O áudio é uma das mídias mais comuns. Aqui, refere-se à representação do som que pode ser percebido pelos humanos. Áudio e Vídeo são componentes essenciais de qualquer mídia eletrônica. A eletrônica pode ser usada para receber sinais de áudio (via microfone), gravar áudio em algum armazenamento, transmitir áudio (através de canais de comunicação com ou sem fio) e reproduzir sinais de áudio (através de alto-falantes). O áudio pode ser representado e transmitido como sinais analógicos ou digitais. Nesta série, os sinais de áudio analógicos são a preocupação. Os sinais de áudio têm uma faixa de frequência de 20 Hz a 20.000 Hz.
O volume de um sinal de áudio é indicado pela amplitude do sinal. Assim como a natureza do som, o áudio na forma de sinais elétricos também desaparece com a distância. Este foi um grande problema enfrentado pelos engenheiros de telefonia na fase inicial do desenvolvimento das tecnologias de comunicação. Normalmente, em um canal com fio, se um sinal elétrico que transporta áudio é transmitido de uma extremidade e recebido em outra extremidade, a um quilômetro de distância, ele perde 90% de sua força. Quando o sinal viaja através de um fio, a resistência do fio causa redução na sua potência (P = I2/R). A perda de sinal durante a transmissão tem sido um grande problema para os engenheiros eletrônicos. Existem perdas se o sinal for transmitido apenas do microfone para o dispositivo de gravação, computador ou gerador de áudio para um alto-falante ou se for transmitido por fio por uma longa distância. Para resolver este problema, os engenheiros desenvolveram componentes eletrônicos especiais – 'Amplificadores'. Os amplificadores aumentam a força do sinal para que ele alcance uma distância maior antes de diminuir. Ao aumentar a amplitude do sinal de entrada, basicamente a potência de saída do circuito aumenta, pois os sinais de alta potência podem percorrer mais distâncias do que os sinais de baixa potência. Ao usar amplificadores em diferentes estágios, os sinais de áudio podem ser transmitidos com segurança por meio de uma conexão com fio.
Outra grande melhoria foi a representação do áudio na forma de sinais digitais. Pela representação dos sinais de áudio na forma de sinais digitais, os dados de áudio permanecem seguros. Na codificação digital, os dados de áudio tornam-se independentes da amplitude do sinal e assim não são alterados ou perdidos devido ao ruído no cabo.
Nesta série, os sinais de áudio analógicos continuarão sendo a área de preocupação. A codificação digital dos sinais de áudio não será discutida. O projeto e o uso de diferentes tipos de amplificadores serão discutidos ao longo desta série. Os seguintes circuitos amplificadores serão projetados na série –
1) Amplificador de potência de 250 mW
2) Amplificador de potência de 1W
3) Amplificador de reforço de graves
4) Amplificador de áudio automotivo
5) Amplificador de fone de ouvido
6) Amplificador estéreo
7) Pré-amplificador MAX4468
8) Pré-amplificador LM358
Um amplificador aumenta a força de um sinal de áudio aumentando sua amplitude. O aumento na amplitude é chamado de Amplificação. É por isso que é chamado de Amplificador. Um amplificador de áudio precisa ser projetado com base em sua aplicação e nas especificações exigidas. Todos os amplificadores listados acima são projetados para diferentes aplicações e com especificações diferentes conforme a necessidade.
Fig. 1: Imagem de um amplificador de áudio típico
Compreendendo os sinais de áudio
Mas, antes de saltar sobre a eletrônica envolvida no projeto de diferentes amplificadores, é importante compreender os fundamentos dos sinais de áudio, para que as especificações dos circuitos amplificadores possam ser examinadas. Os dispositivos eletrônicos processam o som de forma muito semelhante ao corpo humano. O som é produzido quando algo vibra no ar e, por sua vez, as partículas do ar vibram. As vibrações são propagadas pelo ar e recebidas pelos ouvidos humanos. Os ouvidos convertem essas vibrações em sinais elétricos e os enviam ao cérebro. Um microfone também faz o mesmo. Em um microfone, as ondas sonoras vibram em seu diafragma, causando vibrações em outros componentes e as vibrações são convertidas em corrente elétrica formando o sinal de áudio. Este sinal elétrico é um sinal analógico que representa o som. Possui duas características importantes que reconhecem o sinal como um som único –
1) Frequência – A frequência do sinal significa a altura do som. Este é o fator mais importante no reconhecimento de um som.
