Preamplificador Stéreo HiFi: Diseño y Construcción

[Dr. Zoidberg]

Como me aburrí de andar midiendo chapas para hacer el bricolage del ampli de 8 canales y ahora tengo que mandarlas a cortar y doblar, decidí poner voluntad en el diseño de un amplificador HiEnd lol capaz de excitar adecuadamente a los filtros y al ampli y entretenerme un rato con algo mas divertido.

Este preamp será estéreo y debe cumplir con lo siguiente como mínimo:

1. Mando de volumen y balance digital usando Control Remoto IR y/o "perilla".
2. Display LCD para mostrar el estado de los ajustes de volumen y balance y otras info necesarias.
3. Control de tono capaz de "corregir" los posibles problemas de los baffles y ajustar las componentes psicoacústicas básicas de la sala.
4. Tener la posibilidad de "mutear" las salidas cuando sea necesario.
5. Tener selección digital de las entradas de señal.
6. Tener ajuste automático de la sensibilidad de entrada necesaria.
7. Tener muy buena performance a costo relativamente bajo.

Ya sé que en el foro hay un par de diseños MUY BUENOS de preamps digitales, pero por desgracia usan los chips TDA7XXX de ST, que si bien son útiles no tienen la "calidad" de audio necesaria (THD, crosstalk, etc) por que son chips para aplicaciones de car-audio que no requieren tantas prestaciones. Por otra parte, el control de tono que necesito no se encuentra en estos chips ni es posible adaptarlos (imaginen compensar el baffle-step del baffle con el control de tono ).

Bueno... para no hacer todo desde cero, vamos a tomar como base el preamp de D. Self que les muestro parcialmente en la siguiente figura:

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Este diseño está muy bueno por que tiene frecuencias de corte variables para los graves y los agudos, lo que ayuda a poder elegir la zona donde comienza a actuar el refuerzo o atenuación del tono. Por otra parte, los ajustes del tono caen a 0dB fuera de la zona de audio (20Hz a 20kHz), con la idea de no reforzar frecuencias muy altas o muy bajas fuera del espectro. En mi caso, tendré que modificar las bajas frecuencias un poco por que ahí opera la LT del subwoofer.

Las siguientes curvas muestran el comportamiento simulado del circuito sin el control de volumen, como para que se den una idea de como opera el control de tono en lo que es respuesta en frecuenica:
Esto es la rsta en Baja Frecuencia:

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Y esta otra es la rsta en Alta Frecuencia:

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Ambos gráficos están hechos a máximo refuerzo y a máxima atenuación, pero barriendo todo el espectro de frecuencias donde es posible cambiar el corte de cada control (cada curva es un 20% de incremento del pote que maneja la frecuencia).

El control de balance no está en la imagen y el control de volumen está dentro del recuadro rojo, y esa es otra zona a modificar, ya que si bien el diseño es un control de volumen de Baxandall con muy buena performance, este usa potenciómetros convencionales y la unica forma de dotarlos de mando remoto con IR es usar potenciómetros motorizados... que no puedo comprar afuera gracias a la @#$%&@.. LPM!! Así que habrá que hacer algunos arreglos para poder usar unos PGA2310 que tengo guardados y que puedo manejar desde un µControlador vía SPI . Sinceramente, me resisto a eliminar o "serruchar" esta zona por que el PCB que haga puede servir para agregar el mando remoto o para usarlo con un pote tradicional sin gastar dinero extra y sin pérdida de performance, así que eso tengo que pensarlo un poco.

Luego sigo con esto...

 

[Dr. Zoidberg]

Gracias por los comentarios y los "me gusta"!!!

Siguiendo con el tema, hay un par de problemas a resolver:
El primero es mantener la fase absoluta (parece que está de onda, pero es mejor así) y eso me fuerza a dejar la etapa de control de volumen presente pero con algunas conexiones sin hacer y componentes sin poner, ya que el control de tono es inversor y el PGA2310 es no-inversor, así que alguien debe dar vuelta la señal en alguna parte, y como que no queda otra que sea el control de volumen modificado... y de paso aprovecho para hacerlo con la posibilidad de un pote manual.

El segundo problema es el diseño del PCB, por que hasta donde he estado analizando (no mucho ) me parece que la mejor solución tal vez sea hacer un PCB por canal y poder apilarlas y conectarlas de alguna forma, por que si intento meter todo en un unico PCB voy a tener que hacer uno dobles faz y va a ser un lío montar los potenciómetros dobles, ya que son necesario cuatro de ellos solo para el control de tono (dos de frecuencia y dos de nivel). Esto va a ser un poco más de artesanía que debo estudiar en detalle antes de que se haga un lío para montar el preamp.

