Em todos os tutoriais anteriores, foram projetados amplificadores de potência. Com base na aplicação, existem dois tipos de amplificadores de áudio –
1) Pré-amplificador
2) Amplificador de potência
Os pré-amplificadores são usados para nivelar os sinais de áudio de um microfone ou fonte de áudio para níveis de tensão padrão, enquanto os amplificadores de potência são geralmente usados no estágio de saída dos sistemas de áudio para aumentar os sinais de áudio antes de serem reproduzidos pelos alto-falantes. Como o nome sugere, um pré-amplificador prepara o sinal que vem do microfone ou da entrada de linha para processamento e transmissão adicionais do sinal. Um pré-amplificador é a parte oculta de qualquer dispositivo. Está integrado em os microfones USB, placas de som e misturadores.
O pré-amplificador pode ser classificado em dois tipos –
1) Pré-amplificador passivo – Esses pré-amplificadores usam transistor discretoOPAM ou tubo para amplificação do sinal de entrada.
2) Pré-amplificador ativo – Esses pré-amplificadores usam transformador ou outros componentes de correspondência de impedância para amplificação de sinal.
Os pré-amplificadores são geralmente usados para fornecer o ganho de tensão para nivelar um sinal em mili Volts para alguns volts, como aumentar a amplitude de um sinal em alguns mili volts para o nível de 1 V. Eles também são usados para remover qualquer ruído do sinal de entrada proveniente de um microfone ou fonte de áudio. Idealmente, o microfone deve ser conectado com mais curto conecte o dispositivo para evitar qualquer ruído ou distorção, mas isso não é praticamente possível. Então, os pré-amplificadores ajudam removendo o ruído dos sinais de áudio originais.
Obviamente, os pré-amplificadores devem necessariamente nivelar as amplitudes do sinal aos níveis da linha. Esta é a função mais primitiva e essencial de qualquer pré-amplificador. O pré-amplificador define o sinal de entrada para um nível de linha. O nível de linha é a intensidade padrão do sinal de áudio para transmitir o sinal entre fontes de áudio para amplificadores, rádios, TV e DVD players. O nível da linha é expresso em dBu (decibéis descarregados) ou dbV(tensão em decibéis). De acordo com os padrões telefônicos, se 1 Vrms for igual a 0 dBVentão a tensão de referência descarregada em decibéis ou 0 dBu é a tensão CA necessária para gerar 1 mW de potência em uma carga com impedância de 600 ohms. O nível de linha mais nominal é -10dBu, ou seja, 0,316 V e +4 dBV que é 1,228 V.
O pré-amplificador são destinado a fortalecer o sinal de entrada. Eles não fornecem corrente de saída alta. Portanto, após um pré-amplificador, um amplificador de potência deve ser usado se o sinal de áudio tiver que ser reproduzido usando um alto-falante, CD player ou fone de ouvido na saída. Portanto, pode-se assumir que um pré-amplificador é um pequeno amplificador antes do amplificador de potência que possui corrente de saída na faixa de microampères.
Os amplificadores passivos são a escolha preferida entre os pré-amplificadores, pois fazem o que realmente um pré-amplificador deve fazer. Portanto, nesta série, são projetados pré-amplificadores passivos. Neste tutorial, um pré-amplificador passivo será projetado usando o IC MAX4468. MAX4468 é um pré-amplificador de microfone de micro potência e baixo custo. Este IC opera sobre uma tensão de alimentação em faixa de 2,4 V a 5,5 V e fornece ganho de alta tensão de até 125 dB.
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
Componentes necessários –
Fig. 1: Lista de componentes necessários para o pré-amplificador baseado em IC MAX4468
Diagrama de bloco –
Fig. 2: Diagrama de blocos do pré-amplificador de áudio de microfone baseado em IC MAX4468
Conexões de Circuito –
Este circuito pré-amplificador é construído através da montagem dos seguintes componentes –
1) Fonte DC – Uma bateria de 5 V e 1,5 A é usada para alimentar o circuito.
2) Fonte de entrada – Um microfone é usado para fornecer o sinal de áudio de entrada. Um MIC de eletreto foi considerado 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. Geralmente, este microfone é alimentado por 1 V a 5 V DC através de um resistor com valor de 1K ohms a 10K ohms. Deve haver tensão suficiente no pino de polarização do microfone para que ele possa detectar o sinal de áudio.
Fig. 3: Imagem típica de microfone de eletreto
O circuito de polarização para este microfone foi mostrado abaixo –
Fig. 4: Diagrama de circuito de polarização do microfone de eletreto
No diagrama de circuito, uma rede divisora resistiva (mostrada como R1 e R2 no diagrama de circuito) é usada para fornecer uma tensão fixa ao MIC. Um capacitor (mostrado como C1 no diagrama do circuito) de 10 uF é conectado no ponto de junção do resistor, o que ajuda a manter a tensão no pino do microfone. O outro pino do microfone de eletreto está conectado ao terra comum.
