Continuando com o desenho de específico da aplicação amplificadores de potência, neste tutorial um amplificador de baixa potência será projetado para fones de ouvido móveis comuns. No tutorial anterior, foi projetado um amplificador de áudio automotivo usando IC TDA2003.
Os fones de ouvido móveis são um tipo de alto-falante em miniatura projetado especialmente para uso com smartphones. Esses fones de ouvido não possuem saída de som mais alta. No entanto, a qualidade do som pode ser melhorada usando um circuito amplificador com eles. Para fones de ouvido, um amplificador de baixa potência precisa ser projetado. O amplificador precisa ser projetado de forma que sua saída de áudio permaneça livre de ruído e controlável, especialmente em picos (amplitudes altas ou sons altos). É preciso ter cuidado para que, mesmo após a amplificação, o volume permaneça em um nível confortável, pois uma saída de som mais alta pode ser desagradável com os fones de ouvido e também pode ter mais ruído.
Quando um amplificador é projetado para qualquer alto-falante típico, o circuito do amplificador tem que lidar com uma faixa estreita de impedância de carga, normalmente de 4 ohms a 8 ohms. Portanto, é fácil projetar um amplificador para alto-falantes normais. No entanto, quando um circuito amplificador tem que ser projetado para fones de ouvido, surge um grande problema devido à diferença nos padrões seguidos pelos diferentes fabricantes. Os fones de ouvido de diferentes fabricantes têm impedâncias diferentes. Geralmente, a impedância de um fone de ouvido pode variar de 16 ohms a 600 ohms. Isso cria um sério problema de compatibilidade. Além disso, fones de ouvido com impedância mais baixa de 32 ohms ou menos podem funcionar com a maioria dos dispositivos, mas fones de ouvido com impedância mais alta podem não funcionar com todos os dispositivos.
Neste tutorial, será projetado um amplificador de áudio de baixa potência de uso geral para fones de ouvido com impedância de 30 ohms. O circuito amplificador é projetado usando LM741 OPAM IC. LM741 é um amplificador operacional IC de uso geral. O circuito amplificador será operado por uma bateria de 9V. A potência de saída deste circuito amplificador será de 1 mili Watt. Na verdade, o LM741 pode ter uma tensão de alimentação de até 22 V e amplitudes de sinal de entrada (tensão de entrada) de até 15 V.
No artigo introdutório desta série, vários parâmetros de projeto dos circuitos amplificadores de áudio foram discutidos como ganho, volume, taxa de inclinação, linearidade, largura de banda, efeito de corte, estabilidade, eficiência, SNR, potência de saída, THD e aterramento de loop. Este circuito amplificador será projetado considerando os seguintes parâmetros de projeto –
Ganho (tensão) – 20 dB
Largura de banda – 20 Hz a 20 KHz
Potência de saída – 1 mW
O amplificador será projetado para fornecer áudio a um fone de ouvido com impedância de 30 ohms. O circuito terá os seguintes recursos adicionais –
– Sem efeito de recorte
– Controle de volume
O projeto do circuito será seguido de testes do circuito para verificação dos fatores de projeto pretendidos.
Componentes necessários –
Fig. 1: Lista de componentes necessários para amplificador de potência de fone de ouvido de baixa potência baseado em 741 OPAM IC
Diagrama de bloco –
Fig. 2: Diagrama de blocos do amplificador de potência de fone de ouvido de baixa potência baseado em 741 OPAM IC
Conexões de Circuito –
O circuito amplificador é construído montando os seguintes componentes –
1) Fonte DC – Existem duas fontes de energia necessárias neste circuito. Uma fonte de alimentação de 5 V é necessária para polarização de microfones, enquanto uma fonte de alimentação de 9 V é necessária para o circuito OPAM. A fonte de 9V DC é necessária para fornecer a tensão de polarização ao amplificador. Para fazer a alimentação de 5V, duas baterias de 9V são conectadas em paralelo.
2) Fonte de áudio – Um MIC de eletreto foi utilizado como fonte de entrada. O MIC de eletreto requer uma tensão de polarização entre 1 a 5 V para alimentar o buffer FET embutido que está presente no MIC.
