Siguiendo con el diseño de amplificadores de potencia específicos para aplicaciones , en este tutorial se diseñará un amplificador de baja potencia para auriculares móviles comunes. En el tutorial anterior, se diseñó un amplificador de audio para automóvil utilizando IC TDA2003.
Los auriculares móviles son un tipo de altavoz en miniatura diseñado especialmente para su uso con teléfonos inteligentes. Estos auriculares no tienen una salida de sonido más fuerte. Sin embargo, la calidad del sonido se puede mejorar utilizando un circuito amplificador con ellos. Para los auriculares, es necesario diseñar un amplificador de baja potencia. El amplificador debe diseñarse de modo que su salida de audio permanezca libre de ruido y sea controlable, especialmente en los picos (altas amplitudes o sonidos fuertes). Se debe tener cuidado de que, incluso después de la amplificación, el volumen se mantenga en un nivel cómodo, ya que una salida de sonido más alta puede resultar desagradable con los auriculares y también puede resultar más ruidosa.
Cuando se diseña un amplificador para cualquier altavoz típico, el circuito del amplificador tiene que lidiar con un rango estrecho de impedancia de carga, generalmente de 4 ohmios a 8 ohmios. Por tanto, es fácil diseñar un amplificador para altavoces normales. Sin embargo, cuando hay que diseñar un circuito amplificador para auriculares, surge un problema importante debido a la diferencia en los estándares seguidos por los distintos fabricantes. Los auriculares de diferentes fabricantes tienen diferentes impedancias. Generalmente, la impedancia de unos auriculares puede oscilar entre 16 ohmios y 600 ohmios. Esto crea un grave problema de compatibilidad. Además, los auriculares con una impedancia más baja, de 32 ohmios o menos, pueden funcionar con la mayoría de los dispositivos, pero es posible que los auriculares con una impedancia más alta no funcionen con todos los dispositivos.
En este tutorial, se diseñará un amplificador de audio de baja potencia y uso general para auriculares con impedancia de 30 ohmios. El circuito amplificador está diseñado utilizando LM741 OPAM IC. LM741 es un amplificador operacional IC de uso general. El circuito amplificador será operado por una batería de 9V. La potencia de salida de este circuito amplificador será de 1 milivatio. De hecho, el LM741 puede tener una tensión de alimentación de hasta 22 V y amplitudes de señal de entrada (tensión de entrada) de hasta 15 V.
En el artículo introductorio de esta serie, se analizaron varios parámetros de diseño de circuitos amplificadores de audio, como ganancia, volumen, tasa de pendiente, linealidad, ancho de banda, efecto de recorte, estabilidad, eficiencia, SNR, potencia de salida, THD y bucle de conexión a tierra. Este circuito amplificador se diseñará considerando los siguientes parámetros de diseño:
Ganancia (voltaje) – 20 dB
Ancho de banda: 20 Hz a 20 KHz
Potencia de salida – 1mW
El amplificador estará diseñado para entregar audio a unos auriculares con una impedancia de 30 ohmios. El circuito tendrá las siguientes características adicionales:
– Sin efecto de recorte
- Control del volumen
Al diseño del circuito le seguirán pruebas del circuito para verificar los factores de diseño previstos.
Componentes necesarios –
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el amplificador de potencia de auriculares de baja potencia basado en 741 OPAM IC
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques del amplificador de potencia para auriculares de baja potencia basado en 741 OPAM IC
Conexiones de circuito –
El circuito amplificador se construye ensamblando los siguientes componentes:
1) Fuente de CC: se requieren dos fuentes de energía en este circuito. Se requiere una fuente de alimentación de 5 V para la polarización de los micrófonos, mientras que se requiere una fuente de alimentación de 9 V para el circuito OPAM. Se requiere la fuente de 9 VCC para suministrar el voltaje de polarización al amplificador. Para suministrar 5V, se conectan dos baterías de 9V en paralelo.
2) Fuente de audio: se utilizó un micrófono electret como fuente de entrada. El MIC electret requiere un voltaje de polarización de entre 1 y 5 V para alimentar el búfer FET incorporado que está presente en el MIC.