2) Amplitude – A amplitude do sinal significa a intensidade do som. Como este é o nível de tensão do sinal em um determinado momento, ele também representa a potência do sinal. Existem várias maneiras pelas quais a amplitude de um sinal de áudio pode ser medida, como amplitude pico a pico, amplitude quadrada média (RMS), amplitude de pulso, semi-amplitude, etc. análise dos amplificadores de áudio projetados nesta série.
Amplitude pico a pico – A amplitude pico a pico é a diferença entre a crista (maior valor de amplitude) e a calha (menor valor de amplitude) do sinal analógico.
Fig. 2: Diagrama de sinal mostrando a amplitude pico a pico de um sinal de áudio
Amplitude RMS- O RMS significa Root Mean Square. Geralmente é usado no contexto de sinais analógicos ou sinais de corrente alternada (CA). O valor RMS é a quantidade de corrente ou tensão igual à sua corrente contínua equivalente (CC). Portanto, é universal definir o RMS para sinais CA ao calcular a potência em termos de CC. A seguinte equação é usada para calcular a tensão RMS de pico a pico de tensão –
Vrms= Vp-p/ (2)1/2
Tipos de amplificadores de áudio
Os amplificadores de áudio podem ser categorizados de várias maneiras. Com base na aplicação de um amplificador de áudio, ele pode ser categorizado da seguinte forma –
1) Pré-amplificador
2) Amplificador de potência
Um pré-amplificador é necessário para amplificar os sinais de entrada muito baixos de um microfone ou guitarra. É usado antes do estágio do amplificador de potência. Esses tipos de amplificadores não ajudam a aumentar a potência de saída, mas são usados para nivelar os sinais elétricos do microfone ou guitarra para a tensão de nível de linha padrão antes da amplificação. A corrente de saída desses amplificadores está em micro amperes, por isso às vezes eles também são chamados de Microamplificadores. Junto com a amplificação de tensão, eles também reduzem o ruído e a distorção no sinal de saída. Após a pré-amplificação, o amplificador de potência é usado para aumentar a potência de saída, amplificando a corrente e também a tensão do sinal de entrada.
Características do amplificador de áudio
Existem muitos fatores de projeto envolvidos na fabricação de qualquer circuito amplificador, como ganho, largura de banda, potência de saída e tensão máxima de alimentação. Um amplificador de áudio deve ser projetado considerando todos esses fatores importantes de projeto. Alguns dos parâmetros de projeto importantes envolvidos na fabricação de um amplificador de áudio são os seguintes –
1) Ganho – O ganho é uma medida da capacidade de qualquer sistema de aumentar a potência ou amplitude do sinal. O ganho de um circuito amplificador é expresso como a razão entre a tensão de saída e a tensão de entrada (ganho de tensão), ou a razão entre a corrente de saída e a corrente de entrada (ganho de corrente) ou a razão entre a potência de saída e a potência de entrada (potência ganho). É expresso em dB (decibel). A equação para converter o ganho de tensão em ganho em dB é a seguinte –
Ganho (dB) = 20logGv
Onde Gv é o ganho de tensão.
Na análise dos circuitos amplificadores projetados nesta série, o ganho de tensão será tomado como fator de projeto. O ganho de tensão é expresso como a razão entre a tensão de saída e a tensão de entrada.
