Informe amplificador de audio en discreto

INFORME II – AMPLIFICADOR DE AUDIO EN DISCRETO.

María Camila Cepeda Sáenz Cód.: 201111557, Jhonatan Reynaldo Gómez Pesca Cód.: 201210146Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia

23 de Septiembre de 2015

[email protected]@uptc.edu.co

Resumen- La guía de laboratorio plantea la elaboración de un amplificador multietapa, el cual consta de una etapa de entrada con alta impedancia para la conexión de un micrófono como señal de entrada, varias etapas de amplificación a elección de los miembros del grupo (clase B), una etapa de potencia (clase AB) y una etapa de acople de impedancias. Los resultados obtenidos mediante la implementación en Protoboard (amplificación total del circuito, etc) deben coincidir con los mostrados en el diseño esquemático y simulaciones tanto del amplificador en total como etapa por etapa. Índice de términos: Multietapa, acople de impedancias, amplificador clase A, amplificador clase AB

I. INTRODUCCIÓN

A diferencia de los amplificadores trabajados en la práctica anterior, un amplificador en discreto es aquel que está diseñado a partir de transistores, etapa por etapa. Es común que sea necesario asegurar una impedancia de entrada alta, lo cual se logra mediante la implementación de un amplificador con FET. Las etapas de amplificación, normalmente compuestas por amplificadores emisor común (ya que con ellos se puede obtener una mayor ganancia), dependen del voltaje de salida que se quiera obtener con respecto al voltaje de entrada, y una etapa clase AB asegura que el amplificador pueda sacar efectivamente la potencia requerida.

II. OBJETIVOS

Identificar los diferentes circuitos que conforman un amplificador de audio.

Diseñar e implementar un amplificador de audio multi-etapa para ciertos niveles de potencia y máxima excursión.

III. PROCEDIMIENTO

Diseñar e implementar en protoboard un amplificador de audio en discreto de un solo canal, cumpliendo con las siguientes características:

Potencia de salida de 4W. La carga estará compuesta por un parlante con impedancia de 8Ω o 4Ω. (para las simulaciones y las pruebas se remplaza el parlante por un resistor de la misma impedancia).

Impedancia de entrada entre 80 kΩ a 150 kΩ, que permita conectar un micrófono como fuente de la señal de audio. El amplificador a diseñar puede estar formado por las siguientes etapas:

Una etapa de pre amplificación y ajuste de impedancia de entrada que se debe desarrollar con un amplificador FET en configuración de fuente común, que permita conectar un micrófono como señal de entrada.

Una o más etapas de amplificación compuesta por amplificadores del tipo clase A emisor común con o sin condensador de desacople, cuya función es la de garantizar una ganancia a la señal de audio.

Uno o varios seguidores para acoplar las impedancias y aumentar la ganancia de corriente del amplificador. Esta función puede ser completada por amplificadores en colector común tipo Darlington.

Una etapa de potencia con amplificador del tipo clase B o AB.

1

Para Presentar:

Escriba el procedimiento completo del diseño incluyendo el análisis matemático y las consideraciones que se requieran. Realice en simulación, una revisión de cada etapa en el tiempo y en la frecuencia, observando ancho de banda de las ganancias de voltaje, corriente, impedancia de salida e impedancia de entrada. Lo anterior se debe realizar también al diseño final del amplificador.

El diseño del amplificador se realiza desde la última etapa hasta la primera, utilizando un VCC=36V, por lo cual, la primera etapa a diseñar será la etapa clase AB (etapa de potencia)

Se decide realizar el diseño del circuito 1W por encima de lo requerido, para evitar pérdidas que posiblemente se presenten en la implementación del amplificador, por lo tanto:

P=I 2R4.2W=I 28Ω

I=√ 58=0.3 9 A ICmax=0.79√2=1.12 A

Teniendo en cuenta esta corriente, se elige un transistor TIP41 y su complementario. Para saber cuál es el β con el cual se va a trabajar, es necesario observar la curva de la figura 1, en la cual se observa claramente que a una corriente de aproximadamente 1.12A, corresponde un β=70.

