Un ampli de puissance push-pull classe B (9 W, 8 Ω), puis une sirène à VCO qui le pilote. Deux cartes gravées et soudées.A class B push-pull power amp (9 W, 8 Ω), then a VCO siren that drives it. Two boards, etched and soldered.
PourquoiWhy
Comprendre la distorsion de croisement, la contre-réaction globale et la dissipation thermique, et faire tout le flot, du calcul à la carte mesurée.To understand crossover distortion, global feedback and heat dissipation, and to do the whole flow, from calculations to a measured board.
CommentHow
Calculs, simulation Proteus/ISIS, routage ARES, gravure chimique, soudure, mesures à l'oscilloscope. En binôme avec Lucas T..Calculations, Proteus/ISIS simulation, ARES layout, chemical etching, soldering, oscilloscope measurements. With Lucas T..
RésultatsResults
Ampli : gain 90, 36 Hz à 26 kHz, 8,4 W. Sirène : f₀ ≈ 730 Hz, balayage de 625 à 833 Hz (plus étroit que le cahier des charges).Amp: gain 90, 36 Hz to 26 kHz, 8.4 W. Siren: f₀ ≈ 730 Hz, sweep from 625 to 833 Hz (narrower than specified).
Projet du module EEL6-EANA2, en binôme avec Lucas T.. Deux cartes : un amplificateur de puissance (partie 1), puis un générateur de sirène qui vient se brancher dessus (partie 2). Chaque carte est passée par tout le flot : cahier des charges, calculs, simulation Proteus/ISIS, routage ARES, gravure, soudure, mesures.
Partie 1 : l'amplificateur classe B
Cahier des charges : charge 8 Ω, entrée 100 mVeff, bande passante 40 Hz à 15 kHz, Zin = 47 kΩ, alim ±15 V. Avec ~3 V de tension de déchet, on a 12 V crête max, soit 9 W et 1,5 A crête, et un gain de 85 (38,6 dB).
Commande : un TL071 en non-inverseur (R1 = 1 kΩ, R2 = 82 kΩ), avec un passe-haut d'entrée 47 kΩ / 82 nF pour virer le continu.
Puissance : push-pull NMOS IRLIZ34N / PMOS IRLIB9343 en drain commun. Gain en tension ≈ 1, mais plein de courant. La contre-réaction englobe les deux étages.
Distorsion de croisement : sans polarisation il y a une zone morte de ~4,2 V (|VTN| + |VTP|). Deux 1N4148 et une Zener 2,4 V mettent 3,6 V entre les grilles, juste sous le seuil, et la zone morte disparaît.
Thermique : Pd,max ≈ 2,85 W par transistor. Sans radiateur, TJ ≈ 200 °C (pas top top : il ne survit pas), avec radiateur ≈ 50 °C.
Schéma fonctionnel de l'ampli : la contre-réaction globale fixe le gain A_v = 1 + R₂/R₁.Block diagram of the amp: global feedback sets the gain A_v = 1 + R₂/R₁.Schéma de l'ampli sous Proteus/ISIS : TL071 en non-inverseur (R1, R2), filtre d'entrée C1 / R3, polarisation D1, D2 et Zener D3, MOSFET complémentaires Q1 (IRLIZ34N) et Q2 (IRLIB9343), condensateurs tantale de découplage.Amplifier schematic in Proteus/ISIS: TL071 as a non-inverting stage (R1, R2), C1 / R3 input filter, D1, D2 and Zener D3 biasing, complementary MOSFETs Q1 (IRLIZ34N) and Q2 (IRLIB9343), tantalum decoupling capacitors.Simulation Proteus, réponse temporelle : tension d'entrée (environ 0,14 V crête) et sortie, qui atteint environ 11,7 V crête.Proteus simulation, time response: input voltage (about 0.14 V peak) and output, reaching about 11.7 V peak.Simulation Proteus, diagramme de Bode : gain plat autour de 38 dB, avec les coupures basse et haute lues à 40 Hz et 45 kHz.Proteus simulation, Bode plot: flat gain around 38 dB, with the low and high cut-offs read at 40 Hz and 45 kHz.