Ganho de tensão = tensão de saída/tensão de entrada
2. Volume e taxa de inclinação – O volume de um áudio é determinado pela amplitude de saída do sinal de áudio. Como o ganho do circuito decide a amplitude máxima e mínima, o volume pode ser alterado apenas na faixa dessa amplitude. Usando um potenciômetro, a amplitude do sinal pode ser alterada e, portanto, a intensidade ou volume do sinal de áudio. Um amplificador não pode alterar repentinamente o volume do sinal de áudio. A taxa máxima de mudança do sinal de saída é chamada de taxa de inclinação do amplificador.
3. Potência de saída – A potência de saída de um amplificador de áudio é equivalente ao quão alto pode ser o som emitido por ele. Geralmente é expresso em Watts ou Mili Watts. Quanto maiores forem os alto-falantes, mais potência de saída do amplificador será necessária para eles. A potência máxima de saída de um circuito amplificador pode ser calculada da seguinte forma –
P = V2/2R
Onde,
P = potência de saída
V = tensão pico a pico
R = Resistência da carga
4) Linearidade – No contexto dos amplificadores de áudio, a linearidade refere-se à proporcionalidade entre o sinal de entrada e saída. Quanto maior for a linearidade, maior será a representação verdadeira do áudio de saída do sinal de áudio de entrada.
5) Largura de banda – A largura de banda refere-se à faixa de frequência na qual o amplificador pode operar. Os circuitos amplificadores desta série são projetados para operar na faixa de frequência de 20 Hz a 20 KHz.
6) Efeito Clipping – Os circuitos amplificadores são projetados para ter tensões de saída em uma faixa específica. Normalmente este intervalo é mencionado com um sinal de mais e/ou menos. Assim como um amplificador pode ser projetado para ter tensões de saída na faixa de +/- 50V. Portanto, idealmente, o nível de tensão de saída deste amplificador não excederá 50 V em relação à origem da forma de onda. Como o nível de tensão e a potência de saída estão relacionados, isso também indica a faixa de potência de saída que pode ser fornecida pelo amplificador. Se for feita uma tentativa (pela carga ou pelos alto-falantes na saída do amplificador) de consumir mais níveis de potência ou tensão do que os níveis de potência ou tensão para os quais o amplificador foi projetado, então a forma de onda de saída (transportando os sinais de áudio) será comece a recortar.
Ao cortar, significa que o nível de tensão de saída se torna constante e igual ao nível máximo de tensão que pode produzir para todos os níveis de tensão que estão além do limite máximo de saída do amplificador. Como o sinal de tensão de saída é o próprio sinal de áudio, o corte causará distorção no som de saída. Se o corte for severo, a forma de onda de saída pode se tornar uma onda quadrada em vez de uma onda senoidal, causando a perda do sinal de áudio ou apenas o ruído restante na saída do amplificador.
Em segundo lugar, a potência nominal da onda quadrada é o dobro da onda senoidal. A fonte de alimentação da maioria dos amplificadores não consegue suportar uma potência de saída duas vezes maior que sua potência nominal por um período mais longo.
Além disso, na saída a tensão será praticamente maior que a tensão nominal o que causará problemas na carga que são os alto-falantes. Os alto-falantes são projetados para ter impedância constante. A impedância dos alto-falantes é expressa em ohms e normalmente é de 2, 4 ou 8 ohms. Um alto-falante de baixa impedância consome mais energia em comparação com um alto-falante de alta impedância. Ao cortar, um alto-falante de alta impedância ou baixa potência pode praticamente ser danificado.
Quando o sinal de saída de um amplificador é cortado, ele atua como uma fonte de energia constante ou uma entrada CC fixa para as entradas dos alto-falantes. Os alto-falantes possuem uma bobina interna. Ao obter uma entrada constante, esta bobina não terá chance de esfriar devido ao corte da passagem suave no sinal de áudio. É incomum explodir os tweeters em caso de clipping extremo. O tweeter é uma espécie de alto-falante (em forma de cúpula ou chifre) destinado a gerar alta frequência de áudio na faixa de 2 kHz a 20 kHz. O risco de danos a um alto-falante depende do sinal de áudio (ele tem uma grande quantidade de alta frequência), do grau de corte e de quão sustentável o alto-falante está além de sua potência nominal. Portanto, um alto-falante de alta potência e baixa impedância pode ser usado com um amplificador de baixa potência, mas vice-versa não é verdade.