Figura 1. Curva de ganancia de corriente TIP 41 y TIP 42.

Conociendo el valor de β, se procede a hallar la corriente de base:

IB=ICβ

=1.1270

=15.97mA

Para conocer el valor del VLmax, solo es necesario realizar un despeje de la siguiente ecuación:

P=V2

R

4.2=V2

8V=√32=5.79V

V Lmax=6.32√2=8.2V

Con los valores obtenidos hasta el momento es posible hallar el valor de R1:

R1=

V CC

2−0.7−V Lmax

IB

R1=18−0.7−8.94

15.97mA

R1=523.4Ω Realizando una aproximación a valores comerciales, R1=510Ω. Para este diseño el valor de las 2 resistencias es el mismo.

PR1=(V CC

2−0.7)

2

R1

=523mW

La resistencia de entrada se calcula mediante la siguiente ecuación:

R¿=(R f+R1 )∨¿(R f+(R1∨¿ β RL))

Donde RF es la resistencia del diodo, la cual se asumirá como 10Ω, por lo tanto:

R¿=(10+510 )∨¿(10+(510∨¿70 ∙8))R¿=198.69

Para hallar la corriente de entrada es necesario hallar VD, cuya

ecuación correspondiente se muestra a continuación:

V D=RF(I B+V Lmax

RL)

V D=10 (15.97uA+ 8.948 )=11.28

Teniendo esta ecuación, es posible hallar la corriente de entrada de la etapa de potencia de la siguiente manera:

2

ien=V D+V Lmax

RF+R2

+ IB+V L

R2

3

ien=72.3mA

Ai=βI Bien

=22.3

El esquema obtenido para la etapa de potencia se muestra en la figura 2.

TI P 4 1

Q 2 3

TI P 4 1

C 2 6

1 u C 2

2 2 0 0 u

R 25 1 0

Q 1

TI P 4 1

0

0

R 1 08

V C C

Q 2

TI P 4 2

R 15 1 0

V 1 0

F R E Q =V A M P L =V O F F =

R 30 . 5

R 40 . 5

Figura 2. Esquema etapa de potencia.

ETAPA COLECTOR COMÚN DARLINGTON

En este punto es necesario añadir una etapa de acople de impedancias (Colector común en configuración Darlington). Teniendo en cuenta que la resistencia de entrada de la etapa de potencia es de 198Ω, se asume una RL de 180Ω, para asegurar máxima excursión de voltaje se asume que RE= RL

Rac=RE∨¿RL=90Ω

RDC=RE=180Ω

ICQ=V CC

Rac+RDC

ICQ=36270

=133.3mA

ℜ= 26mV133.3mA

=0.195

V CE=Rac ICQ=12V

Ptransistor=ICQV CE=1.6W

Teniendo en cuenta el valor de la potencia disipada por el transistor, así como la corriente de colector, se elige un TIP 41. Para continuar con el diseño es necesario observar nuevamente la curva de ganancia de voltaje correspondiente a este transistor, en la cual, como se observa en la figura 3, el β correspondiente es de 100.

Figura 3. Curva de ganancia de corriente TIP 41

Confirmando este valor, se procede a hallar la corriente de base:

IB=ICβ

=133mA100

=1.3mA

Esta corriente será la misma corriente de colector del siguiente transistor de la configuración Darlington. Este transistor es un 2N3904, teniendo en cuenta la corriente de colector, es necesario observar la curva de ganancia de corriente correspondiente a la figura 4,en la cual es posible ver que el β de este transistor con una Ic de 1.3mA es de 160.

Figura 4. Curva de ganancia de corriente 2N3904

4

Obteniendo este valor es posible conocer el valor de la corriente de base, el cual se halla como se muestra a continuación:

IB=ICβ

=1.3mA160

=1.8uA

El β total del circuito es la multiplicación de los β, es decir, 100∙160=16000.

