglie un valore di C = 2,2 nF e si ricava il

valore di R utilizzando la formula R = ottenendo: R =18086 . Vado quindi a scegliere

una resistenza R = 18 . Variando R quindi, mi andrà anche a variare la frequenza di taglio,

ottenendo ft = 4019 kHz , che praticamente coincide con il valore desiderato.

4) I valori di K, Ri, Rf e di Z, sono gli stessi del filtro passa-basso perché appunto sono due filtri di

Butterworth che presentano uguali caratteristiche.

Simulazione: Figura 9

Come si può vedere, nel grafico sono indicati il valore del massimo guadagno del filtro, che si

avvicina molto al valore dell’amplificazione K (1.586), e della frequenza di taglio che è quasi

uguale a quella calcolata (4.05 kHz). Infatti la frequenza di taglio è quel valore di frequenza per

cui il modulo della funzione di trasferimento al valore di centro banda diventa , cioè 1.11.

√

Prove pratiche del filtro Passa-Alto: 6300 1,487

Frequenza (Hz) Vo (V) 6500 1,500

7400 1,562

500 0,331 9500 1,602

1000 0,344 11000 1,625

1500 0,375 15000 1,625

2000 0,437

2100 0,500

2200 0,531

2300 0,562 1,8

2400 0,562 1,6

2500 0,625 1,4

2600 0,625 1,2

2900 0,750 1

3200 0,812 0,8

3400 0,906 0,6

3900 1,062 0,4

4800 1,281 0,2

5200 1,351 0

5700 1,425 0 5000 10000 15000 20000

6000 1,456

5°,6°,7° Blocco – Amplificatore in Classe AB

Figura 10

Discussione:

Il circuito riportato in figura 10 è un amplificatore di potenza in classe AB. Il tipo di configurazione scelta

è denominata PUSH-PULL A SIMMETRIA COMPLEMENTARE per il tipo di funzionamento. È detto a

simmetria complementare perché appunto i due transistor devono essere simmetrici, cioè devono

avere le stesse caratteristiche affinché le due semionde siano specularmente uguali senza che si abbia