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CV

Ampli audio push-pull classe B et sirène électroniqueClass B push-pull audio amplifier & electronic siren

Analogique / AnalogProteus / ARESPCBEEL6-EANA2
QuoiWhat
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 Traoré.Calculations, Proteus/ISIS simulation, ARES layout, chemical etching, soldering, oscilloscope measurements. With Lucas Traoré.
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 Traoré. 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 (il ne survit pas), avec radiateur ≈ 50 °C.
EntréeInputPasse-haut47 kΩ / 82 nFHigh-pass47 kΩ / 82 nFTL071Av = 85Push-pullIRLIZ34NIRLIB9343HP 8 ΩSpeaker 8 ΩContre-réaction (R₂ / R₁), englobe les deux étagesFeedback (R₂ / R₁), wraps both stagesÉtage de commandeDrive stageÉtage de puissancePower stage
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.

Simulation : déchet 3 V, gain 85, fcb = 40 Hz, fch = 45 kHz. 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. À la soudure on a eu 2 coupures de masse, réparées avec un petit fil. On a fini en branchant un vrai haut-parleur (Star Wars et Supermen Lovers, c'est du test rigoureux).

GrandeurQuantityCahier des chargesSpecSimulationSimulationMesureMeasured
Gain A_vGain A_v858590
f bas / low (−3 dB)40 Hz40 Hz36 Hz
f haut / high (−3 dB)15 kHz45 kHz26 kHz
Tension de déchetDropout voltage≈ 3 V3 V3,4 V
Puissance utile maxMax output power9 W—8,4 W

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.
NE555astable ~1 HzAdaptationsuiveur + inverseurAdaptationfollower + inverterVCOComparateurà hystérésisHysteresiscomparatorMultiplieur ±1(BS170)±1 multiplier(BS170)Intégrateur22 kΩ / 33 nFIntegrator22 kΩ / 33 nFPont diviseur39 kΩ + potDivider39 kΩ + potV_CV_modV_intV_out ≈ 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|.
GrandeurQuantityCahier des chargesSpecSimulationSimulationMesureMeasured
F_MIN≈ 100 Hz≈ 550 Hz≈ 625 Hz
F_MAX≈ 1500 Hz≈ 900 Hz≈ 833 Hz
f₀700 Hz≈ 700 Hz≈ 730 Hz
F_mod1 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.

EEL6-EANA2 module project, with Lucas Traoré. 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 (it would not survive), with one ≈ 50 °C.
EntréeInputPasse-haut47 kΩ / 82 nFHigh-pass47 kΩ / 82 nFTL071Av = 85Push-pullIRLIZ34NIRLIB9343HP 8 ΩSpeaker 8 ΩContre-réaction (R₂ / R₁), englobe les deux étagesFeedback (R₂ / R₁), wraps both stagesÉtage de commandeDrive stageÉtage de puissancePower stage
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.

Simulation: 3 V dropout, gain 85, flow = 40 Hz, fhigh = 45 kHz. 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. While soldering we found 2 ground breaks and fixed them with a small wire. We finished with a real speaker (Star Wars and Supermen Lovers, very rigorous testing).

GrandeurQuantityCahier des chargesSpecSimulationSimulationMesureMeasured
Gain A_vGain A_v858590
f bas / low (−3 dB)40 Hz40 Hz36 Hz
f haut / high (−3 dB)15 kHz45 kHz26 kHz
Tension de déchetDropout voltage≈ 3 V3 V3,4 V
Puissance utile maxMax output power9 W—8,4 W

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.
NE555astable ~1 HzAdaptationsuiveur + inverseurAdaptationfollower + inverterVCOComparateurà hystérésisHysteresiscomparatorMultiplieur ±1(BS170)±1 multiplier(BS170)Intégrateur22 kΩ / 33 nFIntegrator22 kΩ / 33 nFPont diviseur39 kΩ + potDivider39 kΩ + potV_CV_modV_intV_out ≈ 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|.
GrandeurQuantityCahier des chargesSpecSimulationSimulationMesureMeasured
F_MIN≈ 100 Hz≈ 550 Hz≈ 625 Hz
F_MAX≈ 1500 Hz≈ 900 Hz≈ 833 Hz
f₀700 Hz≈ 700 Hz≈ 730 Hz
F_mod1 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.