PREAMPLIFICATORE ED AMPLIFICATORE - PREAMPLIFICATORE - ELENCO COMPONENTI

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PREAMPLIFICATORE ED AMPLIFICATORE

PREAMPLIFICATORE - ELENCO COMPONENTI

AMPLIFICATORE - ELENCO COMPONENTI

RELAZIONE TECNICA

Oggetto di questa prova è la realizzazione di un sistema di amplificazione per microfono, costituito da un preamplificatore e da un amplificatore finale. Si analizzano di seguito i due blocchi distinti.

PREAMPLIFICATORE

Il preamplificatore deve essere progettato in maniera tale che sia in grado di amplificare il segnale prodotto da un microfono, portandolo a valori compresi tra qualche decimo di volt ed un volt; deve essere in grado di adattarsi a microfoni di vario tipo e deve presentare un controlli di toni, mediante il quale sia possibile variare l'intensità dei bassi, degli acuti ed il volume.

È possibile schematizzare il preamplificatore mediante un opportuno schema a blocchi:

Analizziamo ora singolarmente i vari blocchi:

Microfono

Il segnale audio di ingresso viene convertito, mediante il microfono, in un segnale elettrico. Alcuni microfoni necessitano di alimentazione.

Stadio di ingresso

È costituito da una resistenza (R₁) che permette l'adattamento del microfono all'amplificatore successivo.

Stadio amplificatore

Mediante un operazionale si ottiene l'amplificazione del segnale elettrico. Il segnale amplificato è poi inviato al potenziometro R₈ che funge da controllo del volume.

Controllo dei toni

Mediante i potenziometri R₁₀ ed R₁₄ è possibile variare rispettivamente i bassi e gli acuti del segnale ricevuto.

Alimentazione

La tensione di alimentazione deve essere di valore sufficientemente elevato in modo tale da non provocare distorsioni del segnale amplificato e, nel contempo, deve essere minore rispetto al massimo valore accettato dall'operazionale e dal microfono preamplificato. Solitamente si usa un'alimentazione di 15V.

Osserviamo ora lo schema circuitale.

Analizzando lo stadio di ingresso, si sottolinea la necessità di disporre della possibilità di poter collegare diverse tipologie di microfoni. Si è deciso di utilizzare una presa tribolare di tipo Jack, in cui sono disponibili i terminali di alimentazione, massa e ingresso.

In questo modo possono essere utilizzati microfoni che necessitano di alimentazione. In particolare possono essere collegati:

• microfoni a condensatore preamplificato, solitamente dotati di tre terminali (GND, +V_CC ed IN), che vanno collegati rispettivamente a massa tramite la calza del cavetto schermato, all'alimentazione e all'ingresso dell' amplificatore;
• capsule microfoniche preamplificato, dotate di due terminali: uno è il terminale di massa, l'altro porta sia l'alimentazione sia il segnale (in questo caso è necessario inserire nello stadio di ingresso una resistenza di qualche KΩ fra l'alimentazione e il terminale di ingresso);
• microfoni professionali di tipo dinamico, dotati di due o tre terminali, uno dei quali è in ogni caso quello di massa (calza del cavo schermato); se invece è a tre terminali, uno degli altri due, trattandosi di preamplificatore sbilanciato con ingresso di tipo non duale, va collegato insieme alla calza schermante all'ingresso di massa;
• microfoni piezoelettrici, che presentano due terminali, dei quali quello contrassegnato con il segno "+" va collegato all'ingresso e quello con il segno "-" alla massa tramite la calza del cavo schermato.

In ingresso troviamo quindi un microfono, che chiuda sulla resistenza R₁, il cui valore è di solito dell'ordine delle decine di kΩ. Si suppone di utilizzare anche amplificatori piezoelettrici, che presentano elevata impedenza interna, e pertanto si è scelto un valore di resistenza pari a 100 kΩ.

I segnali provenienti dai microfoni solitamente presentano un range di tensione che va da 1 mV ad un valore compreso tra 10÷20 mV circa, a seconda del tipo di microfono. Per questo motivo, stando alle caratteristiche inizialmente definite, l'amplificazione del preamplificatore deve essere di circa 100 dB.

Attraverso il condensatore C₂ il segnale giunge allo stadio amplificatore non invertente, dove quindi deve essere ottenuta un'amplificazione di 100 dB. A tal proposito si utilizza una R₇ di 100

kΩ ed una R6 di 1 kΩ:

La frequenza di taglio inferiore dello stadio f_L è determinata dalla capacità C₄. Se si vuole avere una frequenza di taglio inferiore di 20 Hz, dalla formula inversa si ricaverà il valore del

condensatore:

Per dimensionare C₂ si può considerare il suo effetto trascurabile nell'introno della frequenza di taglio. Poiché la resistenza vista ai suoi capi è R₄ (100 kΩ), si può determinare il valore del

condensatore come segue:

Il condensatore C₅ impedisce invece oscillazioni all'interno della banda passante. Per avere una

frequenza di taglio superiore almeno di 20 kHz si può usare un condensatore di 82 pF:

Il segnale, amplificato quindi di 100 volte, è inviato al potenziometro R₈ che funge da controllo del volume. Ovviamente, per adeguare la risposta dell'amplificatore alla sensibilità dell'orecchio umano, si deve trattare di un potenziometro logaritmico, di valore compreso tra 10 e 100 kΩ.

Mediante il condensatore di accoppiamento C₉, il segnale viene inviato al circuito di controllo dei toni. Il controllo dei toni dà la possibilità di amplificare o attenuare le basse e le alte frequenze di un segnale, in modo da far risaltare maggiormente i bassi o gli acuti di un segnale.

