Микрофонный усилитель на lm358: АКТИВНЫЙ МИКРОФОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Микрофонные усилители на ОУ

   Для усиления сигнала от микрофона необходим усилитель, обладающий большим коэффициентом усиления, низким уровнем шумов, хорошим подавлением пульсаций питающего напряжения. Всем этим требованиям удовлетворяет операционный усилитель (ОУ).
На Рис.1 приведена схема микрофонного усилителя на ОУ К157УД2.

 

Усилитель имеет следующие параметры: 
Номинальное входное напряжение, мВ…………..  1
Номинальное выходное напряжение, мВ ……….   100
Отношение сигнал – шум, дБ   ………… 56
Рабочий диапазон частот, Гц …………30…30 000  Коэффициент гармоник, % ……. 0,0 
Максимальное выходное напряжение, В ..   7 Входное сопротивление, кОм ……   1
 Минимальное сопротивление нагрузки, кОм …….  10 

Операционный усилитель включён по схеме инвертирующего усилителя. Коэффициент усиления определяется отношением резисторов R2/R1 и равен 100. Вместо ОУ К157УД2 можно применить КМ551УД2А.
На Рис.2 приведена схема микрофонного усилителя с симметричным входом.

При использовании симметричного входа улучшается помехозащищённость усилителя, которая зависит в данном усилителе от степени согласованности резисторов R3 и R4, R6 и R7, R8 и R9, R10 и R12, R11 и R13.
Микрофонный усилитель имеет следующие параметры:
Номинальное входное напряжение, мВ……………. 2
Номинальное выходное напряжение, мВ ………… 100
Отношение сигнал – шум, дБ   …………….. 60
Подавление синфазных входных сигналов, дБ …….    60
Рабочий диапазон частот, Гц …………   30…30 000
Коэффициент гармоник, % ………….   0,05
Максимальное выходное напряжение, В …….   7
Минимальное сопротивление нагрузки, кОм …….   10
Коэффициент усиления микрофонного усилителя зависит от положения переключателя S1. При разомкнутом переключателе К=50, при замкнутом – 100.
Вместо К157УД2 можно использовать КМ551УД2А, вместо К140УД6 – К140УД8, К544УД1, К544УД2, К574УД1.
Для питания микрофонного усилителя используется стабилизированный источник с низким уровнем пульсаций или батареи.

   Источник: В. В. Орлов ” Применение операционных усилителей в радиолюбительских конструкциях” Москва, Издательство МАИ, 1990 г.

Автор Андрей МаркеловОпубликовано 04.03. 201721.10.2021Рубрики Операционные усилители и их применениеМетки операционные усилители

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера / Хабр

В статье изложены подходы по построению схемотехники усилителей для микрофона и динамиков в микроконтроллерной технике. Занимаемое элементами усилителей пространство не превышает

Предисловие

Хотел применить в проекте синтезатор речи в реальном времени на основе библиотеки
ESP8266Audio — supports ESP8266 & ESP32
Автор порта библитотеки предлагает подключать динамик используя один транзистор

Use the AudioOutputI2SNoDAC object instead of the AudioOutputI2S in your code, and the following schematic to drive a 2-3W speaker using a single $0.05 NPN 2N3904 transistor:

Я так и сделал. Но оказалось, что транзистор греется т. к. каскад работает в режиме класса A. Стабилизатор напряжения 300mA просто не справился с питанием контроллера и такого усилителя. Не говоря уже про питание от батареи, которую пришлось бы ставить не оправданно большей емкости, по сравнению с применением усилителя класса AB, B или C. Пришлось искать различные варианты. Так же рассмотрены варианты усилителей для микрофона. Напряжение питания усилителей однополярное 3V…5V

Усилитель на одном транзисторе для микрофона

Первое и самое простое это каскад с общим эмиттером. В качестве микрофона будем использовать электретный микрофон. В нем использован предусилитель на полевом транзисторе. Для его питания нужен источник питания

Мне нравится схема с использованием Collector-Feedback Bias. Во первых в ней на один резистор меньше по сравнению с классической схемой на делителе и за счет отрицательной обратной связи компенсирует разброс в коэффициенте усиления транзистора.

