No tutorial anterior, aprendemos como projetar um crossover de áudio, usando filtros de áudio passa-alta e passa-baixa. A seguir, vamos projetar um equalizador de áudio.
Equalização é o processo de ajuste dos elementos de frequência do som. Um equalizador (EQ) é um filtro de áudio que isola certos componentes de frequência de um sinal de áudio, aumentando-os ou diminuindo-os.
Os equalizadores são amplamente utilizados em sistemas de áudio, inclusive durante a gravação ou com amplificadores e mixers. Eles normalmente são usados para corrigir ou ajustar a resposta dos alto-falantes, amplificadores, microfone ou até mesmo a acústica de uma sala. Eles são a base do sistema de áudio de qualquer DJ.
Um equalizador de áudio de três bandas.
Num sistema EQ, os sinais de áudio são divididos em diferentes bandas de frequência. Essas bandas oferecem maior controle sobre as faixas de frequência e cada uma possui um controle deslizante separado, que controla o ganho do sinal de áudio de entrada. Um verão atual, então, combina as bandas de frequência com a faixa de áudio atualizada.
Existem dois tipos de equalizadores:
1. Equalizador paramétrico: normalmente usado em estúdios de mixagem e gravação, pois esses equalizadores oferecem mais precisão. Eles permitem que o usuário controle a largura de banda (também conhecida como Q ou quociente de mudança), a frequência central e os níveis de frequência (o ganho) por meio de diferentes botões.
Um equalizador de áudio paramétrico.
2. Equalizador gráfico: tem largura de banda e frequência central fixas, mas o ganho de uma banda de frequência pode ser ajustado por meio de diferentes controles deslizantes. Quanto maior a quantidade de controles deslizantes neste EQ significa maior controle sobre uma faixa mais ampla de frequências.
Um equalizador de áudio gráfico.
Os equalizadores podem ser projetados usando filtros de áudio ou chips integrados (como um LA-3600, que é um IC equalizador de cinco bandas).
Para este projeto, projetaremos um circuito equalizador gráfico de três bandas usando filtros de áudio. Portanto, ele terá circuitos de filtro passa-baixa, alta e passa-banda para separar as frequências baixa, alta e média do sinal de áudio. Os circuitos serão filtros ativos utilizando um amplificador operacional (amplificadores operacionais).
O ganho para cada faixa de frequência será regulado através de resistores variáveis, conectados na entrada dos circuitos de filtro. Os diferentes componentes de frequência serão combinados no estágio de saída dos filtros e conectados a um circuito amplificador de potência baseado em LM386. O circuito amplificador aumentará o sinal de áudio combinado e o direcionará para um alto-falante.
Para testar adequadamente este equalizador, analisaremos a curva de resposta de frequência dos filtros de áudio. A curva será desenhada traçando os níveis de tensão do sinal de áudio em relação às frequências. Um gerador de função será usado como fonte de entrada para produzir ondas senoidais em diferentes frequências.
Usaremos alguns termos comuns associados a amplificadores de áudio ou filtros de áudio, como ganho, frequência de corte, largura de banda e fator de qualidade. Abordamos alguns deles no tutorial anterior: Entendendo os filtros.
Componentes necessários
Diagrama de bloco
Conexões de circuito
Nosso equalizador foi projetado para usar três filtros de áudio:
- Um filtro passa-alta para separar os elementos de alta frequência
- Um filtro passa-banda para separar os elementos de frequência média
- Um filtro passa-baixa para separar frequências baixas elementos
O ganho para as diferentes faixas de frequência é controlado através de resistores variáveis, conectados na entrada dos filtros. Posteriormente, as bandas de frequência são combinadas em um sinal de áudio e passadas para um amplificador de potência e alto-falante.
O circuito equalizador é construído montando os seguintes componentes…
Uma fonte de alimentação – Uma fonte de alimentação dupla é usada para alimentar os circuitos do filtro, usando duas baterias de 9V. Como uma fonte CC é necessária para polarizar os amplificadores operacionais, as baterias fornecem as tensões negativas e positivas.
As tensões de alimentação positiva e negativa dessas baterias são fornecidas aos amplificadores operacionais usados em todos os filtros.
