Facultad de Ingeniería Circuitos Integrados Analógicos
Proyecto #1 Mezclador de audio
Hernández González Luis Roberto Velázquez Hernández Jesús Alfredo Integrantes del equipo
Grupo 4
M. en I. Lauro Santiago Cruz Profesor
Fecha de entrega: 13 de Septiembre de 2012.
El presente trabajo describe el proceso de diseño e implementación de un mezclador de audio de cuatro canales para la materia de Circuitos Integrados Analógicos. El proyecto fue dividido en tres secciones distintas: fuente de alimentación, amplificador mezclador y amplificador de potencia. Cada una de estas secciones tiene una funcionalidad definida, la cual será descrita a su debido tiempo.
Introducción. Planteamiento del problema. Se debe diseñar un mezclador de audio de cuatro canales, tres de los cuales recibirán una señal desde un reproductor portátil de música, el canal restante convendrá ser usado para voz mediante la implementación de un micrófono. Cada canal habrá de tener un medio de control de ganancia, dicho medio tiene que tener un rango tal, que se pueda silenciar completamente al canal y llevarlo a su ganancia máxima. La ganancia máxima debe proponerse para que, al tener los cuatro canales activos, no se sature el amplificador sumador. A la salida del sumador, se ubicará un amplificador de potencia tipo push-pull, con el propósito de escuchar el resultado de la mezcla en una bocina. El mezclador debe poder energizarse desde la alimentación de 127 VAC y debe entregarse en un gabinete, en el cual sólo serán visibles los controles y las terminales de conexión.
Teoría básica. A continuación, se describirán los circuitos utilizados en el desarrollo del proyecto, con el propósito de encaminar al lector a un mejor entendimiento de este trabajo. Amplificador sumador inversor. También conocido como amplificador inversor multicanal, es una configuración del amplificador operacional en la cual la salida, es proporcional a la suma de todas las entradas, cada una de las cuales puede presentar una ganancia distinta. Es inversor porque las señales de entrada se conectan en la terminal inversora del amplificador, mientras que la terminal no inversora, se conecta a tierra. En forma general, el circuito de esta configuración, tiene la forma de la figura 1.1:
In = 0
A
Vn
Ip = 0
Vp
Figura 1.1 Amplificador sumador inversor
Aplicando el bicálogo, se puede decir que la corriente en la terminal inversora del amplificador es igual a cero, al igual que en la terminal no inversora. Ecuación 1.1
Luego, el voltaje en la terminal inversora es el mismo que en la terminal no inversora. Ecuación 1.2
En nuestro caso, dado que la terminal inversora se encuentra a tierra: Ecuación 1.3
Entonces, aplicando la Ley de Corrientes de Kirchhoff en el nodo A: Ecuación 1.4 Ecuación 1.5
Dado que Vn = 0, se tiene que: Ecuación 1.6
Finalmente, sistituyendo 1.6 en 1.4 y utilizando la Ley de Ohm Ecuación 1.7
La ecuación 1.7 representa el comportamiento del amplificador sumador inversor, se observa que cada uno de los voltajes de entrada tiene una ganancia dada por el cociente de la resistencia de realimentación divida entre la resistencia del canal correspondiente. El circuito realiza la suma de cada uno de los voltajes de entrada con una determinada ganancia e invierte el resultado, o bien, lo desfasa 180°.
Amplificador push-pull polarizado con amplificador operacional. De manera general, un amplificador push-pull tiene la forma de la figura 1.2. El cual funciona como un excelente amplificador de corriente y seguidor de voltaje, debido a su configuración de emisor común. Tiene la desventaja de poseer la distorsión de cruce por cero, la cual se refiere a los instantes de tiempo en los que el voltaje de entrada Vin es menor a 0.7V o a -0.7 V, cuando Vin cae en ese rango, ninguno de los transistores se encuentra correctamente polarizado, llevándolos a su región de corte, teniendo un voltaje de salida igual a cero. La figura 1.3 ilustra este fenómeno:
T1
T2
Figura 1.2. Amplificador push-pull
Figura 1.3. Distorsión de cruce por cero Para solucionar este inconveniente, puede incluirse el circuito del push-pull en la realimentación de un amplificador inversor, de tal forma que el voltaje de polarización de los transistores quede dividido entre la ganancia del amplificador (teóricamente infinita, realmente del orden de varios cientos de miles), haciendo a la distorsión de cruce por cero prácticamente imperceptible. La figura 1.4 muestra el circuito mencionado, mientras que la figura 1.5 muestra la corrección de la distorsión usando esa configuración.
