AA003 – Amplificatore HiFi per cuffie C/MOS

Da tempo molti di noi non riescono a ascoltare bene la musica con tutte le sfumature, motivo? Semplice, in un mondo che va troppo in fretta nessuno trova il tempo do stare ad ascoltare con calma un bel disco.

image003

Al giorno d’ oggi vanno per la maggiore i lettori MP3, musica da cellulare iPad ecc, dove la musica in forma digitale compressa, riprodotta a 128Kb/s è amplificata (quasi sempre in digitale senza soppressione di portante) e ascoltata da auricolari di piccole dimensioni inseriti nel condotto uditivo (anche poco igienici) ma il bello di ascoltare la musica in cuffie avvolgenti e comode sembra sparito quasi del tutto, infatti fino a 20 anni fa si trovavano sul mercato delle cuffie HiFi a prezzi abbastanza accessibili, adesso si trovano solo prodotti di scarsa qualità (made in China) oppure modelli super professionali dai costi proibitivi.

image004

Il mio circuito a basso costo, non è altro che un amplificatore a mosfet in classe A da 0,1 + 0,1W su 32 ohm, che unisce i vantaggi dei valvolari come il suono caldo e dei single chip come le dimensioni compatte e il costo contenuto, cuore di tutto un integrato digitale della famiglia C/MOS il HCF 4949 UB (attenzione deve essere di tipo UB per due motivi indicati poi) non di altri tipi, in quanto la serie HCF è costituita da mosfet col gate il silicio e bassa capacità parassita, a differenza della serie CD (col gate metallico) che lavora a frequenze inferiori ma in questo caso essendo la banda limitata a 20Khz va bene anche la serie CD (solo per i segnali video si possono avere problemi dovuti al taglio della portante del colore di 4,43Mhz e in questi cadi la serie CD e sconsigliata mentre è preferibile la serie HCF o HEF).

I C/MOS sono stati inventati per esigenze della NASA verso la metà degli anni 60 per apparire sul mercato intorno al 68, a differenza degli altri circuiti digitali basati sui transistor bipolari, i C/MOS sono basati su piccoli mosfet complementari con conseguente risparmio sia di componenti (il chip risulta più semplice di quello di un TTL) che di potenza dissipata, grazie alle deboli correnti in gioco.

Immagine 1 porta NOT e relativo schema interno:

image006

I primi C/MOS erano fatti in modo semplice come nel disegno sopra, ma si danneggiavano toccandoli con le dita a causa delle scariche elettrostatiche che mettevano fuori uso i mosfet, per risolvere questo problema ben presto si pensò di inserire dei diodi di protezione come raffigurato nel disegno sotto:

image008

Con questa configurazione i componenti interni risultano protetti dai diodi in ingresso e uscita i quali riducono notevolmente il rischio danni, rendendo inutile l’ uso del panno antistatico e varie precauzioni, questa porta logica resta però a bassa corrente e appartiene alla serie CD 40XX AX, dove la lettera A indica uscita a bassa corrente (1mA), lo sviluppo e l’ uso resero però necessario lo sviluppo di porte logiche a alta corrente di uscita (5 – 8mA o più) e si creò la serie CD 40XX Bx, dove la lettera B sta per buffer quindi lo schema interno risulta del tipo indicato sotto:

