Amplificador de audio con ecualizador grafico de 5 bandas Dispositivos Electrónicos II

2010

Oscar Iván Alvarado Aguirre

INSTITUTO TECNOLOGICO DE SONORA 26/11/2010

Alexxandro Roman Ibarra

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Diseño de un amplificador de audio de 30w a 4Ω con ecualizador grafico de 5 bandas

Introducción.

Un amplificador es todo dispositivo que, mediante la utilización de energía, magnifica la amplitud

de un fenómeno. Aunque el término se aplica principalmente al ámbito de los amplificadores

electrónicos, también existen otros tipos de amplificadores, como los mecánicos, neumáticos, e

hidráulicos, como los gatos mecánicos y los boosters usados en los frenos de potencia de los

automóviles. Amplificar es agrandar la intensidad de algo, por lo general sonido. También podría

ser luz o magnetismo, etc. En términos generales, "amplificador", es un aparato al que se le

conecta un dispositivo de sonido y aumenta la magnitud del volumen. Se usan de manera obligada

en las guitarras eléctricas, pues esas no tienen caja de resonancia, la señal se obtiene porque las

cuerdas, siempre metálicas y ferrosas, vibran sobre una cápsula electromagnética, y esa señal no

es audible, pero amplificada por un amplificador suena con el sonido característico de las guitarras

eléctricas. En una interfaz se le puede agregar distintos efectos, como tremolo, distorsiones o

reverb entre otros. Las radios y los televisores tienen un amplificador incorporado, que se maneja

con la perilla o telecomando del volumen y permite que varié la intensidad sonora.

Estos amplificadores pueden tener n etapas, por lo cual la complejidad del equipo podría

aumentar o disminuir esto dependerá de las características que se deseen, además el diseñador

deberá tener en cuenta muchos parámetros y condiciones para que el prototipo funcione

correctamente.

La ecualización es una técnica utilizada para restablecer una relación deseada que ha sido

alterada, entre las señales transportadas, por las diferentes pérdidas de transmisión del cable

coaxial por el que han atravesado dichas señales. No podemos alterar las características del cable,

y el efecto de pasar las señales a través del cable es el de distintos cambios en los niveles de las

señales transportadas. Podemos manipular, y de hecho manipulamos, los niveles de señal en

forma de ayudar a compensar el efecto del "tilt" del cable. El resultado final, para propósitos de

transmisión, es el mismo obtenido si, en realidad, hubiéramos sido capaces de fabricar cable con

pérdidas "planas"; esto es, cable que tuviera la misma pérdida de transmisión para todas las

frecuencias que pasaran a través del mismo.

Un ecualizador permite aumentar o reducir la ganancia selectivamente en tres o más frecuencias

para corregir deficiencias en la respuesta frecuencial de un sistema (generalmente electroacústico)

o el balance tonal de una fuente. Es posible, así, resaltar frecuencias originalmente débiles, o

atenuar otras de nivel excesivo. El ecualizador más sencillo es el clásico control de tono, que

permite controlar, según convenga, tres grandes bandas fijas de frecuencia, denominadas

genéricamente graves, medios y agudos.

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Existen dos tipos de ecualizadores: los ecualizadores gráficos o de bandas (por ejemplo los

ecualizadores de octava, o de tercio de octava), que poseen varias bandas fijas (normalmente

entre 5 y 31 bandas), y los ecualizadores paramétricos, en los que se puede ajustar la frecuencia

central de una o más bandas, así como su extensión (controlada mediante el factor de calidad Q).

En ambos casos se dispone de un ajuste para la ganancia o atenuación. Los más difundidos son los

ecualizadores gráficos, aunque en general las consolas de mezcla suelen incluir en cada canal de

entrada un sencillo ecualizador paramétrico o semiparamétrico

Etapa de Pre amplificación.

En esta parte llevamos a cabo el diseño de un amplificador de voltaje el cual consta de 3 etapas,

un amplificador diferencial de ganancia de voltaje de 100, un amplificador emisor común con

ganancia de voltaje de 10, y un amplificador colector común con una ganancia de voltaje de 1.

El diseño de esta etapa se inició con el diseño de nuestro colector común el cual actúa como

seguidor de voltaje que tiene como característica: una impedancia alta de entrada y una

impedancia baja de salida, esta etapa nos ayuda para el acoplamiento de impedancias entre

nuestra etapa de amplificación de voltaje y nuestra segunda etapa que es un amplificador de

potencia.

Diseño del amplificador colector común.

Para el diseño se prosiguió de la siguiente manera:

Se hace RL igual a RE para obtener una máxima transferencia de

potencia:

RL= RE = R30 =3.3kΩ y (Re||RL)=1.65kΩ.

M.E.S.

