L’amplificatore per cuffie BA120 è un circuito progettato per fornire le migliori prestazioni durante l’ascolto in cuffia. Grazie a una circuitazione estremamente veloce e a un’ottima capacità di pilotaggio del carico, il circuito è in grado di fornire le eccellenti prestazioni di distorsione, rumore e potenza richieste durante l’ascolto con qualsiasi comune cuffia commerciale.
Progetto
Il circuito è costituito da uno stadio di potenza estremamente veloce pilotato da un op-amp per applicazioni audio con prestazioni di distorsione e rumore particolarmente elevate.
L’op-amp OPA134 integra un ingresso a JFET caratterizzato da una tensione di rumore di soli 8 nV/√Hz, un offset in ingresso di ±0,5 mV e una distorsione armonica totale ad anello chiuso di circa −122 dB (0,00008%). Grazie al suo elevato guadagno ad anello aperto di circa 120 dB su 600 Ω, questo op-amp può essere efficacemente sfruttato per pilotare uno stadio d’uscita a componenti discreti, garantendo prestazioni audio elevatissime.
Lo stadio d’uscita è basato su una configurazione particolarmente veloce, dove uno coppia complementare di amplificatori a collettore comune (Q1 e Q3) pilota una coppia di transistori finali in classe AB (Q5 e Q6). I primi, sono polarizzati da una coppia di sorgenti di corrente costante (Q2 e Q4) che impiegano LED rossi di tipo classico (D1 e D2) come riferimenti di tensione da ~1,8 V. Grazie alla particolare configurazione circuitale impiegata, questo stadio d’uscita vanta una banda passante estesa ed uno slew rate estremamente elevato, che lo rendono particolarmente performante nel pilotaggio di carichi impegnativi.
Tutti i resistori sono a strato metallico all’1% di tolleranza, con potenza di 0,6 W. I condensatori di segnale (C1 e C6) sono in film plastico metallizzato, mentre quelli sull’alimentazione sono ceramici multistrato (C2 e C3) ed elettrolitici in alluminio (C4 e C5) da almeno 25 V.
L’alimentazione è di tipo duale, compresa tra ±12 V e ±15 V. Questo garantisce una potenza di oltre 2 W su un carico da 32 Ω. L’assorbimento medio di ciascun modulo alla massima potenza è tipicamente inferiore a 0,5 A efficaci per ramo, per cui un’alimentazione da 1 A basata sui classici regolatori della serie LM7812/LM7912 o su un moltiplicatore di capacità ad alte prestazioni di tipo BP221 è perfetta per alimentare una coppia di moduli BA120 impiegati in configurazione stereo.
Costruzione
Ciascun canale è realizzato su una scheda individuale di soli 50 mm × 50 mm, che ne consentono l’alloggiamento in contenitori di piccole dimensioni. Il circuito stampato è a doppia faccia, ed è stato disegnato usando grandi piani di potenza e di massa, capaci di garantire le massime prestazioni oltre che migliorare significativamente l’immunità del circuito ai disturbi esterni.
Una realizzazione stereo richiede due schede BA120 identiche, che possono essere alimentate dalla stessa alimentazione o da due alimentatori separati. L’interasse dei fori è di 40 mm, e le schede possono essere sovrapposte. I transistori finali (Q5 e Q6) devono essere montati su un dissipatore per smaltire il calore generato durante il funzionamento.
Mi sono accorto di aver commesso un errore nel calcolo del guadagno: in realtà R5 dovrebbe essere 4020 Ohm per ottenere un guadagno di circa 5 perchè la formula è 1+R5/R2.
Andrea
Buongiorno e complimenti per la interessante realizzazione, molto compatta, semplice ma dalla eccellenti prestazioni tecniche e sonore, anche secondo il feedback degli hobbisti che la hanno realizzata.