Transistor Biasing Calculations

Для примера зададимся резистором коллектора 18 KOm для усиления в 50 раз резистор в эмиттере будет (упрощенно, т. к. мы не учитываем внутреннее сопротивление эмиттера) 18000 / 50 = 360 Om

Поскольку входное сопротивление АЦП обычно составляет сотни KOm можно немного увеличить сопротивление коллектора и достичь большего усиления. Важно чтобы сопротивление следующего каскада (в нашем случае вход АЦП) имело большое входное сопротивление, что бы наш усилитель мог «раскачать» сигнал. Иначе придется увеличивать ток через коллектор уменьшая резистор в коллекторе, а это приведет к уменьшению усиления в целом

Сопротивление в эмиттере используется для стабилизации режима транзистора за счет отрицательной обратной связи. Если подключить параллельно этому резистору конденсатор, то отрицательная обратная связь по переменному напряжению исключается и каскад имеет коэффициент усиление как у самого транзистора «по документации».

Еще один момент. надо задать выходное напряжение на коллекторе, равное половине полной рабочей шкалы напряжения АЦП. Шкала ESP32 без аттенюаторов 1.1V. Смещением базы R10 выставляем на коллекторе 0. 5V… 0.6V

• 0 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_0) gives full-scale voltage 1.1 V
• 2.5 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_2_5) gives full-scale voltage 1.5 V
• 6 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_6) gives full-scale voltage 2.2 V
• 11 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_11) gives full-scale voltage 3.9 V

Можно сделать смещение на коллекторе близкое к половине напряжения питания и увеличить коэффициент усиления каскада, но добавив аттенюатор. Однако, вносить ослабление не рекомендуется, поскольку нам понадобится большее усиление

Схема и расположение на плате

Усилитель на трех транзисторах для динамика

Для усилителя применим схему на трех транзисторах с выходным каскадом в режима AB. Зададим ток покоя порядка 5 — 10 mA. Ток покоя устанавливается резистором R4. R15 устанавливает половину напряжения питания на эмиттерах

Варианты исполнения:

Class AB Power Amplifiers

ZL2PD No IC Audio Amplifier

Схема и расположение на плате

Усилитель на операционном усилителе для микрофона

Ниже ссылка на наиболее распространенные решения с расчетами для микрофонного усилителя

TI Designs – Precision: Verified Design Single-Supply, Electret Microphone Pre-Amplifier Reference Design

Designing tiny microphone circuits with the industry’s smallest op amp

Хорошая статья по предотвращению помех по питанию в схемах op amp
Операционный усилитель с однополярным питанием

Схема и расположение на плате усилитель для микрофона и динамика

” />

Расчеты конденсаторов

C2 =

C5 =

C14 =

Можно использовать любой операционный усилитель, даже LM358 или LM322 (LM324 четыре усилителя в одном корпусе). Рекомендуется выбирать усилитель с выходом Rail-to-Rail для достижения большей амлитуды на выходе

Усилитель на операционном усилителе для динамика. Параллельное включение

Поиски использования параллельного включения операционного усилителя для раскачки более менее приемлемой мощности привели на интересные решения.
Один человек взял аж 60! усилителей и сделал себе подарок на юбилей. Вот это я понимаю.

Ссылка работает не всегда

На Русскоязычном форуме есть вот такое решение

Качественный оконечный УНЧ для ППП на TS922 и TS925

Микросхема семейства TS922 способна отдавать 80 мА на нагрузку 32 Ом

TS922

Features
• Rail-to-rail input and output
• Low noise: 9 nV/√Hz
• Low distortion
• High output current: 80 mA (able to drive 32 Ω loads)
• High-speed: 4 MHz, 1 V/μs
• Operating from 2.7 to 12 V
• Low input offset voltage: 900 μV max. (TS922A)

Комбинированная схема с операционным усилителем и каскадом класса B, AB
Small audio amplifiers

Что бы хотелось попробовать в будущем

Добавить возможность автоматической регулировки усиления. Например на основе такого решения Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов

Для «сжатия» уровня входного сигнала, чтобы уровень выходного сигнала не зависел от громкости говорящего в микрофон применяют SSM2167. Это предусилитель микрофона с регулируемой компрессией. Но выходное напряжения ограничен 0.7V и смещение на выходе 1.4V. Для согласование со входом АЦП потребуется каскад с небольшим усилением.

