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• Marco Antonio Perez Vazquez

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Mezcladora de audio UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Facultad de Ingeniería División de Ingeniería Eléctrica

Circuitos integrados analógicos

Proyecto 1 Mezclador de Audio Alumnos:

Sánchez Leonel Iván Pérez Vázquez Marco Antonio

Grupo: 1

14 de septiembre de 2012 Circuitos integrados analógicos

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Mezcladora de audio Introducción. Mezcladora de audio: Es un dispositivo electrónico al cual se conectan diversos elementos emisores de audio, tales como micrófonos, entradas de línea, samplers, sintetizadores, gira discos de vinilos reproductores de cd, reproductores de cintas, etc. Una vez las señales sonoras entran en el mixer estas pueden ser procesadas y tratadas de diversos modos para dar como resultado de salida una mezcla de audio, mono, multicanal o estéreo. El procesado habitual de los mezcladores (mixer) incluye la variación del nivel sonoro de cada entrada, ecualización, efectos de envío, efectos de inserción, panorámica (para los canales mono) y balance (para los canales estéreo). Los voltajes de ca de cada entrada se suman o mezclan a cada instante. Entonces, si una entrada esta induciendo música de guitarra, no es eliminado la música por una enésima entrada . si no que la salida será la suma de ambas señales. Sumador con amplificadores operacionales: A continuación el diagrama de un sumador hecho con amplificador operacional el cual sirve para sumar las señales de entrada v1, v2,, vn .

Cualidades : 

La salida está invertida



La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor



Impedancias de entrada: Zn = Rn

Amplificador inversor

En este circuito, la entrada V(+) está conectada a masa y la señal se aplica a la entrada V(-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2. La entrada V(-) es un punto de tierra virtual, ya que está a un potencial cero.

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El circuito comúnmente más utilizado es el circuito de ganancia constante. El amplificador inversor amplifica e invierte una señal 180º, es decir, el valor de la tensión de salida está en oposición de fase con la de entrada y su valor se obtiene al multiplicar la tensión de la entrada por una ganancia fija constante, establecida por la relación entre R2 y R1, resultando invertida esta señal (desfase). Amplificador de audio: Etapa de potencia, amplificador de potencia o etapa de ganancia son los nombres que se usan para denominar a un amplificador de audio. La función del amplificador es aumentar el nivel de una señal, incrementando, para ello, la amplitud de la señal de entrada mediante corrientes de polarización (voltaje negativo, voltaje positivo) en el transistor de salida. El amplificador trabaja, internamente, con corriente continua; en caso de ser alimentado con la tensión entregada por la red domiciliaria se necesita un transformador y rectificador para adaptar el nivel de voltaje y tipo de corriente a los valores necesarios para el buen funcionamiento del equipo. Cuando se diseña un amplificador, es fundamental la refrigeración del mismo. Por ello, siempre encontraremos rejilla de ventilación y los fabricantes habrán instalado en su interior ventiladores (como en el ordenador). Esto es porque durante el procesado de amplificación, en su interior, se disipa gran cantidad calor. Tipos de amplificadores: En la actualidad, existen muchos tipos y se suele hablar de clase A, de clase B, de clase C y un largo etcétera de clases, pero bien, qué se refieren a las características de funcionamiento de las etapas de salida de los amplificadores. - Clase A: Los amplificadores de clase A son los que mejor suenan, más cuestan y los menos prácticos. Despilfarran corriente y devuelven señales muy limpias. La gran desventaja de la clase A es que es poco eficiente, es decir que requiere un amplificador de clase A muy grande para dar 50 watios, y ese amplificador usa mucha corriente y se pone a muy alta temperatura. Algunos amplificadores de high-end son clase A, pero la verdadera clase A solo esta en quizás un 10% del pequeño mercado de high-end y en ninguno del mercado de gama media. Los amplificadores de clase A, a menudo consisten en un transistor de salida conectado al positivo de la fuente de alimentación y un transistor de corriente constante conectado