- Para a tensão negativa, o cátodo de uma das baterias é conectado ao pino de alimentação negativo do amplificador operacional e o ânodo da bateria é conectado ao terra comum.
- Para a tensão positiva, o ânodo da outra bateria é conectado ao pino de alimentação positivo do amplificador operacional e o cátodo da bateria é conectado ao terra comum.
Um diagrama de circuito da fonte de alimentação dupla para os filtros ativos passa-alta e passa-baixa.
Fonte de áudio – A entrada de áudio é fornecida por um smartphone, usando um conector de 3,5 mm. A tomada deve ter três fios: um para o terra, um para o canal esquerdo e um terceiro para o canal direito. Os fios que se conectam aos canais são usados para os sistemas estéreo.
Neste sistema, o sinal de áudio de ambos os canais é transmitido com uma diferença de fase de 180 graus. Os sinais de áudio com mudança de fase são combinados para produzir um sem ruído sinal de áudio, que é chamado de sistema de áudio balanceado.
Em nosso circuito, entretanto, apenas um dos canais é utilizado como fonte de áudio. O fio terra do conector está conectado ao terra comum. Portanto, este sistema de áudio ficará desequilibrado e a fonte de áudio será conectada como um canal de fonte única ou mono.
Um conector de áudio de 3,5 mm.
O sinal de áudio passa pelo capacitor. Sua impedância é inversamente proporcional à frequência e à capacitância — portanto, quanto menor a frequência, maior a impedância e vice-versa.
O elemento de alta frequência do sinal de áudio terá, portanto, menos impedância e passará facilmente através do capacitor e para a entrada não inversora do amplificador. O elemento de baixa frequência do sinal conterá um nível maior de impedância. É contornado pelo resistor conectado ao terra.
A impedância do capacitor pode ser determinada usando esta equação:
(Impedância), Xc= 1/ (2π*f*C)
O filtro passa-alta é projetado usando um capacitor (“C1” no diagrama de circuito) de 100 nF e um resistor (“R2”) de 3,2 quilo-ohms. Usando esses valores para o capacitor e o resistor, a frequência de corte do filtro pode ser calculada da seguinte forma:
FH= 1/ (2πR2C1)
FH= 1/ (2π*3,2k*100n)
FH= 500 Hz (aprox.)
A rede RC forma um filtro passa-alta passivo. Através desta rede, o sinal de áudio filtrado – que agora transporta apenas sinais de alta frequência – é passado para o pino não inversor do amplificador operacional.
Um diagrama de circuito de um amplificador operacional LM741 em um filtro passa-alta ativo.
Para este projeto, estamos usando o amplificador operacional IC LM741. O LM741 é um amplificador operacional de uso geral com baixa impedância de entrada (megaohms), em comparação com um amplificador operacional FET, que possui uma impedância de entrada alta (em gigaohms).
O CI LM741.
A impedância de saída do 741 deveria, idealmente, ser zero, mas normalmente é de cerca de 75 ohms. A corrente de alimentação máxima do 741 IC é de cerca de 2,8 mA, com uma tensão de alimentação de até +/- 18V.
O IC tem a seguinte configuração de pinos…
O IC tem este diagrama de pinos:
O IC possui proteção contra sobrecarga de entrada e saída e possui travamento zero quando a faixa de modo comum é excedida. O IC pode receber uma tensão de alimentação positiva ou negativa de até 22 V e uma tensão de sinal de entrada (amplitude) de até 15 V. Geralmente, deve ser fornecida uma tensão positiva ou negativa de pelo menos 10V.
O diagrama do circuito interno de um amplificador operacional IC LM741.
O LM741 pode ser configurado como um amplificador de malha aberta ou fechada e como um amplificador inversor ou não inversor.
Neste circuito, o IC LM741 foi usado como amplificador não inversor. O sinal de entrada do filtro passa-alta passivo é conectado ao pino de entrada não inversor do IC (pino 3). Um resistor de 22 quilo-ohms (“R5” no diagrama do circuito) é conectado entre os pinos 6 e 2 do IC, fornecendo feedback negativo. O pino inversor (pino 2) é aterrado por meio de um resistor de 2,2 quilo-ohm (“R3”).
