Progetto di un amplificatore audio a BJT, un paio di watt

[Fedhman]

Buonasera

Sto seguendo un corso di circuiti elettronici che tratta di modelli dei BJT/MOS, e amplificatori retroazionati (con esempi a BJT/MOS).
Ispirato dal corso stesso ho cercato di progettare un modesto amplificatore audio da "un paio di Watt". Vi propongo il progetto e ne approfitto per chiedervi come mai fa schifo (e se fa davvero schifo oppure sono solamente ignorante, ma secondo me fa proprio schifo )

Mi sono posto sei specifiche, rimanendo sul vago:
1) Banda dalla ventina di Hz alla ventina di kHz
2) Segnale in ingresso intorno al mV, sotto la decina di mV (per tenere in linearità lo stadio di ingresso).
3) Altoparlante da 8 Ohm (che possiedo)
4) Cercare di superare 1 W sull'altoparlante, rimanendo sotto i 5 W massimi dell'altoparlante che possiedo.
5) Supponendo che l'impedenza d'uscita di uno smartphone sia minore di 10 Ohm (per alimentare le cuffie?) la prendo come impedenza della sorgente in ingresso. Ho pensato ad uno smartphone perché volevo provare il circuito col mio. All'oscilloscopio ho visto che a volume massimo escono circa 3-400 mV dal jack delle cuffie del mio smartphone, pensavo poi di ridurli con un partitore (o alla peggio attenuarli con un paio di operazionali) per usarlo come sorgente.
6) Classe A. Non possiedo dei PNP di potenza.

Ho deliberatamente scelto di usare solo dei BJT, senza impiegare operazionali, per esercitarmi e per provare.
Nell'armadio ho tutti i componenti per montarlo (ecco perché uso un 2N3055, ad esempio). Non l'ho ancora montato, ci ho lavorato in questi due giorni nelle pause dallo studio.

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Scusate se ho usato il simbolo della massa anzichè quello del riferimento, non l'ho trovato nella libreria standard.

Diagramma di Bode (in nero: puntale sul collettore di Q1, in rosso: puntale su R5)

Tensioni, simulando in ingresso un'onda sinusoidale a 10 kHz di ampiezza 2 mV
(in nero: puntale sul collettore di Q1, in rosso: puntale su R5)

Tensione e corrente sull'altoparlante, simulando in ingresso un'onda sinusoidale a 10 kHz di ampiezza 2 mV
(scala della corrente a destra).

Cos'ho pensato mentre buttavo giù il progetto (quando parlo di beta mi riferisco ad hfe):

Sono partito col polarizzare Q1; è uno stadio a emettitore comune. Circa il 20% di Val su RE per stabilizzare il guadagno (retroazionando), C2 messo lì per alzare il guadagno in banda, con un valore di 220 uF ottenuto in un paio di tentativi al simulatore (qualche calcolo prima me l'ero fatto). I ~42 dB di guadagno sono più o meno quanto mi aspettavo e V_CE va da un minimo di circa -2.8 V a più di 4 V. L'impedenza di ingresso, a spanne, dovrebbe essere sufficientemente alta (mi spingerei a dire parecchio più alta del minimo sindacale), avendo in parallelo R1, R2 e qualcosa sul kohm moltiplicato per il beta del transistor.
Il valore di C1 l'ho scelto al simulatore per tentativi.

Fin qui più o meno sono "sicuro" (prendetemi con le pinze), ora inizia il mal di denti

L'idea alla base del secondo stadio è la seguente: voglio uno stadio a collettore comune, che guadagni poco meno di 1 in tensione e molto in corrente, aumentando così la potenza in uscita da tutta la baracca. Al contempo il collettore comune dovrebbe abbassare di molto l'impedenza d'uscita, avendo R5 in parallelo a (valori sul kohm divisi per il beta dello stadio). Comunque R5 è già piccolissima, 5 Ohm, la speranza è che l'impedenza d'uscita sia dell'ordine dell'Ohm, confrontabile con l'altoparlante da 8 Ohm.

Il 2N3055 dovrebbe sopravvivere a mostruose correnti in uscita (decine di A, dissipando il calore con un bel dissipatore). Però ha un beta molto basso, e se non erro il guadagno in corrente di un collettore comune è circa pari a beta; per cui ci ho messo un 2N2222 andando a formare uno stadio Darlington, ottenendo un beta complessivo molto più alto. Al contempo ho variato R3 ed R4 per fornire circa 1.2 V alla "base equivalente" (2*Vbe) ed una tensione decente (circa 3 V) alla R5.