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Mezcladora de audio de la salida al negativo de la fuente de alimentación. La señal del transistor de salida modula tanto el voltaje como la corriente de salida. Cuando no hay señal de entrada, la corriente de polarización constante fluye directamente del positivo de la fuente de alimentación al negativo, resultando que no hay corriente de salida, se gasta mucha corriente. Algunos amplificadores de clase A más sofisticados tienen dos transistores de salida en configuración push-pull. Se puede decir, que la clase A se refiere a una etapa de salida con una corriente de polarización mayor que la máxima corriente de salida que dan, de tal forma que los transistores de salida siempre están consumiendo corriente. La gran ventaja de la clase A es que es casi lineal, y en consecuencia la distorsión es menor. - Clase B: Los amplificadores clase B consisten en un transistor de salida conectado de la salida al positivo de la fuente de alimentación y a otro transistor de salida conectado de la salida al terminal negativo de la fuente de alimentación. La señal fuerza a un transistor a conducir mientras que al otro lo corta, así en clase B, no se gasta energía del terminal positivo al terminal negativo. Los de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización cero. La mayoría de las veces, un amplificador de audio clase B tiene corriente de polarización cero en una pequeña parte del circuito de potencia, para evitar no linealidades. Tienen una importante ventaja sobre los de clase A en eficiencia debido a que casi no usan electricidad con señales pequeñas. Los amplificadores de clase B tienen una gran desventaja, una distorsión audible con señales pequeñas. Esta distorsión puede ser tan mala que lleva a notarse con señales más grandes. Esta distorsión se llama distorsión de filtro, porque sucede en un punto que la etapa de salida se cruza entre la fuente y la corriente de amortiguación. No hay casi amplificadores de clase B hoy en día a la venta, ya que no se utilizan casi para audio por sus características. - Clase AB: Por ahora, la clase AB es la que domina el mercado y rivaliza con los mejores amplificadores de clase A en calidad de sonido. Este tipo, usa menos corriente que los de clase A y pueden ser más baratos, pequeños y ligeros. Los amplificadores de clase AB son casi iguales a los de clase B, ya que al igual que estos tienen dos transistores de salida. Sin embargo, los amplificadores de clase AB difieren de los de clase B en que tienen una pequeña corriente libre fluyendo del terminal positivo al negativo incluso si no hay señal de entrada. Esta corriente libre incrementa ligeramente el consumo de corriente, pero no se incremente tanto como para parecerse a los de clase A. Esta corriente de libre incluso corrige casi todas las no linealidades asociadas con la distorsión del filtro. Estos amplificadores se llaman de clase AB en vez de A porque con señales grandes, se comportan como los de clase B, pero con señales pequeñas, se comportan como los de clase A. - Clase C: Los amplificadores de clase C son similares a los de clase B ya que en la etapa de salida tiene corriente de polarización cero. Sin embargo, los amplificadores de clase C tienen una región de corriente libre cero que es más del 50% del suministro total de voltaje. Los amplificadores de clase C, tampoco son prácticos para audio. - Clase D: Aunque estos tipos de amplificadores se usan mayormente para aplicaciones especiales como amplificadores de guitarras, de bajos y de amplificadores para subwoofers, en la actualidad se están creando amplificadores de clase D, para todo tipo de aplicaciones. Con esta clase obtenemos amplificadores incluso más pequeños que los de clase AB y más eficientes, aunque están limitados para menos de 10kHz (menos del margen total de audio).

