audio amplifier coupled by infrared - polito.it · fig.1 audio amplifier coupled by infrared...

12
MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC 1 AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED POLITECNICO DI TORINO ANALOG AND TELECOMUNICATION ELECTRONICS June, 2016 Professor: Students: Dante Del Corso Martinez Rojas Alejandro – S225265

Upload: duongxuyen

Post on 25-Nov-2018

244 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

1

  

AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED POLITECNICO DI TORINO 

ANALOG AND TELECOMUNICATION ELECTRONICS 

June, 2016  Professor:                                          Students: Dante Del Corso                                                    Martinez Rojas Alejandro – S225265

Page 2: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

2

  

I. INTRODUCTION 

 Necessary guideline and restrictions are established to realize design of an audio amplifier coupled infrared, it will 

have two stages based on operational amplifiers and transistors. Then the simulation supports to corroborate the 

data  calculated  for  the  circuit  implementation  is  showed,  specifications  of  each  component  assembly  will  be 

designed. Furthermore, graphs and results obtained will be presented. 

II. METHODOLOGY 

 Design is started from second stage back to ensure the output power of audio amplifier needed. Desired output power must be set, since it is needed to calculate the bias voltage circuit which Pre‐Amplifier and Driver should be amplifier. Current mirror topology in complementary arrangement is selected in order to intensify the output current and provide a low output resistance. After that, characteristics of the signal at its maximum excursion are determined by means of components. Finally, elements of the preamplifier stage are computed by using operational amplifiers (guarantee a high input impedance) connected to current mirror to guarantee a current enough to polarized the Infrared Diode.   

 Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic 

III. DESIGN STAGE 

Amplifier design will be performed by step; hence last stage will be the first stage which will be design in order to 

guarantee the requirement chosen. 

   

III.A. Power stage (complementary class ab amplifier arrangement) 

Current mirror is used in order to minimize the output resistance and voltage load effect. Furthermore, it avoids the 

crossover distortion.  

Page 3: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

3

 Fig. 2. Power amplifier schematic with Current mirror to avoid crossover  

 

Darlington transistors were chosen to guarantee a better development with high current. In Fig.2, two transistors 

are also short‐circuited in order to avoid crossover distortion, since if we do not use them, upper transistor will be 

OFF when  the  input  signal  is  fewer  than  1.4V  (threshold  voltage),  therefore  output  signal  is  zero  until  lower 

transistor  is ON, so with these short‐circuited transistors, transistors will be ON when  input signal  is  lower than  ‐

1.4V. 

They are short‐circuited to cover them in diodes and guarantee the same thermal behavior.  

Maximum output power V * IcSAT

Pout =(max)2

cc

 Power amplifier should be able to generate an output around 5W. Then remembering that: 

2

,

2O P

out

VP

 Output voltage Output voltage necessary to obtain this output power (Psal >=5W). Considering RL=8 ohm, it will be the speaker resistance. 

, 2(8 )(5 ) 9O PV W Vp   

Output voltage is set in 10VP to guarantee 5W including losses; hence in real condition, saturation or non‐linearity 

takes  place,  then  in  order  to  avoid  saturation due  to  amplifier,  10%  peak‐peak  signal  is  introduced  as  a  safety 

margin, therefore to guarantee the output voltage set, the supply source selected is: 

( ) ( )VCC VEE 10%Vo Vo

VCC VEE 2 20 22p p p p

V V V 

VEE=VCC= 12V are chosen. 

In the circuit, a single dual source dc is used for the two stages. V1=12v.  Output current Output current with Vo=10v is: 

( )

2 2

10 / 20.883

8

106.25

2 16

o RMS po

L

out Pout

L

V VI A

R

V VP W

R

 

Hoped value in the output will be: Pout=6.25W, Iout=0.883A and Vout=10Vp 

Page 4: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

4

Saturation current is:   

121.5

8SATL

Vcc VIc A

Saturation current DC is considered when  0Vce V . DISSIPATION POWER IN EACH TRANSISTOR  

 

Sal( )

 

12 *1.59

2|

9 125

MAX

D D Especificada FabricantTransistor

D Transistor

V AP W

P P

P W W

 

Fig.3 Datasheet of transistor TIP142 to check the maximum power dissipation.  

Power delivered by the source Maximum  power  delivered  by  source  is  determined  by  the  following  equation where  =0.785  is  the  class  AB 

amplifier performance with current mirror. 

(m a x ) 9

1 1 .4 6 50 .7 8 5

oD C D C

P WP P W  

 Current mirror (dc analysis) 

 

 Fig.4 Schematic of current mirror 

 Current mirror is performed in order to eliminate crossover distortion and achieve thermal stability, power devices Darlington TIP142 and TIP147 were selected, as well as for transistors which will be short‐circuited base‐collector terminals  and used  as diodes,  this will  achieve  great  reliable  complementarity.  Furthermore,  trans‐conductance curves will be the same for transistor and diode. To polarize the diode is necessary to apply a current around 1% of output current. 