Figura 1.4. Configuración para reducir la distorsión de cruce por cero
Figura 1.55. Reducción de la distorsión de cruce por cero
De esta forma, los transistores se encuentran siempre conduciendo, la corriente de salida se reparte entre y , si es mucho mayor que , la mayoría de la
corriente circulará por la carga y muy poca se irá por la realimentación. La proporción en la que se reparten las corrientes de salida está dada por un divisor de corriente:
De tal manera que, entre mayor sea , menos corriente circulará por ella, pudiendo considerar que el 100% de la corriente se irá por la carga. Esta etapa se utilizará para amplificar la corriente que sale del amplificador sumador inversor y poder accionar la bocina.
Desarrollo. En general, el mezclador debe tener la estructura ilustrada en la figura 2.1:
Amplificador sumador inversor
Push-pull
Preamplificador
Figura 2.1. Diagrama de bloques del mezclador
Entonces, se analizará cada una de estas secciones, se iniciará con el amplificador sumador inversor.
AMPLIFICADOR SUMADOR INVERSOR. Para esta etapa, se analizará un circuito que permita realizar la combinación de los 4 canales que contendrá el mezclador. Primero que nada, se necesitará un control de volumen de canal, esto es posible lograrlo mediante un divisor de voltaje que vaya desde tierra (0V), hasta el voltaje de la
Vi entrada, como debe ser variable, se propone un circuito como el que se muestra en la figura 2.2.
Rx Ry
Ahora bien, si se toma el divisor de voltaje creado por el potenciómetro, la salida queda en función de: Ecuación 2.1
Si tenemos en cuenta que:
Figura 2.2. Control de volumen
Ecuación 2.2
Entonces, sustituyendo 2.2 en 2.1: Ecuación 2.3
De donde se deduce que si Rx es mínima, Ve será igual a Vi y, si Re es máxima, llega al valor de Rp, haciendo Ve = 0V. Por lo tanto, se tiene un control de volumen confiable, ya que cuando se tenga en rango máximo se usará el voltaje del dispositivo que se conectará al canal, mientras que en nivel mínimo, se tiene simplemente tierra, evitando así, posibles ruidos que puedan llegar al amplificador sumador. Para conservar la linealidad de la ecuación 2.3, se recomienda ampliamente el uso de un potenciómetro lineal. Se observa que el valor del regulador de resistencia puede ser cualquiera, mientras permita un ajuste de la relación , se propone usar un potenciómetro de 10KΩ, debido a que es un número con el cual es sencillo operar, para probar si el potenciómetro era lineal, se llevó a cabo una prueba en donde se llevaba al potenciómetro a cierto valor en su recorrido y se media la resistencia en ese punto. Los resultados se observan en la gráfica 2.1.