Asumiendo una impedancia de entrada de 15KΩ, y conociendo la ecuación correspondiente de Zin para esta configuración es:

Z¿=RB∨¿ βTOTAL(2 ℜ+(RE∨¿ RL))

Y conociendo todos los valores necesarios, excepto RB, se despeja este valor de la ecuación, obteniendo que RB=15157.2Ω, el cual se asemeja al valor de la impedancia de entrada, por lo cual se sabe que el diseño es correcto.

Realizando una trayectoria en la entrada del circuito para hallar V BB, se obtiene que:

V BB=ICQ(RBβ

+RE)+1.4

V BB=133mA ( 15157.216000

+180)+1.4

V BB=25.52V

Ahora se tiene todo lo necesario para calcular los valores de R1 yR2 de la siguiente manera:

R1=V CC RBV CC−V BB

=52068Ω

R2=V CC RBV BB

=21381Ω

Aproximando estos resultados a valores comerciales, R1=51KΩ y R2=22 KΩ.

La figura 5 muestra el esquema resultante de la etapa de acople de impedancias.

Q 1

TI P 4 1

Q 2

Q 2 N 3 9 0 4

R 12 2 k

5 1 k

R E1 8 0

V C C

C 1

1 0 u

0

V 1 1

F R E Q = 2 kV A M P L = 9V O F F = 0

C 2

1 0 u

R L1 8 0

Figura 5. Esquema etapa Darlington.ETAPA EMISOR COMÚN1

A esta etapa será asignada una ganancia de 9, y no tendrá condensador de desacople. Teniendo en cuenta que la resistencia de entrada de entrada de la etapa anterior es de 15KΩ, se asigna una RL=0.9∙15KΩ, por lo tanto:

RL=13.5KΩ

Para máxima excursión de voltaje, se asume que RC=RL

Rac=RL∨¿RC+RE '

RDC=RC+RE '

El valor de RE’ se obtiene despejándolo de la ecuación de ganancia de voltaje de la etapa:

AV=RC∨¿ RLRE '

; RE '=RC∨¿ RLAV

RE' =6750

9=750Ω

Teniendo este valor es posible hallar Rac y RDC:

Rac=7460

RDC=14210

ICQ=V CC

Rac+RDC=1.66mA

5

ℜ= 26mV1.66mA

=15.65

RE=RE' −ℜ=694≈680Ω

V CE=Rac ICQ=12.39V

Teniendo en cuenta la corriente de colector del transistor, y observando la figura 6, se obtiene que el βdel mismo es de 170.

Figura 6. Ganancia de corriente 2N3904

La corriente de base, teniendo en cuenta el valor hallado anteriormente es de:

IB=ICβ

=1.6mA170

=9.7uA

Tomando como parámetro que RB≤0.1βRE, es decir, menor que 11560Ω, se elige una RB=11K Ω

Realizando una trayectoria en la entrada del amplificador, se obtiene que:

V BB=ICQ(RBβ

+RE)+0.7

V BB=1.66mA ( 11000170

+680)+0.7

V BB=1.93V



=11625.2Ω

R2=V CC RBV BB

=204523Ω


La resistencia de entrada del circuito corresponde a la siguiente ecuación:

R¿=RB RE '

RBβ

+RE '=10081Ω

La ganancia de corriente para el circuito es:

Ai=RC RB

(RC+RL )(RE' +RBβ )=7.099

El esquema correspondiente para la etapa emisor común sin desacople se puede observar en la figura 7.

C 1

1 0 u

Q

Q 2 N 3 9 0 4

R 12 0 0 k

R 21 2 k

R E6 8 0

V C C

R C1 3 5 0 0

0

V 1 2

F R E Q = 2 kV A M P L = 9V O F F = 0

C 2

1 0 u

R L 11 5 K

Figura 7. Esquema etapa emisor común sin desacople.

