Come si evince dal grafico sopra, una parte importante dei costi della scheda è rappresentata dal generatore di onda triangolare, che oltre ad essere formato da componenti molto costosi, occupa molta superficie di PCB.
Il dispositivo che si usa per sostituire il blocco generatore di onda triangolare è l’ICL8038 che è un circuito integrato che si monta direttamente sul PCB ma occupa meno superficie a parità di prestazioni.
L’ICL8038 è un generatore di forme d’onda integrato monolitico, capace di produrre forme d’onda sinusoidali, quadrate, triangolari, a dente di sega ed a impulsi.
Il range frequenziale varia tra 0,001 Hz e tra 400 KHz e quindi non si riscontrano differenze rispetto al generatore di onda triangolare usato nel progetto.
Il generatore d’onda ICL8038 è fabbricato con un’avanzata tecnologia integrata, usando diodi Schottky e resistenze fatte da film molto sottili.
L’uscita del generatore è stabile al variare della tensione di alimentazione e della temperatura e questo è molto importante per la creazione del segnale PWM, come spiegato nei capitoli precedenti. Quando si era studiato il generatore d’onda triangolare a componenti discreti si era introdotto un margine di sicurezza tra gli 0 Volt e il valore minimo dell’onda triangolare a causa dell’irregolarità di quest’ultima che spesso diventava negativa, creando scompensi all’intero amplificatore.
L’ICL8038 lavora con temperature comprese tra 0°C e 70°C, range abbastanza rassicurante visto che l’amplificatore non è un dispositivo creato per resistere a condizione estreme.
Il valore del THD dell’onda triangolare è del 2 % come valore tipico ed è elevato rispetto ai valori riscontrati dell’amplificatore audio, ma questo non dà disturbi sull’onda sinusoidale d’uscita.
L’alimentazione del dispositivo è +/- 5 Volts che è già utilizzata nel progetto e quindi non arreca problemi di creazione di nuove piste e fori.
Inoltre il costo del singolo dispositivo è di $ 18,65, pari a € 14,35, per il singolo pezzo che inferiore al costo totale del blocco onda triangolare del 67 % circa.
Il prezzo scende a $ 16,77, pari a € 12,90, se l’ordine raggiunge i 1000 pezzi. Questi dati sono stati rilevati sul sito di Mouser Electronics.
Il costo della scheda, calcolato sulla base dei prezzi dei soli componenti, passa quindi da € 226,34 a € 197,24, inferiore del 13 % circa.
In questo modo inoltre, si risparmiano anche centimetri quadrati di superficie di PCB, riducendo anche i costi della scheda che sono direttamente proporzionali alla superficie necessaria per allocare i componenti.
Utilizzare il dispositivo integrato facilita anche i collegamenti tra i dispositivi e quindi una diminuzione delle piste di collegamento.
Diminuire i collegamenti tra i componenti, che non possono intersecarsi sullo stesso layer, ed il numero di questi ultimi, porta ad una probabile diminuzione del numero di strati del PCB e quindi ad un contenimento dei costi e ad una più facile realizzazione a livello progettuale.
Il filtro d’uscita è un altro blocco che fa aumentare i costi complessivi dell’amplificatore audio. La possibilità di risparmiare consiste nell’utilizzare filtri di ordine inferiore perché contengono meno componenti, in quanto il valore dei condensatori e degli induttori variano al variare dell’ordine del filtro attraverso coefficienti, del carico e della frequenza di funzionamento.
Tutto questo è riportato nella formule seguenti e nella tabella dei coefficienti del filtro.
f RL COEFF L * * 2 *
π
= 5.1 RL f COEFF C * * * 2π
= 5.2 Ordine L1 C1 L2 C2 L3 C3 1 1 2 1.4142 0.7071 3 1.5 1.3333 0.5 4 1.5307 1.5772 1.0824 0.3827 5 1.5451 1.6944 1.382 0.8944 0.309 6 1.5529 1.7593 1.5529 1.2019 0.7579 0.2588figura 5.15 Coefficienti del filtro di Butterworth
La scelta di diminuire l’ordine del filtro andrebbe però a scapito della risoluzione della sinusoide d’uscita, facendo peggiorare il valore del THD come esposto nel paragrafo inerente al filtro d’uscita.
Quindi per abbassare i costi legati al filtro di uscita, si possono cercare sul mercato induttori dello stesso valore, ma con costi minori rispetto a quelli utilizzati nel capitolo inerente il filtro di uscita. Come esposto in precedenza, la corrente erogata dall’amplificatore audio è di 1.68 A e quindi sono necessari induttori capaci di sostenere questa corrente.
Per l’induttore da 47 uH si prende AX97-30470 fornito dalla Triad Magnetics con un costo di € 1,73 per il singolo pezzo e di € 1,33 per ordini superiori alle 100 unità.