Potenciómetro lineal 12 y = 0.1045x - 0.102 R² = 0.9971
Resistencia [Ohm]
10 8 6 4 2 0 0.000 -2
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
Porcentaje utilizado %
Gráfica 2.1 Prueba de linealidad De la gráfica, se ve que usando el método de mínimos cuadrados para hacer el ajuste a una línea recta de los puntos medidos, el comportamiento del potenciómetro es lineal,
Ve
al tener un coeficiente de correlación muy cercano a la unidad. Concluimos entonces que ese potenciómetro es ideal para el control de volumen. La siguiente etapa, ahora que ya se solucionó el control de volumen, tiene que ver con la ganancia que se necesita, como se vio en la introducción, la ganancia del amplificador sumador inversor está definida mediante la ecuación 1.7, si las resistencias de entrada de cada canal se hacen de un valor fijo R, la ecuación 1.7 queda modificada, ahora tiene la siguiente forma, para 4 canales: Ecuación 2.4
Es posible ver que se puede fijar una ganancia general, de tal forma que todos los canales tengan la misma amplificación y la salida sea, simplemente, la suma aritmética amplificada e invertida de todos ellos. Ahora el problema recae en determinar la magnitud de la ganancia , ya que de ella depende que la suma de los cuatro canales no supere el voltaje de saturación del amplificador operacional que se usará. Para tal fin, es necesario realizar pruebas en los dispositivos reproductores de audio, de tal forma que se conozca el voltaje de salida de dichos dispositivos. Las pruebas, fueron llevadas a cabo en el laboratorio de apoyo a la docencia, mediante un protocolo sencillo. El protocolo consistió en conectar la salida del reproductor en cuestión a la entrada del osciloscopio y registrar los valores de voltaje que aparecían en la pantalla. Esto se repitió con distintos tipos de reproductores MP3. Los resultados obtenidos fueron variados, dependían, en general, del volumen del dispositivo y de la canción que se reprodujese. En la figura 2.3 se muestran algunos de los resultados obtenidos en las pruebas y se agrupan los resultados en la tabla 2.1
Figura 2.3. Pruebas de laboratorio de volumen
Tabla 2.1 Reproductores MP3 Reproductor MP3
Voltaje promedio registrado
Sony Walkman
200 mV
MP3 genérico
225 mV
Apple iPod Shuffle
150 mV
Apple iPod touch
450 mV
Smartphone
220 mV
Teniendo los valores promedio, consideremos un voltaje de salida estándar de 300mV, esto quiere decir que, cuando se tengan los 4 canales activos en ganancia máxima, se tendrá un voltaje promedio de 1.2V en la entrada inversora del amplificador. Podemos entonces establecer una ganancia para el amplificador. Con , se tiene una salida de 12V cuando los cuatro canales se encuentran activos y con ganancia máxima, si los amplificadores se polarizan con poco más de 12V, no se prevé saturación alguna. Hay probablemente miles de combinaciones de resistencias que hacen que la ganancia sea 10. El punto es escoger un par tal, que la impedancia de entrada del circuito sea alta, es decir, que R sea de un valor alto, esto con el fin de demandar poca corriente de los reproductores. Si se toma en cuenta que la gran mayoría de los audífonos son de 32 Ω, se puede calcular la corriente promedio que proporcionan los audífonos, tomando el valor representativo de 300mV a la salida.
Lo que quiere decir, que con R=32Ω se tiene una buena respuesta por parte de los dispositivos, sin embargo, es usual que los dispositivos amplificadores de audio tengan una alta impedancia a la entrada, para demandar poca corriente. Se propone una
resistencia , de tal forma que corriente máxima demandada por la carga es:
, bajo estas condiciones, la
De donde se concluye que la demanda de corriente es muy baja y que la disipación de potencia será aún más baja. Procedamos a la elección del amplificador operacional que se usará en el sumador. Las características necesarias para el tipo y magnitud de las señales que se manejan, son: Bajo margen de ruido. Amplio ancho de banda. Bajo precio. Alta disponibilidad. Hay varios amplificadores que cumplen con estas condiciones, el elegido para la tarea fue el LM833, debido a: Gran margen dinámico: 140dB Bajo voltaje de ruido de entrada 4,5 nV/Hz Alta tasa de variación (slew rate): 7 V/useg (típ.) Figura 2.4. Diagrama LM833 5V/useg (min.) Alto ancho de banda de ganancia: 15MHz (típ.); 10MHz (mín.) Baja distorsión: 0,002% Bajo voltaje de offset: 0,3mV 2 amplificadores en cada circuito integrado. Costo: $ 6.00
Entonces, sucedamos a la etapa del micrófono y la adecuación de la señal del mismo. PREAMPLIFCADOR . El micrófono a utilizar es el llamado micrófono de condensador electret o simplemente, electret, de acuerdo con el fabricante, el micrófono debe polarizarse de tal forma que la corriente que circule por él no supere 0.5 mA. La resistencia de polarización debe ser, para 12V de alimentación:
Un valor cercano al calculado es 33K , se usará este valor de resistencia para limitar la corriente y no trabajar el micrófono a su máxima capacidad, para evitar dañarlo. El fabricante recomienda también que se coloque un capacitor a la salida del micrófono, para eliminar la componente de corriente directa provocada por la polarización. Se escogió un capacitor de 47nF de poliéster.