image010

Come si vede nel disegno una porta NOT bufferata è raffigurata così, i primi due mosfet costituiscono la porte vera e propria, gli altri quattro, il buffer di corrente, infatti gli ultimi due hanno una corrente di uscita maggiore, ma richiedono anche una Vgs diversa per il funzionamento, infatti la massima corrente in uscita la si riesce a avere solo con VDD = 15V, nel caso lo si alimenti a 12, 9, 6, 5 o 3,5V la corrente progressivamente diminuisce, ma i livelli logici restano ben definiti.
Alla serie CD40XXBx presto si aggiunsero altre serie molto migliori come la serie HCF, HEF e 74HC, le prime due con lo stesso range di funzionamento da 3 a 16V, mentre la terza funziona solo a 5V, tutte e tre le serie hanno il gate dei mosfet in silicio policristallino al posto dello strato metallico con tantissimi vantaggi come la velocità di commutazione e la frequenza di lavoro che passa dai 3,5Mhz della serie CD al 7 della serie HCF, ai 10 della serie HEF fino ai 55 dela serie 74HC.
La tecnologia del gate in silicio ha reso possibile realizzare dei mosfet a corrente più elevata senza l’ uso di buffer aggiuntivi, da qui la serie HCF 40XX UBP dove la lettera U indica il tipo di mosfet in uscita, ecco quindi una semplificazione come si vede nello schema sotto:

image012

Se a prima vista sembrano uguali alla serie CD 40XX AX, la serie HCF 40XX UBP ha una tecnologia costruttiva molto più evoluta, ma essendo alla stanza semplificata consente al dispositivo di funzionare pure in zona lineare oltre che digitale, come raffigurato:

image014

Controreazionando l’ uscita con l’ ingresso, tali porte logiche si comportano come amplificatori operazionali invertenti.

image016

Infatti proprio come in un operazionale il guadagno in tensione è uguale al rapporto tra la resistenza di controreazione e la resistenza di ingresso ma invertito di polarità.

Ecco quindi ottenuto un piccolo, semplice e economico ma perfetto amplificatore hifi per cuffie, la corrente di riposo è abbastanza alta (55 – 60mA per canale) tipico dei classe A ma la purezza spettrale e l’ assenza di distorsione lo rende eccellente.

Fatto questo ho pensato di unire un piccolo preamplificatore (sempre tecnologia C/MOS) con selettore di ingresso in modo tale da poter scegliere tra due sorgenti.

image019

Elenco componenti stadio amplificatore AA003:

R1 = 68KΏ 0,25W C1 = 4,7uF 25V elettrolitico
R2 = 68KΏ 0,25W C2 = 4,7uF 25V elettrolitico
R3 = 68KΏ 0,25W C3 = 4,7uF 25V elettrolitico
R4 = 68KΏ 0,25W C4 = 4,7uF 25V elettrolitico
R5 = 270KΏ 0,25W C5 = 47uF 25V elettrolitico
R6 = 180KΏ 0,25W C6 = 3,3nF 50V poliestere
R7 = 180KΏ 0,25W C7 = 33nF 50V poliestere
R8 = 180KΏ 0,25W C8 = 3,3nF 50V poliestere
R9 = 180KΏ 0,25W C9 = 33nF 50V poliestere
R10 = 270KΏ 0,25W C10 = 3,3nF 50V poliestere
R11 = 5,6KΏ 0,25W C11 = 33nF 50V poliestere
R12 = 5,6KΏ 0,25W C12 = 3,3nF 50V poliestere
R13 = 10KΏ 0,25W C13 = 33nF 50V poliestere
R14 = 10KΏ 0,25W C14 = 22uF 25V elettrolitico
R15 = 10KΏ 0,25W C15 = 22uF 25V elettrolitico
R16 = 3,3KΏ 0,25W C16 = 10uF 25V elettrolitico
R17 = 10KΏ 0,25W C17 = 10uF 25V elettrolitico
R18 = 3,3KΏ 0,25W C18 = 100nF 25V ceramico
R19 = 10KΏ 0,25W C19 = 100nF 25V ceramico
R20 = 10KΏ 0,25W C20 = 220uF 25V elettrolitico
R21a+b = 100KΏ lineare C21 = 100nF 25V ceramico
R22a+b = 100KΏ lineare C22 = 100uF 25V elettrolitico
R23a+b = 47KΏ logaritmico C23 = 100nF 25V ceramico
R24 = 47KΏ 0,25W C24 = 220uF 25V elettrolitico
R25 = 120KΏ 0,25W C25 = 100nF 25V ceramico
R26 = 47KΏ 0,25W C26 = 100uF 25V elettrolitico
R27 = 120KΏ 0,25W U1 = CD4016
R28 = 47KΏ 0,25W U2 = KS272, TMS27M2CN
R29 = 100KΏ 0,25W U3 = KS272, TMS27M2CN
R30 = 2,2KΏ 0,25W U4 = HCF4049UBP
R31 = 47KΏ 0,25W U5 = HCF4049UBP
R32 = 100KΏ 0,25W
R33 = 2,2KΏ 0,25W