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Mezcladora de audio Los amplificadores de clase D usan técnicas de modulación de pulsos para obtener mayor eficiencia. Además, usan transistores que están o bien encendidos o bien apagados, y casi nunca entre-medias y así gastan la menor cantidad de corriente posible. También, son más eficientes que los de clase A, clase AB, o clase B. Algunos tienen una eficiencia del 80% a plena potencia, pudiendo incluso tener baja distorsión, a pesar de no ser tan buena como los de clase AB o A. Los amplificadores clase D son buenos por su eficiencia. Es esencial que un amplificador clase D vaya seguido por un filtro pasobajo para eliminar el ruido de conmutación. Este filtro añade distorsión y desplazamiento de fase, incluso limita las características del amplificador en alta frecuencia, y es raro que tengan buenos agudos, pero por otro lado, va a quitar todo el ruido de conmutación sin causar perdida de potencia, desplazamiento de fase, o distorsión. Para hacer un muy buen amplificador para toda la banda de frecuencias, la frecuencia de conmutación tiene que estar sobre los 40kHz. Desafortunadamente, la alta frecuencia de conmutación incluso significa disipar potencia de conmutación, también significa que la posibilidad de radiar ruido es muy alta. - Otras clases: En muchos sitios se puede ver como se habla también de las clases E, G y H. Estas no están tan estandarizadas como las clases A y B. El amplificador en clase E es un amplificador de pulsos (cuyo rendimiento puede ser muy elevado) cuya salida se encuentra sintonizada a una determinada frecuencia, suele ser empleado en aplicaciones de radio cuando se trabaja a una única frecuencia o bien en un margen muy estrecho de frecuencias. No es usado en aplicaciones de audio. La clase G se refiere a amplificadores conmutados que tienen dos diferentes fuentes de alimentación. La fuente para el amplificador se conecta al voltaje menor para señales débiles y al voltaje mayor para señales fuertes, esto da más eficiencia sin requerir conmutar etapas de salida, de tal modo que pueden sonar mejor que los amplificadores clase D. La clase H se basa en emplear un amplificador en clase D o una fuente de alimentación conmutada para alimentar a un amplificador en clase AB o A, de este modo el amplificador presenta un excelente rendimiento y tiene el sonido de un buen amplificador clase AB. La clase H es muy empleada en etapas profesionales. Micrófono :

Desarrollo. Diseño del proyecto: Para el diseño del mezclador de audio, inicialmente partimos de las especificaciones que en este caso se pidieron para desarrollar el proyecto y de la investigación de como podíamos lograr implementarlo, por lo que a continuación comenzaremos enunciando algunas de las especificaciones esenciales del proyecto y como estas se desarrollan en especifico. Especificaciones esenciales del proyecto:  El sistema debe tener su propia fuente de poder, que alimente todo el circuito.  El sistema debe de constar de 4 entradas de audio, en la que una de ellas será destinada para un micrófono de baja impedancia. se deberá hacer la mezcla de todas ellas en donde cada una de ellas puede ser manipulada su ganancia en la salida y también debe haber un control de volumen general para todas. Todo esto con el uso de amplificadores operacionales.

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El sistema debe contar con su etapa de potencia para hacer sonar bocinas, esto significa que debe haber una amplificación de potencia integrada en el circuito .

Estas son las especificaciones esenciales haciendo destacar que existen otras especificaciones pero que en este caso son mas especificas para cada parte del circuito. Para llegar en concreto a cada parte del circuito y su función dividiremos entonces el sistema completo en 3 partes: fuente o suministro de potencia, la mezcla de audio, etapa de potencia o amplificación de audio. A continuación como es que esta formada cada una de ellas, porque se escogió ese diseño, como se relacionan los componentes que lo conforman y como cumplen con las especificadores particulares del proyecto. Fuente o suministro de potencia: Esta es una de las partes importantes del proyecto a pesar que es algo sencilla. su función es básicamente alimentar todo el circuito con un voltaje , existen diferentes diseños de fuentes pero con fines prácticos y con beneficios la fuente utilizada es regulada (con mínima variación)a un voltaje fijo. A continuación el diagrama de la fuente utilizada, la descripción del tipo de fuente utilizada y el porque se utilizo este tipo de fuente:

Figura: fuente fija regulada con integrados de +12V y -12V .

La figura anterior es la fuente utilizada la cual es del tipo regulada por los circuitos integrados lm7812 y lm7912 los cuales a su salida entregan un voltaje regulado de +12 y -12 volts respectivamente.

Requerimientos de un regulador

Mantener la tensión de salida constante independiente de las fluctuaciones de la entrada y la temperatura. Mantener la tensión constante de salida, a las exigencias de corriente de carga.

El circuito regulador debe mantener el voltaje ya sea sin carga (circuito abierto), en la cual no provee corriente, o a plena carga, entregando una corriente en la salida como lo indica la Figura.

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En un regulador ideal la diferencia entre el voltaje de salida sin carga y el voltaje de salida a plena carga es cero o sea Voc-VL=0, vL es siempre menor. La relación presentada a continuación da cuenta de la cantidad de regulación en porcentaje, mientras menor sea, mejor es la regulación.