Simulation : déchet 3 V, gain 85, fcb = 40 Hz, fch = 45 kHz, conforme au cahier des charges (youpi). Sur la carte : gain 90, bande passante de 36 Hz à 26 kHz, offset de 12 mV, 11,6 V crête avant écrêtage (donc 3,4 V de déchet, 8,4 W) et un slew rate de 12 V/µs. Au routage, on a pris la symétrie comme doctrine, pour la beauté de la carte ; on aurait pu mettre un plan de masse, mais on n'y a pas pensé. À la soudure on a eu 2 coupures de masse, réparées avec un petit fil. Elle marche, sans grande surprise puisqu'on l'a conçue. On a fini en branchant un vrai haut-parleur (Star Wars et Supermen Lovers, c'est du test rigoureux).
GrandeurQuantity
Cahier des chargesSpec
SimulationSimulation
MesureMeasured
Gain A_vGain A_v
85
85
90
f bas / low (−3 dB)
40 Hz
40 Hz
36 Hz
f haut / high (−3 dB)
15 kHz
45 kHz
26 kHz
Tension de déchetDropout voltage
≈ 3 V
3 V
3,4 V
Puissance utile maxMax output power
9 W
—
8,4 W
Routage ARES (à gauche) et carte réelle (à droite) : étage de commande à gauche, étage de puissance et radiateurs à droite, aucune piste côté composants sous les radiateurs.ARES layout (left) and the real board (right): drive stage on the left, power stage and heatsinks on the right, no top-side track under the heatsinks.
Au TP, la distorsion de croisement a été mesurée sans puis avec la polarisation : une zone morte d'environ 3,5 V sans les diodes, qui disparaît avec elles.
Le push-pull au TP : montage primitif (à gauche, les deux grilles reliées) et montage polarisé par D1, D2 et la Zener D3 (à droite). Schémas Proteus.The push-pull in the lab: primitive stage (left, both gates tied together) and the stage biased by D1, D2 and the Zener D3 (right). Proteus schematics.Mesure sans polarisation : caractéristique de transfert en mode XY (à gauche) et réponse temporelle (à droite). La zone morte centrale (≈ 3,5 V) est la distorsion de croisement.Measurement without biasing: XY transfer characteristic (left) and time response (right). The central dead zone (≈ 3.5 V) is the crossover distortion.Mesure avec la polarisation par diodes : caractéristique de transfert (à gauche) et entrée/sortie à 100 Hz et 10 Vpp (à droite). La zone morte a disparu ; l'étage a un gain d'environ 0,88.Measurement with diode biasing: transfer characteristic (left) and input/output at 100 Hz and 10 Vpp (right). The dead zone is gone; the stage has a gain of about 0.88.Courants de drain mesurés : Q1 (violet) conduit sur l'alternance positive, Q2 (vert) sur l'alternance négative, et la tension de sortie (CH2) les recombine : fonctionnement en classe B.Measured drain currents: Q1 (purple) conducts on the positive half-cycle, Q2 (green) on the negative one, and the output voltage (CH2) recombines them: class B operation.
Pendant le TP on a aussi mesuré à 6 V de sortie un rendement de 46,9 % (47,1 % en théorie), bien au-dessus d'un classe A.
Partie 2 : la sirène
Le but : un son qui balaie en fréquence entre FMIN et FMAX, montée lente et descente rapide, autour de f0 = 700 Hz avec une modulation à 1 Hz.
Modulation : un NE555 en astable (RA = 470 kΩ, RB = 100 kΩ, C = 2,2 µF), qui donne ~1 Hz et un rapport cyclique de 0,85.
Adaptation : un suiveur puis un inverseur (TL072, 100 kΩ / 100 kΩ) pour passer VC (5 à 10 V) en Vmod négatif.
VCO : comparateur à hystérésis (15 kΩ / 47 kΩ) + multiplieur ±1 (un BS170 à la place de R3) + intégrateur (22 kΩ / 33 nF). Ça donne un triangle ±4,5 V dont la fréquence suit |Vmod| : F = K·|Vmod|.
Sortie : un pont diviseur 39 kΩ + potentiomètre 1 kΩ pour descendre à ~100 mV.