Debido a que la señal del micrófono es todavía muy pequeña, del orden de 150mV, varía un poco, se utilizará una etapa de preamplificación, es decir, un acondicionamiento de la señal para poder introducirla al amplificador sumador inversor. Bajo una configuración de amplificador inversor, bastará con una ganancia cercana a 2 para que el micrófono proporcione una señal del orden de la producida por los reproductores de los demás canales. Es así como se escoge una resistencia de 18K de realimentación y una de 10K para la entrada.
AMPLIFICADOR DE POTENCIA PUSH-PULL. Para poder elegir los transistores usados en el push-pull, es necesario conocer 2 cosas, la corriente demandada por la bocina y la corriente de salida de los amplificadores operacionales. La corriente que circulará por la bocina es fácil de obtener, bastará con echar un vistazo a su impedancia y dividir el voltaje de salida del amplificador entre ella, ley de Ohm, es decir:
Si la bocina es de 8Ω y Vo va desde 0 hasta 12V, podemos hacer una tabla para ver el comportamiento de la corriente.
Gráfica 2.2 Corriente en la bocina
De la gráfica 2.2 puede obtenerse la potencia máxima de la bocina, a partir de la Ley de Joule
Entonces, se requiere una bocina de al menos 18W para que el circuito funcione, el problema reside ahora en medir la corriente a la salida del sumador, de tal forma que se escojan transistores capaces de amplificarla hasta 1.5 A. En la hoja de datos del LM833 no aparece información alguna sobre la corriente de salida del amplificador, pero proporciona la disipación máxima de potencia (500 mW) en el amplificador, entonces, de acuerdo con la ley de Joule, la corriente de salida máxima para nuestro caso es igual a la potencia máxima entre el voltaje de polarización. Si proponemos un voltaje de polarización de , la corriente máxima entregada por el amplificador es de:
Ahora, para determinar el factor de amplificación de los transistores, es necesario dividir la corriente máxima de la bocina entre la corriente máxima del amplificador:
Existen muchos transistores de potencia que soporten manejar hasta 1.5 A en el colector con un factor de amplificación de más de 50, entre ellos, se ubican el TIP41 y TIP42, transistores (NPN y PNP, respectivamente) cuya corriente de colector llega a 6 A, y sus factores de amplificación se encuentran cercanos a 75. Se seleccionan entonces este par de transistores, con la idea de que cuando se encuentre la bocina operando al máximo, pueda ser satisfecha la corriente que demanda. La resistencia de realimentación se propondrá de 10 KΩ, al igual que la de entrada, para mantener una ganancia de voltaje unitaria y, de esa forma, hacer que el amplificador push-pull dé ganancia únicamente en corriente. BOCINA. Llegamos a la parte de la salida, la bocina. Debido a características físicas de los amplificadores operacionales, siempre se tiene un voltaje de offset a la salida, además de posibles ruidos de baja frecuencia que puedan existir en el ambiente, se propone usar un filtro pasa altas cuya frecuencia de corte sea 30 Hz, para eliminar componentes de directa y muy bajas frecuencias que, de cualquier manera, no escuchamos. Se toma como resistencia de salida la impedancia de la bocina y se sigue a calcular el capacitor:
Un capacitor cercano sería el de 680
, para este valor, la frecuencia de corte es de:
El valor es cercano al esperado, por tanto, aceptable. Una vez calculado el filtro de la bocina, se toma simplemente la salida de emisor del amplificador push-pull y ahí se conecta el capacitor calculado en serie, antes de la bocina, para estas condiciones, el porcentaje de corriente que circula por la bocina, dado que la relimenta es 10K, según el divisor de corriente:
Se concluye que, dado que sólo el 0.08% de la corriente que provean los transistores es retornada al amplificador, puede considerarse que el push-pull entrega en su totalidad la corriente a la bocina. Las características de la bocina utilizada son: Impedancia Potencia Voltaje Corriente
8Ω 33 W 16.248 V 2.031 A
Si se va a trabajar con 15 V y 1.5 A máximo, se garantiza que la bocina nunca excede estos valores, asegurando así, un buen funcionamiento del circuito.