SSM2167 spec

The output impedance of the SSM2167 is typically less than 145 Ω, and the external load on Pin 9 should be >5 kΩ. The nominal output dc voltage of the device is approximately 1. 4 V;therefore, a blocking capacitor for grounded loads must be used.

Заключение

Использование транзисторных усилителей в современной электронике оправдано когда нет возможности купить специализированные микросхемы такие как stereo — PAM8403, PAM8406 или mono PAM8302A, PAM8304, NS4150. Где PAM8406 — Абсолютный фаворит если нужен стерео усилитель с однополярным питанием. Его цена стремится к 2$ за 10 штук. Есть возможность включения режима усиления выходного каскада в режим AB

В качестве микрофонного усилителя можно использовать mems микрофоны с I2S интерфейсом, такие как INMP441. В этом случае использование усилителя отпадает и микрофон подключается непосредственно через интерфейс I2S к контроллеру

INMP441

Разводка одного из вариантов платы с усилителями на транзисторах сделанная в Autodesk EAGLE

Autodesk Eagle PCB GitHub

С чего все началось

Плата была изготовлена на фабрике JLCPCB.
Качество мне понравилось, но мне не с чем сравнивать, разве что с травлением в хлорном железе.

Видеоинструкция как распаять эту плату

микрофонный усилитель LM358 | Низкое напряжение. В основном безобидно…

← Эскиз Min-Max

Светодиод или фототранзистор?! →

21 мая

После неубедительных характеристик микрофонного усилителя LM386 тестируется еще одна конструкция. На этот раз на базе операционного усилителя LM358.

Операционные усилители

Операционные усилители представляют собой усилители напряжения с высоким коэффициентом усиления. Существует огромное количество информации о том, как их использовать, и руководство, которому я следовал, — это «Операционные усилители для всех» от TI. Схема представляет собой «Инвертирующий усилитель переменного тока» (A.3.18, стр. 424). Из приведенных там уравнений напряжения на двух выходах равны:

• V_OUT_UC = – V_IN * R5 / R4 + VCC / 2 = – 100 * V_IN + VCC / 2
• V_OUT = -100 * V_IN, так как конденсатор C3 блокирует постоянную составляющую

(V_IN — напряжение на контакте 2)

Операционные усилители не обеспечивают большой выходной мощности. Наушники-вкладыши можно запитать от V_OUT, но вряд ли LM358 запитает даже небольшой динамик. Для микроконтроллера, подключенного к V_OUT_UC, выходная мощность не имеет значения, имеет значение только напряжение.

Производительность звукового датчика LM358

Как и в настройке микрофонного усилителя LM386, V_OUT_UC подключается к выводу A0 Arduino, и загружается скетч Min-Max. При использовании резисторов R5 разного номинала (10K, 47K, 100K) достигается усиление в 10, 47 и 100 раз:

	(Молчание)		Громкий стук
	Показания	Амплитуда	Показания	Амплитуда
10x	510 ~ 512	2	307 ~ 735	428
47x	505 ~ 517	12	17 ~ 754	737
100x	500 ~ 525	25	7 ~ 755	748

Очень хорошо! Уровень шума в тишине увеличивается линейно с усилением. Переход от 10-кратного к 50-кратному усилению дает хорошее увеличение максимального выходного колебания. Увеличение усиления до 100x дает лишь незначительное улучшение. В целом, настройка 50x дает наилучшие результаты шума по сравнению с размахом выходного сигнала.

LM358 не имеет действительного выхода rail-to-rail (0V to VCC). В техническом описании указано «колебание выходного напряжения от 0 В до (VCC — 1,5 В)». Это означает, что при VCC = 5 В максимально возможное аналоговое показание находится в диапазоне 715–750. Чтобы получить более широкий выходной диапазон, следует использовать более качественный операционный усилитель.