Rcd= Re = 3.3kkΩ

Rca= (Re||RL) = 1.65kΩ

ICQ=6.060606mA

Con esta ICQ sacamos nuestra Hfe del datasheet del transistor la cual nos dio una Hfe=200 y una

Hfemin.=140. El cual es calculado de la siguiente manera:

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Hfe*0.7 = Hfemin

VCEQ=ICQ*Rca + Vcesat = 9.9999v

En nuestro caso, se calculó un amplificador con configuración colector común de manera tal que

nos proporcionase una Zi ya específica, puesto que comenzamos con la etapa de emisor común

RBB = = 8.61342kΩ

VBB=VBE + ICQ ( + Re)= 21.0325v

R1 = R13+R12 = = 28.81545kΩ R2 = R11 = =12.286kΩ

Hie = = 673.53Ω

Ya con nuestro amplificador colector común diseñado pasamos a nuestra otra etapa, el

amplificador Emisor común de ganancia 10.

Diseño del amplificador emisor común.

Para esta parte tomamos la Zi de nuestro colector común como

nuestra RL y RC = RL = 8.336936kΩ

Como ΔV = RE= (RC||RL)/∆V = 416.84Ω

M.E.S.

Rcd= RC+RE = 8726.9Ω

Rca= (RC||RL) +RE = 4.168468kΩ

Por lo que Icq nos quedaría:

ICQ = 2.25813mA

ICQ=2.25813mA; con esta ICQ sacamos nuestra Hib:

Hib =

Y se checa que se cumpla la condición RE>>Hib, si no es así RE se deberá sustituir por una de valor

más pequeño (ajustar a la condición).

Por lo que proponemos una RE = R8 = 390Ω

y por consiguiente:

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RBB≤ = 3.9kΩ

Vceq = VCC – (RL+RE)Icq = 10.2935v

VBB=VBE + ICQ ( + RE )= 1.66873v

R1 = R17+R33 = = 4.12kΩ R2 = R19||R5 = =70.1132kΩ

Zi = = 3.55472kΩ

Revisando MES: MES = 2(|ICQ|) (RC||RL)

Diseño del amplificador diferencial.

Posteriormente pasamos a diseñar nuestro amplificador diferencial de ganancia 100 en modo

diferencial y una ganancia de 0.5 en modo común, el cual será la entrada de nuestro amplificador.

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Para esta parte tomamos nuestra RL la impedancia de entrada del amplificador emisor común ya

que están conectados en cascada y nuestra Rc del diferencial la tomamos igual a la RL para

máxima transferencia de potencia.

RL 3.5547kΩ RC

Por lo tanto:

M.E.S.

Req= (RC//RL)

ICQ= ; con esta ICQ sacamos nuestra icq para ambos transistores ya que la corriente ie

icq por lo que la corriente de la fuente de corriente será la suma de las dos corrientes del

diferencial:

Por lo que para calcular Re de la fuente de corriente es necesario proponer un voltaje VBB (Vf):

Ahora bien para determinar la REE vista por el transistor en configuración diferencial de la fuente

de corriente se determinara mediante la ecuación del voltaje de Early:

REE = Z0 VA = 100

Y como el diseño se requiere con protección contra variaciones de Hfe se utiliza la siguiente

ecuación:

Βmin = 70%βusada = 96.6

Por lo que:

VBB=VBE + Icq ( + 2Re ) + VCE| on= 18.6505v

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R1 = = 455.14kΩ R2 = =276.969kΩ

R1 = (R2||R32) y (R3||R34) (estos números de resistencias son del Esquematico)

R2 = (R1serieR35) y (R34serieR36)

Rc = (R21serieR9) y (R10serieR22)

RL = (R23serieR15)

REE = (R6serieR28)

Etapa de Potencia.

Para nuestra segunda etapa se diseñó un amplificador de potencia clase AB cuasicomplementario

el cual mantiene el mismo voltaje de salida pero amplifica la corriente, aquí en esta etapa se

conectó una bocina de 4Ω y se le aplicó una señal de sonido a la entrada.

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En esta etapa se puso un par de colectores comunes complementarios a la entrada con un arreglo

de un transistor con potenciómetro para que al variarlo se ajusta la distorsión de cruce por cero en

nuestros transistores de potencia esto es para tener nuestros transistores de salida al borde de la

conducción, esta etapa se alimentó con un voltaje de entrada diferente que la etapa de pre

amplificación.

Como datos tenemos que:

Pout = 30w

RL = 4Ω

Por lo que:

Los cálculos para la potencia son los siguientes:

Picd= = 19.09w Poca= = 12.5w PQ= = 6.59w

%n= x 100 = 65.47%

Calculo de componentes de la etapa de potencia (analizando solo el ciclo positivo):

Por lo que para polarizar estos transistores es necesario tener un mínimo de 2.3148mA en la base

de Q12 para que conduzca los transistores Q10 y lo mismo para Q11 (Q10 y Q11 son iguales); asi

que en lugar de polarizar con resistencias optamos por introducir una fuente de corriente y un

circuito balanceador:

Fuente de corriente.

