Laboratoire 4 L amplificateur audio Cheikh Latyr Fall, Philippe Turgeaon et Benoit Gosselin Université Laval - Hiver 2016 I. Objectifs ü Familiarisation avec l électronique des systèmes audio ü Réalisation d un préamplificateur audio à gain variable ü Conception d un filtre de type Sallen-Key ü Réalisation d un circuit de commande de tonalité ü Conception de circuits alimentés à partir d une source unipolaire II. Description Le rôle d un système électronique audio est d amplifier les faibles signaux audio (allant de 20 Hz à 20 khz) provenant d un microphone et de conduire un haut-parleur avec la puissance requise. Un système audio comprend typiquement quatre parties : 1) un préamplificateur, 2) un limiteur de bande (un filtre), 3) un circuit de commande de tonalité et 4) un amplificateur de puissance. Pour ce laboratoire, vous réaliserez un système audio comprenant ces quatre parties. Le circuit utilisera une source unipolaire afin qu il puisse être alimenté par une pille dans des applications portatives. Ce laboratoire sera réparti sur deux séances. Lors de la première partie, vous simulerez et effectuerez le montage du préamplificateur audio et du filtre Sallen-Key. Pour la seconde, vous simulerez et effectuerez le montage des autres blocs constituant le système audio, soient, le circuit de commande de tonalité et l amplificateur de puissance. III. Questions pré-laboratoire et simulation SPICE (10%) Répondez aux questions suivantes avant de vous présenter au laboratoire. N oubliez pas d imprimez vos courbes et vos réponses pour que l assistant puisse les vérifier. Utilisez V DD = 12V pour toutes vos simulations. A. Partie 1 (séance du 17) 1. Préamplificateur audio Le premier étage du système est constitué d un amplificateur dont le but est de s interfacer convenablement avec le microphone et d amplifier suffisamment le signal audio. Cet étage fourni un gain variable afin d optimiser l utilisation de la gamme dynamique du circuit. Le schéma du préamplificateur utilisant l ampli-op U1A est montré à la Figure 1. Cet amplificateur inverseur réalise un filtre passe-haut coupant les composantes fréquentielles de moins de 20Hz. De plus, il amplifie le signal provenant du microphone avec un gain variable maximum de 40 db. Le circuit utilisant l ampli-op U1B est un montage suiveur de tension dont le but est de fournir une tension de
2 GEL-3000 Électronique des composants intégrés référence pour tous les blocs du système. Cette tension de référence est nécessaire pour faire fonctionner les circuits avec une source d alimentation unipolaire tout en évitant la saturation. Ce circuit produit une tension de référence égale à V DD/2 afin que les circuits fonctionnent correctement entre V DD et GND. Figure 1: Le préamplificateur audio à gain variable et le circuit de référence de tension. 1. Réalisez le schéma montré à la Figure 1 dans Altium Designer. Téléchargez la librairie préparée pour ce laboratoire. Vous aurez besoin du modèle du microphone pour cette partie: http://wcours.gel.ulaval.ca/2014/h/gel3000/default/6travaux/g3lib4.intlib 2. Dans Altium, effectuez une analyse temporelle du système. Relevez les courbes de V in, V amp, et V ref dans une même fenêtre et commentez. 3. Effectuez une analyse fréquentielle par balayage du préamplificateur en faisant varier R 3 de 1kΩ à 150 kω. Relevez la réponse fréquentielle et commentez. 4. Analysez le filtre passe-haut de la Figure 1 : donnez l expression de sa fonction de transfert et son gain DC maximum. Commentez. 2. Le filtre passe-bas L objectif est ici de limiter la bande passante de l amplificateur à 20 khz et de rejeter les composantes fréquentielles indésirables. Le filtre Sallen-Key présenté Figure 2 permet de réaliser cette fonction.