Потребляемый ток составлял 1,52 мА при увеличении 100x

Звуковой датчик LM358 на макетной плате (щелкните, чтобы увидеть высокое разрешение)

Список деталей

Часть	Значение	Описание
С1	10 мкФ	Конденсатор связи микрофона
С2	100 нФ	Развязка источника питания
С3	220 мкФ	Выходная муфта
МИК		Электретный микрофон
Р1	1 ~ 10 тыс.	Резистор нагрузки микрофона
Р2, Р3	10К	Делитель напряжения: 1/2 В постоянного тока
Р4	1К	Коэффициент усиления = – R5 / R4
Р5	100К
ВСС	3 ~ 30 В	Напряжение питания

Загрузки

• Схема EAGLE [.sch]
• Минимальный и максимальный код эскиза [.pde]

Похожие сообщения

• Микрофонный усилитель LM386
• Эскиз мин-макс

Ссылки

• Лист данных LM358 [.pdf], STMicro
• «Питание микрофонов» Томи Энгдал
• «Операционные усилители для всех», Texas Instruments
• Аналогичная конструкция микрофонного усилителя LM358

Нравится:

Нравится Загрузка…

Опубликовано 21 мая 2011 г. в Электроника с тегами усилитель, аналоговый, Arduino, LM358, микрофон, операционный усилитель, датчик. Добавьте постоянную ссылку в закладки. 55 комментариев.

← Эскиз Min-Max

Светодиод или фототранзистор?! →

Проектирование предварительного усилителя с использованием LM358

Во всех предыдущих уроках был разработан предварительный усилитель с использованием MAX4468. В зависимости от применения существует два типа аудиоусилителей: 

1) Предварительный усилитель

2) Усилитель мощности

Предварительные усилители используются для выравнивания аудиосигналов от микрофона или источника звука до стандартного напряжения. уровни, в то время как усилители мощности обычно используются на выходном каскаде аудиосистем для усиления аудиосигналов до того, как они будут воспроизведены динамиками. Как следует из названия, предварительный усилитель подготавливает сигнал, поступающий с микрофона или линейного входа, для дальнейшей обработки и передачи сигнала. Предусилитель — скрытая часть любого устройства. Интегрируется в USB-микрофоны, звуковые карты и микшеры.

Предварительные усилители можно разделить на два типа – 

1) Пассивный предусилитель – В этих предварительных усилителях для усиления входного сигнала используются дискретные транзисторы, ОПЕРАМ или лампы.

2) Активный предусилитель – В этих предусилителях для усиления сигнала используются трансформаторы или другие компоненты согласования импеданса.

Предварительные усилители обычно используются для обеспечения усиления напряжения для выравнивания сигнала в милливольтах до нескольких вольт, например, увеличения амплитуды сигнала в несколько милливольт до уровня 1 В. Они также используются для удаления любого шума из входного сигнала, поступающего от микрофона или источника звука. В идеале микрофон должен быть подключен к устройству кратчайшим проводом, чтобы избежать шума или искажений, но это практически невозможно. Таким образом, предварительные усилители помогают удалить шум из исходных аудиосигналов.

Очевидно, предварительные усилители должны обязательно выравнивать амплитуды сигналов до линейных уровней. Это самая примитивная и основная функция любого предварительного усилителя. Предусилитель устанавливает входной сигнал на линейный уровень. Линейный уровень — это стандартная сила аудиосигнала для передачи сигнала между источниками звука на усилители, радиоприемники, телевизоры и DVD-плееры. Линейный уровень выражается в dBu (децибелы без нагрузки) или dbV (децибелы напряжения). Согласно телефонным стандартам, если 1 В среднеквадратичное равно 0 дБВ, то опорное напряжение без нагрузки в децибелах или 0 дБн — это напряжение переменного тока, необходимое для выработки мощности 1 мВт на нагрузке с импедансом 600 Ом. Самый номинальный линейный уровень составляет -10 дБн, т.е. 0,316 В, и +4 дБВ, что составляет 1,228 В.

Предусилитель предназначен для усиления входного сигнала. Они не обеспечивают большой выходной ток. Таким образом, после предварительного усилителя необходимо использовать усилитель мощности, если аудиосигнал необходимо воспроизвести с помощью динамика, проигрывателя компакт-дисков или наушников на выходе. Таким образом, можно предположить, что предварительный усилитель представляет собой небольшой усилитель перед усилителем мощности, который имеет выходной ток в микроамперном диапазоне.