Figura 3: Imagem típica de microfone de eletreto
Geralmente, este microfone é alimentado por 1 V a 5 V DC através de um resistor com valor de 1K ohms a 10K ohms. O circuito de polarização para este microfone foi mostrado abaixo –
Fig. 4: Diagrama de circuito de polarização do microfone de eletreto
3) IC amplificador operacional LM741 – O LM741 é um OPAM (amplificador operacional) de uso geral com baixa impedância de entrada (mega ohm) em comparação com FET OPAM. O FET OPAM possui alta impedância de entrada em Giga ohms. A impedância de saída do 741 deve ser idealmente zero, mas geralmente 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 –
Fig. 5: Tabela listando a configuração dos pinos do IC do amplificador operacional LM741
O IC tem o seguinte diagrama de pinos e o diagrama funcional –
Fig. 6: Diagrama de pinos do IC do amplificador operacional LM741
O IC vem com proteção contra sobrecarga na entrada e na saída, além de não ter travar quando a faixa de modo comum é excedida. O IC pode receber uma tensão de alimentação positiva ou negativa de até 22 volts e a tensão do sinal de entrada (amplitude) pode ser de até 15 V. Em condições normais, o IC deve receber uma tensão de 10 V, positiva ou negativa. O IC possui o seguinte circuito interno –
Fig. 7: Diagrama do Circuito Interno do IC do Amplificador Operacional LM741
O LM741 pode ser configurado como amplificador de malha aberta ou fechada. Ele pode ser usado como amplificador inversor ou amplificador não inversor. Neste circuito, o IC LM741 foi usado como amplificador inversor, pois o sinal de entrada do microfone é aplicado no pino de entrada inversora (pino 2) do IC. O amplificador inversor tem feedback negativo, o que os torna melhores do que os amplificadores não inversores. O amplificador inversor altera a fase da saída (amplitude do sinal) em 180 graus com a entrada (amplitude do sinal). No entanto, esta inversão de fase não afeta o sinal de áudio, pois os ouvidos humanos respondem apenas à intensidade do som. A intensidade é a energia que flui através de uma área em um determinado tempo, expressa em joule/s/m2. A energia da onda é proporcional ao quadrado de sua amplitude. Portanto, para uma área unitária, a intensidade também é proporcional ao quadrado da amplitude.
Eu A2
Mudar o sinal da onda não tem efeito em I.
Figura 8: Imagem típica do amplificador operacional IC LM741
A entrada de áudio do microfone é passada para o pino de entrada inversora do IC LM741 através de um resistor variável (mostrado como RV1 no diagrama de circuito). Este resistor variável ajuda a ajustar a amplitude (nível de tensão) do sinal de áudio de entrada, portanto também ajusta o volume do sinal de saída. O volume ou amplitude do sinal de saída permanece linearmente proporcional à amplitude do sinal de entrada pelo fator de ganho de tensão.
A tensão de alimentação para o IC é fornecida nos pinos 4 e 7 através de capacitores de filtro. No pino 4, dois capacitores (mostrados como C4 e C5 no diagrama de circuito) de 100 uF e 0,1 uF estão conectados enquanto no pino 7, dois capacitores (mostrados como C2 e C3 no diagrama de circuito) de 100 uF e 0,1 uF estão conectados. Os capacitores de alto valor como C2 no pino 7 e C4 no pino 4 ajudam na filtragem de alta frequência da tensão de alimentação e capacitores de baixo valor como C5 no pino 4 e C3 no pino 7 ajudam na filtragem de baixa frequência da tensão de alimentação. O feedback negativo é fornecido ao amplificador através de um resistor (mostrado como R3 no diagrama do circuito) de 100 K ohms. No pino de saída (pino 6) do amplificador, um capacitor de filtragem (mostrado como C6 no diagrama de circuito) é conectado para bloquear quaisquer componentes DC do amplificador para o fone de ouvido, pois os componentes DC (devido ao efeito de corte) podem danificar o fone de ouvido ou adicione ruído e distorção na saída de áudio.
4) Fone de ouvido – A saída de áudio amplificado é retirada do pino 6 do IC. Um fone de ouvido com impedância de 30 ohms é usado como carga de saída. O fone de ouvido é conectado ao circuito usando um conector fêmea para fone de ouvido. Um dos fios do conector fêmea é conectado ao pino de saída do IC do amplificador, enquanto o outro fio do conector fêmea é conectado ao terra comum. A impedância de saída do amplificador não deve ser muito alta para fones de ouvido com impedância mais baixa. Portanto, o LM741 geralmente tem impedância de saída de 75 ohms, o que é adequado para fones de ouvido com impedância de 30 ohms.
Fig. 9: Imagem típica de fone de ouvido móvel com entrada de áudio fêmea
As seguintes precauções devem ser tomadas ao montar este circuito –
1. Sempre coloque os componentes o mais próximo possível para reduzir o ruído no circuito
2. Siga a topologia em estrela ao aterrar, isso manterá o ruído baixo.
3. Use o capacitor de classificação de alta tensão em vez do sinal de entrada.
4. Sempre use o capacitor de filtragem no terminal de entrada da fonte de alimentação para evitar ondulações indesejadas.