3 GEL-3000 Électronique des composants intégrés Figure 2: Filtre passe-bas Sallen-Key. 1. Rajouter ce montage à votre projet. Vous porterez une attention particulière au nom des nœuds. 2. Relevez la réponse fréquentielle de ce filtre. Déduisez-en son ordre et calculez sa fréquence de coupure à -3dB. B. Partie 2 (séance du 24 février) 1. Circuit de commande de tonalité Le circuit de commande de tonalité (Figure 3) permet d effectuer une amplification sélective de certaines bandes de fréquences spécifiques. On peut séparer deux plages de fréquences principales : 1) la bande des fréquences inférieures à 1 khz (les sons graves) et 2) la bande des fréquences supérieures à 1 khz les sons aigües). Une amplification sélective permet de mettre l emphase sur l une ou l autre des tonalités. Les gains appliqués sont ajustés grâce aux résistances R 10 et R 15, correspondant respectivement aux sons graves et aigües. 1. Réalisez le schéma complet du système audio en interconnectant les montages des Figure 1 à 4 dans Altium Designer. Vous trouverez les modèles du haut-parleur et des transistors de BJT dans la librairie G3Lib4 (voir section III.A.1). 2. A présent, effectuez une analyse temporelle du système. Afficher les courbes de V in, V amp, Vfil, V ton et V out dans la même fenêtre afin de bien comparer les sorties de ces différents étages. Commentez. 3. Effectuez une analyse fréquentielle par balayage du circuit de commande de tonalité en variant tour à tour R 10 et R 15. Constatez les changements dans les réponses fréquentielles et imprimez vos courbes. Expliquez. 4. Évaluez la plage de tension de sortie maximum de l amplificateur de puissance. Pour ce faire, utilisez, en entrée, une tension sinusoïdale d une fréquence de 800 Hz et d amplitude variable en lieu et place du microphone. De plus, fixer la valeur de R 3 à 10 kω. Faites enfin varier la tension de sortie à l aide d une simulation temporelle par balayage et relevez vos courbes de sortie. Commentez.
4 GEL-3000 Électronique des composants intégrés Figure 3: Circuit de commande de tonalité. 2. L amplificateur de puissance Le haut-parleur présente une résistance interne de 8Ω et développe 1W de puissance. Il est nécessaire d utiliser un amplificateur de puissance approprié afin de conduire ce haut-parleur efficacement. On utilise un étage de sortie classe AB avec gain de tension unitaire, permettant de fournir un courant suffisamment grand pour activer le haut-parleur convenablement. La Figure 4 montre l amplificateur de puissance de type push-pull utilisé comme étage de sortie du système. Figure 4: L amplificateur de puissance classe AB.
5 GEL-3000 Électronique des composants intégrés IV. Travaux à effectuer au laboratoire (45%) Cette partie du travail s effectue au PLT-3101 et consiste à réaliser les montages correspondant aux figures de 1 à 4. Rapportez les mesures demandées dans votre rapport, comparez-les avec les valeurs simulées et discutez vos résultats. Pour tous vos montages, choisissez +12V pour l alimentation positive et 0V pour l alimentation négative. N oubliez pas de faire vérifier et évaluer tous vos montages avant de quitter le laboratoire. N oubliez pas de faire vérifier et évaluer tous vos montages avant de quitter le laboratoire. A. Partie 1 (séance du 17 février) 1. Montage du préamplificateur audio 1.1. Montez les circuits de la Figure 1 sur votre breadboard. 1.2. Remplacez le microphone par un signal d entrée sinusoïdal d une fréquence de 800 Hz et d une amplitude de 10mV. Assurez-vous que le préamplificateur fonctionne bien en observant sa réponse temporelle et rapportez vos réponses pour différentes valeurs du gain. 1.3. Remplacez la source de signal sinusoïdal par la sortie d un microphone. Pour ce faire, utilisez un connecteur audio approprié que vous installerez sur votre breadboard. Branchez la sortie du connecteur audio à l entrée du préamplificateur. Enfin, connectez le microphone et observez la sortie du préamplificateur à l oscilloscope lorsque vous parlez dedans. Ajuster le gain du préamplificateur au besoin et rapportez vos résultats. 2. Montage du filtre passe-bas 2.1. Montez le circuit de la Figure 2 sur votre breadboard. 2.2. Placez un signal sinusoïdal d une fréquence de 800 Hz et d une amplitude de 1V superposé sur une tension DC de 6V à l entrée du circuit. Assurez-vous qu il fonctionne bien en observant sa réponse temporelle et rapportez vos résultats. 2.3. Relevez la fréquence de coupure et le gain DC de ce circuit. Commentez. B. Partie 2 (séance du 24 février) 3. Montage du circuit de commande de tonalité 3.1. Montez le circuit de la Figure 3 sur votre breadboard. Utilisez deux potentiomètres de 200 kω pour réaliser les gains variables du bass (sons graves) et du treble (sons aigus). 3.2. Placez un signal sinusoïdal d une fréquence de 800 Hz et d une amplitude de 1V superposé sur une tension DC de 6V à l entrée du circuit et assurez-vous qu il fonctionne bien en observant sa réponse temporelle. Rapportez vos courbes. 3.3. Évaluez les gains du circuit dans les deux bandes sélectives (sous 1 khz et au-dessus de 1 khz) en faisant varier la fréquence du signal d entrée. Rapportez vos résultats. 3.4. Évaluer les largeurs de bande des deux tonalités (grave et aigüe) et rapportez vos résultats. 4. Montage de l amplificateur de puissance 4.1. Montez le circuit de la Figure 4 sur votre breadboard. Remplacez le haut-parleur par une résistance d une valeur de 8 Ω et d une puissance environnant 1 W.