En forma breve en la entrada tenemos el suministro de potencia practico 120VCA en el transformador el cual reduce ese voltaje a 12VCA RMS a continuación se encuentra un arreglo de diodos que tiene como nombre rectificador de onda completa con puente completo que sirve para rectificar la señal AC (para convertirla en una CD) , después de ello siguen capacitores conectados en paralelo con los integrados que sirven para hacer la señal mas parecida a una constante (CD) y también aumenta el voltaje RMS (aprox. 14V) , después de ello siguen los reguladores cuya función es disminuir el voltaje y mantenerlo fijo a 12[v] , y por ultimo unos capacitores en paralelo con lo que seria la carga con la función de hacer el ruido (riso ) y tener una señal CD mejorada .continuación las ventajas de usar este tipo de fuentes y las desventajas: Ventajas:  Este tipo de fuentes nos ayuda a proteger al equipo en caso de que el voltaje de entrada sea mayor por variaciones.  Disminuye el ruido en la salida , teniendo una buena señal CD. Desventajas :  Si requerimos mayor o menor voltaje no lo podemos ajustar  No se protege el circuito por sobre carga Como seleccionamos los valores prácticos: Cabe destacar Una de las cosas que nos hiso escoger los valores del material que reciclamos material que teníamos (transformador, puente de diodos, etc) y otro aspecto muy importante fue el voltaje con el que operaba el integrado del amplificador operacional lm833 que es de +-15[v], que es menor que la salida de nuestro transformador (12V) .y por ultimo otros componentes los usamos buscando los valores recomendados en la practica( los capacitores). Mezcla de audio: Esta es una parte fundamental del circuito para poder lograr el principal objetivo del proyecto que en este caso es sumar las señales a una salida, se compone para cumplir las especificaciones dadas básicamente de 2 partes: una preamplificador para un solo canal de las entradas (micrófono) y de

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Mezcladora de audio un sumador de señales donde se lleva acabo la tarea de mezclar el audio. A continuación se muestra un diagrama de como están relacionadas las entradas y salidas de esta parte del circuito:

Figura 1. Diagrama de entradas y salidas de la mezcla de audio. Como podemos ver en la salida será la suma de las señales de audio de entrada. A continuación se explicara mas a detalle como se conforma cada bloque y como se relacionan los elementos que lo conforman y que función tienen. Sumador de señales( mezcla de audio) : El objetivo de este como ya se menciono es sumar las señales de audio para tenerla a la salida esta mezcla (figura 1) , esto se logra mediante una configuración haciendo uso de un amplificador operacional llamada sumador que nos permite además de mezclar (sumar) todas las entradas de audio también amplificarla salida general y cada una de ellas en particular cambiando el valor de las resistencias que están involucradas: a continuación el diseño general de esta parte del proyecto y posteriormente el listado de los valores que se utilizaron en el proyecto con la argumentación y cálculos necesarios para ello.

por superposición:

con lo que tenemos la configuración de un amplificador inversor; cuya ganancia es:

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Mezcladora de audio hacemos ahora:

su función de transferencia es:

entonces para la salida total:

Si Rf = R1= R2:

Etapa de potencia: Esta parte del circuito tiene como objetivo básicamente amplificar la señal que obtuvimos en la etapa anterior (salida de la mezcla de audio). Esto lo hacemos con la finalidad de hacer sonar las bocinas que es una carga que demanda mucha corriente debido a su resistencia que normalmente es de 4-16[Ω] . Lógicamente entonces lo que buscamos en esta etapa es amplificar la corriente para tener mas potencia ya que con los amplificadores operacionales solo logramos amplificar el voltaje. Tipo de amplificador y tipo de transistor seleccionado: Como ya se hablo en la introducción existen diferentes tipos y configuraciones de amplificadores, de las cuales escogimos alguna de ellas basado en sus características teóricas y practicas, donde cabe destacar que como método de selección también nos basados en probar algunas configuraciones y comparar los resultados obtenidos, lógicamente haciendo elecciones con las que mejor resultado obtuvimos. A continuaciones algunas de las configuraciones consideradas y en cada caso las consideraciones que hicimos para seleccionar la configuración: Diseños de amplificadores Clase A:

figura: amplificadores clase A . a) usando transistores tipo Darlington , b) colector común transistor BJT .