Per l’induttore da 33 uH si usa AX97-20330 fornito sempre dalla Triad Magnetics, con un costo di € 1,58 per il singolo pezzo e di € 1,22 per ordini superiori alle 100 unità.
La differenza del costo rispetto all’ induttore da 47 uH scelto precedentemente è di € 8,26 e di € 7,96 rispettivamente per le piccole e le grandi quantità, mentre per l’induttore da 33 uH la differenza è di € 8,41 e di € 8,07 rispettivamente per le piccole e le grandi quantità.
La sostituzione degli induttori nel blocco filtro di uscita abbassa il costo dell’intero blocco di € 25,40 con una diminuzione della spesa di € 33,34 pari al 57%.
Il risparmio è stato conteggiato sulla base di prezzi maggiori.
Una miglioria circuitale consiste nell’inserire nel blocco di comparazione un gate driver al posto dei due ZVN4224A/ZTX e dei due ZVP4224A/ZTX.
La sostituzione consente di diminuire ancora i costi della scheda sia a causa del minor costo dei componenti sia perché il gate driver occupa meno spazio essendo un unico circuito integrato.
Si utilizza come gate driver un IR2515 prodotto dall Internationasl Rectifier.
Il dispositivo è progettato con tecnologia CMOS ed è disponibile con due diverse piedinature, come mostrato nella figura sottostante.
figura 5.16 Packages
Per l’amplificatore audio sono necessari due IR2515.
L’utilizzo di IR2515 comporta un risparmio di € 26,36 stimato sempre per piccole quantità pari al 47% circa, portando il costo del blocco di comparazione a € 29,70.
Per migliorare i costi della scheda si cercano condensatori di by pass, cbp, a causa del numero elevato presente nella scheda.
Si sostituiscono i 21 condensatori di protezione con condensatori 824-026 forniti da RS il cui costo è di € 2,68 per ordini di singole quantità e di € 2,45 per ordini superiori ai 15 pezzi.
La sostituzione di questi condensatori comporta un risparmio sul pcb di € 22,05 e di € 20,37.
Nella tabella sotto si riportano in rosso i componenti utilizzati in primo momento ed in blu quelli che apportano migliorie economiche e circuitali.
Componente Quantità € q<5 € q>26 Totale € q<5 Totale € q>26
resistenza 39 0,21 0,14 8,19 5,46 cbp 21 3,73 3,42 78,33 71,82 cbp 21 2,68 2,45 56,28 51,45 C 150pF 1 0,97 0,76 0,97 0,76 C 1nF 1 0,62 0,50 0,62 0,50 C 470pF 2 0,50 0,41 1,00 0,82
C 0.47uF 4 2,22 2,00 8,88 8,00 C 0.1uF 4 1,16 1,00 4,64 4,00 C 3.3uF 2 6,64 6,11 13,28 12,22 C 0.68uF 2 2,75 2,46 5,5 4,92 L 33uH 2 9,99 9,29 19,98 18,58 L 47uH 2 9,99 9,29 19,98 18,58 L 33uH 2 1,58 1,22 3,16 2,44 L 47uH 2 1,73 1,33 3,46 2,66 LM118 5 1,05 - 5,25 - LM119 4 1,05 - 4,20 - D1N914 1 0,60 0,30 0,60 0,30 ZVN4244A/ZTX 2 7,48 4,42 14,96 8,84 ZVP4244A/ZTX 2 7,48 4,42 14,96 8,84 IR2515 2 1,78 1,52 3,56 3,04 1N5225 4 0,46 0,27 1,84 1,08 MBR360 2 3,53 2,13 7,06 4,26 IRF9530 2 1,48 0,82 2,96 1,64 IRF530 2 0,60 - 1,20 -
Prezzo totale scheda in € 214,40 170,62
Prezzo totale scheda in € 132,65 103,55 Prezzo totale scheda con ICL8038 € 103,55 75,17 figura 5.17 Tabella riassuntiva dei costi
Sostituendo i vari componenti e parti circuitali si ottiene una diminuzione dei costi del 52 % circa per ordini singoli e del 55 % per grandi quantitativi.
Come esposto precedentemente, al costo dei componenti si deve aggiungere il costo per la realizzazione del PCB.
Se si vuole creare un prototipo per poter eseguire delle misure si deve considerare il costo più elevato.
Dal costo dei componenti si può eliminare il costo del generatore di onda triangolare perché si suppone di avere tra gli strumenti a disposizione un generatore d’onda oltre agli strumenti necessari per la misura e ad una mille fori dove poter inserire i componenti senza dover usare il saldatore. Il costo minimo dei componenti per effettuare le misure sull’amplificatore audio ammonta quindi a € 89,20.