PREAMPLIFICATORE AUDIO

Gruppo: Nicola Casarin, Marco Ferrari, Fabio Perazzolo

Classe 4aBT as. 2009/2010

PREAMPLIFICATORE AUDIO

↘ IPOTESI PROGETTO

Il preamplificatore deve essere in grado di amplificare (100 volte) un segnale

microfono e di avere il volume regolabile. Il segnale deve essere filtrato per non dare segnali di

disturbo in uscita e deve essere possibile regolare la banda passante con il controllo degli alti e dei

bassi.

↘ TESI PROGETTO

Il circuito è costituito da un primo stadio che riceve in ingresso un segnale proveniente da un

microfono: siccome ne esistono di molti tipi il circuito deve adattarsi ai vari tipi di microfoni. La

resistenza tra l'ingresso e la massa deve essere dell'ordine delle deci

adattarsi all'impedenza del microfono che, a seconda del tipo, può essere elevata come quella del

quarzo.

Nello stadio di amplificazione il segnale viene filtrato e si stabilisce la banda passante, oltre che

essere filtrato.

Il segnale d'ingresso viene filtrato dal condensatore C2 che blocca un'eventuale componente

continua che verrebbe altrimenti amplificata dall'operazionale e creerebbe dei disturbi, si sfrutta

quindi il fatto che il condensatore in continua è un circuito apert

La tensione d'ingresso dell'operazionale viene ottenuta mediante il partitore di tensione costituito

da due resistenze uguali (R2 e R3): un terminale di R2 è collegato a Vcc mentre un terminale di R3 è

collegato a massa. Nel loro punto di collegamento v

resistenza d'ingresso dello stadio di amplificazione. La resistenza R4 serve inoltre per minimizzare

l'offset e deve essere quindi uguale alla resistenza R7 di feedback.

L'operazionale è collegato in configura

tensione è dato dalla formula: Av

frequenza di taglio inferiore fL; l'effetto del condensatore C4 (collegato in serie con R5) è

maggiormente significativo rispetto C2. Il condensatore C5 invece, posto in parallelo con R7, serve

per impostare la frequenza di taglio superiore.

In serie all'uscita dell'operazionale è collegato un condensatore e poi un trimmer logaritmico:

questo perché l'udito umano ha una percezione logaritmica. Dopo il trimmer è collegato un altro

condensatore che produce i suoi effetti a frequenze più basse di quella di taglio

L'ultimo stadio riguarda il controllo dei toni ossia degli alti e dei bassi permettendo così attenuare

o accentuare i toni ad alta o bassa frequenza.

I valori dei componenti sono standard. Il principio di base è quello dei filtri passa alto e passa basso.

Gruppo: Nicola Casarin, Marco Ferrari, Fabio Perazzolo (PECAFE)

as. 2009/2010

PREAMPLIFICATORE AUDIO

Il preamplificatore deve essere in grado di amplificare (100 volte) un segnale



costituito da un primo stadio che riceve in ingresso un segnale proveniente da un


resistenza tra l'ingresso e la massa deve essere dell'ordine delle decine di kΩ in particolare per



segnale d'ingresso viene filtrato dal condensatore C2 che blocca un'eventuale componente


quindi il fatto che il condensatore in continua è un circuito aperto.



collegato a massa. Nel loro punto di collegamento viene collegata anche la R4 che costituisce la


l'offset e deve essere quindi uguale alla resistenza R7 di feedback.

L'operazionale è collegato in configurazione di amplificatore non invertente e il guadagno di

v = 1+R7/R6. I condensatori C4 e C2 servono per determinare la

; l'effetto del condensatore C4 (collegato in serie con R5) è

significativo rispetto C2. Il condensatore C5 invece, posto in parallelo con R7, serve

per impostare la frequenza di taglio superiore.


ano ha una percezione logaritmica. Dopo il trimmer è collegato un altro



o accentuare i toni ad alta o bassa frequenza.


proveniente da un



costituito da un primo stadio che riceve in ingresso un segnale proveniente da un