Aquí es importante insertar una resistencia en Re baja solo para estabilizar a la fuente de corriente

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NOTA: En la resistencia RV2 se implementa con un potenciómetro para posible calibración debido a mal

funcionamiento por mala selección de componentes (puesto que las resistencias físicas no son exactas).

En el acoplador formado por Q8 solo se introducen las resistencias de 100kΩ para tener una alta impedancia

de entrada en nuestro colector común, además se agrega una resistencia del mismo valor que Rebaja.

Etapa de Retro alimentación.

La tercera parte del proyecto fue retro alimentar el amplificador, en base a los conocimientos que

obtuvimos en clase se analizó el circuito y se llegaron a los siguientes resultados:

En esta parte se calculó la red de retro alimentación, tomando en cuenta que estamos retro

alimentando voltaje en serie utilizamos las formulas y análisis ya vistas en clase.

Vs Vi RL V0

Vf

A =

β =

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β= = 4.9937m A = 800 Δf = = 200

Ya que al despejar β tenemos que:

Por lo que:

Al retroalimentar nuestro amplificador se estabiliza la ganancia esto es que no varía al haber

variaciones de Hfe y de temperatura y así si existe una pequeña distorsión de cruce por cero

también se elimina.

Etapa de Ecualización.

En esta etapa se llevó a cabo el diseño de 5 filtros pasabanda sintonizados a una frecuencia central

en donde se lleva a cabo una amplificación de hasta 12dB o bien su atenuación de hasta ‐12dB;

en las páginas siguientes se explica el procedimiento utilizado para realizar la etapa de

ecualización:

Primeramente se dividen las frecuencias en octavas y a su vez se dividen para obtener tan solo 5

frecuencias de sintonización

60Hz 240Hz 1kHz 4kHz 10kHz

Por lo que la ecualización estará impresa en la parte frontal de nuestro ecualizador de la siguiente

manera:

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Debido a que el diseño fue con un emisor común sin capacitor de desvió las formulas y el proceso

de diseño es muy similar al de la etapa de pre amplificación, por lo que será más sencillo para el

lector comprender el proceso ya que solo fue variada la ganancia y la resistencia de carga así como

realizar el análisis a una ganancia máxima y una ganancia mínima:

Al convertir de dB a ganancia en voltaje tenemos que: G=4

Se analizó el amplificador emisor común sin capacitor de desvió para bajas y altas frecuencias y se

obtuvieron los siguientes resultados:

Modelo a pequeña señal para bajas frecuencias.

ya que βib es una Z (impedancia) muy grande

Por lo tanto nuestra frecuencia de corte baja quedaría definida por:

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Para el cálculo de los capacitores a frecuencias se utilizaron las siguientes fórmulas

Como no existen capacitores de las medidas resultantes se propusieron los más cercanos posibles

Por lo que hay que corroborar los valores de frecuencia actuales, puesto que al variar los

capacitores, las contribuciones de los polos cambiaran, lo que por consiguiente causara un

corrimiento en frecuencia.

Modelo a pequeña señal para altas frecuencias.

En cuanto al cálculo

de los capacitores en alta frecuencia se realizó de la siguiente manera

Después de obtenido los capacitores se prosiguió por calcular las resistencias necesarias. Como es

sin capacitor de desvío se introdujo una

Debido a que el ancho de banda es muy grande necesitamos agregar un capacitor en paralelo a Cμ

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El cual conectaremos entre las terminales de base y emisor, por lo tanto obtendremos un cx:

Y al despejar tenemos que:

Por lo tanto al sustituir los valores actuales y las frecuencias de corte deseadas, nos quedaron

como resultados:

AB= 4Hz—60Hz

Cc = 2.2μF, Cb= 33μF, Cx= 145.189nF

AB=60Hz—240Hz

Cc = 133nF, Cb= 1.66μF, Cx= 36.28nF

AB=240Hz—1 kHz

Cc = 33nF, Cb= 470nF, Cx= 8.6989nF

AB=1 kHz—4 kHz

Cc = 8nF, Cb= 97.3nF, Cx= 2.1648nF

AB=4 kHz‐‐16 kHz

Cc = 2nF, Cb= 24.2nF, Cx= 531.27pF

Análisis de resultados.

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Al implementar nos percatamos que en la etapa de ecualización al insertar la etapa con una

configuración colector común, la señal de salida del ecualizador quedaba atenuada 5 veces (el

mismo número de etapas del ecualizador), por lo que optamos por dejar instalado usando la

configuración emisor común sin capacitor de desvió, además tenemos un control de ganancia al

variar la Re de nuestra configuración sin alterar por mucho la respuesta en frecuencia de este.

Conclusiones. La respuesta de nuestro proyecto dependerá de nuestros componentes externos por ello, se

recomienda utilizar etapas como cargas activas (fuentes de corriente), esto es para hacer

invariable nuestra respuesta debido a cambios de temperatura y/o valores inexactos.

Esquematico completo.

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Anexos.

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