Alto-falantes paralelos soam ruins, mas as séries são boas

Eu fiz um circuito de alto-falante simples. Parece (pelo menos para mim) surpreendentemente bom (embora um audiófilo provavelmente grite alto e fuja). Atualmente, deparei com um problema.

Para aumentar o volume e aumentar a qualidade do áudio (faça com que os alto-falantes compartilhem o fardo), tentei configurações diferentes para quatro alto-falantes, paralelizando todos, serializando-os e paralelamente dois serializados pelos outros dois. A adição de alto-falantes em série só tem um bom efeito na qualidade do áudio, mas assim que eu uso qualquer um deles em paralelo, a qualidade do áudio fica notavelmente mais ruidosa / distorcida. Eu realmente não entendo o porquê. O que está acontecendo? Quero poder fazer um paralelo entre os alto-falantes porque a serialização deles é boa para a qualidade do áudio, mas diminui o volume, e isso é um problema, especialmente se você quiser usar ainda mais alto-falantes.

Uma correção "simples" seria aumentar a fonte de alimentação para que eu possa acioná-la com tensões mais altas, mas tenho um pouco de medo disso: P e isso também pressionaria mais os componentes envolvidos. Usar um amplificador operacional trilho a trilho talvez possa melhorar um pouco a situação, mas ainda haverá uma perda de tensão nos BJTs push-pull (eu acho), e eu não tenho nenhuma operação trilho a trilho adequada lâmpadas disponíveis.

É irritante que quase funcione. Não preciso da melhor qualidade ou volume do som, mas apenas algo que seja aceitável.

• Link para uma simulação um tanto imprecisa do meu circuito

Informação adicional:

• Os alto-falantes são de dois tipos diferentes, mas, mesmo que eu pareça apenas dois alto-falantes idênticos, o problema de ruído / distorção surge (e deixa os outros dois desconectados).
• Provavelmente não é relevante, mas meu suprimento duplo consiste em duas verrugas de parede de 5 V.
• O op-amp que estou usando é o quad-amp LM324AN . Não é ferroviário para ferroviário.
• Um resistor de 100 (a cerca de 220) ohm entre a saída imediata do op-amp correto e o terra diminui o ruído em todas as configurações. Não sei porque; Acabei de tropeçar nisso quando conectei um cabo incorretamente: p
• E BTW: Eu não acho que o problema de ruído / distorção seja causado por alto-falantes paralelos consumindo muita corrente, porque o volume não tem nenhum / pequeno efeito sobre ele. Tratava-se de um problema de fornecimento atual, e um volume maior pioraria (eu acho).
• O objetivo do primeiro amplificador operacional é centralizar a entrada de 0 V a 5 V em torno de GND, ou seja, a saída do primeiro amplificador operacional é de -2,5 V a +2,5 V.
• Ambos os amplificadores operacionais são fornecidos a partir dos trilhos de +5 V -5 V. Infelizmente, isso não está aparecendo no esquema.

Um pouco mais de pesquisa

Okey. Então, coloquei o meu osciloscópio em ação e verifiquei a tensão antes dos alto-falantes (depois do push-pull).

É assim que se parece com um alto-falante (e sim, há muito ruído> 20 kHz):

É assim que parece com dois alto-falantes idênticos em paralelo sob as mesmas circunstâncias. A tensão realmente não diminuiu, mas há uma coisa estranha na parte inferior, que deve ser o ruído que ouço:

Na imagem a seguir, é ainda mais perceptível !:

BTW, o segundo traço é apenas um marcador. Não está mostrando o solo e o solo está aproximadamente no meio da forma de onda.

Oh! Lamento muitíssimo que o esquema esteja errado em um ponto crucial. Eu tive o feedback após os push-pulls! Como isso:

================================

Um pouco mais de pesquisa e solução

================================

Primeiro, uma imagem do sinal de áudio no rastreamento1 e GND no rastreamento2, conforme solicitado. Não parece ser muito tendencioso DC:

Mas ainda assim foi interessante ver como os trilhos pareciam quando o áudio estava barulhento. Esta é uma imagem do trilho positivo e do GND. Parece barulhento e piora com um volume maior:

O trilho negativo está no mesmo volume e é notavelmente pior que o trilho positivo, pelo menos para os meus olhos (minha câmera lenta fica tremida!):

A primeira coisa que tentei foi adicionar um capacitor de 1 µF entre a saída do amplificador operacional e o terra, e fiquei bastante surpreso ao saber que o ruído desapareceu !!