Il principio di funzionamento del circuito di controllo dei toni si basa sullo spostamento dei cursori dei due potenziometri lineari. In particolare il potenziometro R₁₀ agisce, nello spettro del segnale, sulle frequenze basse: spostando il cursore si ha un'esaltazione o un'attenuazione delle basse frequenze. Il potenziometro R₁₄ agisce invece, nello spettro del segnale, sulle frequenze alte: variando la posizione del cursore ha infatti un'esaltazione o un'attenuazione delle alte frequenze.

Per dimensionare la capacità C₉, basta imporre che il suo intervento avvenga a frequenze

minori rispetto a f_L. la resistenza vista ai suoi equivale ad R₃:

Uguale valore viene assegnato a C₈.

Infine si devono avere degli accorgimenti per quanto riguarda la tensione di alimentazione: essa deve essere sufficientemente elevata da non provocare la distorsione del segnale amplificato e nel contempo non deve superare il massimo valore accettato dall'operazionale e dal microfono preamplificato. Valori dai 10 ai 20V sono accettabili; e di conseguenza si è scelto Vcc = 15V. La tensione di alimentazione viene poi ulteriormente filtrata  da C₆ e dal gruppo R₅ C₁ .

AMPLIFICATORE

L'amplificatore audio finale deve essere in grado di erogare su un altoparlante la potenza di 1÷2 W. La sensibilità deve essere di qualche decimo di volt. L'alimentazione deve essere di tipo singolo. Il tipo di amplificatore utilizzato nel progetto appartiene alla classe B, con due transistori finali che funzionano in push-pull.

In figura 1 è schematizzato un amplificatore di potenza di questo tipo:

fig. 1

Tra la vasta gamma di amplificatori di potenza che il mercato offre, si è scelto il TDA 2030, ( SGS Thompson). Questo amplificatore è in grado di erogare fino a 18W di potenza, molto importante è osservare le  caratteristiche elettriche, e il diagramma che lega la massima potenza erogabile alla tensione di alimentazione V_S che deve essere applicata ai terminali di alimentazione dell'amplificatore (nel progetto i terminali 5 e 3). Il diagramma è presente nel foglio tecnico presente alla fine del progetto. L'escursione picco-picco del segnale d'uscita si avvicina alla tensione di alimentazione, non considerando le cadute di tensione interne allo stadio finale. L'ampiezza massima del segnale d'uscita e la sua potenza massima erogata sono pari a:

   [1] [2]

Se a queste relazioni si applicano i valori di e  si ottiene una V_LM(max)= 10V e una P_L(max)= 6W in accordo con i valori forniti dal diagramma. Adesso dopo questo appunto sul tipo di integrato usato si può passare allo studio del circuito nonché, la soluzione circuitale: il segnale d'ingresso, che viene prelevato tramite un potenziometro che funge da regolatore di volume, arriva al condensatore C₁ che si trova sul morsetto non invertente dell'amplificatore. Il suddetto ingresso è polarizzato con una tensione di V_S\2 in quanto sono presenti due resistenze e il condensatore C₂ e si viene a creare un partitore di tensione. Sono presenti due resistenze R₆ ed R₄ che, inserite nel circuito limitano l'offset. L'amplificatore è in configurazione non invertente, il suo ramo di reazione è composto da le due resistenze R₆ e R₅, l'amplificazione di tensione dello

stadio vale:

  [3]

La capacità C₃, collegata con la resistenza R_5, viene collegata al morsetto invertente del A.O., fissa

la frequenza di taglio f_L.

    [4]

Nel circuito sono presenti due diodi D₁ e D₂ messi in una configurazione precisa, al fine di proteggere l'uscita da possibili sovratensioni positive e negative. Il collegamento dove sono presenti la resistenza R₇ e C₆ impediscono, che all'innesco del circuito integrato si vengono a creare oscillazioni. La funzione del condensatore C₇ consente l'escursione del segnale di uscita intorno al livello V_S\2. Il compito delle due capacità C₅ e C₄ è di filtrare la tensione di alimentazione, che in base alla formula [1], viene fissata a 15V ( un tipo di alimentazione singolo). È opportuno, al fine di mantenere il punto di funzionamento all'interno dell'area di sicurezza, l'utilizzo di un dissipatore. Per un amplificatore che lavora in classe B la massima potenza dissipata su ognuno dei due transistori finali è pari all'incirca del 20% della massima potenza erogabile.

COLLAUDO

A progetto terminato sono state realizzate le elaborazioni principali per giungere al collaudo del lavoro: stesura dello sbroglio, che mostra il progetto per la realizzazione del circuito stampato; master e layout, che mostrano rispettivamente i collegamenti stampati e la disposizione dei componenti.

Successivamente il progetto è stato realizzato sperimentalmente su bread-board. Il tutto è stato visionato con l'ausilio di un tester, per verificare la presenza di eventuali errori o problemi di collegamento, e successivamente collaudato sperimentalmente. Si è prima collaudato il preamplificatore, dove in ingresso è stata fornita la tensione di alimentazione e collegato un microfono, mentre in uscita è stato collegato un amplificatore finale già collaudato. Variando i potenziometri R₈, R₁₀ ed R₁₄ si è potuto variare rispettivamente il volume, i bassi e gli acuti del suono prodotto dall'altoparlante. Successivamente, al preamplificatore, quindi perfettamente funzionante, è stato collegato l'amplificatore finale realizzato: ciò che viene detto al microfono è perfettamente riprodotto, e amplificato, all'altoparlante. Il circuito realizzato risponde pertanto perfettamente ai parametri impostati nella progettazione.