Ho alcune domande:
Vorrei in futuro poter pilotare delle cuffie a bassa impedenza e bassa efficienza (trasduttori EMT e magnetoplanari) quindi vorrei aumentare la tensione di alimentazione ad almeno +- 18V e il guadagno, portandolo a 5.
— Per il guadagno basta aumentare il valore di R5 a 5,11kOhm ma la compensazione C6 a che valore deve essere impostata per non sacrificare slew rate e banda passante?
— Le resistenze di emitter R8/R9 possono essere portate a 0,47 Ohm senza problemi magari dimensionando meglio il dissipatore o è consigliabile sostituire i transistors di uscita con tipi più robusti ma sempre veloci (D44/45 H11(pin invertiti) ad esempio, che sono facilmente reperibili) Hai altri suggerimenti oltre il TIP31G che mi sembra un po’ lento? (Ft. 3 MHz contro i 40 MHz del D44/45 H11)
— Aumentando la tensione di alimentazione a 18V o 22V è necessario variare la rete di polarizzazione dei transistor Q1,Q2,Q3,Q4? Se si come?
— Ci sono anche altri operazionali con tensione di alimentazione più alta come l’LME49870 (+- 22V) ma non credo abbiano l’ingresso a fet. Si possono utilizzare ugualmente senza compromettere l’offset di uscita?
— Si potrebbe eventualmente utilizzare al posto dell’OPA134 l’operazionale a discreti da te realizzato impostando il guadagno a 20dB? Oltre il guadagno un po’ eccessivo per un amplicuffia ci sarebbero altre controindicazioni, tipo stabilità, offset, rumore, etc.?
— Hai fatto delle misure di risposta, slew rate e THD in funzione della frequenza e dell’impedenza di carico?
— Potresti illustrarci come realizzare e cablare correttamente per evitare problemi di massa, una versione bilanciata che potrebbe interessare molto chi già possiede cuffie con tale connessione e garantire il pilotaggio di qualunque tipo di cuffia con dinamica elevatissima? Credo che il punto critico (e costoso) della realizzazione sarebbe la qualità dell’attenuatore a passi di ingresso ad alta precisione.
Grazie per l’attenzione
Andrea
Salve Andrea,
rispondo in ordine:
– Per ottenere un’amplificazione pari a 5 mantenendo la stessa frequenza di taglio della rete, è sufficiente aumentare R5 a 4 kohm (e.g. 3,9 kohm) e ridurre C6 a 250 pF (e.g. 220-270 pF).
– Le resistenze di emettitore possono essere ridotte; la sostituzione dei transistori d’uscita è possibile, ma potrebbe richiedere una diversa compensazione in frequenza del circuito per cui vanno eseguite le dovute verifiche sulla stabilità.
– La rete di polarizzazione non è eccessivamente sensibile alle variazioni della tensione di alimentazione. Al limite si potrebbe aumentare R6 a 4,7-6.8 kohm per limitare la corrente sui LED.
– Purtroppo la scelta degli op-amp è limitata dalla necessità di avere una bassa corrente di polarizzazione in ingresso per prevenire l’offset in uscita. Pertanto è stato selezionato un op-amp con ingresso a FET. Altri modelli con simili correnti di polarizzazione in ingresso possono essere idonei; in alternativa è necessario prevedere un sistema di riduzione dell’offset (p.es. mediante regolazione oppure mediante servo DC, entrambi facilmente implementabili).
– L’op-amp BK251 è progettato per ingressi a basso livello e per circuiti ad elevato guadagno (e.g., preamplificatori phono o microfonici), mentre qui abbiamo un ingresso ad alto livello e conseguentemente un guadagno sostanzialmente inferiore, per cui non mi aspetto vantaggi significativi.
– Lo sviluppo del progetto ha previsto l’esecuzione di numerose misure e simulazioni finalizzate ad ottimizzare e caratterizzare il circuito, incluse quelle indicate. Data la mole di dati raccolti, questi non sono discussi estensivamente nell’articolo a beneficio della concisione.