Пассивные усилители являются предпочтительным выбором среди предусилителей, поскольку они делают то, что на самом деле должен делать предусилитель. Итак, в этой серии разработаны пассивные предусилители. В этом уроке пассивный предварительный усилитель будет разработан с использованием микросхемы LM358. LM358 — маломощный сдвоенный операционный усилитель. Эта ИС работает при напряжении питания в диапазоне от 3 В до 32 В и обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению до 100 дБ.

Во вводной статье этой серии обсуждались различные конструктивные параметры схем аудиоусилителей, такие как усиление, громкость, коэффициент перекоса, линейность, полоса пропускания, эффект отсечения, стабильность, эффективность, отношение сигнал-шум, выходная мощность, коэффициент нелинейных искажений и заземление контура. Эта схема усилителя будет разработана с учетом следующих проектных параметров –

Коэффициент усиления (напряжение) – 20 дБ

Полоса пропускания – от 20 Гц до 20 кГц

Необходимые компоненты –

Рис. 1: Список компонентов, необходимых для LM358 Предусилитель на микросхеме

Блок-схема —

7 Соединения цепи —

Эта схема предварительного усилителя построена путем сборки следующих компонентов вместе —

1) Источник постоянного тока – в этой цепи требуется два источника питания. Источник питания 5 В требуется для смещения микрофонов, а источник питания 9 В требуется для схемы OPAM. 9Источник постоянного тока необходим для подачи напряжения смещения на усилитель. Для обеспечения питания 5В две батареи 9В соединены параллельно.

2) Источник входного сигнала — для подачи входного аудиосигнала используется микрофон. В качестве источника входного сигнала был взят электретный микрофон. Электретному микрофону требуется напряжение смещения от 1 до 5 В для питания встроенного буфера на полевых транзисторах, который присутствует в микрофоне. Как правило, этот микрофон питается от 1 В до 5 В постоянного тока через резистор номиналом от 1 кОм до 10 кОм. На выводе смещения микрофона должно быть достаточное напряжение, чтобы он мог воспринимать аудиосигнал. Другой контакт электретного микрофона подключается к общему заземлению.

Рис. 3: Типичное изображение электретного микрофона

Схема смещения для этого микрофона показана ниже – Смещение электретного микрофона

3) LM358 OPAM IC — LM358 — маломощный двойной операционный усилитель IC. Он состоит из двух независимых OPAM (операционных усилителей). Максимальное усиление постоянного напряжения этого OPAM составляет 100 дБ при диапазоне выходного тока от 2 мА до 20 мА. Микросхема имеет следующую конфигурацию контактов — 9.0003

Рис. 5: Таблица контактов микросхемы OPAM LM358

Микросхема имеет следующую схему контактов –

Рис. 6: Схема контактов микросхемы OPAM LM358

90 002 В этой цепи только один из ее OPAM используется как инвертирующий усилитель. Инвертирующий усилитель имеет отрицательную обратную связь, что делает его лучше, чем неинвертирующие усилители. Рис. 7. Типичное изображение микросхемы LM358 Инвертирующий усилитель изменяет фазу выхода (амплитуда сигнала) на 180 градусов с входом (амплитуда сигнала). Однако эта инверсия фазы не влияет на звуковой сигнал, поскольку человеческий слух реагирует только на интенсивность звука. Интенсивность – это энергия, протекающая через площадь в заданное время, выраженная в джоулях/с/м2. Энергия волны пропорциональна квадрату ее амплитуды. Таким образом, для единичной площади интенсивность также пропорциональна квадрату амплитуды.

I  A2

Таким образом, изменение знака волны не влияет на I.

Типовая схема, приведенная в техническом описании LM358, используется для разработки этого предварительного усилителя. Линейный выход подается с вывода 1 микросхемы.