ETAPA EMISOR COMÚN2

A esta etapa será asignada una ganancia de 18, y tendrá desacople parcial. Teniendo en cuenta que la resistencia de entrada de entrada de la etapa anterior es de 10081Ω, se asigna una RL=0.9∙10081KΩ, por lo tanto:

RL=9073Ω

Para máxima excursión de voltaje, se asume que RC=RL, a la cual se le asigna un valor comercial de 9.1KΩ.

Como parámetro se elige RE 10 veces menor a RC, por lo tanto RE=910Ω

AV=RC∨¿ RLRE '

; RE '=RC∨¿ RLAV

RE' =252.4Ω

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Rac=RL∨¿RC+RE' =4795.6Ω

RDC=RC+RE' =9352.4Ω

ICQ=V CC

Rac+RDC=2.54mA

ℜ= 26mV2.54mA

=10.21Ω

RE1=RE' −ℜ=242.1≈240Ω

RE2=RE−RE1=670≈280Ω

V CE=Rac ICQ=12.2V

Teniendo la corriente de colector es posible establecer cuál es el β del transistor observando la figura 8.

Figura 8. Ganancia de corriente 2N3904

Observando la figura 8, es posible determinar que el β del transistor es de 180.

La corriente de base, teniendo en cuenta el valor hallado anteriormente es de:

IB=ICβ

=2.54mA180

=14.1uA

Tomando como parámetro que RB≤0.1βRE, es decir, menor que 16380Ω, se elige una RB=15.5K Ω

Realizando una trayectoria en la entrada del amplificador, se obtiene que:

V BB=ICQ(RBβ

+RE)+0.7

V BB=2.54mA (15500180

+910)+0.7

V BB=2.35V



=10584.2Ω

R2=V CC RBV BB

=237089Ω


La resistencia de entrada del circuito corresponde a la siguiente ecuación:

R¿=RB∨¿(ℜ+RE)=7.8KΩ

La ganancia de corriente para el circuito es:

Ai=RC RB

(RC+RL )(RE' +RBβ )=13.9

El esquema correspondiente para la etapa emisor común con desacople parcial se puede observar en la figura 9.

Q 2 6

Q 2 N 3 9 0 4

R 12 2 0 k

R 21 0 k

R E 12 4 0

V C C

C 1

1 u

R C9 1 0 0

0

R E 26 8 0 C 2

2 2 0 u

C 3

1 0 u

R L1 0 k

V 1 3

F R E Q = 2 KV A M P L = 9V O F F = 0

Figura 9. Esquema etapa emisor común con desacople parcial.

ETAPA SOURCE COMUN

Para el diseño de esta etapa y con ayuda de la hoja técnica se asumen los siguientes valores:

V P=−2V IDSS=5mA

V GS=−0.7V

Con estos valores es posible hallar la corriente de drain mediante la ecuación mostrada a continuación:

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ID=IDSS(1−V GS

V P)

2

ID=2.112mA

Además de esto también es necesario hallar el valor de la transconductancia (gm) de la siguiente manera:

gm=1.42( IDSSV P)

gm=3.55mS1gm

=280.89

Asumiendo una RD para esta etapa de 7.5K, y una ganancia de voltaje de 1, se despeja la RS, de la ecuación de ganancia de voltaje:

Av=(RL∨¿RD)

RS+1gm

RS=3542

Este valor se aproxima comercialmente a 3.6KΩ

Realizando una trayectoria en la entrada del circuito se obtiene la ecuación necesaria para hallar VGG:

V ¿=V P+ I DRSV ¿=4.96V

Conociendo los valores mencionados anteriormente y asumiendo RG de 100KΩ es posible hallar los valores de R1 y R2:

R1=RGV DD

V DD−V ¿=116KΩ

R2=RGV DD

V ¿=750KΩ

El valor de R2 es un valor comercial, mientras que para R1 este valor se aproxima a 120KΩ.

La figura 10 muestra el esquema resultante de la etapa source común.