0.01 0.01*(0.883 ) 9D DI Io I A mA   

Base current computing  10

1.25* 1000 * 8

Pb b

ac L

VVcci i mA

R

 

ac   is  the minimum  current  gain  of  the  transistor  in  accordance Darlington,  the worst  condition( ac =1000)  is 

chosen to guarantee a minimum current.  

 

2 4

2

1 2 1 .41 0 3 4

1 0 .2 5

(1 0 .2 5 ) * 1 0 3 4 0 .1 0 9

B E

d io d e b a s e

R

V c c V v vR R R

i i m A

W m A W 

Commercially R = 1.2k ohm was taken at 0.5W. 

Load is a speaker which has an RL = 8 Ohm with an allowable power P = 5W power and Pr = 10W break. 

Page 5: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

5

 

Specification of power devices 

Power devices were  implemented with  respect  to Darlington  transistor,  TIP142(NPN)  and  TIP147(PNP),  then  its 

characteristics and parameters were specified. 

( )

( )

1 2

( ) 1 .51 .9 1

0 .7 8 5

1 .9

C M A X

D M in

V c e V

I c s a t AI A

P W

 

 Input resistor   The  input  resistance  is calculated  from  the equivalent circuit of Fig.4,  shorting  the  capacitor  reflecting RL  to  the base as B * RL. The diode has a resistance associated macroscopic Rf (Pol. Direct). 

 Fig.5. Equivalent circuit in the output  

Output resistor 

2 2

0.026 * ln2

2 ' 0.1350.883

2 * 0.135 0.27m

out out L

IoutIdRout re r e

g A

R R R

 

Voltage output is:

 

8

* 0.98 *10 9.78 0.27 PVsal Vin V V , this will be the output voltage.   

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III.B. DRIVER STAGE  Driver stage  is  implemented before the power stage  in order to avoid a very high gain  in preamplifier and avoid 

non‐linear amplification, this  is also needed to amplify the voltage signal after photo‐transistor. This  is performed 

based on operational amplifier. 

 

Page 6: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

6

 Fig.6 Schematic of driver circuit taking a phototransistor as a voltage supply 

Assuming an input voltage around 280mV (25% of output voltage pre‐amplifier) to guarantee a reliable input taking 

on a large loss between LED and photo transistor.  10

25 R in=3.3 K 400

25 * (3.3 K ) 82.5

P F

P IN

V RAv

mV R

Rf K

 

Rf value commercially 82K is selected. 

Resistor R4 is approximately equal to Rin 3.3 k 

Resistor R3 is positioned to avoid any damage to the photo‐transistor. 

3

3 3

ie=3 mA is selected as emitter current enought to phototransistor

124 4.7

3

e

VccR

i

VR K R k

mA

 

Frequency Response 

Operational amplifier has a passband filter behavior; hence cut‐off is needed to compute. Cut‐off frequency depend 

on two factors: Gain and operational amplifier bandwidth. 

MAX477 is chosen as operational amplifier, since it has a great bandwidth to guarantee a flat gain between audible 

range frequency (20 to 20kHz). 

BW=300MHz at Vout =2Vpp  

300= =12MHz

25c

BW MHzf

G   

 

 

 

 

 

 

 

 

III.C. PRE‐AMPLIFIRE STAGE 

 

Page 7: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

7

 Fig.7 Schematic of Pre‐amplifier.  

In order to obtain an output voltage around 1.2Vrms, Vin=25mVrms is assumed. 

48Vo Rf

AvVi Rin

 

Rin=2.7k was selected    

Commercially is 150K 55.5Rf

AvRin

 

 

In order to avoid errors and compensate the grounding current, R1 is located whose value is: 

5 5|| 2.7IN FR R R R K  

An extra stage of current amplification is used in order to activate the IR diode LED. This stage will be a bidirectional 

power amplifier with current mirror to avoid crossover distortion. 

 

Bidirectional amplifier design 

IR diode LED IR333‐A works between 2‐20mA, so desired current at the output will be approximately 15mAp with the maximum  input voltage allowed (Vin=50mVp), this will be the worst condition, since this voltage  is amplified until 1.5Vrms. Current bidirectional amplifier  is used to amplify the negative signals and positive coming from the excitation  source and  current mirror  to guarantee which  transistors are always ON. Transistors are 2N3904 and 2N3906. Current mirror resistor 

2

120.01 0.01* 1.2

100R DL

Vdd vI I mA

1.30.13

* 100 *100b bac L

Vo Vi i mA

R

 

Base current DC will have the pre‐amplifier circuit. 

ac =100  is  the minimum current gain of  the  transistor  in order  to guarantee  the minimum current  in  the worst 

condition, since normally this value will be a bit larger.  

Resistor 

It is used to limit the current which flows thought diode and base of transistor. 