Générateur de sirène : le NE555 module un VCO (comparateur + multiplieur ±1 + intégrateur) dont la fréquence suit |V_mod|.Siren generator: the NE555 modulates a VCO (comparator + ±1 multiplier + integrator) whose frequency follows |V_mod|.Schématique complète de la sirène sous Proteus/ISIS : NE555 en astable, suiveur et inverseur TL072, VCO TL074 (comparateur, BS170 en multiplieur ±1, intégrateur 22 kΩ / 33 nF), pont diviseur R_OUT + potentiomètre.Complete siren schematic in Proteus/ISIS: NE555 astable, TL072 follower and inverter, TL074 VCO (comparator, BS170 as the ±1 multiplier, 22 kΩ / 33 nF integrator), R_OUT + potentiometer divider.Mesure : tension du condensateur V_C (rouge, de 5,0 à 10,4 V) et sortie carrée du NE555 (bleu), à environ 0,91 Hz.Measurement: capacitor voltage V_C (red, 5.0 to 10.4 V) and the NE555 square output (blue), at about 0.91 Hz.Mesure, vue d'ensemble : V_C (rouge), V_mod (bleu) et V_mult (jaune). La fréquence de V_mult monte lentement avec V_C et retombe vite : c'est le balayage de la sirène.Measurement, overview: V_C (red), V_mod (blue) and V_mult (yellow). The frequency of V_mult rises slowly with V_C and drops quickly: that is the siren sweep.Mesure : triangle en sortie de l'intégrateur, 729,6 Hz et 8,4 V crête-à-crête, pour une fréquence porteuse visée de 700 Hz.Measurement: triangle at the integrator output, 729.6 Hz and 8.4 V peak-to-peak, for a target carrier of 700 Hz.Mesure des fréquences extrêmes sur V_out : Δt = 1,60 ms soit F_MIN ≈ 625 Hz (à gauche), Δt = 1,20 ms soit F_MAX ≈ 833 Hz (à droite).Measurement of the extreme frequencies on V_out: Δt = 1.60 ms i.e. F_MIN ≈ 625 Hz (left), Δt = 1.20 ms i.e. F_MAX ≈ 833 Hz (right).
GrandeurQuantity
Cahier des chargesSpec
SimulationSimulation
MesureMeasured
F_MIN
≈ 100 Hz
≈ 550 Hz
≈ 625 Hz
F_MAX
≈ 1500 Hz
≈ 900 Hz
≈ 833 Hz
f₀
700 Hz
≈ 700 Hz
≈ 730 Hz
F_mod
1 Hz
≈ 1 Hz
≈ 0,91 Hz
Rapport cyclique αDuty cycle α
≫ 0,5
≈ 0,85
≈ 0,93
Amplitude V_outV_out amplitude
≈ 100 mV
≈ 110 mV
≈ 100 mV
Mesures : f0 ≈ 730 Hz, FMIN ≈ 625 Hz, FMAX ≈ 833 Hz, Fmod ≈ 0,91 Hz, ~100 mV en sortie. L'excursion est plus petite que les 100 à 1500 Hz du cahier des charges : on a ajusté les valeurs sur simulation et ça sonne bien comme sirène, mais on n'est pas pile dans les clous. L'élargir demande de retoucher l'étage d'adaptation.
Côté PCB : NE555 en haut, adaptation au milieu, VCO en bas, découplage 100 nF collé à chaque CI, points test partout et un petit chat sur la sérigraphie (c'est important). Aucun problème de continuité cette fois, on progresse. Et oui, elle fonctionne, mais elle ne fait pas le chat.
Routage ARES (à gauche) et carte gravée puis soudée, avec son chat sur la sérigraphie (à droite).ARES layout (left) and the etched and soldered board, with its cat on the silkscreen (right).
EEL6-EANA2 module project, with Lucas T.. Two boards: a power amplifier (part 1), then a siren generator that plugs into it (part 2). Each board went through the whole flow: specs, calculations, Proteus/ISIS simulation, ARES layout, etching, soldering, measurements.
Part 1: the class B amplifier
Specs: 8 Ω load, 100 mVrms input, 40 Hz to 15 kHz bandwidth, Zin = 47 kΩ, ±15 V supply. With ~3 V of dropout we get 12 V peak max, so 9 W and 1.5 A peak, and a voltage gain of 85 (38.6 dB).
Drive stage: a TL071 as a non-inverting amp (R1 = 1 kΩ, R2 = 82 kΩ), with a 47 kΩ / 82 nF input high-pass to block DC.
Power stage: NMOS IRLIZ34N / PMOS IRLIB9343 push-pull, common drain. Voltage gain ≈ 1 but lots of current. The feedback loop wraps both stages.
Crossover distortion: with no biasing there is a ~4.2 V dead zone (|VTN| + |VTP|). Two 1N4148 and a 2.4 V Zener put 3.6 V between the gates, just under the threshold, and the dead zone goes away.
Thermal: Pd,max ≈ 2.85 W per transistor. Without a heatsink TJ ≈ 200 °C (not great: it would not survive), with one ≈ 50 °C.