Напряжение питания ИС подается на вывод 8 через конденсаторы фильтра. К выводу 8 подключены два конденсатора (обозначены на принципиальной схеме как С2 и С3) емкостью 100 мкФ и 0,1 мкФ. Конденсатор высокой емкости C2 помогает отфильтровывать высокие частоты от напряжения питания, а конденсатор низкой емкости C3 помогает отфильтровывать низкие частоты от напряжения питания. Отрицательная обратная связь подается на усилитель через резистор (обозначен на принципиальной схеме как R3) номиналом 100 кОм. К выходному контакту (контакт 1) усилителя подключен фильтрующий конденсатор (обозначенный на принципиальной схеме как C6), чтобы блокировать любые компоненты постоянного тока от усилителя к линейному проводу, поскольку компоненты постоянного тока (из-за эффекта ограничения) могут добавить шум и искажения в аудиовыходе.

 

При сборке этой схемы необходимо соблюдать следующие меры предосторожности – 

1. Всегда располагайте компоненты как можно ближе друг к другу, чтобы уменьшить шум в цепи.

2. При заземлении используйте топологию «звезда», это снизит уровень шума.

3. Используйте конденсатор с более высоким номинальным напряжением, чем входной сигнал.

4. Всегда используйте фильтрующий конденсатор на входной клемме источника питания, чтобы избежать нежелательных пульсаций.

5. Избегайте ограничения выходного сигнала, так как это может повредить динамик.

Рис. 8: Прототип предварительного аудиоусилителя LM358 

Как работает схема – 

LM358 представляет собой сдвоенный операционный усилитель малой мощности. Поскольку предварительный усилитель предназначен только для усиления и фильтрации, микросхема не способна обеспечивать более высокие токи. Входной сигнал от электретного микрофона находится в диапазоне от 1 мВ до 10 мВ, когда пользователь говорит нормальным голосом. В случае крика уровень входного сигнала может увеличиться до 50 мВ. Таким образом, средним значением входного сигнала можно считать 20 мВ. Максимальное напряжение, которое должно быть получено на выходе, равно 200 мВ. Таким образом, желаемый коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать следующим образом –

Усиление = Vвых/Vin

поскольку Vвых = 200 мВ и Vin = 20 мВ

Усиление = (0,2/0,02)

Желаемое усиление = 10 . В схеме коэффициент усиления по напряжению можно установить с помощью сети резисторов R2 и R3, где коэффициент усиления можно рассчитать следующим образом:

Коэффициент усиления = -(R3/R2)

Если предполагается, что резистор R2 равен 10 кОм, а желаемый коэффициент усиления равен 10 или 20 дБ, то значение резистора R3 получается следующим образом –

R3 = усиление * R2

R3 = 100 кОм

Знак минус означает инверсию на выходе. Так, в качестве R2 используется резистор сопротивлением 10 кОм, а в схеме используется резистор обратной связи R3 сопротивлением 100 кОм. Усилитель дает выходной сигнал, который в 10 раз превышает входной сигнал.

Проверка схемы – 

Для проверки схемы усилителя в качестве источника входного сигнала используется функциональный генератор. Функциональный генератор используется для генерации синусоидальной волны постоянной амплитуды и частоты. Любой аудиосигнал также в основном представляет собой синусоидальную волну, поэтому вместо использования микрофона или реального источника звука можно использовать генератор функций. Таким образом, функциональный генератор можно использовать в качестве источника входного сигнала для тестирования схемы аудиоусилителя. Во время тестирования на выходе необходимо проверить линейное напряжение.

Для тестирования схемы усилителя сначала устанавливается входное напряжение в применимом диапазоне от 10 мВ до 50 мВ. Частота входного сигнала установлена ​​на 1 кГц. Затем выходные и входные сигналы наблюдают на DSO. На DSO наблюдаются следующие входной сигнал (красный) и выходной сигнал (желтый) —

звуковой сигнал с микрофона успешно выравнивается до сетевого напряжения. Итак, предусилитель работает на полную катушку.

При тестировании этой схемы предварительного усилителя с нагрузкой 100 кОм выходная мощность предварительного усилителя может быть рассчитана следующим образом:

Po = V2(p-p)/2R

Где

Входное напряжение, Vin = 20 мВ

выходное напряжение, Vp-p = 200 мВ

сопротивление нагрузки, R = 100K

So,

Po = (0,2*0,2)/(2*100*1000)

Po = 0,2 уВт

Выходная мощность этого предварительного усилителя очень низкая, как и у любого предварительного усилителя.