Page 8: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

8

2

1 2 0 .78 .6 9 8 .2

1 .3

(1 .3 ) * 8 .2 0 .0 1 4

B E

b a se D io d e

R

V c c VR k R k

i i m A

W m A k W

 

Output resistor  Finally,  for  this  extra  circuit,  a  load  resistance  is  added  to  avoid  the  LED  is  burned when  input  signal  has  the maximum value Vin=50mVp 

2.1 / 298

15

100

poL

o

L

VVR

I mA

commercially R

 

 

Frequency Response 

MAX477 is chosen as operational amplifier again to this stage 

BW=300MHz at Vout =2Vpp and Gain=55.5 

300= =5.4MHz

55.5c

BW MHzf

G   

So, frequency response of the whole system will have the lowest cut‐off frequency between each stage, therefore 

cut‐off frequency of system is Fc=5.4MHz. This is enough to have a flat gain.  

 Fig.7 Radiation pattern diagram. 

 

IV. SIMULATIONS 

PREAMPLIFICADOR 

   Simulation.1. Output voltage at Vi=25mV and 500Hz 

Page 9: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

9

        Simulation.2. Output voltage signal and input signal(left) and Bode diagram(right). 

 

DRIVER 

 

 Simulation.3. Output voltage at Vi=280mV and 1kHz 

Voltage source was used to simulated the photo transistor configured in common‐collector (gain=1).  

    Simulation.4. Output voltage signal and input signal(left) and Bode diagram(right). 

 

 

 

Page 10: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

10

HARMONIC ANALYZE  

     Simulation.5. Harmonic results of pre‐amplifier circuit in current(right) and voltage(left) 

  

Simulation.6. Harmonic results of DRIVER circuit in Voltage(left) and Current(right)   

V. RESULTS 

En la Tabla I  se encuentra la confrontación de los parámetros obtenidos con los valore simulados del circuito y los 

valores teoricos. 

Parameter  Computed  Simulated  Error 

Gain  55.5  53.7  3.2% 

Iout  15mA  1.8mA  88% 

Vout  1.38Vrms  1.32Vrms  4.3% 

Fcut‐off  5.4MHz  6.34MHz  14.8% 

Table 2. Pre‐amplifier circuit results  

 

 

 

Page 11: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

11

Parameter  Computed  Simulated  Error 

Gain  25  23  8% 

Power  6.25W  5.74W  8.2% 

Vout  10VP  9VP  10% 

Fcut‐off  12MHz  3.53MHz  70.5% 

Table 3. Driver circuit results  

 

Based on table 2 and 3, the parameters with a high performance were in preamplifier gain with an error of 3.2%, 

although there  is one with 88%, but that  is due to the  fact that  internal resistance which the diode  is simulated, 

however this good perforce is in spite of pre‐amplifier is working with small signal. 

The worst performance was at driver circuit, since it was working with large signal which induces distortion or non‐

linearity.  

 

 

VI. CONCLUSION 

 

Output voltage (table.3) shows a small error with respect to others, nevertheless this is a bad signal, in other 

word the top of signal is being saturated as we can observe in simulation.4.   

Diode transmitter should be  in opposite direction with photo transistor to avoid  large  losses, since we can 

see in fig.7 the receiver will be portion of signal if this is not completely addressed to photo transistor. 

it is observed that the pre‐amplifier was designed successfully because the output waveform is almost pure 

sinusoidal(simulation.2) with little distortion due to LED, and the magnitude value is close to that expected. 

Preamplifier stage has a low‐pass behavior. Audio signals have a range between 20 Hz and 20 Khz and our 

design could amplify this range with losses. 

 It  is also  clear  that  the  circuit  is  strongly  influenced by harmonics due  to  the  fact  that  large  signal used, 

nonetheless  simulated  value  THD  was  low  and  harmonic  components  magnitudes  too(simulation.6), 

therefore it will not have some terrible problem refer to non‐linearity, although we have not considered the 

distortion which could contribute infrared coupling, since it photo diode and photo transistor are non‐linear 

devices, thus supply a great number of harmonics as we can see simulation.5.  

Frequency response results have great error; it is due to the fact that output signal voltage in each amplifier 

reduce the  ideal bandwidth,  in other word  if output signal  increases,  ideal bandwidth decrease, therefore 

frequency  response of driver has an error  larger  than pre‐amplifier,  since  ideal bandwidth was  taken  to 

Vout=2Vpp.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 12: AUDIO AMPLIFIER COUPLED BY INFRARED - polito.it · Fig.1 Audio amplifier coupled by infrared schematic ... p ppp VV V VEE=VCC= 12V are chosen. ... En la Tabla I se encuentra la confrontación

MINI-PROJECT OF ANALOG ELECTRONIC

12

VII. REFERENCES  

  [1] Electronic design, C. J. Savant, 3ª Edition, (Editorial Prentice‐Hall  [2] electronic devices and circuit theory, Boylestad, Robert L. & Nashelsky, Louis , 4ª ed. 1989  [3] Integrated electronics, Millman, Jacob & Halkias, Christos C, McGraw‐Hill Book Company New york (EE.UU.)