Wzmacniacz audio LM386 – pomiary

We wcześniej opublikowanym artykule opisywaliśmy jak samodzielnie zmontować mini wzmacniacz audio LM386 (tutaj). Teraz przyjrzeliśmy się jego nocie katalogowej i sprawdziliśmy w praktyce wybrane parametry. Układ wymaga zasilania napięciem stałym z przedziału od 4V do 12V – co umożliwia jego wykorzystanie w urządzeniach przenośnych zasilanych bateriami. Obsługa modułu jest bardzo prosta: podłączamy sygnał wejściowy audio do złącza typu gniazdo Jack 3,5. Napięcie zasilające doprowadzamy do gniazda DC-JACK, a głośnik podłączamy do wyjścia SP na złączu typu GOLD-PIN 2,54 mm. Regulację głośności (wzmocnienia) realizuje się przy pomocy potencjometru. Na płytce drukowanej wzmacniacza jest czerwona dioda LED, która sygnalizuje obecność  zasilania w układzie.

Gotowy moduł do kupienia: http://www.gotronik.pl/mini-wzmacniacz-lm386-p-4044.html
Zestaw do samodzielnego montażu do kupienia: http://www.gotronik.pl/wzmacniacz-audio-lm386-zestaw-do-samodzielnego-montazu-p-2406.html

Przyjrzyjmy się parametrom podawanym przez producenta modułu:

• chip LM386
• zakres napięcia zasilania: 4V do 12Vdc
• moc wyjściowa: do 0,5 W
• pobór prądu (bez obciażenia): ok. 4 mA
• złącze zasilania: DC-Jack
• złącze wejścia sygnału AUDIO: Jack 3,5 mm
• wyjście na głośnik: gold-pin 2,54 mm
• orientacyjne wymiary: 37 x 41 mm

Pomiary wybranych parametrów wzmacniacza LM386:

Wzmacniacze mocy audio charakteryzuje bardzo wiele parametrów elektrycznych. W trakcie pomiarów możemy zmierzyć parametry np.  współczynnik wzmocnienia napięciowego/prądowego/mocy, zniekształcenia nieliniowe, współczynnik S/N i jeszcze szereg innych. Biorąc pod uwagę bardzo niską cenę oferowanego wzmacniacza LM386 i jego prostą budowę skupimy się na najbardziej praktycznych parametrach, które z pewnością zainteresują potencjalnego klienta. Zdecydowaliśmy że wykonamy podstawowe 3 układy pomiarowe do wyznaczenia następujących parametrów:

1. Wyznaczenie współczynnika wzmocnienia napięciowego Ku.
2. Zbadamy wpływ napięcia zasilania na współczynnik wzmocnienia napięciowego.
3. Wyznaczymy szerokość pasma przenoszenia badanego modułu wzmacniacza LM386.

przystępuję do wykonywania pomiarów 🙂

1. W celu wyznaczenia współczynnika wzmocnienia napięciowego wzmacniacza LM386 zestawiam układ pomiarowy jak na poniższym zdjęciu:

Układ pomiarowy

Do symulowania źródła dźwięku audio wykorzystam generator funkcyjny SDG1020. Ustawiam przebieg sinusoidalny o częstotliwości f=1kHz i amplitudzie wyjściowej 450mVpp (ang. peak-peak – „pik-pik” wartość między-szczytowa napięcia). Sygnał z generatora podłączam do wejścia IN wzmacniacza. Do zasilania układu wykorzystuję zasilacz laboratoryjny RPS-3005DB na którym ustawiam wartość napięcia 12,00 V. Wyjście wzmacniacza opisane SP (speaker) podłączam do oscyloskopu cyfrowego DSO5102BM, na którym będę obserwował kształt przebiegu i zmiany parametrów wyjściowych. W celu łatwego zobrazowania zmieniających się parametrów do kanału pierwszego CH1 podłączam wyjściowy sygnał wzmacniacza, a do kanału CH2 podłączam źródło sygnału wejściowego (z generatora funkcyjnego). Dzięki takiemu podłączeniu w czasie rzeczywistym mogę obserwować i porównywać zmiany na wyjściu wzmacniacza względem źródła sygnału.

Badanie zakresu wzmocnienia napięciowego:

Regulując potencjometrem wzmacniacza LM386 sprawdzam jaki jest zakres regulacji współczynnika wzmocnienia. Poniżej zamieszczam wyniki pomiarowe – oscylogramy w formie animowanego pliku graficznego:

Regulacja wzmocnienia

Zmierzony zakres wzmocnienia napięciowego Ku przy napięciu zasilania równym 12 V można regulować w granicy od 0 do 25. Współczynnik wzmocnienia napięciowego Ku jest to stosunek wartości napięcia wyjściowego Uwy do wartości napięcia wejściowego Uwe. W naszym przypadku napięcie wejściowe ze źródła sygnału (generator SDG1020) miało stałą wartość Uwe = 450mV. Maksymalne napięcie wyjściowe jakie zmierzyliśmy przy maksymalnym ustawieniu wzmocnienia na potencjometrze wynosiło Uwy = 11,60V. Stąd łatwo obliczyć Ku= 11,60V/0,45V=25.

Warto zaznaczyć że przy maksymalnej wartości wzmocnienia wejściowy przebieg sinusoidalny na wyjściu jest znacznie zniekształcony. Można nawet stwierdzić że sinusoida przechodzi w prostokąt. W praktyce będzie to oznaczało istotne zniekształcenie dźwięku słyszalne nawet przez osoby bez tzw. „słuchu muzycznego”. Na poniższym widać zniekształcony przebieg przy maksymalnym wzmocnieniu.

