Вивчаємо роботу операційного підсилювача на прикладі NE5532

Операційний підсилювач - це інтегральна схема, призначена для посилення слабкого сигналу. Операційні підсилювачі часто використовуються в різних аудіо-пристроях. Наприклад, якщо ви вирішите спаяти підсилювач для високоомних навушників, вам напевно знадобиться операційний підсилювач. Звучить, як щось корисне. Так давайте ж розберемося, як працювати з цим господарством, на прикладі конкретного чіпа NE5532.

Розглянемо таку задачу. Припустимо, ми хочемо зробити мікрофон, щоб його можна було підключити прямо до комп'ютера і записувати з нього звук, наприклад, в Audacity. Популярним і дешевим видом мікрофона є електретний мікрофон . Типова схема його підключення виглядає якось так:

Зверніть увагу, що у електретного мікрофона є полярність. Визначити, де біля мікрофона мінус, звичайно не складно. Якщо перевернути мікрофон контактами догори, то з боку мінуса у нього будуть видні доріжки, що йдуть до корпусу. Втім, мені траплялися електретних мікрофони і без таких доріжок. В цьому випадку краще звіритися з даташіта.

Так що ж відбувається на наведеній схемі? Будучи сполученим послідовно з резистором, як показано на верхній частині схеми, електретний мікрофон створює коливання напруги в точці між собою і резистором. Коливання ці відповідають навколишнього звуку. Однак є проблема, і навіть кілька.

Для початку, у напруги в точці між мікрофон і резистором є дві складові - постійна і змінна. З них нам цікава тільки змінна складова, значить, постійну потрібно якось відрізати. Саме для цього в схемі і використовується конденсатор C2, підтягнутий до землі через резистор R3. Як вам може бути відомо, конденсатори пропускають через себе змінну частину сигналу, відрізаючи постійну, а це саме те, що нам потрібно. Резистор R3 потрібен для того, щоб результуючий сигнал коливався навколо строго визначеної точки 0 В. Таким чином, на виході mic ми отримаємо цікавий для нас сигнал з відрізаною постійної складової.

Інша проблема полягає в тому, що вийшов сигнал дуже слабкий, всього лише +/- 20 мВ або близько того. Тут-то в справу і вступають операційні підсилювачі. Для наочності я забіжу трохи вперед і приведу наступну картинку, отриману за допомогою осцилографа Rigol DS1054Z :

Тут жовтий сигнал, якого майже не видно - це вихідний сигнал, отриманий від електретного мікрофона. Синій сигнал - це він же, але посилений за допомогою операційного підсилювача. На око коефіцієнт посилення можна оцінити, як 1: 100.

Отже, існує дві типові схеми використання операційного підсилювача:

Важливо! Незважаючи на те, що операційний підсилювач позначається на схемах так само, як компаратор , Це два різних компонента, які не слід плутати. (Варто зазначити, що при певних умовах операційні підсилювачі можуть працювати в якості не дуже гарної компаратора, але ви майже напевно не повинні цього хотіти.) Відрізнити компаратор від операційного підсилювача зазвичай можна за підписаним поруч назвою чіпа.

Коефіцієнт посилення сигналу в першій схемі можна приблизно порахувати, як - RB / RA. Зверніть увагу на знак мінус у формулі. Він означає, що сигнал на виході буде інвертований. Відповідно, таке включення операційного підсилювача називається інвертує. На базі це схеми можна зібрати фільтр нижніх частот , Додавши конденсатор, з'єднаний паралельно з резистором RB. Недоліком схеми є досить низький вхідний імпеданс.

З цієї причини в більшості випадків краще використовувати неінвертуючий включення операційного підсилювача, зображене на другий схемою. Коефіцієнт посилення цієї схеми можна приблизно обчислити за формулою 1 + RB / RA. Якщо додати в схему конденсатор, з'єднаний паралельно з регістром RA, вийде фільтр верхніх частот. У цьому проекті ми скористаємося саме неінвертірующего включенням.