O ganho do amplificador é definido por esses resistores e pode ser calculado da seguinte forma:
Ganho = (R5/R3)
= 22/2,2 quilo ohms
= 10
Como resultado, o elemento de alta frequência do sinal de áudio é amplificado 10 vezes em comparação com o sinal de áudio de entrada. A saída do amplificador operacional é extraída do pino 6 do IC, que está conectado a um dos fios do alto-falante.
Filtro passa-baixa – Um filtro passa-baixa ativo de primeira ordem está conectado ao circuito. Para este filtro, a entrada de áudio é passada para o pino não inversor do amplificador operacional por meio de uma rede RC. O sinal de áudio passa pelo resistor, que possui uma resposta independente da frequência. Os elementos de alta frequência do sinal de áudio são desviados através de um capacitor para o solo.
A impedância do capacitor é inversamente proporcional à frequência e à sua capacitância – portanto, quanto menor a frequência, maior a impedância e vice-versa. Os elementos de alta frequência do sinal de áudio, portanto, experimentam menos impedância e são facilmente desviados através do capacitor para o terra. Os elementos de baixa frequência do sinal de áudio experimentam mais impedância e não podem desviar do capacitor.
A impedância de um capacitor pode ser fornecida com esta equação:
(Impedância), Xc= 1/ (2π*f*C)
O filtro passa-baixa é projetado usando um capacitor (“C2” no diagrama de circuito) de 100 nF e um resistor (“R1”) de 3,2 quilo-ohms. Dados estes valores do capacitor e do resistor, a frequência de corte do filtro pode ser calculada da seguinte forma:
FH= 1/ (2πR2C1)
FH= 1/ (2π*3,2k*100n)
FH= 500 Hz (aprox.)
A rede RC forma um filtro passa-baixo passivo. Através da rede, o sinal de áudio filtrado – que agora transporta apenas elementos de baixa frequência – é passado para o pino não inversor do amplificador operacional.
Um diagrama de circuito de um amplificador operacional 741 usado com um filtro passa-baixa ativo.
Neste circuito de filtro passa-baixa, o IC LM741 é usado como um amplificador não inversor. O sinal de entrada do filtro é conectado ao pino de entrada não inversor do IC (pino 3).
Como não há circuito de realimentação, o ganho do OPAM será unitário. Porém, existe um resistor variável (“RV1” no diagrama de circuito), que é conectado na entrada do filtro passa-baixa. Ao ajustar este resistor variável, o nível de tensão do sinal de áudio de entrada aumenta ou diminui.
O elemento de baixa frequência do sinal de áudio será proporcional ao nível de tensão do sinal de entrada, uma vez que o ganho do amplificador operacional é unitário. Como tal, o ganho ou força da banda de baixa frequência pode ser ajustado usando o resistor variável RV1, que normalmente é montado em um botão no equalizador.
A saída do amplificador operacional é extraída do pino 6 do IC, que está conectado à entrada do amplificador de potência.
Filtro passa-faixa – Um filtro passa-banda ativo de segunda ordem está conectado ao circuito. Ele foi projetado com uma frequência central de 1 kHz e uma largura de banda de 1,5 kHz.
Um filtro passa-faixa consiste em um filtro passa-alta conectado em série com um filtro passa-baixa. Observação:
- A frequência de corte do passa-alta é a frequência de corte mais baixa do filtro passa-banda.
- A frequência de corte do passa-baixa é a frequência de corte mais alta do filtro passa-banda.
- Somente as frequências entre as duas frequências de corte passa-alta e passa-baixa podem passar na saída.
Este filtro passa-faixa possui uma faixa de frequência entre 500 Hz e 1,5 kHz.
Conforme visto no diagrama do circuito, um filtro passa-baixa com um resistor de 1,5K ohms (“R2”) e um capacitor de 100 nF (“C3”) são conectados em série com o filtro passa-alta. Utiliza um capacitor de 100 nF (“C2”) e um resistor de 3K ohms (“R3”).
O IC LM741 é usado para o amplificador operacional como um amplificador não inversor. O sinal de entrada do filtro passa-banda passivo é aplicado no pino de entrada não inversor do IC (pino 3).