6 GEL-3000 Électronique des composants intégrés 4.2. Placez un signal sinusoïdal d une fréquence de 800 Hz et d une amplitude de 1V superposé sur une tension DC de 6V à l entrée du circuit et assurez-vous qu il fonctionne bien en mesurant sa réponse temporelle. Ensuite, assurez-vous que l amplificateur fonctionne convenablement sur toute la plage de fréquences de 20 Hz à 20 khz. Rapportez vos résultats pour les fréquences situées aux extrémités de la bande passante voulue. 4.3. Déterminez la tension de sortie maximum de cet amplificateur. Rapportez vos résultats. 5. Vérification du circuit complet Vous allez maintenant brancher tous les blocs ensemble pour réaliser le circuit complet. 5.1. Branchez tout d abord la sortie du préamplificateur audio à l entrée du filtre, puis vérifier le fonctionnement de cet ensemble en observant la sortie pour un signal sinusoïdal d entrée d une fréquence de 800 Hz et d une amplitude de 10mV. Observez la réponse temporelle du circuit et assurez-vous qu il fonctionne. 5.2. Ensuite, branchez la sortie du préamplificateur à l entrée du circuit de commande de tonalité. Assurez-vous que ces trois parties de circuit fonctionne bien ensemble en observant la sortie pour un même signal d entrée sinusoïdal. 5.3. Branchez la sortie du circuit de commande de tonalité à l entrée de l amplificateur de puissance. Utilisez une résistance de 8 Ohms au lieu du haut-parleur. Assurez-vous que les quatre parties du circuit fonctionnent bien ensemble en observant la sortie du circuit à l oscilloscope pour une source sinusoïdale connectée à l entrée du préamplificateur. 5.4. Enfin, branchez le microphone et le haut-parleur comme illustré aux Figure 1 et 4 et vérifiez que le circuit complet fonctionne bien : Ajustez le gain du préamplificateur afin d obtenir une intensité sonore convenable. Ajustez le circuit de commande de tonalité pour ajuster les gains des bandes basses et hautes fréquence adéquatement. Rapportez vos résultats en les commentant.
7 GEL-3000 Électronique des composants intégrés Questions post- laboratoire (45%) Répondez aux questions suivantes: 1) Quels sont les points importants à retenir dans ce laboratoire? Quelles sont les difficultés rencontrées (s il y a lieu)? 2) Suggérez une autre approche pour réaliser le circuit de commande de tonalité à l aide d un circuit additionneur. Donnez le détail de votre nouvelle solution et expliquez son fonctionnement. 3) Calculez le gain DC du filtre Sallen-Key et donnez l expression complète de sa fonction de transfert en fonction de R6 à R9 et de C2, C3. Donnez l expression de ω 0 et Q en fonction de R6 à R9 et de C2, C3. 4) Calculez l atténuation fournie par le filtre Sallen-Key à f = 250 khz. 5) Existe-t-il une méthode pour réaliser un filtre passe haut à partir du filtre Sallen-Key passe bas de la Figure 2? Décrivez sommairement la méthode que vous utiliseriez pour y parvenir. Rapport Dans votre rapport, répondez aux questions posées de façon succincte. Il n est pas nécessaire de rédiger une introduction et une conclusion. Les courbes et valeurs demandées (les informations en gras dans le protocole) devront être présentées en spécifiant les numéros de question correspondants. De plus, placez la dernière page de cet énoncé comme 1 ère page de votre rapport et remplissez-là. Votre rapport doit être remis en format texte imprimé dans la boîte identifiée GEL-3000 située en avant du PLT-1300 au plus tard à 16h30 la journée précédant le prochain Laboratoire. De plus, téléversez-en également une copie électronique sur Pixel (https://pixel.fsg.ulaval.ca/) avant la date limite.
Laboratoire 4 L amplificateur d audio Nom Matricule 1. 2. Section : Signature de l assistant : Date :