Suponha que se um alto-falante tiver o dobro da potência de saída do amplificador, não haverá problemas com o alto-falante em caso de corte. No entanto, o recorte ainda adicionará distorção ao áudio de saída e a qualidade do som poderá ser terrivelmente reduzida e ninguém conseguirá ficar por perto.
Portanto, é melhor usar um amplificador para um corte ocasional apenas, pois o corte aumenta as chances de danos ao alto-falante, pode sobrecarregar o amplificador ou deteriorar a qualidade do som.
O efeito de recorte pode ser observado em um CRO. Na figura a seguir, a forma de onda vermelha representa a suposta saída de áudio e a forma de onda amarela representa a forma de onda cortada ao usar um amplificador de áudio de menor potência.
Fig. 3: Imagem da forma de onda mostrando o efeito de corte no sinal de áudio
7) Estabilidade e Feedback Negativo – A capacidade do circuito amplificador de fornecer uma saída confiável é chamada de estabilidade. Para aumentar a estabilidade do circuito, o feedback negativo é usado no projeto dos circuitos amplificadores. Existem várias vantagens do feedback negativo, como estabilidade de ganho, redução de ruído, aumento na impedância de entrada, diminuição na impedância de saída e aumento na largura de banda. Para fornecer feedback negativo, os circuitos amplificadores desta série são projetados em configuração inversora.
8) Correspondência de Impedância – Para transferência completa de energia da entrada para a saída, a impedância da fonte e da carga deve ser a mesma. Mas não é possível combinar adequadamente a impedância, portanto, existe uma regra geral de que a impedância de saída/impedância de carga deve ser 10 vezes a impedância de fonte/entrada. Isso resulta em uma perda de potência conhecida de 10% e 90% da potência é transferida para a saída. Assim, ao aumentar a impedância de saída, a perda de potência do amplificador pode ser bastante reduzida.
9) Eficiência – A eficiência de um amplificador de áudio é expressa como a relação entre a potência de saída do amplificador e a potência consumida pelo próprio amplificador.
10) Ruído e SNR – Qualquer circuito amplificador apresenta algum ruído na saída. Este ruído é criado pelos componentes semicondutores utilizados no projeto do amplificador. Quanto maior é a potência de saída de um amplificador, maior é o ruído em sua saída. Um amplificador precisa ser projetado de modo que o ruído em sua saída permaneça constante, independentemente do sinal. Além disso, a relação sinal-ruído deve permanecer alta em toda a faixa operacional do amplificador. Portanto, o amplificador deve ter uma alta relação sinal-ruído (SNR), que deve ser constante em sua faixa de operação.
11) Distorções Harmônicas – Distorções são sinais indesejados misturados com o sinal de áudio original ou sinal de áudio de entrada. Se uma forma de onda de áudio de frequência constante for aplicada na entrada de um amplificador, ela deverá permanecer a mesma também na saída do amplificador. Porém, frequências do múltiplo inteiro da frequência de entrada são adicionadas na saída do amplificador. Essas frequências são chamadas de Distorções Harmônicas e são sempre o múltiplo integral da frequência de entrada. O nível de distorção na saída de um amplificador é medido como Distorção Harmônica Total (THD). A Distorção Harmônica Total é a razão entre a potência de todas as frequências harmônicas combinadas e a potência da frequência original. As distorções harmônicas em um amplificador devem ser ocasionais e o THD para essas ocorrências ocasionais também deve estar no limite tolerável. O THD geralmente é expresso em porcentagem. Como se um amplificador tivesse 2% de THD, isso significa que a potência de todos os harmônicos combinados é apenas 2% da potência da frequência original. Geralmente, o THD de até 10% é tolerável, mas deve ser o mais baixo possível. Os amplificadores de áudio padrão têm um THD inferior a 1% ou 0,5%.