Infine l’ antibumb, problema risolto semplicemente gestendo l’ alimentazione, infatti l’ amplificatore una volta alimentato resta in stand by e solo premendo il pulsante START inizia la procedura di accensione che dura qualche secondo.
Questa volta non ci sono rele di uscita, ma soltanto una gestione controllata della carica di C28 creando una rampa di tensione con una pendenza inferiore alla curva di carica dei condensatori C14, C15, C16, C17, C22 e C26.

Schema elettrico alimentatore AA003C:

image021

Elenco componenti:

R34 = 68KΏ 0,25W C27 = 100nF 50V poliestere
R35 = 68KΏ 0,25W C28 = 10nF 50V poliestere
R36 = 68KΏ 0,25W C29 = 47uF 25V elettrolitico
R37 = 68KΏ 0,25W C30 = 1000uF 25V elettrolitico
R38 = 68KΏ 0,25W C31 = 220uF 25V elettrolitico
R39 = 68KΏ 0,25W C32 = 47uF 25V elettrolitico
R40 = 10KΏ 0,25W D1 = ponte 1A
R41 = 220Ώ 0,25W D2 - D7 = 1N4148
R42 = 680Ώ 0,25W DZ1 - DZ2 = ZPD12V1
R43 = 6,8KΏ 0,25W DL1 = diodo led rosso
R44 = 2,2KΏ 0,25W Q1 = BC237
R45 = 68KΏ 0,25W Q2 = BC327
R46 = 68KΏ 0,25W Q3 = BC237
R47 = 68KΏ 0,25W Q4 = BC237
R48 = 68KΏ 0,25W Q5 = BDX53
R49 = 22KΏ 0,25W Q6 = BC237
R50 = 3,3KΏ 0,25W U6 = 78L12
R51 = 6,8KΏ 0,25W U7 = CD4013

SW1 – SW4 = pulsanti n.a. T1 = 220-15V 0,5A

Descrizione funzionamento:

Il funzionamento del sistema è lo stesso degli amplificatori di potenza tradizionali, i due commutatori analogici in ingresso (costituiti dal 4016) servono per selezionare la sorgente S1 o S2 (che può essere un CD, DVD, DTV, VCR o MP3) la rete R1-C1-R6 (R2-C2-R7, R3-C3-R8 e R4-C4-R9) serve per togliere ogni componente continua presente in ingresso e separare dalla polarizzazione dello stadio preamplificatore, che è di 6V (garantiti da R11, R12 e C5), il segnale giunge così all’ ingresso non invertente (piedino 5) di U2 (U3 per l’ altro canale), un operazionale serie CMOS LIN in configurazione a guadagno unitario, che serve come adattatore di impedenza per la rete controllo toni formata dall’ altro operazionale contenuto in U2, R13, R15, R22a, R19, C7 e C9 per i bassi e R16, R21a, C6 e C9 per gli acuti (U3, R14, R17, R18,R20, R21b, R22b, C10, C11, C12 e C13 per l’ altro canale), tale rete è in grado di esaltare o attenuare fino a 12dB le frequenze sotto i 150Hz e sopra i 2,5Khz come in tutti gli apparecchi tradizionali.
Dal potenziometro R23 si preleva il segnale preamplificato e equalizzato ptonto per essere amplificato una volta e invertito di fase dalla prima porta NOT e essere poi riamplificato e riportato in fase dalle altre 5 porte che lavorano in configurazione come ampiamente descritto in precedenza.