Um diagrama de circuito do filtro passa-banda ativo baseado em amplificador operacional 741, com um recurso de volume ajustável.
Esta é a segunda ordem chamada filtro passa-banda chave. Ele passa apenas a frequência que está em sua faixa de frequência de corte.
O filtro passa-banda possui duas frequências de corte – as frequências de corte inferior e superior. A frequência central e a largura de banda fornecem essas duas faixas de frequência conforme mostrado na curva abaixo…
Um gráfico que mostra uma curva de frequência típica de um filtro passa-faixa.
Neste circuito, a capacitância dos capacitores “C2” e “C3” é a mesma. A resistência de “R2” também é igual ao feedback do resistor “R4”.
A frequência central (fc) deste filtro passa-faixa pode ser calculada da seguinte forma:
Fc= 1/ (2πRC)
Fc = 1/ (2π*1,5k*100n)
Fc=1kHz (aprox.)
A rede de resistores (“R6” e “R7”) é responsável pelo ganho do amplificador. Para a configuração do amplificador não inversor, o ganho pode ser calculado usando esta equação:
G = (1+R7/R6)
G = (1 + 1k/1k) = 2
O fator de qualidade para esta configuração é calculado da seguinte forma:
Q =1/(3-G)
Então, Q = 1
A largura de banda deste filtro passa-banda pode ser calculada da seguinte forma:
Largura de banda =fc/Q
Então, largura de banda = 1,5 kHz
No gráfico da curva de frequência, pode-se observar que as frequências de corte inferior e superior deste filtro são:
- Frequência de corte inferior, fL = 500Hz
- Frequência de corte superior, fH = 1,5 kHz
A frequência (entre 500 Hz e 1,5 kHz) passa pelo filtro passa-banda com um ganho de tensão de dois. Existe um resistor variável (“RV2”), que é conectado na entrada do filtro passa-faixa. Ao ajustar este resistor variável, o nível de tensão do sinal de áudio de entrada aumenta ou diminui.
O componente de frequência média do sinal de áudio será duas vezes o nível de tensão do sinal de entrada, uma vez que o ganho do amplificador operacional é dois. Como tal, o ganho ou força da banda de frequência média será amplificado em dois e pode ser ajustado usando o resistor variável “RV2”.
Este resistor variável normalmente é montado em um botão do equalizador. A saída do amplificador operacional é extraída do pino 6 do IC, que está conectado à entrada do amplificador de potência.
Amplificador de potência – O IC LM386 é usado como amplificador de potência de verão e não inversor neste circuito. O verão é responsável por adicionar o sinal de entrada e fornecer a saída.
As três bandas de frequência são combinadas e amplificadas pelo 386 IC. Possui ganho interno de 26 dB quando os pinos 1 e 5 são deixados abertos, o que significa que o sinal de entrada é amplificado por um fator de 20.
O CI LM-386.
Palestrante – Um alto-falante com potência de 10 watts e impedância de 8 ohms é usado como carga na saída do amplificador.
O alto-falante está conectado no pino 5 do IC, que é o pino de saída do LM386. O fio terra do alto-falante está conectado ao terra comum. Uma rede RC inclui um resistor de 10 ohms (“R8” no diagrama de circuito) e um capacitor de 100 nF (“C6”), que é conectado antes do alto-falante.
Isso é chamado de “rede Zobel”. Ele garante que a impedância do alto-falante forneça resistência constante para o amplificador após a saída. Isso estabiliza a frequência e as oscilações na saída.
Se o capacitor “C6” C6 e o resistor “R1” fossem trocados, não formaria mais uma rede Zobel, mas a impedância de saída ainda permaneceria constante.
O pino 7 do LM386, que é o “pino terminal de bypass” é aterrado com um capacitor (“C5”), o que é importante para melhorar a estabilidade da saída do amplificador.
Os seguintes cuidados devem ser tomados ao montar este circuito:
1. Use apenas alto-falantes equivalentes à saída do amplificador – ou de alta potência.
2. Evite cortar o sinal de saída, pois isso pode danificar os alto-falantes.
3. Coloque sempre os componentes o mais próximo possível para reduzir o ruído no circuito.
4. O IC 386 começa a aquecer quando fornece alta potência, por isso é recomendado primeiro aplicar uma pasta térmica em sua superfície, o que também aumentará sua vida útil.