Figura 3: Imagen típica de un micrófono electret
Generalmente, este micrófono se alimenta de 1V a 5V CC a través de una resistencia con un valor de 1K ohmios a 10K ohmios. El circuito de polarización para este micrófono se muestra a continuación:
Fig. 4: Diagrama del circuito de polarización del micrófono electret
3) IC amplificador operacional LM741: LM741 es un OPAM (amplificador operacional) de uso general con baja impedancia de entrada (mega ohmios) en comparación con FET OPAM. El OPAM FET tiene una alta impedancia de entrada en Giga ohmios. Lo ideal es que la impedancia de salida del 741 sea cero, pero suele rondar los 75 ohmios. La corriente de suministro máxima del 741 IC es de aproximadamente 2,8 mA con un voltaje de suministro de hasta +/- 18 V. El IC tiene la siguiente configuración de pines:
Fig. 5: Tabla que enumera la configuración de pines del CI del amplificador operacional LM741
El IC tiene el siguiente diagrama de pines y diagrama funcional:
Fig. 6: Diagrama de pines del IC del amplificador operacional LM741
El IC viene con protección contra sobrecarga de entrada y salida, además de no bloquearse cuando se excede el rango del modo común. El IC puede recibir un voltaje de alimentación positivo o negativo de hasta 22 voltios y el voltaje de la señal de entrada (amplitud) puede ser de hasta 15 V. En condiciones normales, el IC debe recibir un voltaje de 10 V, positivo o negativo. El IC tiene el siguiente circuito interno:
Fig. 7: Diagrama de circuito interno del IC del amplificador operacional LM741
El LM741 se puede configurar como amplificador de circuito abierto o cerrado. Se puede utilizar como amplificador inversor o amplificador no inversor. En este circuito, se utilizó el IC LM741 como amplificador inversor ya que la señal de entrada del micrófono se aplica al pin de entrada inversor (pin 2) del IC. Los amplificadores inversores tienen retroalimentación negativa, lo que los hace mejores que los amplificadores no inversores. El amplificador inversor cambia la fase de la salida (amplitud de la señal) en 180 grados con la entrada (amplitud de la señal). Sin embargo, esta inversión de fase no afecta la señal de audio, ya que los oídos humanos sólo responden a la intensidad del sonido. La intensidad es la energía que fluye por un área en un tiempo determinado, expresada en julios/s/m2. La energía de la onda es proporcional al cuadrado de su amplitud. Por tanto, para una unidad de área, la intensidad también es proporcional al cuadrado de la amplitud.
Yo A2
Cambiar el signo de la onda no tiene ningún efecto sobre I.
Figura 8: Imagen típica del amplificador operacional IC LM741
La entrada de audio del micrófono pasa al pin de entrada inversor del IC LM741 a través de una resistencia variable (que se muestra como RV1 en el diagrama del circuito). Esta resistencia variable ayuda a ajustar la amplitud (nivel de voltaje) de la señal de audio de entrada, por lo tanto, también ajusta el volumen de la señal de salida. El volumen o amplitud de la señal de salida permanece linealmente proporcional a la amplitud de la señal de entrada por el factor de ganancia de voltaje.
El voltaje de alimentación para el IC se suministra en los pines 4 y 7 a través de condensadores de filtro. En el pin 4, se conectan dos condensadores (que se muestran como C4 y C5 en el diagrama del circuito) de 100 uF y 0,1 uF, mientras que en el pin 7, se conectan dos condensadores (que se muestran como C2 y C3 en el diagrama del circuito) de 100 uF y 0,1 uF están conectados. Los condensadores de alto valor como C2 en el pin 7 y C4 en el pin 4 ayudan en el filtrado de alta frecuencia del voltaje de suministro y los condensadores de bajo valor como C5 en el pin 4 y C3 en el pin 7 ayudan en el filtrado de baja frecuencia del voltaje de suministro. La retroalimentación negativa se proporciona al amplificador a través de una resistencia (que se muestra como R3 en el diagrama del circuito) de 100 K ohmios. En el pin de salida (pin 6) del amplificador, se conecta un condensador de filtrado (que se muestra como C6 en el diagrama del circuito) para bloquear cualquier componente de CC desde el amplificador al conector de auriculares, ya que los componentes de CC (debido al efecto de recorte) pueden dañar los auriculares o agregar ruido y distorsión a la salida de audio.
4) Auriculares: la salida de audio amplificada se toma del pin 6 del IC. Como carga de salida se utilizan unos auriculares con una impedancia de 30 ohmios. Los auriculares se conectan al circuito mediante un conector hembra para auriculares. Uno de los cables del conector hembra está conectado al pin de salida del IC del amplificador, mientras que el otro cable del conector hembra está conectado a la tierra común. La impedancia de salida del amplificador no debe ser demasiado alta para auriculares con impedancia más baja. Por lo tanto, el LM741 generalmente tiene una impedancia de salida de 75 ohmios, que es adecuada para auriculares con una impedancia de 30 ohmios.
Fig. 9: Imagen típica de unos auriculares móviles con entrada de audio hembra
Se deben tomar las siguientes precauciones al ensamblar este circuito:
1. Coloque siempre los componentes lo más cerca posible entre sí para reducir el ruido en el circuito.
2. Siga la topología en estrella al realizar la conexión a tierra, esto mantendrá el ruido bajo.
3. Utilice un condensador de alto voltaje en lugar de una señal de entrada.
4. Utilice siempre el condensador de filtrado en el terminal de entrada de la fuente de alimentación para evitar ondulaciones no deseadas.
5. Utilice el altavoz equivalente o de alta potencia como potencia de salida del amplificador.
6. Utilice siempre un condensador en serie a través de la salida del amplificador para bloquear cualquier componente de CC.
7. Calcule siempre la potencia máxima del amplificador antes de conectarlo al altavoz. El valor práctico puede diferir del teórico.