En cuanto el µC, voy a usar un PIC 18F2550, ya que tengo un par , tiene memoria a lo tonto y tiene "patas" suficientes (28) como para cubrir las necesidades de este proyecto, y además tiene multiplicación por hardware, lo que pinta bueno para calcular escalas logarítmicas y esas cosas. La otra vez hice algunas cuentas y me salieron necesarios como 24 terminales I/O, pero tengo que revisarlo... y no sé ni donde puse al papelito .

Por ultimo, la selección de entradas ya está hecha acá, aunque probablemente deba realizarle algunas modificaciones menores para economizar terminales del micro.

El software está(rá) escrito en C usando el CCS, pero llevo recién las rutinas de display, de IR y de gestión de la perilla (un codificador optico de radio de auto que ya algo pregunté por aquí) mas un juego de comandos básicos para activar vía IR.

En fin... mejor que me ponga a ordenar y documentar esto por que es 100% probable que me pierda en algún momento

 

[Tavo]

En fin... mejor que me ponga a ordenar y documentar esto por que es 100% probable que me pierda en algún momento

Mmm, supongo que ese momento ya llegó hace raaaato. Jajaja

 

[Dr. Zoidberg]

Jajaja!!!!
Estoy completamente trancado por que ando con mucho laburo y me queda poco tiempo para dedicarle a este proyecto y al del ampli de 8 canales. Además, falleció el Sr. que me maquinaba las chapas para hacer las cajas, así que ando buscando otro taller que tenga precios razonables... cosa poco común en estos momentos ... y sin gabinete no puedo avanzar, por que del ampli solo me queda el "bricolage" que es laaaaargo para que tenga una apariencia agradable...

 

[Dr. Zoidberg]

Vamos actualizando un poco...
Primero pasé en el KiCad el diseño original de D. Self para ver que se podía hacer. Resultó esto:



Tengo la idea de hacer un PCB para cada canal y de esa forma minimizar el crosstalk entre ellos, ya que no se usaría ningún AO compartido entre ambos canales. El problema con el esquema de arriba es que sobra un AO (la mitad de la etapa de entrada), y como no podemos compartirlo lo vamos a cambiar por un NE5534 que es un poquito mejor que el NE5532 pero hay un solo AO por package, y además hay que compensarlo en frecuencia o mantener la ganancia por encima de 3.
También hay que quitar los potenciómetros del PCB por que son una parva y seguramente van a comprometer el diseño, así que vamos a poner un conector de tres pines por cada pote.
Además quité del PCB los relays de muting, por que a esos los controlo desde la fuente de alimentación y me conviene que las bobinas estén lejos del preamplificador.
Bueno.. con eso en mente, quedó esta versión preliminar del diseño de un canal del preamplificador:



y les paso los PDF por si quieren ver las imágenes un poco mas grandes...

Como podrán ver en el segundo esquema, es muy simple reemplazar el control de volumen analógico por uno digital. Solo hay que cambiar el pote RV4 por la entrada y salida de un PGA2310/11, dejando sin conectar el "cursor" y removiendo todos los componentes involucrados en el control de volumen de Baxandall. Como el control digital también estaría a cargo del balance, es bastante simple dejar la etapa de entrada con ganancia 0dB con unos pocos cambios de componentes. Lo bueno de esto es que puedo hacer un pre completamente analógico, y cambiarlo a digital mas adelante...

Dejamos acá por ahora.

 

[Dr. Zoidberg]

Luego de un año y pico de volverme loco con el PCB de un canal , finalmente logré rutearlo. Por supuesto, es un PCB doble faz de 6 x 10 cm.
Les voy a dejar una impresión de la cara de componentes para que vean mas o menos como vá, pero soldarla va a ser un despelote importante...


y esto es mas o menos como quedaría:



Cuando logre armar y probar un canal, les traigo el diseño del PCB y mas noticias (estoy pensando en un shield de Arduino para el PGA2310 ).
.

