Amplificador de audio USB 5V para altavoces de PC

Los amplificadores de audio que están diseñados para funcionar con un suministro de 5 V desde una toma USB, como la de un USB de computadora, se denominan amplificadores USB.

En este artículo aprenderemos cómo construir un circuito amplificador simple de 3 vatios que se puede alimentar directamente desde un puerto USB de 5V de una computadora para manejar un altavoz de 8 ohmios y 3 vatios. Puede construir un par de estos circuitos y usarlos para crear una salida estéreo en un par de altavoces de 8 ohmios.

Tenga en cuenta que TDA2822 IC ahora está obsoleto por lo tanto, optar por un circuito que utilice este IC para el proyecto discutido puede que no sea una buena idea. Sin embargo, el diseño actual se basa en el IC LM4871, que está disponible en abundancia, aprendamos las características principales y el funcionamiento de este IC

Principales características

• El IC funciona sin involucrar ningún tipo de acoplamiento condensadores , o capacitores de arranque, o capacitores amortiguadores
• Exhibe una estabilidad extrema a través de Unity Gain.
• Viene con embalaje WSON, VSSOP, SOIC o PDIP
• Permite configurar una red de control de ganancia externa

Especificaciones importantes:

• El IC LM4871D está diseñado para manejar altavoces de 3 ohmios o 4 ohmios de 3 vatios
• Todas las versiones restantes de la serie están especificadas para manejar 1,5 vatios con altavoz de 8 ohmios.
• Los circuitos integrados tienen una corriente de apagado configurada internamente en 0.6uA típicamente
• El rango de voltaje de trabajo está entre 2.0V y 5.5V, perfectamente adecuado para trabajar con alimentación USB de PC.
• La distorsión armónica total máxima con una carga de altavoz de 8 ohmios a 1 kHz es de alrededor del 0,5%

Especificaciones y paquete de Pinout

La siguiente imagen muestra los detalles de distribución de pines del IC y los modelos y diseños de paquetes disponibles:

Operación del circuito del amplificador USB de 5 V

Lista de partes

Todas las resistencias 1/4 vatio o 1/8 vatio, 1% MFR o SMD

• 20 K = 2 nos
• 40 K = 2 nos
• 100 K = 3 nos (including Rpu)

Condensadores

• 0.39uF cerámica = 1 no
• 1uF / 16V Tantalum = 2 nos

Semiconductor

IC LM4871 = 1 no

Como se puede ver en el esquema anterior, el LM4871 incluye un par de amplificadores operacionales internamente, proporcionando al usuario la opción de configurar el amplificador a través de algunas formas específicas.

La ganancia del primer amplificador se puede administrar externamente, mientras que el segundo amplificador se ha conectado internamente con una ganancia unitaria inversora.

La ganancia de circuito cerrado para el primer amplificador se puede determinar seleccionando apropiadamente los valores de la relación Rf / Ri, mientras que la misma se ha fijado para el segundo amplificador internamente a través de un par de resistencias de 40K.

Podemos ver que la salida del amplificador # 1 está configurada para ser la entrada del amplificador # 2, permitiendo que ambos amplificadores generen señales con valores idénticos, aunque estos pueden estar desfasados ​​180 grados.

Esto da como resultado que la ganancia diferencial del IC sea AVD = 2 * (Rf / Ri).

Por lo general, para cualquier amplificador se puede implementar una configuración de 'modo puente' impulsando la carga conectada de manera deferente a través de un par de salidas Vo1 y Vo2.

Un amplificador configurado en modo puenteado tendrá un principio de funcionamiento diferente en contraste con los amplificadores tradicionales de un solo extremo que tienen un extremo de la carga cableado con la línea de tierra.

Un circuito de modo puente funciona con mejor eficiencia en comparación con un amplificador de un solo extremo, ya que la carga o el altavoz se conmuta de manera push-pull, lo que permite una oscilación de voltaje doble para cada pulso de frecuencia alternativa.

En realidad, esto permite que el altavoz produzca 4 veces más potencia que una versión de un solo extremo en circunstancias o especificaciones idénticas.

La capacidad de lograr tal aumento de potencia permite que el amplificador funcione sin etapa del limitador de corriente y por tanto sin recortes indeseables.

Un beneficio adicional de la salida con puente diferencial es la ausencia de CC neta a través del altavoz conectado. Esto sucede porque VO1 y VO1 están polarizados a niveles de voltaje idénticos, es decir, VDD / 2 en el presente caso. Esto permite que el amplificador funcione sin un condensador de acoplamiento de salida, que de otro modo se vuelve obligatorio en amplificadores de un solo extremo.

Comprensión del funcionamiento y las especificaciones de los componentes

Rhode Island es la resistencia de entrada inversora que se emplea para establecer la ganancia de bucle cerrado junto con Rf. Además, esta resistencia también implementa una función de filtro de paso alto con Ci en fC = 1 / (2π RiCi).

Allí forma el condensador de acoplamiento de entrada colocado para bloquear CC y permitir la frecuencia de CA de audio a través de los pines de entrada. Este condensador también habilita un filtro de paso alto junto con Ri en fC = 1 / (2π RiCi).

Rf se convierte en la resistencia de retroalimentación que fija la ganancia de lazo cerrado con la ayuda de Ri.

Cs actúa como un condensador de derivación de suministro y proporciona un filtrado de ondulación para la fuente de alimentación.

Cb se coloca como el condensador de pin de derivación y este condensador impone el filtrado para la mitad de suministro

Índices absolutos máximos

La clasificación máxima tolerable para este circuito se explica a continuación:

• El voltaje de suministro máximo es de 6 V, el voltaje de funcionamiento típico es de 5 V
• Los niveles de temperatura mínimos y máximos tolerables son -65 y 150 grados Celsius respectivamente.
• La señal de entrada de música del USB puede estar entre -0,3 V y 5,3 V
• La disipación máxima de energía está limitada internamente, por lo que no es necesario preocuparse por este problema.

Características electricas:

V dd significa el voltaje de suministro que se encuentra entre 2 V y 5,5 V normalmente.

I dd es la corriente de reposo consumida de la fuente de alimentación de entrada por el IC y puede estar entre 6,5 mA y 10 mA

I sd es el símbolo de la corriente de apagado, cuando el potencial del pin n. ° 1 se vuelve igual a Vdd, el apagado se inicia haciendo que el consumo caiga a 0.6uA

V os se refiere al voltaje de compensación de salida y se inicia cuando Vin = 0 V, y podría ser 5 V normalmente y 50 mV en el modo limitado.

PAG 0 es la potencia de salida y es de alrededor de 3 vatios cuando la carga es un altavoz de 8 ohmios

THD + N indica la distorsión armónica total que se encuentra entre 0,13 y 0,25% con un rango de frecuencia de 20 Hz a 20 kHz.

PSRR nos da la relación de rechazo de la fuente de alimentación para Vdd a 5V típico, y esto es alrededor de 60dB.

Imagen de prototipo del amplificador USB de 5 V:

Recomendación de diseño de PCB:

Artículo original: www.ti.com/lit/ds/symlink/lm4871.pdf