8. Evite recortar la señal de salida ya que esto podría dañar el altavoz.
Fig. 10: Prototipo de amplificador de potencia para auriculares de baja potencia basado en 741 OPAM IC
Cómo funciona el circuito –
El amplificador operacional LM741 se configuró como un amplificador inversor en una configuración de circuito cerrado. La señal de entrada del micrófono electret tiene una amplitud en el rango de 1 mV a 10 mV cuando el usuario habla con voz normal. En el caso de un grito, el nivel de entrada puede aumentar hasta 50 mV. Por tanto, el valor medio de la señal de entrada puede considerarse 20 mV. La tensión máxima que se debe obtener en la salida es de 200 mV. Por lo tanto, la ganancia de voltaje deseada se puede calcular de la siguiente manera:
Ganancia = Vsal/Vin
ya que Vout = 200 mV y Vin = 20 mV
Ganancia = (0,2/0,02)
Ganancia deseada = 10
Por tanto, la ganancia deseada es de 10 o 20 dB. En el circuito, la ganancia de voltaje se puede definir a través de la red de resistencias R2 y R3 donde la ganancia se puede calcular de la siguiente manera:
Ganancia = -(R3/R2)
Si se supone que la resistencia R2 es de 10 K ohmios y la ganancia deseada es de 10 o 20 dB, entonces el valor de la resistencia R3 se obtiene de la siguiente manera:
R3 = Ganancia * R2
R3 = 100K ohmios
El signo negativo significa la inversión en la salida. Por lo tanto, se utiliza una resistencia de 10 K ohmios como R2 y una resistencia de realimentación de 100 K ohmios R3 en el circuito. El amplificador proporciona una señal de salida que es 10 veces la señal de entrada.
Probando el circuito –
Para probar el circuito amplificador, se utiliza el generador de funciones como fuente de entrada. El generador de funciones se utiliza para generar una onda sinusoidal de amplitud y frecuencia constantes. Cualquier señal de audio también es básicamente una onda sinusoidal, por lo que se puede utilizar un generador de funciones en lugar de un micrófono o una fuente de audio real. Por tanto, el generador de funciones se puede utilizar como fuente de entrada para probar el circuito amplificador de audio. Durante las pruebas, también en la salida, no se utilizan auriculares como carga, ya que el altavoz de los auriculares es resistivo además de inductivo. A diferentes frecuencias, su inductancia cambia, lo que a su vez cambia la impedancia (combinación R y L) del altavoz. Por lo tanto, utilizar unos auriculares como carga en la salida del amplificador para derivar sus especificaciones puede generar resultados falsos o no estándar. En lugar del conector para auriculares se utiliza una carga simulada puramente resistiva. Dado que la resistencia no cambia con la frecuencia, se puede considerar una carga confiable independientemente de la frecuencia de la señal de audio de entrada.
Para probar el circuito amplificador, primero se establece el voltaje de entrada dentro del rango aplicable entre 10 mV y 50 mV. La frecuencia de la señal de entrada se establece en 1 KHz. Luego, la forma de onda de salida se observa en CRO y la señal de entrada se amplifica hasta que la forma de onda de salida comienza a recortarse.
Con una carga ficticia de impedancia de 20 ohmios, se observaron las siguientes observaciones:
Fig. 11: Tabla que enumera las características de salida del amplificador de potencia para auriculares de baja potencia basado en 741 OPAM IC
Se observó que el voltaje de salida comenzó a disminuir en 200 mV. Por lo tanto, la potencia de salida de este amplificador se puede calcular de la siguiente manera:
Potencia de salida, Po = V2(pp)/2R
Pó = (0,2*0,2)/(2*20)
Po = 1mW
Por tanto, este amplificador tiene una potencia máxima de 1 mW. Al observar las formas de onda de entrada y salida del amplificador en un osciloscopio de almacenamiento digital DSO, se observaron las siguientes formas de onda .
Fig. 12: Gráfico de las formas de onda de entrada y salida del amplificador de audio de los auriculares observadas en el osciloscopio de almacenamiento digital
En la figura anterior, la forma de onda amarilla es la forma de onda de entrada del circuito amplificador, mientras que la forma de onda roja es la forma de onda de salida del amplificador. Se puede ver que la señal de entrada se amplifica casi 10 veces en la salida del amplificador. Además, no hay efecto de recorte en la forma de onda de salida.
Este amplificador de auriculares es de diseño sencillo y económico. Tiene un circuito pequeño y se puede montar en un espacio compacto. Este es un emocionante circuito que puede probar usted mismo y puede usarse con un conector para auriculares normal de cualquier teléfono inteligente.
En el próximo tutorial, se diseñará un amplificador estéreo. Hasta ahora, los circuitos amplificadores se han diseñado para audio monocanal . En un sistema de audio estéreo, hay muchos canales de audio emitidos desde diferentes altavoces que forman un sistema envolvente. Para tales sistemas de audio, es necesario un amplificador estéreo que pueda amplificar múltiples canales de audio.