Schéma fonctionnel de l'ampli : la contre-réaction globale fixe le gain A_v = 1 + R₂/R₁.Block diagram of the amp: global feedback sets the gain A_v = 1 + R₂/R₁.Schéma de l'ampli sous Proteus/ISIS : TL071 en non-inverseur (R1, R2), filtre d'entrée C1 / R3, polarisation D1, D2 et Zener D3, MOSFET complémentaires Q1 (IRLIZ34N) et Q2 (IRLIB9343), condensateurs tantale de découplage.Amplifier schematic in Proteus/ISIS: TL071 as a non-inverting stage (R1, R2), C1 / R3 input filter, D1, D2 and Zener D3 biasing, complementary MOSFETs Q1 (IRLIZ34N) and Q2 (IRLIB9343), tantalum decoupling capacitors.Simulation Proteus, réponse temporelle : tension d'entrée (environ 0,14 V crête) et sortie, qui atteint environ 11,7 V crête.Proteus simulation, time response: input voltage (about 0.14 V peak) and output, reaching about 11.7 V peak.Simulation Proteus, diagramme de Bode : gain plat autour de 38 dB, avec les coupures basse et haute lues à 40 Hz et 45 kHz.Proteus simulation, Bode plot: flat gain around 38 dB, with the low and high cut-offs read at 40 Hz and 45 kHz.
Simulation: 3 V dropout, gain 85, flow = 40 Hz, fhigh = 45 kHz, in line with the specs (yay). On the board: gain 90, bandwidth 36 Hz to 26 kHz, 12 mV offset, 11.6 V peak before clipping (so 3.4 V dropout, 8.4 W) and a 12 V/µs slew rate. For the layout we took symmetry as a doctrine, for the beauty of the board; we could have added a ground plane, but didn't think of it. While soldering we found 2 ground breaks and fixed them with a small wire. It works, without much surprise since we designed it. We finished with a real speaker (Star Wars and Supermen Lovers, very rigorous testing).
GrandeurQuantity
Cahier des chargesSpec
SimulationSimulation
MesureMeasured
Gain A_vGain A_v
85
85
90
f bas / low (−3 dB)
40 Hz
40 Hz
36 Hz
f haut / high (−3 dB)
15 kHz
45 kHz
26 kHz
Tension de déchetDropout voltage
≈ 3 V
3 V
3,4 V
Puissance utile maxMax output power
9 W
—
8,4 W
Routage ARES (à gauche) et carte réelle (à droite) : étage de commande à gauche, étage de puissance et radiateurs à droite, aucune piste côté composants sous les radiateurs.ARES layout (left) and the real board (right): drive stage on the left, power stage and heatsinks on the right, no top-side track under the heatsinks.
In the lab, crossover distortion was measured without then with the biasing: a dead zone of about 3.5 V without the diodes, which disappears with them.
Le push-pull au TP : montage primitif (à gauche, les deux grilles reliées) et montage polarisé par D1, D2 et la Zener D3 (à droite). Schémas Proteus.The push-pull in the lab: primitive stage (left, both gates tied together) and the stage biased by D1, D2 and the Zener D3 (right). Proteus schematics.Mesure sans polarisation : caractéristique de transfert en mode XY (à gauche) et réponse temporelle (à droite). La zone morte centrale (≈ 3,5 V) est la distorsion de croisement.Measurement without biasing: XY transfer characteristic (left) and time response (right). The central dead zone (≈ 3.5 V) is the crossover distortion.Mesure avec la polarisation par diodes : caractéristique de transfert (à gauche) et entrée/sortie à 100 Hz et 10 Vpp (à droite). La zone morte a disparu ; l'étage a un gain d'environ 0,88.Measurement with diode biasing: transfer characteristic (left) and input/output at 100 Hz and 10 Vpp (right). The dead zone is gone; the stage has a gain of about 0.88.Courants de drain mesurés : Q1 (violet) conduit sur l'alternance positive, Q2 (vert) sur l'alternance négative, et la tension de sortie (CH2) les recombine : fonctionnement en classe B.Measured drain currents: Q1 (purple) conducts on the positive half-cycle, Q2 (green) on the negative one, and the output voltage (CH2) recombines them: class B operation.
In the lab session we also measured 46.9 % efficiency at 6 V output (47.1 % in theory), well above a class A.
