Мікрофонний підсилювач і УНЧ для ЦАП і АЦП мікроконтролера

Alex Alex 07 лютого 2020
Мікрофонний підсилювач і УНЧ для ЦАП і АЦП мікроконтролера

Підсилювачі сигналів для АЦП і ЦАП мікроконтролера


У статті викладено підходи щодо побудови схемотехніки підсилювачів для мікрофону, динаміків в микроконтроллерной техніці. Займане елементами підсилювачів простір не перевищує $5 см^2$





Передмова


Хотів застосувати в проекті синтезатор мови в реальному часі на основі бібліотеки
ESP8266Audio — supports ESP8266 & ESP32
Автор порту библитотеки пропонує підключати динамік використовуючи 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 і зробив. Але виявилося, що транзистор гріється т. к. каскад працює в режимі класу A. Стабілізатор напруги 300mA просто не впорався з харчуванням контролера і такого підсилювача. Не кажучи вже про харчування від батареї, яку довелося б ставити не виправдано більшої ємності, в порівнянні з застосуванням підсилювача класу AB, B або C. Довелося шукати різні варіанти. Так само розглянуті варіанти підсилювачів для мікрофона


Підсилювач на одному транзисторі для мікрофона


Перше і найпростіше це каскад із загальним емітером. В якості мікрофону будемо використовувати електретний мікрофон. В ньому використаний попередній підсилювач на польовому транзисторі. Для його живлення потрібне джерело живлення


Мені подобається схема з використанням Collector-Feedback Bias. По-перше, в ній на один резистор менше порівняно з класичною схемою на дільнику й за рахунок негативного зворотного зв'язку компенсує різниця в коефіцієнті підсилення транзистора.


Transistor Biasing Розрахунки

Для прикладу візьмемо резистором колектора 18 KOm для посилення в 50 разів резистор в емітері буде (спрощено, оскільки ми не враховуємо внутрішній опір емітера) 18000 / 50 = 360 Om


Оскільки вхідний опір АЦП зазвичай становить сотні KOm можна трохи збільшити опір колектора і досягти більшого посилення. Важливо щоб опір наступного каскаду (в нашому випадку вхід АЦП) мало велике вхідний опір, що б наш підсилювач міг «розгойдати» сигнал. Інакше доведеться збільшувати струм через колектор зменшуючи резистор в колекторі, а це призведе до зменшення посилення в цілому


Опір в емітері використовується для стабілізації режиму транзистора за рахунок негативного зворотного зв'язку. Якщо підключити паралельно резистору конденсатор, то негативний зворотний зв'язок по перемінному напрузі виключається і каскад має коефіцієнт посилення як у самого транзистора «щодо документації».


Ще один момент. треба задати вихідна напруга на колекторі, рівну половині повної робочої шкали напруги АЦП. Шкала ESP32 без аттенюаторов 1.1 V. Зміщенням бази R10 виставляємо на колекторі 0.5 V... 0.6 V


  • 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

Можна зробити зсув на колекторі близьке до половини напруги живлення і збільшити коефіцієнт підсилення каскаду, але додавши атенюатор. Однак, вносити ослаблення не рекомендується, оскільки нам знадобиться більше посилення



Схема розташування на платі



Підсилювач на трьох транзисторах для динаміка


Для підсилювача застосуємо схему на трьох транзисторах з вихідним каскадом у режиму AB. Задамо струм спокою близько 5 — 10 mA. Струм спокою встановлюється резистором R4. R15 встановлює половину напруги живлення на эмиттерах

Варіанти виконання:

Class AB Power Amplifiers

ZL2PD No IC Audio Amplifier

Схема розташування на платі



Підсилювач на операційному підсилювачі для мікрофона


Нижче посилання на найбільш поширені рішення з розрахунками для мікрофонного підсилювача

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

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

Хороша стаття по запобіганню перешкод по живленню в схемах op amp
Операційний підсилювач з однополярним живленням

Схема розташування на платі підсилювач для мікрофона і динаміка


" />

Розрахунки конденсаторів

C2 = $ f_} = 5kHz} = 0.00000000031831 F = 0.318 nF -> 0.33 nF $

C5 = $ f_} = 200Hz} = 0.000001591549431 F = 1.59 µF -> 2.2 µF $

C14 = $ f_} = 30Hz} = 0.00000007073553 F = 70.73 nF -> 0.1 µF $

Можна використовувати будь-операційний підсилювач, навіть LM358 або LM322 (LM324 чотири підсилювача в одному корпусі). Рекомендується вибирати підсилювач з виходом Rail-to-Rail для досягнення більшої амлітуди на виході

Підсилювач на операційному підсилювачі для динаміка. Паралельне включення


Пошуки використання паралельного включення операційного підсилювача для розкачки більш менш прийнятною потужності привели на цікаві рішення.
Один чоловік взяв аж 60! підсилювачів і зробив собі подарунок на ювілей. Ось це я розумію.



Посилання працює не завжди

На Російськомовному форумі є ось таке рішення
Якісний кінцевий УНЧ для ППП на TS922 і TS925

Мікросхема сімейства TS922 здатна віддавати 80 мА на навантаження 32 Ом
TS922
Features
• Rail-to-rail input and output
• Low noise: 9 nV/√Hz
• Low distortion
• High current output: 80 mA (able to drive 32 Ω loads)
• High-speed: 4 MHz, 1 V/μs
• From Operating 2.7 to 12 V
• Low input offset voltage: 900 μV max. (TS922A)

Комбінована схема з операційним підсилювачем і каскадом класу B, AB
Small audio amplifiers



Що б хотілося спробувати в майбутньому


Додати можливість автоматичного регулювання посилення. Наприклад на основі такого рішення Використання підсилювача з АРУ як м'якого обмежувача рівня сигналів




Для «стиснення» рівня вхідного сигналу, щоб рівень вихідного сигналу не залежав від гучності говорить в мікрофон застосовують SSM2167. Це передпідсилювач мікрофона з регульованою компресією. Але вихідна напруги обмежений 0.7 V і зміщення на виході 1.4 V. Для узгодження зі входом АЦП потрібно каскад з невеликим підсиленням.
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 dc output voltage of the device is approximately 1.4 V;therefore, a blocking capacitor for grounded loads must be used.





Висновок


Використання транзисторних підсилювачів в сучасній електроніці виправдано коли немає можливості придбати спеціалізовані мікросхеми такі як stereo — PAM8403, PAM8406 або mono PAM8302A, PAM8304, NS4150. Де PAM8406 — Абсолютний фаворит якщо потрібен стерео підсилювач з однополярним живленням. Його ціна прагне до 2$ за 10 штук. Є можливість включення режиму підсилення вихідного каскаду в режим AB


як мікрофонного підсилювача можна використовувати mems мікрофони з I2S інтерфейсом, такі як INMP441. У цьому випадку використання підсилювача відпадає і мікрофон підключається безпосередньо через інтерфейс I2S до контролера


INMP441





Розводка одного з варіантів плати з підсилювачами на транзисторах зроблена в Autodesk EAGLE

З чого все почалося






Плата була виготовлена на фабриці JLCPCB.
Якість мені сподобалась, але мені не з чим порівнювати, хіба що з травленням в хлорному залозі.

Source: habr.com

Коментарі (0)

    Ще немає коментарів

Щоб залишити коментар необхідно авторизуватися.