C 3 1

1 0 u

R 7 07 . 8 k

V 1 5

F R E Q = 2 kV A M P L = 1V O F F = 0

J 2

J 1 1 2

R 6 6

3 3 0 0

R 6 77 . 5 k

R 6 8

1 2 0 k

R 6 9

7 5 0 k

V C C

C 3 0

1 u

0

Figura 10. Esquema etapa source común

Tras haber diseñado las etapas mencionadas anteriormente, y haber realizado el montaje del amplificador en Protoboard, se procede a observar las señales de salida en cada etapa con respecto a la señal de entrada (52mV).

La ganancia de corriente de la etapa Source Común es :

Ai=AVRGRL

Recalculando RG según los valores comerciales de R1 y R2, se obtiene que

Ai=103K7.8K

=13.02

La figura 11 muestra la señal de salida de la etapa SOURCE COMUN, en la cual se puede observar que la misma tiene una ganancia de voltaje aproximada de 1.

Figura 11. Señal de salida etapa source comun (60mV)

La figura 12 muestra la salida de la etapa EMISOR COMUN CON DESACOPLE PARCIAL, a la cual fue asignada una

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ganancia de 18. En el osciloscopio se aprecia un voltaje de salida de 920mV. Teniendo en cuenta que el voltaje de entrada es de 52mV, se obtiene una ganancia de 17.69, lo cual se asemeja bastante a la ganancia deseada en el diseño.

Figura 12. Señal de salida etapa emisor común con desacople parcial.

La figura 13 muestra la salida de la etapa emisor sin desacople, a la cual según el diseño corresponde una ganancia de 9. Teniendo en cuenta que el voltaje de salida de la figura 12 es de 920mV, idealmente el voltaje de salida en la etapa actual debería ser 8.2V, el cual es el valor mostrado en el osciloscopio para el canal correspondiente a la salida de esta etapa.

Figura 13. Señal de salida etapa emisor común sin desacople.

En las etapas Darlington y AB, la ganancia de voltaje es idealmente 1, pero al implementar estos circuitos en Protoboard se observa una caída de 0.2V en la salida total del amplificador, lo cual está dentro del rango de error considerado por los miembros del grupo (Ganancia real de voltaje en cada etapa igual a 0.99). El voltaje en la salida total del amplificador se puede observar en la figura 14.

Figura 14. Señal de salida total del amplificador multietapa.

Para acoplar cada etapa se utilizaron condensadores de10uF, asi mismo, para filtrar la señal proveniente de la fuente se utilizaron 4 condensadores de 100uF conectados en paralelo.

Las ganancias de corriente y voltaje, así como la impedancia de entrada de cada etapa se muestran en los anexos presentados al final del presente informe.

CONCLUSIONES

Es importante asegurar que cada una de las etapas de amplificación se encuentre en un punto de operación igual a 0.5, ya que esto asegura que el circuito se comporte de manera óptima.

Es importante que los diodos (o transistores utilizados como diodos) estén bajo el mismo efecto térmico, ya que sin esta condición es posible que los transistores se saturen al mismo tiempo, ocasionando el daño de los mismos

El montaje en Protoboard hace que al amplificador ingrese una señal considerable de ruido, por lo cual es de gran importancia que el montaje no tenga tantos cables aéreos que se comporten como antenas.

Es necesario tener en cuenta que las fuentes de alimentación utilizadas para el amplificador pueden ingresar ruido al mismo, el cual se va amplificando en cada etapa, por lo cual es importante filtrar la señal de alimentación.

BIBLIOGRAFIA

BOYLESTAD, Robert L. Electrónica: Teoría de Circuitos. Editorial Prentice Hall, 1995.

MALVINO, Albert Paul. Principios de electrónica. Editorial McGraw-Hill, 1991

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SAVANT Jr, CJ., Roden, Martin y Carpenter, Gordon. Diseño electrónico-Circuitos y sistemas. Tercera Edicion. Editorial Pearson Education. 2000

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Documents

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