Fuente de voltaje. Para la alimentación de nuestro circuito mezclador es necesario diseñar y elaborar una fuente de voltaje de dc simétrica. La siguiente imagen muestra el diagrama de bloques de una fuente de voltaje (diagrama general).
La función de una fuente de alimentación es convertir el voltaje de alterna en un voltaje de continua, lo más estable posible, para ello se usan los siguientes componentes: 1.- Transformador de entrada. 2.- Rectificador. 3.- Filtro para el rizado 4.- Regulador lineal (o estabilizador). Transformador. El trasformador de entrada reduce el voltaje de la red a otro más adecuada para ser tratado. El transformador que utilizamos fue de 127 – 30 V de 2 A con tap central. Rectificador. El rectificador es el que se encarga de convertir la tensión alterna que sale del transformador en tensión continua. El filtro La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un ciclo de salida completo, la tensión en la carga aumenta de cero a un valor de pico, para caer después de nuevo a cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una tensión constante, similar a la que produce una batería. Para obtener este tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro. Para un capacitor de 4700 µF y considerando que la corriente demanda por la carga puede llegar a ser de hasta 1.5 A (750 mA) para cada lado (fuente simétrica) y considerando que:
Al tener capacitores de valores grandes de capacitancia, el valor del voltaje de rizo disminuye, sin embargo el precio que se debe pagar se aprecia en el transitorio de dicho capacitor; en este caso el tiempo de carga y descarga del capacitor es de:
Donde: Por lo tanto: Cuyo resultado es menor al 10% de la señal de entrada (regla del 10%). Para el voltaje de DC: Donde: Vm: Voltaje pico del rectificador = 20.4 V Tenemos:
Reguladores de voltaje: Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que queramos.
La fuente que realizamos cuenta con dos reguladores variables y uno fijo de 12 V que servirĂĄ como alimentaciĂłn para nuestro electret. Diagrama de la fuente de voltaje.
Se empleo el regulador LM317 para obtener una fuente de voltaje variable positiva y un regulador LM337 para obtener una fuente de variable negativa, pensando en poder usarlas en futuros proyectos. Para el caso del LM317 en sus terminales de salida mantiene 1.25 [V] entre sus terminales de salida y ajuste (Vo y ADJ). Este voltaje recibe el nombre de . Por la resistencia R1 conectada entre esas terminales se produce una corriente:
Por otra parte, la corriente que circula a travĂŠs de RV1 (trimpot) es igual a:
Y como:
Tenemos que: (
)
Esta fórmula es una aproximación debido a que no se tiene en cuenta la corriente de la terminal ADJ. Y para un valor de operaciones y TIP´s), tenemos:
y un
(Polarización de amplificadores (
)
Implica que: (
)
El trimpot empleado (RV1) será de 5 kΩ. El análisis del LM317 puede trasladarse sin pérdida de generalidad al regulador LM337. El LM317 proporcionará una corriente de salida de hasta 1.5 [A] siempre y cuando no se encuentre sujeto a una disipación de potencia de 15 [W]. Debe estar aislado eléctricamente de, y sujeto a un disipador de calor. EL voltaje mínimo de caída del regulador es de 3 [V] (mínimo voltaje de entrada) El regulador de voltaje está protegido contra cortos aprovechando el comportamiento de interruptores de los diodos. Está protección es necesaria para evitar que corrientes generadas en alguna de las terminales del regulador de voltaje afecte a otra. El diodo D1 evita corrientes de retorno de la salida a la entrada, mientras que D2 evita el retorno de corrientes de la terminal ADJ a la de salida. El capacitor que se encuentra en la terminal de salida de los reguladores y tierra reduce por un factor de aproximadamente 10 veces el voltaje de rizo generado en el regulador (“limpia la señal”).