Ogni HCF4049UBP forma un amplificatore in classe A da 0,1W che oltre a amplificare e adattare il segnale all’ impedenza delle cuffie, gli da quella timbrica degna dei valvolari.
Naturalmente U4 e U5 scaldano, rendendo necessaria l’ applicazione di un dissipatore attraverso un isolatore autoadesivo tipo SILPAD che favorisce lo smaltimento del calore.
Il tutto assorbe circa 120mA che saranno assicurati da un alimentatore a accensione ritardata come quello raffigurato nello schema.
Infatti quando il circuito viene alimentato con la 220, solo U7 è in funzione, il resto è mantenuto in stand by.
L’ integrato U7, un CD4013 contiene al suo interno due FLIP FLOP di tipo D LACHT muniti anche di ingressi SET RESET (ovvero PRESET e CLEAR) ma in questo circuito vengono usati entrambi come FLIP FLOP SET RESET.
Dei quattro pulsanti SW1-4, SW1 e SW2 servono per accendere e spegnere l’ amplificatore, all’ istante di accensione l’ uscita Q (pin 1) del FLIP FLOP resta a zero, mantenendo non polarizzato DZ2 e gli altri due diodi D2 e D3, che a loro volta lasciano interdetto il darlington Q5.
premendo SW2 si porta a livello logico alto l’ ingresso SET e di conseguenza l’ uscita “Q” passa a 1 polarizzando Q1 tramite R28 che a sua volta attiva il generatore di corrente costante formato da R40, R41, DL1 e Q3.
Dal collettore di Q3 inizia a uscire una corrente che attraverso R42 raggiunge a sua volta C31 e la base di Q5, la carica di C31 cresce in modo lineare (non esponenziale) fino a raggiungere il valore di 13,2V, dopodiché si mantiene costante.
Il darlington Q5 si comporta da inseguitore fornendo in uscita tutta la corrente necessaria per alimentare l’ amplificatore (avendo questo componente un guadagno minimo (beta) pari a 1000, per avere sull’ emettitore i 120mA richiesti, la corrente di base si mantiene intorno ai 100uA.

La rampa di tensione sull’ alimentazione dell’ amplificatore ha una durata magiore rispetto al tempo di carica dei condensatori di uscita C22, C26 e di tutti gli elettrolitici in gioco, eliminando il fastidioso colpo detto anche bump.
Il transistor Q6 insieme alla rete DZ2, R50 e R51 serve a mantenere muto lo stadio preamplificatore durante le fasi di accensione e spegnimento del circuito, infatti durante la carica di C31, Q6 non conduce, mantenendo polarizzato Q4 che a sua volta forza a zero gli ingresso di controllo di tutti e quattro gli elementi di U1, ma poco dopo il raggiungimento

della tensione di lavoro dell’ amplificatore, Q6 va in conduzione, spegnendo Q4, lasciando quindi che S1 e S2 ragiungano la stessa condizione logica presente sui pin 12 e 13 di U7.

Al momento dello spegnimento (premendo SW1) l’ uacita “/Q” relativa al pin 2 passa a 1, alimentando Q2 (e spegnendo contemporaneamente Q1), scaricando così C31 attraverso R42e e R43, creando un calo di tensione evitando così il bump di spegnimento.

Ecco come viene montato all’ interno del mobile:

image023

 

Ti è piaciuto questo progetto?
Iscrivite oggi stesso alla nostra newsletter e ricevi gli aggiornamenti su tutti i nostri nuovi progetti direttamente nella tua email!
Nessuna Risposta

Lascia una Risposta

Tutti gli ordini pervenuti e pagati tra il 16 Dicembre ed il 7 Gennaio verranno evasi a partire dal giorno 8 Gennaio. Buon Anno Nuovo! Rimuovi