 

[pandacba]

El AD7376 podría ser un dispositivo interesante a tener en cuenta. Como todo dispositivo de Analog Devices excelentemente documentado, soft de evaluación y muchos extras más que interesantes.
AD8400 es otro de los dispositivos que a parte de venir en diferentes valores viene 1/2/4 dispositivos en un chip.
http://www.analog.com/media/en/news-marketing-collateral/product-selection-guide/Choosing_the_Correct_Digipot.pdf?doc=an-1291.pdf
El modulo de evaluación del PGA2310 cuesta 99 dolares

 

[Dr. Zoidberg]

Hola Panda!!
Es que resulta que tengo los PGA2310 desde hace mucho tiempo, y si bien iba a usar un PIC para el control, la plataforma arduino me soluciona varios problemas. Ya he hecho un par de shields y son muy simples de diseñar y construir, por eso pensaba seguir en esa linea...
Veremos que sucede!!

 

[Dr. Zoidberg]

Gracias a un amigo que es un maestro haciendo PCBs doble faz con el método de la impresión láser, ya tengo las placas para cada canal. Voy a tratar de armar una (totalmente analógica) y ensayarla para ver que tal vá.
Les dejo unas fotos de las PCBs:



PD: Voy a tener que esperar a ir por Buenos Aires, ya que acá me matan con las resistencias de metal-film al 1%.

 

[Iván Francisco]

Si hacés un pedido a Electrónica Elemón...no te las envían?
Yo vivo cerca...podría pasar...

 

[Dr. Zoidberg]

Si hacés un pedido a Electrónica Elemón...no te las envían?
Yo vivo cerca...podría pasar...

Gracias Iván.
Tengo que ir por la CABA en un par de semanas (creo yo), así que te agradezco el ofrecimiento.
De todas formas, yo las solía comprar en Microelectrónica en Pte. Perón cerca de Uruguay, y ahí tenían buenos precios, pero me voy a fijar en Elemon a ver que onda.

Gracias!!!!!

 

[angelwind]

Hola.
Elemon tiene excelentes precios y buena calidad de componentes. Eso si, hay que comprar por cantidad ya que tienen montos mínimo de ventas.
Igualmente me ha pasado que me convenía más comprar la tira de 100 resistencias de metal film ahí a comprar 10 o menos en otros lugares.

 

[Bilbon]

Este proyecto está abandonado? Encontré hoy el hilo...jejeje... y me gustó mucho, principalmente por lo del arduino. El arduino nano es barato...

 

[Dr. Zoidberg]

Este proyecto está abandonado? Encontré hoy el hilo...jejeje... y me gustó mucho, principalmente por lo del arduino. El arduino nano es barato...

No, no está abandonado, pero yo estoy con mucho trabajo. Espero avanzar un poco más durante enero.
Lo de Arduino es para hacer unas pruebas, pero si salen bien voy a usar el Atmega328 en lugar del PIC 18F2555... está en estudio...

 

[Bilbon]

Bien!...el nano lleva el ATmega328P ... Despacio con el alcohol en las fiestas... y ponete a trabajar en el proyecto!!! juajua!!! Saludos a todos , Feliz Navidad y Próspero Año Nuevo!

 

[Alexander24798]

buenas amigos disculpen mi entrometimiento , no pude evitar ver tu diseño amigo se ve muy bueno aquel proyecto , respecto a la plataforma arduino no es mala idea ya que su uso es sencillo avanzarias mas rapido ... saludos desde Ecuador y Feliz Navidad y Feliz 2018 amigos

 

[Dr. Zoidberg]

Seguimos avanzando de a poco con este preamplificador, y ahora estoy trabajando en el control digital. Resulta que si bien lo que hay que hacer es muy simple, este preamp tiene muchos periféricos, tal como muestra el siguiente esquema:



Como de costumbre, hay que tratar de no desperdiciar terminales del Arduino NANO que es el corazón de este diseño, así que hay que adaptar algunos periféricos para que no nos consuman un millón de pines, a saber:

• La interfaz IR (infraroja para el Control Remoto) solo usa una línea de entrada digital. Para gestionarla encontré una API de Arduino que MUY BUENA, aunque consume un poco de memoria...se las recomiendo: Receiving and Decoding IR | Using an Infrared Library on Arduino | Adafruit Learning System
• La interfaz para la "perilla digital de volumen" (codificador rotatorio) solo usa dos líneas de entrada digital y la gestiono con otra API de Arduino que es verdaderamente EXCELENTE y con consumo reducido de recursos: Encoder Library, for Measuring Quadarature Encoded Position or Rotation Signals
• La interfaz de los Botones solo usa una línea de entrada analógica, y la estoy gestionando con una pequeña clase que diseñé yo... esa se las paso luego cuando esté seguro de que funciona OK (hasta ahora lo hace).
• La gestión del display LCD la hago con una biblioteca que es un reemplazo de la LiquidCrystal standard de Arduino pero mucho mas rápida y capaz de controlar varios tipos de conexiones de displays LCD: fmalpartida / New LiquidCrystal / wiki / Home — Bitbucket