Ω in particolare per



segnale d'ingresso viene filtrato dal condensatore C2 che blocca un'eventuale componente




iene collegata anche la R4 che costituisce la


zione di amplificatore non invertente e il guadagno di

= 1+R7/R6. I condensatori C4 e C2 servono per determinare la

; l'effetto del condensatore C4 (collegato in serie con R5) è

significativo rispetto C2. Il condensatore C5 invece, posto in parallelo con R7, serve


ano ha una percezione logaritmica. Dopo il trimmer è collegato un altro




RELAZIONE DI TDP

In un filtro passa basso l'uscita si trova ai capi del condensatore che alle alte frequenze diventa

corto e la tensione ai capi di un corto è nulla; mentre alle basse frequenze il condensatore è un

circuito aperto quindi all'uscita si può prelevare una tensione in base al segnale d'ingresso.

In un filtro passa alto l'uscita è prelevata ai capi di una

alte frequenze il condensatore è un corto quindi la resistenza è percorsa da una corrente, per la

legge di Ohm la tensione d'uscita è pari a quella d'ingresso. Alle alte frequenze, quando il

condensatore è un circuito aperto, la resistenza non è percorsa da corrente quindi ai suoi capi non

c'è differenza di potenziale. Siccome un condensatore è un perfetto circuito aperto solo a

frequenza infinita c'è sempre una debole corrente che percorre la resistenza mentre

nulla (tensione continua).

Questo fenomeno si può spiegare mediante la formula dell'impedenza del condensatore in

corrente alternata:

- Bassi

La parte di circuito per le basse frequenze è la seguente:

con R9=R11=R4.

A basse frequenze i condensatori C10 e C11 vengono considerati circuiti aperti quindi la corrente

passa per il trimmer. Quando il cursore del trimmer viene posto tutto a sinistra, C10 viene

cortocircuitato e il guadagno è pari a : |A

inferiore del circuito).

Alle alte frequenze, invece, C11 cortocircuita R10 e il guadagno è pari a: |A

- Alti

Per la gestione delle alte frequenze il circuito è il seguente:

con R9=R11=R12, il cursore del trimmer

Alle alte frequenze C12 e C13 sono considerati cortocircuiti e le resistenze R9,R11 e R12 vengono a

formare una stella che viene trasformata in un triangolo le cui resistenze valgono 3R9. Il guadagno

sarà quindi il seguente: |Av| = 3R9/(3R9//R13).

Alle basse frequenze invece, C12 e C13 sono considerati circuiti aperti e il guadagno sarà :

In un filtro passa basso l'uscita si trova ai capi del condensatore che alle alte frequenze diventa



In un filtro passa alto l'uscita è prelevata ai capi di una resistenza in serie con un condensatore: alle



circuito aperto, la resistenza non è percorsa da corrente quindi ai suoi capi non


frequenza infinita c'è sempre una debole corrente che percorre la resistenza mentre


XC = 1/jwC

le basse frequenze è la seguente:

frequenze i condensatori C10 e C11 vengono considerati circuiti aperti quindi la corrente


cortocircuitato e il guadagno è pari a : |Av| = (R10+R11)/R9 (non viene considerata la parte

Alle alte frequenze, invece, C11 cortocircuita R10 e il guadagno è pari a: |Av| = R11/R9 = 1 (0dB).

Per la gestione delle alte frequenze il circuito è il seguente:

con R9=R11=R12, il cursore del trimmer è posto tutto a sinistra.



| = 3R9/(3R9//R13).


In un filtro passa basso l'uscita si trova ai capi del condensatore che alle alte frequenze diventa un



resistenza in serie con un condensatore: alle



circuito aperto, la resistenza non è percorsa da corrente quindi ai suoi capi non


frequenza infinita c'è sempre una debole corrente che percorre la resistenza mentre a frequenza


frequenze i condensatori C10 e C11 vengono considerati circuiti aperti quindi la corrente


considerata la parte

| = R11/R9 = 1 (0dB).




|Av| = 3R9/3R9 = 1 (0dB).

L'ultimo condensatore C14 serve a filtrare il segnale d'uscita.