12) Loop Grounding – Em amplificadores de áudio, o loop grounding também é um dos principais problemas que causa zumbido nos alto-falantes. Os diferentes componentes do amplificador estão conectados em diferentes nós do solo. Idealmente, o aterramento deve ser de 0 Volts, mas devido à natureza resistiva do fio terra, ele possui tensões diferentes em todo o seu comprimento. A diferença de tensão em diferentes nós do solo adiciona ruído ao sinal de áudio de saída. Para eliminar o problema de loops de aterramento, a topologia em estrela será usada para o aterramento e a alimentação do circuito amplificador.
Fig. 4: Diagrama de circuito de topologia em estrela para aterramento e alimentação em um amplificador simples
Nesta série, o ganho e a potência de saída serão considerados principalmente ao projetar os circuitos amplificadores.
Construção de Amplificadores de Áudio
Um circuito amplificador pode ser projetado usando transistores ou amplificadores operacionais. Um transistor pode operar em três estados – estado de corte, estado ativo e estado de saturação. No estado ativo, o transistor atua como um amplificador, portanto, ao configurar os transistores no estado ativo, eles podem ser usados para construir amplificadores de áudio. Tanto o BJT quanto o MOSFET podem ser usados para projetar um circuito amplificador.
Fig. 5: Imagem típica de transistor
O OPAM possui basicamente um grupo de transistores conectados entre si de forma que auxiliam na amplificação de um sinal de entrada. Os transistores podem ser usados como amplificadores para sistemas de áudio simples e para sistemas de áudio mais complexos, amplificadores operacionais podem ser usados para fazer o circuito amplificador de áudio.
Fig. 6: Imagem típica do IC do Amplificador Operacional (OPAM)
Testando Circuitos Amplificadores de Áudio
Para o teste dos circuitos amplificadores projetados nesta série, o gerador de função é usado como fonte de entrada. O gerador de função é usado para gerar uma onda senoidal de amplitude e frequência constantes. Qualquer sinal de áudio também é basicamente uma onda senoidal, portanto, um gerador de função pode ser usado em vez de um microfone ou fonte de áudio real. Assim, o gerador de função pode ser usado como fonte de entrada para testar os circuitos amplificadores de áudio. Durante o teste, também na saída, um alto-falante não é usado como carga, pois o alto-falante é resistivo e também indutivo. Em frequências diferentes, sua indutância muda, o que por sua vez altera a impedância (combinação R e L) do alto-falante. Assim, o uso de um alto-falante como carga na saída do amplificador para derivar suas especificações pode gerar resultados falsos ou fora do padrão. No lugar do alto-falante, será usada uma carga fictícia puramente resistiva. Como a resistência não muda com a frequência, é suficiente fazer apenas uma ou duas leituras.
Durante o teste, a frequência do sinal do gerador de função será mantida na faixa de 20 Hz a 20 KHz, que é a mesma da faixa de áudio típica, e as observações serão feitas com ganho de 26 db e 46 db.
Para testar os circuitos amplificadores, primeiro a tensão de entrada será ajustada para um nível de tensão desejado, onde a tensão de entrada deve ser menor que a tensão de polarização dos transistores usados nos circuitos amplificadores. Então, a forma de onda de saída será observada em CRO e o sinal de entrada será aumentado até que a forma de onda de saída comece a cortar. A tensão de saída pico a pico imediatamente antes do corte será medida para análise do circuito, como determinar a potência de saída e o ganho do amplificador.
Vamos começar a fazer os circuitos amplificadores. No próximo tutorial será projetado um amplificador de potência de 250 mW.