Ok, passo alle domande, sempre se qualcuno è sopravvissuto al casino soprastante.

1) Ho cercato un poco in rete, ma non ho trovato spiegazioni semplici: come piloto gli altoparlanti? Devono "vedere" piccole tensioni e grandi correnti? O viceversa?
2) C'è modo di aumentare la tensione del segnale, con l'obiettivo di aumentare la potenza sull'altoparlante? Pensavo di mettere un altro stadio a emettitore comune (tra i due stadi), ma ho paura di andare fuori linearità in un amen.
3) Immagino che lo stadio a collettore comune non sia granché, come lo fareste? Cambiereste anche quello a emettitore comune? La potenza in uscita mi sembra bassa
4) C3 dovrebbe formare un passa-basso. Chiedo siccome è attaccato direttamente all'altoparlante: c'è qualche regola particolare per cui lo si sceglie? Al di là di "voglio l'effetto di un polo alla frequenza x".

Ringrazio anticipatamente chiunque si prenda la briga di rispondere / abbia voglia di fare due chiacchiere.
Scrivo qui APPOSTA per beccarmi brutali critiche al progetto, sto cercando di imparare.

[Russell]

Non ho letto tutto con attenzione, ... ma a prima vista mi verrebbe di mettere un piccolo condensatore tra Q1 e Q2-Q3 per separare e stabilizzare le reti di polarizzazione.

[claudiocedrone]

Senza guardare altro direi prima di tutto che in classe A il carico va sul collettore.
P.s. 2 W su 8 ohm sono 4 V e 0,5 A

[Fedhman]

Grazie per l'interesse

Non ho letto tutto con attenzione, ... ma a prima vista mi verrebbe di mettere un piccolo condensatore tra Q1 e Q2-Q3 per separare e stabilizzare le reti di polarizzazione.

Fatto, con un condensatore C4 da 1uF il diagramma di Bode su R5 non viene stravolto più di tanto.
Guardavo or ora, il diagramma di Bode sull'altoparlante da 8 Ohm fa un po' schifo! In banda passante siamo sui 42 dB, ma la frequenza di taglio inferiore a -3 dB si attesta sui 3 kHz. Il nuovo condensatore C4 non sembra variare più di tanto quest'ultima frequenza. Mi viene il dubbio di aver fatto molto male a guardare i diagrammi di Bode sulla R5 anzichè sull'altoparlante, sarà che ieri sera ero più rincoglionito del solito.

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:-) Senza guardare altro direi prima di tutto che in classe A il carico va sul collettore.
P.s. 2 W su 8 ohm sono 4 V e 0,5 A

Oh, in effetti il mio professore fa un esempio di amplificatore in classe A con un emettitore comune! Disegna un circuito del genere e calcola il rendimento.

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Con RE a fare da retroazione negativa, CE per alzare il guadagno in banda, CS il cui polo fa da passa alto in bassa frequenza disaccoppiando il segnale dalla polarizzazione e CC per introdurre un polo che faccia da passa basso in alta frequenza.

Mmm questo stadio guadagna bene in tensione e guadagna circa beta in corrente, con un'alta impedenza d'ingresso. Però mi chiedevo, come faccio ad uscire in bassa impedenza e a guadagnare ancor di più in corrente, senza uscire dalla linearità? Ieri pensavo ad un collettore comune, ma dopo questo feedback negativo ( )...mmm, idea:

Stadi:
1) Emettitore comune che guadagni un botto (tipo quei 42 dB).
2) Secondo emettitore che guadagni solo in corrente, tenendo il guadagno in tensione a 1 circa.

Fareste così? Oppure è una boiata? Faccio bene a temere che la tensione in ingresso sul secondo stadio sia troppo alta e lo faccia saturare? Oppure sono io che mi sto confondendo, e va bene che saturi?

Edit:

Altra idea:
1) Emettitore comune per portare la piccola Vin a quei 3-4 mV massimi accettati dal secondo stadio, con una Ic intorno alle decine di mA, usando un 2N2222.
2) Secondo stadio a emettitore comune, con in ingresso quei pochi mV (cosicché il modello di piccolo segnale rimanga valido) ed in uscita 3-4 V; quindi con grande guadagno in tensione, pensavo ad un darlington con 2N2222 e 2N3055. Questo stadio dovrebbe anche portare la Ic a mezzo A.
3) Terzo stadio a collettore comune, il cui unico scopo è abbassare l'impedenza d'uscita (e magari guadagnare ancora un po' in corrente, se può).