Погляньмо на терморегулятори NE5532:

Як бачите, чіп містить в собі два операційних підсилювача, з яких в цьому проекті нам знадобиться тільки один. Для зниження енергоспоживання і підвищення стабільності роботи чіпа невикористаний операційний підсилювач слід підключати чином, зображеним на наступній картинці праворуч:

А з решти підсилювач був підключений по звичайній Неінвертуючий схемою. Єдина відмінність тут полягає в тому, що RB був замінений на підлаштування резистор для можливості регулювання коефіцієнта посилення.

Добре, як користуватися операційним підсилювачем ми розібралися. Але що це ще за негативні 5 В, необхідні для його роботи? Негативна напруга - це взагалі як, і звідки ми його візьмемо? Насправді, все не так страшно, як може здатися на перший погляд. Напруга залежить від обраної точки відліку. Наприклад, ми можемо сказати, що 3 В від джерела живлення в нашій ланцюга будуть вважатися за 0 В. Тоді 6 У перетворяться в 3 В щодо нового нуля, а 0 В, відповідно, в -3 В.

Негативна напруга досить просто отримати за допомогою дільника напруги або двох послідовно з'єднаних батарей. Але такі схеми далекі від ідеалу. Наприклад, батарейки можуть розряджатися з різною швидкістю, і в результаті наш нуль згодом «попливе». У випадку ж з подільником напруги слід врахувати внесок опору самої навантаження, яка виходить з'єднаної паралельно з резистором на дільнику, знову таки, зміщуючи тим самим нуль. Тому в даному проекті я вирішив піти іншим шляхом.

Шлях полягає у використанні спеціальної мікросхеми для інвертування напруги під назвою ICL7660:

Принцип дії цього чіпа не складний для розуміння і грунтується на перемикаються конденсаторах. Подробиці можна знайти в даташіте [PDF] на малюнку 13. Цікаво, що ICL7660 можна використовувати не тільки як інвертор напруги, але і як подвоювач. А при використанні декількох чіпів напруга можна помножити на 4 або 8. Слід однак врахувати, що при використанні ICL7660 як удвоителя рекомендована виробником схема підключення відрізняється від наведеної вище.

Fun fact! Ще в інтернеті можна знайти схеми інвертора напруги на основі знайомого нам таймера 555 .

Оскільки ми працює зі звуком, зайві шуми нам ні до чого. А ICL7660 показав себе як досить галасливий джерело напруги, по крайней мере, на макетної платі. Тому я вирішив також додати в схему два лінійних регулятора напруги - LM7805 для позитивного напруги і аналогічний йому LM7905 для негативного:

Регулятори напруги гарні ще тим, що дозволяє живити схему напругою з деякого діапазону, а не фіксованим.

Залишився останній штрих, а саме - додати в схему роз'єм 3.5 mm jack:

Зауважте, що вихід операційного підсилювача йде через конденсатор. Так зроблено з тієї причини, що вхід для мікрофона комп'ютера на лівому і правому каналі має якесь постійна напруга, і нам потрібно від нього відгородитися.

Остаточний вигляд пристрою, спаяного на макетке:

Повинен сказати, що якість звуку мене приємно здивувало. Ні, до професійного конденсаторного мікрофона, звичайно ж, ще дуже далеко. Але будь-якої фоновий писк, тріск або інші артефакти, яких я очікував, зовсім відсутні. Якщо говорити виключно про передачу голосу, то пристрій дасть величезну фору багатьом USB-гарнітур. З огляду на, що собівартість проекту становить щось близьке до 2-3 $, це дійсно вражаюче.

Повну версію проекту для KiCad ви знайдете в цьому Git-репозиторії .

А чи доводилося вам паяти щось пов'язане зі звуком, і якщо так, то що саме?

Доповнення: Приклад використання операційного підсилювача в ролі повторювача напруги і створення з його допомогою ЦАП ви знайдете в пості Генерація синусоїдального сигналу, а отже і звуку, на FPGA . Деякі подробиці про фільтри нижніх і верхніх частот ви знайдете в пості Базові аналогові фільтри: теорія і практика .

Мітки: Аудіо , електроніка .