Maksymalna wartość wzmocnienia

2. Badanie wpływu napięcia zasilającego moduł wzmacniacza na współczynnik wzmocnienia Ku.

Układ pomiarowy pozostaje taki sam jak w poprzednim punkcie. Przy stałym (niezmiennym) ustawieniu potencjometru wzmocnienia będę zmieniał wartość napięcia zasilania na zasilaczu laboratoryjnym RPS-3005DB. Startuję od maksymalnej wartości Uzas = 12V i obniżam wartość napięcia do Uzas = 4V z krokiem co 1 V. Z otrzymanym wartości pomiarowych sporządzam poniższą charakterystykę zależności współczynnika wzmocnienia od wartości napięcia zasilającego.

Wykres zależności wzmocnienia Ku od napięcia zasilania

Jak widać na powyższym wykresie zależność wartości wzmocnienia od napięcia zasilającego jest liniowe co oznacza w praktyce: im wyższa wartość napięcia zasilającego tym większe wzmocnienie… im wyższe napięcie zasilania tym głośniej będzie grało ;P

Przy okazji sprawdziliśmy jaki jest pobór prądu spoczynkowego (czyli bez podłączonego sygnału wejściowego i braku obciążenia). Może to być istotna informacja w przypadku wykorzystania modułu wzmacniacza LM386 w przenośnych urządzeniach zasilanych bateriami lub akumulatorkami (w celu doboru odpowiedniej wartości pojemności akumulatora).

Pobór prądu (bez sygnału wejściowego) w zależności od napięcia zasilania:

• dla U = 5 V pobór prądu wynosi 4,79 mA
• dla U = 9 V pobór prądu wynosi 5,98 mA
• dla U = 12 V pobór prądu wynosi 6,8 mA

3. Badanie pasma przenoszenia:

Ostatnim naszym pomiarem będzie wyznaczenie pasma przenoszenia wzmacniacza audio. Pasmo przenoszenia wzmacniacza jest to zakres częstotliwości w których następuje wzmocnienie sygnału wejściowego na wyjściu wzmacniacza. Poza pasmem przenoszenia wzmacniacz tłumi sygnał wejściowy.

fd – wartość częstotliwości dolnej
fg – wartość częstotliwości górnej

Pasmo przenoszenia jest to zakres częstotliwości pomiędzy fd i fg. Szerokość pasma przenoszenia wyrażana jest w Hz (hercach).
Jak wyznaczyć częstotliwość dolną fd i górną fg?

Układ pomiarowy pozostaje bez zmian. Na potencjometrze od wartości wzmocnienia LM386 ustawiamy wartość mniej więcej środkową – tak by sygnał na wyjściu nie był zniekształcony. W generatorze SDG1020 startujemy z częstotliwością od 0 Hz w górę. Zmieniamy tylko jeden parametr – wartość częstotliwości. Wszystkie pozostałe parametry jak wzmocnienia, napięcie zasilania, napięcie z generatora są niezmienne. Na ekranie oscyloskopu DSO5102BM obserwujemy kiedy wartość sygnału wyjściowego ze wzmacniacza spadnie nam o 3dB (decybele). Spadek o 3dB amplitudy wyjściowej (napięcia) jest to spadek, gdy osiągniemy 0,707 wartości początkowej napięcia wyjściowego (z zakresu pasma przenoszenia). Dla ułatwienia ustawiamy wartość wzmocnienia tak by na wyjściu osiągnąć wartość napięcia wyjściowego Uwy = 10V. Jak łatwo policzyć gdy napięcie to osiągnie wartość 7,07 będzie to spadek amplitudy wyjściowej o 3dB.

Wyznaczyliśmy szerokość pasma przenoszenia dla 2 różnych wartości napięcia zasilania.

• dla U = 12 V  częstotliwość dolna -3dB fd wynosi 470 Hz, częstotliwość górna fg wynosi 320 kHz,
• dla U = 9 V   częstotliwość dolna -3dB fd wynosi 390 Hz, częstotliwość górna fg wynosi  290 kHz

Z otrzymanych wyników pomiarowych możemy przyjąć że szerokość pasma przenoszenia wynosi 300 kHz. Pasmo akustyczne mieści się w zakresie od 16 Hz do 20 kHz W praktyce zakres częstotliwości słyszalnych dźwięków przez ludzi nie przekracza 16 kHz. Zakres częstotliwości ludzkiej rozmowy mieści się w zakresie pomiędzy 500 – 3000 Hz. Więc pasmo przenoszenia LM386 w praktyce jest wystarczające do prostych zastosowań audio, a górna granica pasma przenoszenia wielokrotnie przekracza zakres pasma akustycznego (słyszalnego).

Poniżej zamieszczamy obraz oscylogramu otrzymany przy wykorzystaniu funkcji generatora SDG1020 z przemiatania częstotliwością (funkcja SWEEP).

W generatorze ustawiamy przemiatanie częstotliwością od 1 Hz do 500 kHz,

Funkcja SWEEP

1. Sygnał bezpośrednio z generatora funkcyjengo SDG1020 o stałej amplitudzie i częstotliwości zmiennej od 1 Hz do 500 kHz o czasie przemiatania 5 sekund.
2. Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza przy częstotliwości startowej 1 Hz.
3. Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza przy częstotliwości końcowej 500 kHz.

Z otrzymanego oscylogramu widać dokładnie, że im wyższa częstotliwość tylko mniejsze jest wzmocnienie (a nawet tłumienie).