La selección de entradas con el 74HC595 y control del volumen con el PGA2310 trabajan ambos vía SPI por hardware y para eso ya hay una biblioteca estándard de Arduino que permite gestionar sin problemas estas conexiones. Este próximo fin de semana veremos si es cierto.

 

[Dr. Zoidberg]

Bueee.....seguimos jugando con el preamp hasta que me den ganas de hacer artesanías metalúrgicas con el amplificador.
Respecto al post anterior, probé de usar la biblioteca SPI de Arduino y vá como piña: funciona perfecto y a muy alta velocidad, tanto para el PGA2310 como para el 74HC595. También probé la función shiftOut de la API de Arduino y también va muy bien, pero no la voy a usar por que es recarga de software inútil en este caso. Hay una historia con el uso de HC595 que es el estado aleatorio de las salidas al alimentarlo...que puede ser peligroso y cortocircuitar dos entradas de señal diferentes....veré que hago...

Acá les dejo una foto de las protoboards de prueba y del Arduino UNO desde donde corro los ensayos. Voy a usar un NANO, pero el UNO es más cómodo para cambiar y poner cables.



Este otro es el control remoto que estoy usando...reciclado de un DVD jWin que palmó hace tiempo. Tengo otros también reciclados pero este es grande y cómodo para los que cada vez vemos menos. Este usa el protocolo NEC (según lo que detectó la biblioteca IR del post anterior) y el sensor infrarrojo IRM8601 lo recibe perfecto (y tengo como 10 sensores más en caso de errores fatales ).



Por último, un selector de entradas por medio de relays, como el de este tema, pero es una nueva versión con un filtro PI para eliminar los pulsos de conmutación en la alimentación. Al igual que antes, es capaz de manejar 6 entradas estéreo, aunque solo voy a usar 5, el primer relay que falta a la izquierda es por que el que me queda disponible tiene bobina de 700 ohms mientras que los otros tienen bobina de 400 ohms... se vé que se quedó escondido cuando los unifiqué cambiándolos. En fin..tendré que buscar y comprar uno compatible.
PD: En el tema original les dejo el nuevo PCB y mas datos.

 

[Dr. Zoidberg]

Habiendo terminado con el amplificador de 8 canales, ya es hora de meterle mano a este preamplificador (preamp de ahora en más) para que lo acompañe.
Primero lo primero, hay que montar los PCB de los controles de tono/volumen, diseño de Douglas Self, con algunos pequeños cambios que fueron comentados algunos posts más arriba para poder adecuarlo al uso del control de volumen+balance digital.
Armar el PCB es un verdadero lío por que al no tener agujeros metalizados, hay que meter puentes con "pelos de cable" y otros usando los propios componentes...y asegurarse de que todo quede bien conectado.
El esquema que dejo abajo muestra donde van los "pelos" y donde se usan los terminales....y como se imaginarán, primero hay que soldar los pelos y recién luego se pueden poner los componentes:

Espero volver con los PCB armados antes de fin de año

 

[Dr. Zoidberg]

Como es un parto soldar estos PCB, hoy me tomé un ratito para dibujar "la parte digital" del preamp. Les subo una imagen de un bosquejo preliminar para que vean mas o menos como va la cosa por ahora.

Al final decidí usar la función shiftout de Arduino para seleccionar la entrada de señal y SPI para el PGA2310, que es la comunicación mas demandante....la otra se usa relativamente poco y como sobran líneas del microcontrolador, aunque las gaste acá simplifico el diseño del PCB y del software.
Me queda pensar como hago para cargar el latch de salida del 74HC595 con el registro de desplazamiento puesto a cero en el momento de alimentar al sistema, por que resetearlo es simple, pero la línea de Storage estaría compartida con un pin de Arduino. En fin, habrá que poner un diodo para aislar el primer pulso o algo por el estilo...pero hay que hacerlo por que el latch siempre arranca con cualquier verdura y no me voy a arriesgar a cortocircuitar dos o mas entradas al iniciar el sistema, por más que sean algunos ms.