A lo largo del tutorial anterior, se diseñó un preamplificador utilizando MAX4468. Según la aplicación, existen dos tipos de amplificadores de audio:
1) Preamplificador
2) amplificador de potencia
Los preamplificadores se utilizan para nivelar las señales de audio de un micrófono o una fuente de audio a niveles de voltaje estándar, mientras que los amplificadores de potencia se utilizan generalmente en la etapa de salida de los sistemas de audio para aumentar las señales de audio antes de reproducirse a través de los altavoces. Como su nombre indica, un preamplificador prepara la señal procedente del micrófono o de la entrada de línea para su posterior procesamiento y transmisión. Un preamplificador es la parte oculta de cualquier dispositivo. Está integrado en micrófonos USB, tarjetas de sonido y mezcladores.
El preamplificador se puede clasificar en dos tipos:
1) Preamplificador pasivo : estos preamplificadores utilizan un transistor o tubo discreto OPAM para amplificar la señal de entrada.
2) Preamplificador activo: estos preamplificadores utilizan un transformador u otros componentes de adaptación de impedancia para amplificar la señal.
Los preamplificadores se utilizan generalmente para proporcionar la ganancia de voltaje para aplanar una señal en milivoltios a unos pocos voltios, como aumentar la amplitud de una señal en unos pocos milivoltios al nivel de 1 V para eliminar cualquier ruido de la señal de entrada proveniente de. un micrófono o una fuente de audio. Lo ideal es que el micrófono esté conectado con el cable más corto al dispositivo para evitar ruidos o distorsiones, pero esto no es posible en la práctica. Por tanto, los preamplificadores ayudan a eliminar el ruido de las señales de audio originales.
Obviamente, los preamplificadores deben necesariamente nivelar las amplitudes de la señal a niveles de línea. Ésta es la función más primitiva y esencial de cualquier preamplificador. El preamplificador ajusta la señal de entrada a un nivel de línea. El nivel de línea es la intensidad de la señal de audio estándar para transmitir la señal entre fuentes de audio a amplificadores, radios, televisores y reproductores de DVD. El nivel de línea se expresa en dBu (decibeles descargados) o dbV (voltaje en decibelios). Según los estándares telefónicos, si 1 Vrms es igual a 0 dBV , entonces el voltaje descargado de referencia en decibeles o 0 dBu es el voltaje de CA necesario para generar 1 mW de potencia en una carga con una impedancia de 600 ohmios. El nivel de línea más nominal es -10 dBu, que es 0,316 V, y +4 dBV , que es 1,228 V.
El preamplificador está destinado a fortalecer la señal de entrada. No proporcionan alta corriente de salida. Por lo tanto, después de un preamplificador, se debe utilizar un amplificador de potencia si se desea reproducir la señal de audio utilizando un altavoz, reproductor de CD o auriculares en la salida. Por lo tanto, se puede suponer que un preamplificador es un pequeño amplificador delante del amplificador de potencia que tiene una corriente de salida en el rango de microamperios.
Los amplificadores pasivos son la opción preferida entre los preamplificadores, ya que hacen lo que realmente se supone que debe hacer un preamplificador. Por eso, en esta serie, se diseñan preamplificadores pasivos. En este tutorial, se diseñará un preamplificador pasivo utilizando IC LM358. LM358 es un amplificador operacional dual de baja potencia. Este IC funciona con un voltaje de suministro en el rango de 3 V a 32 V y proporciona una ganancia de alto voltaje de hasta 100 dB.
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
Componentes necesarios –
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el preamplificador basado en IC LM358
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques del preamplificador de audio LM358
Conexiones de circuito –
Este circuito de preamplificador 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 entrada: se utiliza un micrófono para proporcionar la señal de audio de entrada. Se consideró un MIC electreto 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. Generalmente, este micrófono se alimenta de 1V a 5V CC a través de una resistencia con un valor de 1K ohmios a 10K ohmios. Debe haber suficiente voltaje en el pin de polarización del micrófono para que pueda detectar la señal de audio. El otro pin del micrófono electret está conectado a tierra común.