– La realizzazione di una versione bilanciata è certamente possibile e la soluzione non è dissimile da quella generalmente adottata in ogni altro circuito del genere. Sostanzialmente è sufficiente prevedere una coppia di amplificatori per ogni canale, mantenendo strette tolleranze sul guadagno complessivo (i.e. attenuatori e partitori R5/R2 di precisione) per mantenere un’elevata reiezione dei disturbi di modo comune. Non sono quindi necessarie modifiche sostanziali al circuito, se non la duplicazione dei moduli impiegati. Ad ogni modo, la gestione dei problemi di massa può essere facilmente ottimizzata anche in una versione non bilanciata, al punto che gli esemplari qui illustrati nella versione nativa non presentano alcun disturbo legato alla massa. L’uso di schede di alimentazione come la BP221 illustrata in questo sito risulta particolarmente utile in tal senso.
Vorrei utilizzare tale amplificatore con piccoli diffusori ad alta efficienza magari autocostruiti con impedenza 4 o 8 ohm. Vorrei gentilmente sapere in tal caso quale potenza di uscita otterrei e se ci sono valori da modificare per ottimizzare l’ uso del circuito a tale scopo. Specifico che era tempo che cercavo un circuito serio con l’ uso di banalissimi finali BD139/40 e finalmente forse ho trovato il mio schema; appare eccezionale e spero di poterlo usare. Grazie per la risposta
Salve Antonio,
naturalmente il BA120 è capace di pilotare anche carichi più impegnativi, come dei piccoli diffusori da qualche watt. Nel mio laboratorio, uso regolarmente una versione leggermente modificata del circuito riportato in questo articolo, in cui la coppia BD139/BD140 è stata sostituita con una coppia TIP31G/TIP32G (adatti a smaltire il calore più rapidamente grazie al loro contenitore TO220) e portando i resistori R8/R9 a 0,22 Ω. Con questo circuito alimentato a ±15 V, riesco ad ottenere tranquillamente circa 4 W su 4 Ω, oppure circa 7 W su 8 Ω, più che sufficienti a pilotare piccoli diffusori con una buona efficienza. Per realizzare questa versione, ho impiegato il PCB originale, ma ho montato i TIP31G/TIP32G nel lato inferiore per via della piedinatura invertita. Ho quindi fissato il tutto direttamente su un dissipatore capace di ospitare due schede, ottenendo un amplificatore stereo che sta nel palmo di una mano.
Ho realizzato il circuito e devo riconoscerne i pregi. Il mio amplificatore integrato non mi convinceva, e con questo ho finalmente risolto la mia necessità: il suono è cristallino, dettagliato, ricco e avvolgente. Si riesce a ricostruire il soundstage con precisione e non è mai stancante. Davvero un ottimo circuito, con tanta potenza da vendere!!!
salve francesco anchio vorrei realizzare questo ampli ma x favore mi dici dove hai compreto le resistenze se on line xche’ non riesco a trovarle alcuni siti hanno certi valori ma non tutti e il trasformatore d’alimentazione grazie 1000 ma il pcb eventualmente si puo’ acquistare da qualche parte
PCB di ottima fattura e dimensioni compatte. L’amplificatore funziona divinamente, suono potente, pulito e con dinamica impressionante anche con le cuffie più difficili. Ha dato nuova vita alle mie cuffie. Ottimo progetto, ne prenderò presto un’altra coppia.
salve francesco anchio vorrei realizzare questo ampli ma x favore mi dici dove hai compreto le resistenze se on line xche’ non riesco a trovarle alcuni siti hanno certi valori ma non tutti e il trasformatore d’alimentazione grazie 1000 ma il pcb eventualmente si puo’ acquistare da qualche parte
Buongiorno,
bellissimo progetto : lo vorrei realizzare anch’io e mi chiedevo se è possibile acquistare il pcb.
Grazie e buona giornata
Pierluigi