↘ DIMENSIONAMENTO CIRCUITO

Per il corretto funzionamento del preamplificatore è necessario collegare una capacità di by-pass

tra Vcc e massa per evitare accoppiamenti tra i componenti attivi, in questo caso è stato usato il

condensatore C6 da 100 µF. In più serve mettere una capacità tra l'alimentazione degli integrati e

massa, per l'operazionale sono stati usati 2 condensatori in parallelo: C7(100nF) e C1(10 µF). L'amplificazione del segnale deve essere di 100 (Av)e la resistenza di feed-back deve avere un

valore minimo di 1kΩ. La formula per trovare il guadagno dell'amplificatore non invertente è la

seguente: Av = 1+R7/R6, quindi, ponendo R7 = 100kΩ, R6 avrà un valore di 1kΩ. Di conseguenza

anche R4 avrà un valore di 100kΩ per minimizzare l'offset. Il partitore di tensione per la

polarizzazione d'ingresso è costituito da due resistenze di 10kΩ (R2 e R3) e il condensatore C3

stabilizza la tensione.

La capacità C4 si determina conoscendo la frequenza di taglio inferiore fL=20Hz e in base alla

resistenza R6 con la seguente formula: C4=1/(2π* fL*R6)= 7,96 µF. Viene scelto un condensatore

da 10 µF. Il condensatore C2 si dimensiona in base a R4 e a un decimo della frequenza di taglio:

C2 = 1/(2π* 0,1fL*R4) = 0,82 µF, è stato scelto un condensatore da 1 µF. Il condensatore ceramico C5 ai capi di R7 ha un valore di 82pF e serva per restringere la frequenza

di taglio superiore a 20kHz al fine di evitare l'innesco di oscillazioni. La frequenza di taglio

superiore si calcola con la seguente formula: fH = 1/(2π*C5*R7) = 19,4Hz. Il condensatore C8 serve per accoppiare il potenziometro R8 che deve essere di tipo logaritmico di 10kΩ. Il condensatore C9 serve per accoppiare il potenziometro con il circuito di controllo dei toni, il suo

intervento avviene a frequenze più basse di quella di taglio inferiore e si deve tener conto che nella

situazione peggiore ai suoi capi c'è la resistenza R13, il suo valore si calcola con la seguente formula:

C9 = 1/(2π* 0,1fL*R13) = 24µF; è stato scelto un condensatore da 22 µF così come C8.

I valori dei componenti del circuito per il controllo dei toni sono quelli standard.

↘ REALIZZAZIONE PRATICA

Questo circuito è stato realizzato su un circuito stampato. All'inizio lo schema è stato disegnato

con il programma OrCad, poi, dopo aver stabilito il footprint dei componenti, è stato aperto con il

programma Layout dove è stato visualizzato con i collegamenti elastici. Dopo aver impostato il lato

serigrafia e il lato rame è stato fatto lo sbroglio affinché si formassero i collegamenti. Il lato rame è

stato infine stampato su foglio da lucido per fare il circuito stampato.

Il circuito stampato è realizzato su una scheda presensibilizzata monofaccia, costituita da una

basetta di materiale plastico ricoperta da un lato da una sottile lamina di rame coperta a sua volta

da uno strato di fotoresist. Si passa poi alla fotoincisione della basetta nel bromografo, dove, posto

il foglio lucido col disegno del circuito sopra alla scheda, questa viene sottoposta a luce

ultravioletta, in modo che i raggi UV possano "colpire" la parte di vernice fotosensibile non coperta

dalle piste stampate sul detto foglio lucido. Dopo questo passaggio la scheda viene immersa nella

soda caustica diluita con parte di acqua: le zone di fotoresist sottoposte agli ultravioletti è resa

vulnerabile alla soda, quindi la zona sottostante alla parte scura del foglio rimaste anche dopo il

bagno nella soda. Di seguito la scheda è stata sottoposta all'azione del cloruro ferrico che ha

eliminato la parte di rame scoperto dal fotoresist. Infine il fotoresist rimasto è stato tolto con

alcool etilico e una spugna abrasiva. Tramite il trapano a colonna vengono creati i fori nei quali

inserire i pin dei vari componenti, che saranno poi saldati dal rato rame, dove le piazzole create

con le piste permetteranno l'adesione tra stagno e circuito.

Oltre l'attrezzatura sopra citata per la creazione del PCB, quale il bromografo, la vasca di incisione

per il bagno in soda e quella per il cloruro ferrico, il trapano a colonna, saldatore (...),

successivamente per i collaudi sono stati usati oscilloscopio, generatore di funzioni e multimetro.

