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Progetto di un amplificatore audio

Microphone

Quello che state per leggere è una semplice esperimento di elettronica analogica. Mi sono voluto divertire a configurare un sistema di amplificazione audio estremamente minimale allo scopo di far accendere un LED e caratterizzare il segnale in uscita dall'amplificatore. Vediamo com'è fatto e come funziona.

L'idea di base è molto semplice: vogliamo creare un sistema che abbia in ingresso un segnale vocale, lo elabori senza fare particolari operazioni, lo proponga in uscita ed utilizzi il segnale stesso per pilotare l'accensione di un LED. Sostanzialmente parliamo di un sistema booleano nel quale il LED identifica lo stato accesso o spento del sistema che sta ricevendo, o meno, il dato.

Dall'analisi dell'ampiezza del segnale, e dal dimensionamento opportuno dell'amplificazione sullo stesso, invece, può certamente scaturire un sistema più complesso e questa considerazione è alla base dei suoi sviluppi futuri.

Ma, dicendo questo, siamo già arrivati alle conclusioni dell'articolo e quindi facciamo un passo indietro ed organizziamo il discorso con ordine.

Il diagramma a blocchi

Come tutti i sistemi, anche questo deve essere analizzato dal punto di vista dei suoi elementi costitutivi e funzionali. Prima di farne un'analisi più precisa, vi riportiamo, qui di seguito, l'immagine dello schema realizzato in KiCad:

(se volete ingrandire l'immagine, fateci click sopra!)

Ora che abbiamo lo schematico, vediamo brevemente la spiegazione dei blocchi funzionali.
La prima parte, o meglio il primo dispositivo, è semplicemente il microfono.
Si tratta di un Electret Microphone, un tipo molto comune. Potete usarne, ovviamente, uno qualsiasi perché quello che farà la differenza sul segnale che otterrete sarà il resto del circuito.

Immediatamente di seguito, un semplice filtro passa-alto con frequenza di taglio pari a 15.9 Hz.

Successivamente viene utilizzato l'amplificatore per ottenere un guadagno di circa 100, al fine di aumentare l'escursione del segnale. L'output qui è di circa 2 V.

Successivamente, viene implementato un rilevatore di picco molto elementare che prevede la carica del condensatore non appena il segnale supera il diodo. La capacità si scarica sul resistore quando il segnale è assente. Anche questo circuito ha una costante di tempo, come ben sappiamo, e può essere ridimensionata ad hoc. Dal momento che il processo di scarica è regolato da una legge esponenziale decrescente, la costante di tempo caratteristica ci dice per quanto tempo avremo a disposizion il segnale.

Il secondo amplificatore operazionale viene utilizzato come comparatore di livello tra il segnale in uscita dal circuito ed il livello di tensione fissato dal divisore di tensione implementato tramite la  coppia di resistenze R6 ed R7 che restituisce un valore pari a 0.45V.
Naturalmente, questa rappresenta una soglia che può essere modificata a seconda delle esigenze.

In ultimo, attraverso la resistenza R8 scorre una corrente che fluisce attraverso il diodo per illuminarlo non appena il segnale sia diverso da zero.

L'amplificatore audio

Ora che abbiamo visto quali sono i blocchi funzionali, veniamo, brevemente, all'analisi del amplificatore utilizzato.
Si tratta di un LM324AN, un amplificatore operazionale composto da quattro elementi identici che viene utilizzato specificatamente per l'audio. Le sue caratteristiche principali sono:

  • Banda passante:1.3MHz;
  • Guadagno: 100dB;
  • Corrente di alimentazione molto contenuta: 375μA;
  • Bassa corrente di bias: 20nA;
  • Basso offset di tensione: 3mV (MAX);
  • Basso offset di corrente: 2nA;
  • Ampio range di tensioni di alimentazione: +3 - +30V (single supply), ±1.5 - ±15V (dual supply);
  • ESD protection: 2kV.