Simulaci贸n del circuito amplificador.
Figura 2.5. Diagrama mezclador
Resultados del osciloscopio: Para un canal:
Para 3 canales:
Figura 2.7. Salida con picos de hasta 10V Para 4 canales:
Figura 2.8. Salida con picos de hasta 12V con ligera saturaci贸n
EN EL LABORATORIO Se probaron aspectos muy importantes, por ejemplo, el hecho de que la consideración del voltaje estándar de 300 mV está por encima de lo realmente alcanzado por cada dispositivo, se tienen picos de hasta 350 mV en algunas ocasiones, pero nunca un voltaje constante de esa magnitud, por lo que la polarización puede mantenerse apenas arriba de los 12 V sin saturación. Al tener un voltaje de polarización más bajo que el que se espera, aumenta la corriente que podemos obtener del amplificador operacional, evitando trabajarlo al máximo. Al no tener los 12V a la salida, la bocina no consume los 1.5 amperes predichos, por lo que los TIPs y las ganancias están correctamente calculados para soportar sobrecargas no predichas en el sistema.
Resumen y conclusiones. El diseño se basó en valores que resultaron estar por encima de los valores reales, dando como resultado un equipo seguro y confiable, debido a que es poco probable que ocurra una falla, ya sea por saturación, sobrecalentamiento, o sobrecarga de los componentes usados. Se demostró un uso cotidiano del amplificador operacional, circuitos similares al diseñado se usan en equipos de audio comerciales, seguramente hay más equipos electrónicos que utilicen una configuración similar a la que se usó para elaborar este proyecto. En general, fue un proceso bastante enriquecedor, debido a que integra conocimientos de distintas materias que hemos cursado a lo largo de la trayectoria en la Facultad, de tal forma que fue necesario recordar conceptos y desempolvar conocimientos adquiridos previamente, quizá olvidados por el poco uso de ellos, otros bastante frescos. Pero no sólo eso, el proyecto también requiere del uso de software de aplicación para la simulación del circuito, para fabricar el circuito impreso, para elaborar diagramas, gráficas, ilustraciones, esquemas, etc. Y no termina ahí, debe de tenerse habilidad manual para alambrar los circuitos de prueba, capacidad de análisis para resolver los problemas en las pruebas de laboratorio, una buena comunicación entre los compañeros de equipo, todo ello con el fin de conocer a fondo el funcionamiento del equipo. Una vez que se conoce el sistema, es mucho más claro ver los posibles cambios con los que pudiese mejorar. Lo realmente importante, es la conjunción de conocimientos a la que se llega cuando el circuito se encuentra operando correctamente.
Referencias. Bibliografía Fuente de voltaje. Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky. Electrónica Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. 8ª edición. Pearson Education, México, 2005.
Sitios web consultados al 13.09.12 Datos sobre el amplificador LM833 http://electronica.webcindario.com/componentes/lm833.htm http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/L/M/8/3/LM833.shtml http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm833-n.pdf Impedancia de salida reproductores Apple iPod http://support.apple.com/specs/#ipod Información general sobre mezcladores. http://electroschematics.com/544/3-channel-audio-mixer/ http://www.ece.okstate.edu/old/abet/Assessment/Program%20Level/Capston e%20Reports/AnalogAudioMixer.pdf http://www.electronicsteacher.com/list-of-schematics/a/mixers.php Sobre amplificadores push-pull http://socrates.berkeley.edu/~phylabs/bsc/PDFFiles/bsc8.pdf http://www.allaboutcircuits.com/vol_6/chpt_6/10.html http://www.ecircuitcenter.com/circuits/pushpull/pushpull.htm Understanding Op Amp Parameters http://www.ti.com/lit/ml/sloa083/sloa083.pdf
Ap茅ndices. Esta secci贸n contempla los diagramas de conexiones, circuitos impresos y hojas de datos de los circuitos integrados y transistores que se utilizaron. Diagrama del mezclador:
Diagrama de la fuente de alimentaci贸n.
Circuito impreso del mezclador de audio.
Circuito impreso la fuente de voltaje.