3) Amplificador de microfone MAX4468 - MAX4468 é um pré-amplificador de microfone de micro potência e baixo custo. Este IC opera sobre uma tensão de alimentação em faixa de 2,4 V a 5,5 V e fornece ganho de alta tensão de até 125 dB.
Fig. 5: Imagem típica do IC MAX4468
O IC MAX4468 tem a seguinte configuração de pinos –
Fig. 6: Tabela listando a configuração dos pinos do IC MAX4468
Os pinos IC são iguais aos pinos OPAM, com a única diferença do pino de polarização MIC. O IC vem em um pacote SMD e possui o seguinte diagrama de pinos –
Fig. 7: Diagrama de pinos do IC MAX4468
O IC é usado como amplificador inversor. 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. Então por um area da unidadea intensidade também é proporcional ao quadrado da amplitude.
Eu A2
Portanto, mudar o sinal da onda não afeta I.
Para fornecer polarização DC ao pino não inversor do amplificador, um capacitor (mostrado como C3 no diagrama de circuito) de 0,01 uF é conectado junto com uma rede divisora de resistores no pino 3 do IC. Um capacitor (mostrado como C2 no diagrama de circuito) de 0,1uF é conectado no pino de entrada inversora do IC para fornecer o desacoplamento do sinal CA do CC. Um capacitor (mostrado como C4 no diagrama de circuito) de 47 pF altera a resposta de frequência do amplificador. Este capacitor atua como um curto-circuito em alta frequência e permitir sinal para contornar o resistor R2 para que o ganho do amplificador seja reduzido em alta frequência. Em baixa frequência, este capacitor atua como um circuito aberto, portanto não afeta o ganho. Portanto, este capacitor atua como filtro passa-alta no circuito.
O circuito de aplicação típico fornecido na folha de dados do MAX4468 é usado para projetar este pré-amplificador. A saída de linha é retirada do pino 8 do IC.
As seguintes precauções devem ser tomadas ao montar este circuito –
1. Mantenha o pino de desligamento baixo para ativar o amplificador.
2. Sempre coloque os componentes o mais próximo possível para reduzir o ruído no circuito
3. Siga a topologia em estrela ao aterrar, isso manterá o ruído baixo.
4. Use o capacitor de classificação de alta tensão em vez do sinal de entrada.
5. Sempre use o capacitor de filtragem no terminal de entrada da fonte de alimentação para evitar ondulações indesejadas.
Fig. 8: Protótipo de pré-amplificador de áudio de microfone baseado em IC MAX4468
Como funciona o circuito –
O IC MAX4468 é um OPAM de micro potência projetado para pré-amplificadores de microfone. Como o pré-amplificador serve apenas para fornecer ganho e filtragem, o IC não é capaz de fornecer correntes mais altas. O sinal de entrada do MIC de eletreto varia de 1 mV a 10 mV quando o usuário fala com voz normal. No caso de gritos, 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 R5 e R6 onde o ganho pode ser calculado da seguinte forma –
Ganho = -(R6/R5)
Se o resistor R5 for assumido como 20K ohms e o ganho desejado for 10 ou 20 dB, então o valor do resistor R6 é obtido da seguinte forma –
R6 = Ganho * R5
R5 = 200 mil ohms
O sinal negativo significa a inversão na saída. Portanto, um resistor de 20K ohms é usado como R5 e um resistor de realimentação R6 de 200K 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. Portanto, o gerador de função pode ser usado como fonte de entrada para testar o circuito amplificador de áudio. Durante o teste, na saída, a tensão da linha precisar a ser verificado.
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, as formas de onda de saída e entrada são observadas no DSO.
A seguinte forma de onda de entrada (forma de onda vermelha) é observada no DSO –
Fig. 9: Gráfico da forma de onda de entrada do microfone observada no osciloscópio de armazenamento digital
A seguinte forma de onda de saída (forma de onda amarela) é observada no DSO.
Fig. 10: Gráfico do nível da linha de saída do pré-amplificador MAX4468 observado no osciloscópio de armazenamento digital
Assim, pode-se observar que o sinal de áudio de entrada do microfone é nivelado com sucesso até a tensão da linha. Portanto, o pré-amplificador está funcionando da melhor forma. Este circuito pré-amplificador pode ser usado em telefones celulares, microfones, aparelhos auditivos e dispositivos de áudio portáteis.
No próximo tutorial, será projetado um pré-amplificador usando o IC LM358.