↘ COLLAUDO CIRCUITO

COLLAUDO

I collaudi sono stati svolti in base a tre diverse tipologie, in modo da constatare la risposta del pre-

amplificatore in ampiezza ed in frequenza. Si sono poi svolte le prove per il funzionamento dei bassi

(circuito passa-basso) mentre si è riscontrato un problema con l’andamento degli alti a causa del progetto

circuitale.

Per l’esecuzoione dei test sono stati adoperati: un multimetro, oscilloscopio, generatore di segnale e un

alimentatore da banco per l’alimentazione del circuito.

Risposta in ampiezza:

a parità di frequenza dando un ingresso variabile si ricava la tensione in uscita che in funzionamento lineare

ha andamento proporzionale alla tensione di ingresso. La risposta rimane lineare fino al raggiungimento dei

30 mV in ingresso, come si nota dal grafico facente riferimento ai valori segnati in giallo nella tabella.

Risposta in frequenza:

mantenendo l’ingresso costante si è variata a frequenza del segnale di ingresso in modo da vedere come il

nostro circuito è soggetto alle variazioni di frequenza. I valori sono stati riportati in valori logaritmici per

poter visualizzare valori molto distinti tra loro nello stesso grafico e visualizzare al meglio l’andamento del

circuito. Si nota dal grafico come l’andamento sia diviso in tre sezioni, nella prima fase il circuito si

comporta come un passa alto, raggiunge poi una zona di linearità e termina come un passa basso.

Quando il circuito si comporta da passa alto notiamo che le basse frequenze sono filtrate, durante il perido

lineare il guadagno rimane costante con l’aumentare della frequenza, mentre la parte finale determina la

filtrazione delle alte frequenze.

risposta in ampiezza

n prova frequenza tensione pp

f (Hz) vi (mV) vout (V)

0

1000

0 0

1 8 0,8

2 10 1

3 20 1,9

4 30 2,5

5 40 3,5

6 50 4

risposta in frequenza

n prova frequenza frequenza tensione pp

Av (dB) f (Hz) logaritmica vi (V) vout (V)

0 1 0

0,01

0 1

1 10 1 0,35 30,88136089

2 15 1,176091259 0,7 36,9019608

3 20 1,301029996 0,95 39,55447211

4 25 1,397940009 1 40

5 30 1,477121255 1 40

6 40 1,602059991 1 40

7 50 1,698970004 1 40

8 100 2 1 40

9 200 2,301029996 1 40

10 500 2,698970004 1 40

11 1000 3 1 40

12 5000 3,698970004 1 40

13 10000 4 0,9 39,08485019

14 15000 4,176091259 0,75 37,50122527

15 20000 4,301029996 0,6 35,56302501

16 25000 4,397940009 0,55 34,80725379

17 30000 4,477121255 0,5 33,97940009

18 35000 4,544068044 0,41 32,25567713

19 40000 4,602059991 0,38 31,59567193

20 45000 4,653212514 0,3 29,54242509

21 55000 4,740362689 0,25 27,95880017

22 65000 4,812913357 0,2 26,02059991

23 100000 5 0,15 23,52182518

0 10 20 30 40 50 60

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

vi (V)

vo

ut

(V)

risposta in ampiezza

24 200000 5,301029996 0,1 20

25 400000 5,602059991 0,03 9,542425094

26 700000 5,84509804 0,02 6,020599913

bassi

n prova fequenza frequenza tensione pp

Av (dB) f (Hz) logaritmica vi (V) vout (V)

0,01

1 10 1 4 52,04119983

2 100 2 4 52,04119983

3 150 2,176091259 3,5 50,88136089

4 200 2,301029996 2,7 48,62727528

5 300 2,477121255 2,3 47,23455672

6 400 2,602059991 2 46,02059991

7 500 2,698970004 1,9 45,57507202

8 600 2,77815125 1,5 43,52182518

9 1000 3 1,3 42,27886705

10 4000 3,602059991 1,1 40,8278537

11 7000 3,84509804 0,9 39,08485019

12 10000 4 0,9 39,08485019

13 20000 4,301029996 0,7 36,9019608

14 40000 4,602059991 0,4 32,04119983

15 50000 4,698970004 0,3 29,54242509

16 100000 5 0,2 26,02059991

17 600000 5,77815125 0,1 20

0 1 2 3 4 5 6 7

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

f (log)