5. Use o alto-falante de potência equivalente ou alta como potência de saída do amplificador.
6. Sempre use um capacitor em série na saída do amplificador para bloquear qualquer componente DC.
7. Sempre calcule a potência máxima do amplificador antes de conectá-lo ao alto-falante. O valor prático pode diferir do teórico.
8. Evite cortes no sinal de saída, pois isso pode danificar o alto-falante.
Fig. 10: Protótipo de amplificador de potência de fone de ouvido de baixa potência baseado em 741 OPAM IC
Como funciona o circuito –
O amplificador operacional LM741 foi configurado como amplificador inversor em configuração de malha fechada. O sinal de entrada do MIC de eletreto tem uma amplitude na faixa de 1 mV a 10 mV quando o usuário fala com voz normal. No caso de grito o nível de entrada pode aumentar até 50 mV. Portanto, o valor médio do sinal de entrada pode ser considerado 20 mV. A tensão máxima que deve ser obtida na saída é de 200 mV. Portanto, o ganho de tensão desejado pode ser calculado da seguinte forma –
Ganho = Vout/Vin
já que Vout = 200 mV e Vin = 20 mV
Ganho = (0,2/0,02)
Ganho Desejado = 10
Portanto, o ganho desejado é de 10 ou 20 dB. No circuito, o ganho de tensão pode ser definido através da rede de resistores R2 e R3 onde o ganho pode ser calculado da seguinte forma –
Ganho = -(R3/R2)
Se o resistor R2 for assumido como 10K ohms e o ganho desejado for 10 ou 20 dB, então o valor do resistor R3 é obtido da seguinte forma –
R3 = Ganho * R2
R3 = 100K ohms
O sinal negativo significa a inversão na saída. Portanto, um resistor de 10K ohms é usado como R2 e um resistor de realimentação R3 de 100K ohms é usado no circuito. O amplificador fornece um sinal de saída que é 10 vezes o sinal de entrada.
Testando o circuito –
Para o teste do circuito amplificador, 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 o circuito amplificador de áudio. Durante o teste, também na saída, um fone de ouvido não é usado como carga, pois o alto-falante do fone de ouvido 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 fone de ouvido como carga na saída do amplificador para derivar suas especificações pode gerar resultados falsos ou fora do padrão. No lugar do fone de ouvido, é usada 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.
Para testar o circuito amplificador, primeiro a tensão de entrada é definida entre a faixa aplicável entre 10 mV e 50 mV. A frequência do sinal de entrada é definida como 1 KHz. Então, a forma de onda de saída é observada em CRO e o sinal de entrada é aumentado até que a forma de onda de saída comece a cortar.
Com carga fictícia de impedância de 20 ohms, as seguintes observações foram anotadas –
Fig. 11: Tabela listando as características de saída do amplificador de potência de fone de ouvido de baixa potência baseado em 741 OPAM IC
Observou-se que a tensão de saída começou a diminuir em 200 mV. Portanto, a potência de saída deste amplificador pode ser calculada da seguinte forma –
Potência de saída, Po = V2(pp)/2R
Po = (0,2*0,2)/(2*20)
Po = 1 mW
Portanto, este amplificador tem uma potência máxima de 1 mW. Ao observar as formas de onda de entrada e saída do amplificador em um osciloscópio de armazenamento digital DSO, o seguintes formas de onda foram observados.
Fig. 12: Gráfico das formas de onda de entrada e saída do amplificador de áudio de fone de ouvido observadas no osciloscópio de armazenamento digital
Na figura acima, a forma de onda amarela é a forma de onda de entrada do circuito amplificador, enquanto a forma de onda vermelha é a forma de onda de saída do amplificador. Pode-se observar que o sinal de entrada é amplificado quase 10 vezes na saída do amplificador. Além disso, não há efeito de recorte em a forma de onda de saída.
Este amplificador de fone de ouvido é simples e barato de projetar. Possui um circuito pequeno e pode ser montado em um espaço compacto. Este é um circuito emocionante do tipo “faça você mesmo” para experimentar e pode ser usado com um fone de ouvido comum de qualquer smartphone.
No próximo tutorial, um amplificador estéreo será projetado. Até agora, os circuitos amplificadores foram projetados para canal de áudio único. Em um sistema de áudio estéreo, há muitos canais de áudio emitidos por diferentes alto-falantes formando um sistema surround. Para tais sistemas de áudio, amplificador estéreo que pode amplificar vários canais de áudio é necessário.