É assim que o barramento negativo se parece com o mesmo volume, mas com o capacitor de 1 µF adicionado:

Então esse capacitor simples de 1 µF resolveu meu problema! Obrigado a todos, levaria MUITO mais tempo para eu resolver isso sem a sua ajuda :)

É assim que uma onda sinusal se parece depois que o capacitor foi adicionado. Mmm, eu posso encarar isso o dia inteiro ...:

Atualização 2016-03-09

Substituí o shifter de nível opamp por um capacitor de filme de acoplamento CA de 1uF e um resistor de 10k ohm ao GND depois dele. Eu realmente não notei nenhuma melhoria na qualidade do som, mas notei que o viés com um capacitor em vez do comutador de nível opamp é mais seguro . Com o comutador de nível opamp, se, por qualquer motivo, colocasse o sinal muito alto ou muito baixo, a parte NPN ou PNP do estágio de saída push-pull teria que carregar uma carga mais pesada, resultando em aquecimento (nada bom! ) Então, vou manter o capacitor de acoplamento CA.

Também adicionei um indutor para filtrar as frequências PWM (~ 0,3 mF), que melhoraram muito a aparência da curva senoidal.

No entanto, mesmo com essas duas melhorias, o problema original ainda surgirá se eu remover a tampa de 0,22 uF entre o pino de saída do opamp e o GND. Abaixo, há imagens mostrando uma onda senoidal de 440Hz com e sem o limite de 0,22uF.

O seu amplificador possui uma impedância de saída fixa e oscilação de tensão finita. Para obter o máximo de energia, a impedância de carga deve corresponder à impedância de saída. Dois alto-falantes em paralelo têm metade da impedância de um alto-falante. Aparentemente, isso é muito baixo para o seu amplificador funcionar corretamente.

Provavelmente, seus suprimentos "inoportunos" estão desabando sob o alto fluxo de dois alto-falantes em paralelo. A tensão de alimentação mais baixa torna a faixa morta de 1,5 V na sua saída uma fração maior da distorção geral, aumentando significativamente. Você não diz que tipo de opamps você está usando, exceto que eles não são ferroviários. A tensão de alimentação pode estar diminuindo até o ponto em que resta pouca região ativa entre a faixa morta na saída e a faixa de saída do opamp final.

Além disso, partes do seu circuito não fazem sentido e podem ser facilmente substituídas por um design melhor:

1. Você possui ± suprimentos simétricos. Isso é bom. Então, por que, por que, por que você está desviando a entrada do centro do solo?

   Após uma inspeção mais detalhada, parece que você está mudando de nível para compensar o sinal de entrada centralizado em torno de 2,5 V. Isso é simplesmente bobo.

   Você não pode ouvir DC. Até o áudio "HiFi" diminui apenas para 20 Hz. A maneira óbvia de lidar com as compensações CC de entrada é acoplar o sinal à CA. Livre-se de toda a bobagem à esquerda da entrada positiva do segundo opamp. Substitua-o por uma tampa de 1 µF em série, seguida por um resistor de 10 kΩ ao terra.

2. Você parece disposto a viver com a banda morta no estágio de saída do seguidor de emissor duplo, mas pelo menos inclua-a no loop de feedback para que o opamp possa tentar compensá-la. Tudo o que é necessário é conectar o resistor de realimentação de 10 kΩ (Argh, sem designadores de componentes) à saída de todo o amplificador, em vez da saída do opamp.

Aqui está o seu circuito básico com os pontos óbvios mencionados acima corrigidos:

Observe que isso é mais simples e funcionará melhor.