Av (

dB

)

risposta in frequenza

↘ RICERCA COMMERCIALE

DENOMINAZIONE COMPONENTI QUANTITÀ

COMPLESIVA CODICE ARTICOLO PREZZO cad. PREZZO

COMPLESSIVO

CONDENSATORE 22µF 2 800968 € 0.18 0.36

CONDENSATORE 10 µF 4 800970 € 0.18 0.72

CONDENSATORE 1µF 1 800992 0.18 0.18

CONDENSATORE 100µF 1 800999 0.18 0.18

CONDENSATORE 100nF 1 800889 0.18 0.18

CONDENSATORE 82pF 1 800903 0.18 0.18

CONDENSATORE 33nF 2 800982 0,18 0.36

CONDENSATORE 3,3nF 2 800985 0,18 0.36

TL082 1 642400 € 0.20 € 0.20

RESISTENZA 1,5K 1 712139 0,11 0.11

RESISTENZA 100K 3 712306 0,11 0.33

RESISTENZA 10K 6 712112 0.11 0.66

RESISTENZA 1K 2 712086 0,11 0.22

RESISTENZA 3,3K 1 712090 0,11 0.11

RESISTENZA VARIABILE 10K 1 750316 0.29 0.29

RESISTENZA VARIABILE 100K 2 750365 0.29 0.58

CONNETTORE 2-3PIN 3 110796 0.35 1.05

SCHEDA PCB PRESENSIBILE

MONOFACCIA 100X160mm

1 111277 € 3.60 € 3.60

TOTALE 9.67

0 1 2 3 4 5 6

0

10

20

30

40

50

60

f (log)

Av (

dB

)

bassi

www.distrelec.it

DENOMINAZIONE COMPONENTI QUANTITÀ

COMPLESIVA CODICE ARTICOLO PREZZO cad. PREZZO

COMPLESSIVO

CONDENSATORE 22µF 2 684-1898 € 0.20 € 0.40

CONDENSATORE 10 µF 4 440-6553 € 0.20 € 0.40

CONDENSATORE 1µF 1 414-9143 0.20 0.20

CONDENSATORE 100µF 1 526-1597 0.20 0.20

CONDENSATORE 100nF 1 515-2415 0.20 0.20

CONDENSATORE 82pF 1 545-4159 0.20 0.20

CONDENSATORE 33nF 2 683-2103 0.20 0.40

CONDENSATORE 3,3nF 2 683-2125 0.20 0.40

TL082 1 661-1394 €0.18 € 0.18

RESISTENZA 1,5K 1 684-6013 0,15 0.15

RESISTENZA 100K 3 684-6067 0,15 0.45

RESISTENZA 10K 6 684-6130 0.15 0.90

RESISTENZA 1K 2 684-6001 0,15 0.30

RESISTENZA 3,3K 1 684-6026 0.15 0.15

RESISTENZA VARIABILE 10K 1 473-506 0.32 0.32

RESISTENZA VARIABILE 100K 2 473-590 0.32 0.64

CONNETTORE 2-3PIN 3 729-513 0.50 0.50

SCHEDA PCB PRESENSIBILE

MONOFACCIA 100X160mm

1 941-3468 € 4.05 € 4.05

TOTALE 9.99

↘CONSIDERAZIONI TECNICHE

Le principali difficoltà si sono presentate al momento del collaudo in quanto bisognava fornire dei

segnali al circuito che fossero simili ai segnali forniti da dispositivi audio o microfoni ossia con

un'ampiezza dell'ordine dei mV. Se il segnale fornito non aveva le giuste caratteristiche l'uscita

veniva distorta.

Il PCB è stato fatto a mano per evitare che i collegamenti del circuito stampato fossero in posizioni

poco consone.

L'unico problema pratico è avvenuto per un errore sulla sbrogliatura che causava dei disturbi nel

filtraggio del segnale d'ingresso e di conseguenza l'amplificazione risultava minore.

it.rs-online.com

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