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Mezcladora de audio Diseños de amplificadores clase B:

Figura: amplificadores clase B , a)usando transistor tipo Darlington, b) usando un operacional . Configuraciones de transistores en cascada:

Figura: amplificador usando transistores BJT conectados en cascada Porque no con amplificador operacional. Tip( súper beta) dobles o triples se utilizan normalmente en los equipos de audio en el mercado Tipo de configuración del transistor: Considerando que previamente la señal se amplifico en la etapa anterior a esta (voltaje) No requerimos necesariamente amplificar el voltaje ya que esto se hizo en la etapa anterior (mezcla de audio con amplificador operacional),

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Esquema completo del proyecto:

La salida del segundo amplificador operacional esta dada por la siguiente ecuación:

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Mezcladora de audio pero ya que el potenciómetro de feedback es el mismo y factorizando el signo:

Sustituyendo valores para nuestro caso:

Por lo que para cada entrada obtenemos una ganancia de 10.

Simulaciones de los circuitos: Simulación de la fuente de poder

Simulación del pre amplificación: Simulación de la mezcladora(sumador) :

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Mezcladora de audio Figura: etapa de mezcla del audio, amplificador sumador en este caso ganancia unitaria(relación de resistencias iguales) sumando 3 senoidales de amplitud diferente con frecuencia igual y una señal ruidosa . Simulación de la etapa de potencia:

Figura simulación de la etapa de potencia. Se logra atenuación de voltaje en la salida debido a que es un seguidor de voltaje y por los capacitores que filtran la entrada. Pero se logra mayor amplitud en corriente como se muestra en los amperímetros. Construcción del circuito impreso: Separamos el mezclador en dos etapas, en una fuente de alimentación y en la mezcladora con el amplificador operacional. En la primera tarjeta fenólica creamos el circuito de la fuente.

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Posteriormente armamos el circuito que contenía la mezcladora y la etapa de amplificación.

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Proceso para el armado en circuitos impreso: - Diseñar nuestro circuito en el programa PCB Wizard - Imprimir el diseño en una hoja de papel satinado - Sobreponer sobre la placa de cobre previamente pulida nuestro diseño impreso y planchar uniformemente desde las orillas hacia el centro - Poner en un recipiente con agua y dejarla aproximadamente de 5 a 10 min - Quitar el papel mojado, en esta parte ya tenemos nuestro circuito en tóner sobre la placa. - Barrenamos la placa - Procedemos a soldar los componentes sobre la placa.

Por ser nuestro primer circuito impreso tuvimos muchos contratiempos con las pistas pues se borraban, no salían todas o incluso algunas tuvimos que dibujarlas completamente. Construcción del gabinete: Por el tamaño de nuestro circuito impreso tuvimos que hacer un gabinete adecuad a su tamaño puesto que utilizamos tarjetas de 10 x 10 cm con material disponible, en este caso, un policarbonato. La configuración de la caratula es para tres entradas de audio mas una de micrófono, con sus respectivas perillas de ganancia y una perilla de ganancia general. Resultados y conclusiones.  Otro fenómeno que pudimos apreciar es como afecta la fuente al proyecto, esto es que si nuestra fuente no es muy buena( tiene ruido)  La ganancia que obtuvimos era demasiada por lo que nos hacia tener una salida muy saturada.  La señal de salida era muy ruidosa debido a la componente de directa que tenia y que la señal que salía amplificada sobrepasaba el voltaje de saturación del amplificador operacional utilizado. Circuitos integrados analógicos

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Bibliografía consultada. mezclador de audio, © Copyright http://es.scribd.com/doc/6037994/Mezclador-de-Audio

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Scribd

Inc,

http://es.wikipedia.org/wiki/Etapa_de_potencia http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional http://www.hispavila.com/3ds/tutores/opam.html, Referencias: Circuitos integrados

lineales. Paraninfo Boylestad, Robert L. Electronica:Teoría de circuitos y Dispositivos Electrónicos. Pearson, Prentice hall, Decima edición, México ,2009. Sedra, Smith, Circuitos Microelectrónicos, 4a. Edición, México Oxford University Press, 1999

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