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.

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.

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:

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:

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:

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:

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:

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

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 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.

 

Schema elettrico:

 

Come descritto prima, si tratta di un uso insolito dei circuiti C/MOS che normalmente funzionano in condizioni logiche digitali (condizioni in cui il mosfet interno si comporta da interruttore, o conduce o è aperto), noi abbiamo sfruttato queste caratteristiche di funzionamento in “zona attiva” ovvero quelle condizioni in cui lavorano i transistor all’ interno degli amplificatori audio.

Trattandosi di mosfet, il risultato ottenuto è migliore rispetto ai transistor, ma la potenza disponibile è molto bassa, per questo motivo ci siamo trovati costretti a usare due integrati HCF4049UB, uno per canale, naturalmente le cuffie devono essere da 32 uom o di impedenza più alta.

Poiche un semplice amplificatore finale ci sembrava troppo poco, abbiamo pensato di unire un piccolo preamplificatore (sempre tecnologia C/MOS) con la possibilità di regolare i toni alti e bassi.

Dallo schema a blocchi si può capire come il principio di funzionamento dia molto simile ai vecchi valvolari in classe A, ad eccezione del controllo toni che qui risulta di tipo attivo, mentre ai tempi delle valvole si preferiva di tipo passivo.

 

Elenco componenti stadio amplificatore AA003:

 

R1 = 100KΏ 0,25W

R2 = 100KΏ 0,25W

R3 = 270KΏ 0,25W

R4 = 270KΏ 0,25W

R5 = 5,6KΏ 0,25W

R6 = 5,6KΏ 0,25W

R7 = 10KΏ 0,25W

R8 = 10KΏ 0,25W

R9 = 10KΏ 0,25W

R10 = 3,3KΏ 0,25W

R11 = 10KΏ 0,25W

R12 = 3,3KΏ 0,25W

R13 = 100KΏ doppio potenziometro lineare

R14 = 100KΏ doppio potenziometro lineare

R15 = 10KΏ 0,25W

R16 = 10KΏ 0,25W

R17 = 47KΏ doppio potenziometro logaritmico

R18 = 47KΏ 0,25W

R19 = 47KΏ 0,25W

R20 = 120KΏ 0,25W

R21 = 120KΏ 0,25W

R22 = 47KΏ 0,25W

R23 = 47KΏ 0,25W

R24 = 100KΏ 0,25W

R25 = 100KΏ 0,25W

R26 = 2,2KΏ 0,25W

R27 = 2,2KΏ 0,25W

C1 = 4,7uF 25V elettrolitico

C2 = 4,7uF 25V elettrolitico

C3 = 3,3nF 50V poliestere

C4 = 33nF 50V poliestere

C5 = 47uF 25V elettrolitico

C6 = 3,3nF 50V poliestere

C7 = 33nF 50V poliestere

C8 = 3,3nF 50V poliestere

C9 = 33nF 50V poliestere

C10 = 3,3nF 50V poliestere

C11 = 33nF 50V poliestere

C12 = 22uF 25V elettrolitico

C13 = 22uF 25V elettrolitico

C14 = 100nF 25V ceramico

C15 = 10uF 25V elettrolitico

C16 = 100nF 25V ceramico

C17 = 10uF 25V elettrolitico

C18 = 220uF 25V elettrolitico

C19 = 220uF 25V elettrolitico

C20 = 100nF 25V ceramico

C21 = 100uF 25V elettrolitico

C22 = 100nF 25V ceramico

C23 = 100uF 25V elettrolitico

U1 = integrato operazionale C/MOS tipo KS272, TLC272 TM27M2CN o simili

U2 = integrato operazionale C/MOS tipo KS272, TLC272 TM27M2CN o simili

U3 = integrato C/MOS tipo HCF4049UB, HEF4049UB, CD4049UB o simili

U3 = integrato C/MOS tipo HCF4049UB, HEF4049UB, CD4049UB o simili

J1 = morsettiera 3pin passo 5

J2 = morsettiera 2pin passo 5

J3 = morsettiera 3pin passo 5

Infine l’ antibumb, problema risolto in modo semplice, invece di alimentare l’ amplificatore direttamente, abbiamo inserito un alimentatore a ritardo.

Chiudendo l’ interruttore SW1, si fornisce tensione al trasformatore, ma tale tensione non arriva direttamente agli stadi alimentati a 12V, ma lo fa in progressione, infatti il transistor Q1 si comporta come sensore di rete e una volta alimentato il circuito, attraverso R31, DL1, R32 e Q2 crea una rampa per caricare progressivamente C26 fino alla tensione di 12,6V.

Il transistor Q3, serve solo come amplificatore di corrente, questo fa in modo tale che i 12V sugli integrati finali, arrivano dopo 1,5 secondi partendo da zero.

Schema elettrico alimentatore AA003:

 

Ottimo potrebbe essere quel prodotto gommoso usato nelle mother board dei PC per lo smaltimento del calore generato dal CPU.

Elenco componenti alimentatore:

 

R28 = 6,8KΏ 0,25W

R29 = 2,2KΏ 0,25W

R30 = 10KΏ 0,25W

R31 = 2,7KΏ 0,25W

R32 = 220Ώ 0,25W

C24 = 10uF 25V elettrolitico

C25 = 1000uF 25V elettrolitico

C26 = 220uF 25V elettrolitico

D1 = ponte raddrizzatore 1 A 40V

D2 = diodo tipo 1N4007

D3 = diodo tipo 1N4007

D4 = diodo tipo 1N4148

D5 = diodo tipo 1N4007

D6 = diodo tipo 1N4148

D7 = diodo tipo 1N4007

DL1 = diodo led rosso 3mm

DZ1 = diodo zener ZPD12V o simili da 12V 400mW

Q1 = transistor NPN tipo BC237

Q2 = transistor PNP tipo BC327

Q1 = transistor darlingron NPN tipo BDX53, BDW93, TIP110, TIP120

SW1 = interruttore da pannello

T1 = trasformatore 220 – 12V 300mA

Anche per questo circuito abbiamo preparato un pcb idoneo in grado di ospitare anche l’ alimentatore, il dissipatore è comune sia a Q3 che a U3 e U4, che dovranno essere muniti di pasta siliconica o altre sostanze in grado di trasferire il calore.

Anche per questo circuito abbiamo preparato un pcb idoneo in grado di ospitare anche l’ alimentatore, il dissipatore è comune sia a Q3 che a U3 e U4, che dovranno essere muniti di pasta siliconica o altre sostanze in grado di trasferire il calore.