Non sono sicuro che sia un ragionamento valido, temo che si faccia saturare qualcosa en passant.

[electro2014]

Ciao,ci potresti dire di che corso si tratta?superiori o università?quale libro di testo vi ha consigliato il prof?

[Fedhman]

Ciao,ci potresti dire di che corso si tratta?superiori o università?quale libro di testo vi ha consigliato il prof?

Universitario, testi "Circuiti elettronici" di Claudio Beccari ed il Sedra Smith. Però non usiamo i parametri ibridi, impieghiamo altri metodi di calcolo.

[FedericoSibona]

Comunque, se non sono troppo arruginito, mi pare che 4,7µF in serie all'altoparlante siano veramente troppo pochi per far passare le basse frequenze. Hai 10µF sull'ingresso e ne metti meno della metà sull'uscita che è a bassa impedenza?
Prova a mettere un elettrolitico da 1000/2200µF.

[Fedhman]

Comunque, se non sono troppo arruginito, mi pare che 4,7µF in serie all'altoparlante siano veramente troppo pochi per far passare le basse frequenze. Hai 10µF sull'ingresso e ne metti meno della metà sull'uscita che è a bassa impedenza?
Prova a mettere un elettrolitico da 1000/2200µF.

Ottima idea, e che pirla che sono: sapevo che faceva da passa basso ma non avevo pensato a sparare valori altissimi - mi son preso troppo poco tempo per fare i conti, mai affidarsi troppo al simulatore .
Simulando con 2200 uF la frequenza a -3 dB sull'altoparlante è poco meno di 30 Hz. Per fortuna nell'armadio ho anche qualche condensatore da 2200 uF.

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[electro2014]

Universitario, testi "Circuiti elettronici" di Claudio Beccari ed il Sedra Smith. Però non usiamo i parametri ibridi, impieghiamo altri metodi di calcolo.

Quindi suppongo Politecnico di Torino?vero?quali altri metodi di calcolo?..giusto per curiosità
Ciao

[banjoman]

Oh, in effetti il mio professore fa un esempio di amplificatore in classe A con un emettitore comune! Disegna un circuito del genere e calcola il rendimento.

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Con RE a fare da retroazione negativa, CE per alzare il guadagno in banda, CS il cui polo fa da passa alto in bassa frequenza disaccoppiando il segnale dalla polarizzazione e CC per introdurre un polo che faccia da passa basso in alta frequenza.

Mmm questo stadio guadagna bene in tensione e guadagna circa beta in corrente, con un'alta impedenza d'ingresso. Però mi chiedevo, come faccio ad uscire in bassa impedenza e a guadagnare ancor di più in corrente, senza uscire dalla linearità?

Quello che hai illustrato è un circuito a puro scopo didattico che, per carità, per iniziare va benissimo.
Nella pratica, circuiti di quel tipo, usati come finali in classe A, si realizzano utilizzando un trasformatorino audio per adattare l'impedenza di uscita sul collettore, molto alta, a quella, molto più bassa, dell'altoparlante. In pratica al posto della Rc devi immaginare di avere il primario del trasformatorino.Circuiti di questo tipo venivano utilizzati nelle prime radioline a transistor.

Questa tecnica era adottata per due motivi: il primo per evitare di dissipare inutilmente potenza sul carico in condizioni statiche, e la seconda perché gli altoparlanti non gradiscono essere continuamente attraversati da una corrente continua: oltre a una inutile disspazione in calore, il campo magnetico continuo risultante che si sovrappone a quello generato dal segnale musicale dinamico può facilmente condurre a distorsione del suono emesso dall'altoparlante stesso, dato che l'escursione del cono non può eccedere determinati limiti. Oltre ovviamente a causare una saturazione del circuito magnetico.

Poi, va da sè, il taglio alle alte frequenze è meglio effettuarlo prima di amplificare il segnale, non certamente all'uscita, altrimenti sarebbe un nonsense...

Il tuo circuito personale è comunque fattibile, a patto che tu sappia che come rendimento è pessimo: molta potenza viene dissipata inutilmente su Re.
Trasformatorini audio per fare esperimenti li puoi ancora trovare in qualche negozio di ricambi radio, oppure anche recuperarlo da qualche vecchia radiolina anni 60/70.
Se, come penso, ti piace sperimentare, ti assicuro che ti divertirai e imparerai un sacco di cose.

La progettazione degli amplificatori audio, apparentemente banale, in realtà richiede molta pratica ed esperienza, e un adeguato approfondimento nei classici corsi universitari richiederebbe un dispendio di ore che allo stato attuale non è praticabile...