Gli amplificatori audio progettati per funzionare con un'alimentazione a 5 V da una presa USB come quella di un computer USB sono chiamati amplificatori USB.

In questo articolo impareremo come costruire un semplice circuito amplificatore da 3 watt che può essere alimentato direttamente da una porta USB 5V del computer per pilotare un altoparlante da 8 ohm 3 watt. Puoi costruire un paio di tali circuiti e usarli per creare un'uscita stereo in una coppia di altoparlanti da 8 Ohm.

Si prega di notare che TDA2822 IC è obsoleto ora quindi optando per un circuito che utilizza questo IC per il progetto discusso potrebbe non essere una buona idea. Tuttavia il design attuale è basato sull'IC LM4871, che è abbondantemente disponibile impariamo le caratteristiche principali e il funzionamento di questo IC

Caratteristiche principali

L'IC funziona senza coinvolgere alcun tipo di accoppiamento condensatori , o condensatori bootstrap o condensatori snubber
Mostra una stabilità estrema attraverso Unity Gain.
Viene fornito con WSON, VSSOP, SOIC o PDIP Packaging
Consente di impostare una rete di controllo del guadagno esterna

Specifiche importanti:

L'IC LM4871D è progettato per gestire altoparlanti da 3 ohm o 4 ohm a 3 watt
Tutte le restanti versioni della serie sono specificate per gestire 1.5 watt con altoparlante da 8 Ohm.
I circuiti integrati hanno una corrente di arresto impostata internamente a 0,6 µA
L'intervallo di tensione di lavoro è compreso tra 2,0 V e 5,5 V, perfettamente adatto per funzionare con l'alimentazione USB del PC.
La distorsione armonica totale massima con un carico degli altoparlanti di 8 Ohm a 1 kHz è di circa lo 0,5%

Specifiche e pacchetto di Pinout

L'immagine seguente mostra i dettagli della piedinatura dell'IC, dei modelli di pacchetto disponibili e dei layout:

Funzionamento del circuito dell'amplificatore USB 5V

Circuito amplificatore USB 5V 3 watt per PC

Elenco delle parti

Tutti i resistori da 1/4 watt o 1/8 watt, 1% MFR o SMD

20 K = 2 nn
40 K = 2 nn
100 K = 3 no (compreso Rpu)

Condensatori

0,39 uF ceramica = 1 no
1uF / 16V tantalio = 2 n

Semiconduttore

IC LM4871 = 1 n

Come si può vedere nello schema sopra, l'LM4871 include un paio di amplificatori operazionali internamente, fornendo all'utente la possibilità di configurare l'amplificatore attraverso alcuni modi specificati.

Il guadagno del primo amplificatore può essere gestito esternamente, mentre il secondo amplificatore è stato cablato internamente con un guadagno unitario invertente.

Il guadagno ad anello chiuso per il primo amplificatore può essere determinato selezionando opportunamente i valori del rapporto Rf / Ri, mentre lo stesso è stato fissato internamente per il secondo amplificatore tramite una coppia di resistenze da 40K.

Possiamo vedere che l'uscita dell'amplificatore n. 1 è configurata per essere l'ingresso dell'amplificatore n. 2, consentendo ad entrambi gli amplificatori di generare segnali con valori identici, sebbene questi possano essere sfasati di 180 gradi.

Ciò fa sì che il guadagno differenziale dell'IC sia AVD = 2 * (Rf / Ri).

Tipicamente, per qualsiasi amplificatore è possibile implementare una configurazione in 'modalità a ponte' pilotando il carico collegato in modo deferenziale tramite una coppia di uscite Vo1 e Vo2.

Un amplificatore configurato in modalità a ponte avrà un principio di funzionamento diverso rispetto ai tradizionali amplificatori single ended che hanno un'estremità del carico cablata con la linea di terra.

Un circuito in modalità a ponte funziona con una migliore efficienza rispetto a un amplificatore single-ended poiché il carico o l'altoparlante viene commutato in modo push-pull, consentendo una doppia oscillazione di tensione per ogni impulso a frequenza alternata.

Ciò consente effettivamente all'altoparlante di produrre una potenza 4 volte superiore rispetto a una versione single-ended in circostanze o specifiche identiche.

La capacità di ottenere una potenza così elevata consente all'amplificatore di funzionare senza a stadio limitatore di corrente e quindi senza clipping indesiderato.

Un ulteriore vantaggio dell'uscita differenziale a ponte è l'assenza di corrente continua netta attraverso l'altoparlante collegato. Ciò accade poiché VO1 e VO1 sono polarizzati a livelli di tensione identici, cioè VDD / 2 nel caso presente. Ciò consente all'amplificatore di funzionare senza un condensatore di accoppiamento di uscita, che altrimenti diventa obbligatorio negli amplificatori single ended.

Comprensione del funzionamento e delle specifiche dei componenti

Ri è il resistore di ingresso invertente che viene utilizzato per impostare il guadagno ad anello chiuso insieme a Rf. Inoltre, questo resistore implementa anche una funzione di filtro passa alto con Ci a fC = 1 / (2π RiCi).

Ci forma il condensatore di accoppiamento di ingresso posizionato per bloccare CC e consentire la frequenza audio CA attraverso i pin di ingresso. Questo condensatore abilita anche un filtro passa-alto in combinazione con Ri con fC = 1 / (2π RiCi).

Rf diventa la resistenza di feedback che fissa il guadagno ad anello chiuso con l'aiuto di Ri.

Cs agisce come un condensatore di bypass dell'alimentazione e fornisce un filtraggio delle ondulazioni per l'alimentazione.

Cb è posizionato come condensatore del pin di bypass e questo condensatore impone il filtraggio per la metà dell'alimentazione

Valutazioni massime assolute

I valori nominali massimi tollerabili per questo circuito sono spiegati di seguito:

La tensione di alimentazione massima è 6V, la tensione di lavoro tipica è 5V
I livelli di temperatura minimo e massimo tollerabili sono rispettivamente -65 e 150 gradi Celsius.
Il segnale musicale in ingresso dall'USB potrebbe essere compreso tra -0,3 V e 5,3 V.
La massima dissipazione di potenza è limitata internamente, quindi non c'è bisogno di preoccuparsi di questo problema.

Caratteristiche elettriche:

V dd indica la tensione di alimentazione normalmente compresa tra 2 V e 5,5 V.

io dd è la corrente di riposo consumata dall'alimentatore di ingresso dall'IC e può essere compresa tra 6,5 mA e 10 mA

io sd è il simbolo per la corrente di spegnimento, quando il potenziale del pin # 1 diventa uguale a Vdd, lo spegnimento viene avviato facendo scendere il consumo a 0,6uA

V os si riferisce alla tensione di offset in uscita e viene avviato quando Vin = 0V e potrebbe essere tipicamente 5V e 50mV in modalità limitata.

P 0 è la potenza di uscita ed è di circa 3 watt quando il carico è un altoparlante da 8 Ohm

THD + N indica la distorsione armonica totale compresa tra 0,13 e 0,25% con un intervallo di frequenza compreso tra 20 Hz e 20 kHz.

PSRR ci dà il rapporto di reiezione dell'alimentazione per Vdd a 5V tipico, e questo è di circa 60dB.