Fig. 3: Imagen típica de un micrófono electret
El circuito de polarización para este micrófono se muestra a continuación:
Fig. 4: Diagrama del circuito de polarización del micrófono electret
3) LM358 OPAM IC: LM358 es un IC amplificador operacional dual de baja potencia. Consta de dos OPAM (amplificadores operacionales) independientes. La ganancia máxima de voltaje CC de este OPAM es 100 bases de datos con un rango de corriente de salida de 2 mA a 20 mA. El IC tiene la siguiente configuración de pines:
Fig. 5: Tabla que enumera la configuración de pines del IC OPAM LM358
El IC tiene el siguiente diagrama de pines:
Fig. 6: Diagrama de pines del IC OPAM LM358
En este circuito, solo uno de sus OPAM se utiliza como amplificador inversor. Los amplificadores inversores tienen retroalimentación negativa, lo que los hace mejores que los amplificadores no inversores.
Fig. 7: Imagen típica del IC LM358
El amplificador inversor cambia la fase de la salida (amplitud de la señal) en 180 grados con la entrada (amplitud de la señal). 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. Entonces, para una unidad de área, la intensidad también es proporcional al cuadrado de la amplitud.
Yo A2
Por tanto, cambiar el signo de la onda no afecta a I.
Para diseñar este preamplificador se utiliza el circuito de aplicación típico que figura en la hoja de datos del LM358. La salida de línea se toma del pin 1 del IC.
El voltaje de alimentación para el IC se suministra en el pin 8 a través de condensadores de filtro. En el pin 8, se conectan dos condensadores (que se muestran como C2 y C3 en el diagrama del circuito) de 100 uF y 0,1 uF. El condensador C2 de alto valor ayuda al filtrado de alta frecuencia de la tensión de alimentación y el condensador C3 de bajo valor ayuda al filtrado de baja frecuencia de la tensión de alimentación. 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 1) 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 cable de línea, ya que los componentes de CC (debido al efecto de recorte) pueden agregar ruido y distorsión en la salida de audio.
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. Evite recortar la señal de salida, ya que esto podría dañar el altavoz.
Fig. 8: Prototipo de preamplificador de audio LM358
Cómo funciona el circuito –
El LM358 es un amplificador operacional dual de baja potencia. Dado que el preamplificador sirve únicamente para proporcionar ganancia y filtrado, el IC no es capaz de proporcionar corrientes más altas. La señal de entrada del micrófono electret varía de 1 mV a 10 mV cuando el usuario habla con voz normal. En el caso de los gritos, 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 la prueba, en la salida, es necesario comprobar la tensión de línea.
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, las formas de onda de salida y entrada se observan en el DSO. Las siguientes formas de onda de entrada (roja) y salida (amarilla) se observan en DSO:
Fig. 9: Gráfico del nivel de línea de salida del preamplificador LM358 observado en el osciloscopio de almacenamiento digital
Por lo tanto, se puede ver que la señal de audio de entrada del micrófono se nivela exitosamente al voltaje de línea. Por lo tanto, el preamplificador funciona de la mejor manera.
Al probar este circuito de preamplificador con una carga de 100 K ohmios, la potencia de salida del preamplificador se puede calcular de la siguiente manera:
Po = V2(pp)/2R
Dónde
Voltaje de entrada, Vin = 20 mV
tensión de salida, Vp-p = 200 mV
resistencia de carga, R = 100K
Entonces,
Po = (0,2*0,2)/(2*100*1000)
Po = 0,2 u
La potencia de salida de este preamplificador es muy baja, como ocurre con cualquier preamplificador. Este preamplificador es económico y fácil de diseñar. Se puede montar con pocos componentes y su circuito es compacto. Este circuito preamplificador se puede utilizar en teléfonos móviles, micrófonos, audífonos y dispositivos de audio portátiles.