Lista della spesa

Ecco, per riassumere, la lista di tutti i componendi necessari per realizzare questo sistema:

  •     Electret Mic;
  •     LM324AN;
  •     C1 = 0.1 uF = 100 nF;
  •     C2 = 10 uF;
  •     R1 =1 k;
  •     R2 = 100 k;
  •     R3 = R1;
  •     R4 = R5 = R6 = R2;
  •     R7 = 10 k;
  •     R8 = 100;
  •     D1 (specifica);
  •     LED (colore qualsiasi!).

Come vedete, si tratta di un sistema molto semplice che prevede pochi elementi circuitali e che richiede davvero solo poca attenzione nel montaggio.

Eccone, di seguito, alcune immagini in funzione

 

Abbiamo utilizzato l'oscilloscopio per verificare la presenza del segnale all'uscita e l'immagine che vi abbiamo proposto descrive sia l'inizio sia la fine del segnale utile.

Il sistema realizzato è veramente molto elementare. Si tratta di un'implementazione che prevede pochi elementi circuitali di base ma che, una volta in uso, fa davvero bene il suo lavoro.

Ed ora, come di consueto, prima di salutarvi, è il momento delle vostre opinioni e dei vostri pareri. Che ne pensate? Come lo avreste fatto?  Che ne pensate di questo integrato? Ne avreste usato un altro? Se si, quale? E per che cosa usereste questo sistema?
A quest'ultima domanda, in particolare, se avete notato, noi non abbiamo dato una risposta perché in un prossimo articolo vi faremo vedere a che cosa servire.
Alla prossima.

 

 

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ritratto di Boris L.

Perchè mettere un filtro

Perchè mettere un filtro passa alto e non limitare superiormente?
Così il rumore che ti porti appresso è praticamente tutta la rumorosità che c'è.
Come mai non un filtro passa-banda?

ritratto di Piero Boccadoro

Perchè questa, almeno per il

Perchè questa, almeno per il momento, è la versione "easy" :)
Ma se insistete, prendo un appunto per il prossimo articolo :)

ritratto di Emanuele

Alte frequenze

Sicuramente un filtro passa banda renderebbe il progetto più completo, ma probabilmente non cambierebbe molto in termini audio. Infatti il taglio alle alte frequenze, con questo tipo di filtro, a mio avviso, non incide molto sulla qualità dell'audio....

In genere io uso il Sallen-Key per questo tipo di applicazioni ma per una qualità ed un filtraggio audio migliore un filtro di ordine superiore è sicuramente consigliato.

Per applicazioni con uscita audio (altoparlante) non dimentichiamo i buoni vecchi TBA820 ed LM386, amplificatorini integrati molto semplici da utilizzare.

ritratto di Piero Boccadoro

Non solo, ma il punto qui è

Non solo, ma il punto qui è rilevare un livello di tensione che c'è o non c'è => il rumore ha influenza relativa. :)
La vera discriminante è sui valori di capacità e resistenza del rilevatore di picco. Lì si può davvero agire molto per rendere il sistema più veloce e responsivo.
Volendo :)

ritratto di supermario87

ciao! e se invece del mic

ciao!

e se invece del mic avessi l'uscita del mio dispositivo audio? e se dall'altra parte volessi pilotare un altoparlante piccolo 4R?

ritratto di Emanuele

Adattamento di impedenza

Per avere la resa migliore devi avere un adattamento di impedenza ottimale. Alta impedenza d'ingresso e bassa impedenza di uscita (4 Ohm). Secondo me la soluzione migliore è sempre il single chip come ho scritto sopra.

ritratto di gio22

Semplice

Questi sono i progetti che mi piacciono.
Utili, semplici e di sicuro funzionamento.
Bravo Piero !!!

ritratto di Piero Boccadoro

Grazie :) Son contento sia

Grazie :)
Son contento sia piaciuto :)

 

 

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