Em todo o tutorial anterior foi projetado um pré amplificador utilizando MAX4468. 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 microfones USB, placas de som e mixers.
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. O ideal é que o microfone seja conectado com o fio mais curto ao dispositivo para evitar qualquer ruído ou distorção, mas isso não é praticamente possível. Assim, os pré-amplificadores ajudam a remover 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 destina-se a fortalecer o sinal de entrada. Eles não fornecem alta corrente de saída. 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 LM358. LM358 é um amplificador operacional duplo de baixa potência. Este IC opera com uma tensão de alimentação na faixa de 3 V a 32 V e fornece ganho de alta tensão de até 100 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 LM358
Diagrama de bloco –
Fig. 2: Diagrama de blocos do pré-amplificador de áudio LM358
Conexões de Circuito –
Este circuito pré-amplificador é construído através da montagem dos 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 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. O outro pino do microfone de eletreto está conectado ao terra comum.
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
3) LM358 OPAM IC – LM358 é um IC amplificador operacional duplo de baixa potência. Consiste em dois OPAM (amplificadores operacionais) independentes. O ganho máximo de tensão DC deste OPAM é 100 banco de dados com faixa de corrente de saída de 2 mA a 20 mA. O IC tem a seguinte configuração de pinos –
Fig. 5: Tabela listando a configuração dos pinos do LM358 OPAM IC
O IC tem o seguinte diagrama de pinos –
Fig. 6: Diagrama de pinos do LM358 OPAM IC
Neste circuito, apenas um de seus OPAM é usado como amplificador inversor. O amplificador inversor tem feedback negativo, o que os torna melhores do que os amplificadores não inversores.
Fig. 7: Imagem típica do LM358 IC
O amplificador inversor altera a fase da saída (amplitude do sinal) em 180 graus com a entrada (amplitude do sinal). 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.
O circuito de aplicação típico fornecido na folha de dados do LM358 é usado para projetar este pré-amplificador. A saída de linha é extraída do pino 1 do IC.
A tensão de alimentação para o IC é fornecida no pino 8 através de capacitores de filtro. No pino 8, dois capacitores (mostrados como C2 e C3 no diagrama de circuito) de 100 uF e 0,1 uF estão conectados. O capacitor de alto valor C2 ajuda na filtragem de alta frequência da tensão de alimentação e o capacitor de baixo valor C3 ajuda 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 1) do amplificador, um capacitor de filtragem (mostrado como C6 no diagrama de circuito) é conectado para bloquear quaisquer componentes DC do amplificador ao fio de linha, pois os componentes DC (devido ao efeito de corte) podem adicionar ruído e distorção na saída de áudio.
As seguintes precauções devem ser tomadas ao montar este circuito –
1. Coloque sempre 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. Evite cortes no sinal de saída, pois isso pode danificar o alto-falante.
Fig. 8: Protótipo de pré-amplificador de áudio LM358
Como funciona o circuito –
O LM358 é um amplificador operacional duplo de baixa potência. 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 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, na saída, a tensão da linha precisa ser verificada.
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 (vermelho) e forma de onda de saída (amarelo) são observadas no DSO –
Fig. 9: Gráfico do nível da linha de saída do pré-amplificador LM358 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.
Ao testar este circuito pré-amplificador com uma carga de 100K ohms, a potência de saída do pré-amplificador pode ser calculada da seguinte forma –
Po = V2(pp)/2R
Onde
Tensão de entrada, Vin = 20 mV
tensão de saída, Vp-p = 200 mV
resistência de carga, R = 100K
Então,
Po = (0,2*0,2)/(2*100*1000)
Po = 0,2 você
A potência de saída deste pré-amplificador é muito baixa, como acontece com qualquer pré-amplificador. Este pré-amplificador é de baixo custo e fácil de projetar. Pode ser montado com poucos componentes e seu circuito é compacto. Este circuito pré-amplificador pode ser usado em telefones celulares, microfones, aparelhos auditivos e dispositivos de áudio portáteis.