Existem maneiras de reduzir significativamente a faixa morta do estágio final. Dois diodos é uma abordagem muito comum.

O que eu costumo fazer é usar mais alguns transistores no estágio de saída para obter um ganho de 2. O estágio anterior precisa apenas dirigir para ± metade da faixa de fornecimento. Isso acaba por precisar de um opamp ferroviário, que geralmente não está disponível com ± 12 V ou mais nos quais você deseja executá-los.

Adicionado em resposta aos rastreamentos de escopo

Você tem ainda mais problemas do que imagina.

Seu circuito está oscilando sob carga, quase certamente alimentando as fontes de alimentação. Eu deveria ter mencionado isso explicitamente, mas é isso que C3 e C4 no meu circuito pretendem impedir. Experimente o circuito que publiquei. Ele usa principalmente as mesmas peças, mas deve ter um desempenho melhor.

Você também pode ver evidências da banda morta do estágio de saída no rastreamento do escopo. Novamente, incluir o estágio de saída na aparência de feedback ajudará nisso, embora não o conserte.

Agora vejo que o opamp é um LM324. Essa não é uma boa escolha para áudio. Eu usaria um TL07x com suprimentos de ± 12 V. Isso provavelmente significará transistores de saída mais robustos, possivelmente com dissipadores de calor.

Depois que você começar a trabalhar, eu posso mostrar como obter mais oscilação de tensão e menos banda morta do estágio de saída, mas uma coisa de cada vez. Isso seria para uma nova pergunta de qualquer maneira.

• E aliás. Eu não acho que o problema de ruído / distorção venha dos alto-falantes paralelos consumindo muita corrente, porque o volume não tem nenhum / pequeno efeito. Tratava-se de um problema de fornecimento atual, e um volume maior pioraria (eu acho).

Gosto que você tenha aplicado alguma boa técnica / lógica de solução de problemas elétricos aqui. Infelizmente, porém, sua lógica perdeu um ponto saliente.

Ao dirigir transdutores de áudio dinâmicos (alto-falantes com ímãs e bobinas de voz), o seu amplificador precisa ter uma impedância de fonte mais baixa do que a carga que está conduzindo.

A quantidade que a impedância da fonte do amplificador atinge abaixo da impedância de carga dos alto-falantes é chamada de " fator de amortecimento " no mundo do áudio profissional, em relação a ele relacionado à capacidade do amplificador de acionar o alto-falante com precisão enquanto a corrente extra disponível (e diretamente a capacidade relacionada de combater afundamentos de tensão combate (amortece) os efeitos do ar em movimento e vibrações externas, etc., tentando distorcer o movimento da bobina de voz.

Para executar efetivamente 4 alto-falantes incompatíveis em sua saída, sem fritar nenhum alto-falante e sem causar distorção ruim, você realmente precisará adicionar mais três pautas finais de saída em paralelo ao que você tem agora. Em seguida, você pode conectar cada alto-falante à sua própria saída. Isso alcançará a capacidade de volume / volt mais alta que você deseja obter paralelamente os alto-falantes, evitando soprar seu amplificador consumindo muita corrente e soprando o alto-falante com a impedância mais baixa, porque a maior parte da energia fluiria através dele se os alto-falantes fossem tudo paralelo em um canal.

- - - - - - - - - - Added Schematic - - - - - - - - - -

Aqui está um esquema de um circuito, usando a maioria dos componentes existentes, combinando passa-baixo / passa-alto na entrada de áudio para se livrar do deslocamento DC e do ruído ultrassônico PWM. Além disso, inclui saídas de unidade de alto-falante paralelas, juntamente com os capacitores de desacoplamento da Olin entre fontes de alimentação e fonte, além de desacoplar o LM324AN.

Nota: Definitivamente, seria melhor direcionar cada unidade push / pull a partir de uma saída opamp separada, com seu próprio loop de feedback, mas isso exigiria mais 2 LM324ANs (o fio use o feed de 1OUT para executar todas as 4 seções "final out", com cada "saída final" cabeada como OpAmps 3 e 4 a 1 alto-falante por par OpAmp)