Part 2: the siren
The goal: a sound that sweeps between FMIN and FMAX, slow rise and fast fall, around f0 = 700 Hz with a 1 Hz modulation.
Modulation: a NE555 astable (RA = 470 kΩ, RB = 100 kΩ, C = 2.2 µF), giving ~1 Hz and a 0.85 duty cycle.
Adaptation: a follower then an inverter (TL072, 100 kΩ / 100 kΩ) to turn VC (5 to 10 V) into a negative Vmod.
VCO: hysteresis comparator (15 kΩ / 47 kΩ) + ±1 multiplier (a BS170 in place of R3) + integrator (22 kΩ / 33 nF). It gives a ±4.5 V triangle whose frequency follows |Vmod|: F = K·|Vmod|.
Output: a 39 kΩ + 1 kΩ pot divider to bring it down to ~100 mV.
Générateur de sirène : le NE555 module un VCO (comparateur + multiplieur ±1 + intégrateur) dont la fréquence suit |V_mod|.Siren generator: the NE555 modulates a VCO (comparator + ±1 multiplier + integrator) whose frequency follows |V_mod|.Schématique complète de la sirène sous Proteus/ISIS : NE555 en astable, suiveur et inverseur TL072, VCO TL074 (comparateur, BS170 en multiplieur ±1, intégrateur 22 kΩ / 33 nF), pont diviseur R_OUT + potentiomètre.Complete siren schematic in Proteus/ISIS: NE555 astable, TL072 follower and inverter, TL074 VCO (comparator, BS170 as the ±1 multiplier, 22 kΩ / 33 nF integrator), R_OUT + potentiometer divider.Mesure : tension du condensateur V_C (rouge, de 5,0 à 10,4 V) et sortie carrée du NE555 (bleu), à environ 0,91 Hz.Measurement: capacitor voltage V_C (red, 5.0 to 10.4 V) and the NE555 square output (blue), at about 0.91 Hz.Mesure, vue d'ensemble : V_C (rouge), V_mod (bleu) et V_mult (jaune). La fréquence de V_mult monte lentement avec V_C et retombe vite : c'est le balayage de la sirène.Measurement, overview: V_C (red), V_mod (blue) and V_mult (yellow). The frequency of V_mult rises slowly with V_C and drops quickly: that is the siren sweep.Mesure : triangle en sortie de l'intégrateur, 729,6 Hz et 8,4 V crête-à-crête, pour une fréquence porteuse visée de 700 Hz.Measurement: triangle at the integrator output, 729.6 Hz and 8.4 V peak-to-peak, for a target carrier of 700 Hz.Mesure des fréquences extrêmes sur V_out : Δt = 1,60 ms soit F_MIN ≈ 625 Hz (à gauche), Δt = 1,20 ms soit F_MAX ≈ 833 Hz (à droite).Measurement of the extreme frequencies on V_out: Δt = 1.60 ms i.e. F_MIN ≈ 625 Hz (left), Δt = 1.20 ms i.e. F_MAX ≈ 833 Hz (right).
GrandeurQuantity
Cahier des chargesSpec
SimulationSimulation
MesureMeasured
F_MIN
≈ 100 Hz
≈ 550 Hz
≈ 625 Hz
F_MAX
≈ 1500 Hz
≈ 900 Hz
≈ 833 Hz
f₀
700 Hz
≈ 700 Hz
≈ 730 Hz
F_mod
1 Hz
≈ 1 Hz
≈ 0,91 Hz
Rapport cyclique αDuty cycle α
≫ 0,5
≈ 0,85
≈ 0,93
Amplitude V_outV_out amplitude
≈ 100 mV
≈ 110 mV
≈ 100 mV
Measured: f0 ≈ 730 Hz, FMIN ≈ 625 Hz, FMAX ≈ 833 Hz, Fmod ≈ 0.91 Hz, ~100 mV output. The sweep is narrower than the 100 to 1500 Hz in the specs: we tuned the values from simulation and it sounds like a siren, but it is not exactly on spec. Widening it means changing the adaptation stage.
On the PCB: NE555 on top, adaptation in the middle, VCO at the bottom, a 100 nF decoupling cap next to each IC, test points everywhere and a little cat on the silkscreen (it matters). No continuity problem this time, we are getting better. And yes, it works, but it does not meow.
Routage ARES (à gauche) et carte gravée puis soudée, avec son chat sur la sérigraphie (à droite).ARES layout (left) and the etched and soldered board, with its cat on the silkscreen (right).