5. A tábua de pão produz muito barulho e solto componentes, por isso é recomendado fazer este circuito em PCB para obter ruído claro e sem distorção.
Um protótipo de equalizador de áudio de três bandas.
Como funciona o circuito
Um sinal de áudio é obtido de um smartphone conectado por meio de um conector de 3,5 mm a um único canal. Este sinal é passado através de circuitos de filtro passa-alta, alto e passa-faixa, cada um com resistores variáveis em sua entrada. Os resistores ajustam os níveis do sinal de entrada e os filtros ajustam o ganho para cada banda de frequência de acordo.
Por exemplo, o filtro passa-alta separa os elementos de alta frequência (acima de 1,5 kHz) e os entrega ao amplificador de potência com ganho unitário. O filtro passa-baixa separa os elementos de baixa frequência (abaixo de 500 Hz), entregando-os ao amplificador de potência com ganho unitário. O filtro passa-faixa separa os elementos de frequência média (de 500 Hz a 1,5 kHz) e os passa para o amplificador de potência com um ganho de tensão de dois.
Todos os elementos de frequência são, então, combinados na entrada do LM386 e amplificados em 20 devido ao ganho definido programado do IC de 26 dB. A saída do amplificador de potência é direcionada para um alto-falante para regenerar o som.
Ajustando a resistência variável na entrada dos circuitos de filtro, o ganho das três bandas de frequência pode ser alterado. Isto pode ser usado para reduzir o ruído ou para criar efeitos sonoros especiais a partir do áudio original.
Um protótipo de filtro ativo passa-alta, banda e passa-baixa.
Testando o circuito
O EQ pode ser testado examinando o desempenho dos circuitos de filtro usando o gerador de função como fonte de entrada. Ele gera uma onda senoidal de amplitude constante e frequência variável.
Como um sinal de áudio é, essencialmente, uma onda senoidal, um gerador de função pode ser usado em vez de um microfone ou outro tipo de fonte de áudio.
Nota: um alto-falante não é usado como carga porque é resistivo e indutivo. Em frequências diferentes, sua indutância muda, o que, por sua vez, altera a impedância (a combinação “R” e “L”). Portanto, o uso de um alto-falante como carga na saída do amplificador pode fornecer resultados falsos ou fora do padrão.
Em vez disso, usaremos uma carga fictícia puramente resistiva. Como a resistência não muda com a frequência, pode ser considerada uma carga confiável independente da frequência do sinal de áudio de entrada.
A amplitude pico a pico do sinal do gerador de função deve ser ajustada para 100 mV, com uma carga resistiva de 10 ohms conectada na saída (em vez dos alto-falantes). A frequência de corte do filtro passa-alta deve ser 1,59 kHz e a do filtro passa-baixa deve ser 500 Hz. A frequência central do filtro passa-faixa deve ser de 1 kHz, com largura de banda entre 500 Hz e 1,5 kHz. O ganho do sinal do amplificador de potência deve ser de 20 (26 dB).
Com base em nossos testes, foram observadas as seguintes respostas de frequência dos filtros passa-alta, banda e passa-baixa:
Esta tabela é usada para traçar a curva de frequência para os três filtros. A curva de frequência do filtro passa-baixa foi:
A resposta de frequência de um filtro de áudio passa-baixa.
A resposta de frequência de um filtro de áudio passa-faixa.
A resposta de frequência de um filtro de áudio passa-alta.
A curva de frequência para os filtros passa-faixa alto, baixo e pode ser plotada com mais precisão fazendo leituras de nível de tensão para um número maior de frequências.
Neste tutorial, projetamos um equalizador gráfico de áudio de três bandas que permite aumentar ou alterar os sinais de áudio em frequências altas (acima de 1,5 kHz), baixas (abaixo de 500 Hz) e médias (de 500 Hz a 1,5 kHz).
A potência de saída deste equalizador é de 700 mW e o ganho de tensão é de 26 dB. Este circuito equalizador pode ser usado em sistemas de DJ e para mixar trilhas sonoras.
No próximo tutorial, aprenderemos como projetar um mixer de áudio.
