Wzmacniacz audio z pojedynczym zasilaniem

Próbuję stworzyć wzmacniacz operacyjny, który działałby z pojedynczego źródła zasilania 5 V i byłby w stanie wzmocnić sygnał audio od -100 mV do + 100 mV do około 1V wartości szczytowej. Z tego artykułu natknąłem się na ten obwód , który może wydawać się działać, ale mam problem z obliczeniem rzeczywistych wartości:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Z artykułu przeczytałem, że R1 i R2 powinny być takie same i około 42kOhm dla zasilacza 5 V. R4 powinien być R3 + (0,5 * R1) i to wszystko ...

Jak więc mógłbym właściwie obliczyć kondensator, wartości rezystora potrzebne dla sygnału o zmiennej częstotliwości z maksymalną częstotliwością około 20 kHz i zyskiem około 5?

Dziękuję za pomoc!

EDYTOWAĆ:

W artykule autor napisał pod symbolem ziemi: „* STAR GROUND”. Czy naprawdę ważne jest, aby połączyć wszystkie tranzy uziemienia na schemacie do jednego punktu, czy też mogę użyć płaszczyzny uziemienia w całym obwodzie?

Wyglądało na to, że rzeczywiście znalazłeś rozsądny obwód w Internecie. Słyszałem, że gdzieś tam jest.

Cytowane równania są zbyt surowe. Zamiast po prostu podawać wartości, lepiej wyjaśnić, co robi każda część.

R1 i R2 to dzielnik napięcia, który wytwarza 1/2 napięcia zasilania. Będzie to stronniczość DC, na której będzie działał opamp. C2 dolnoprzepustowy filtruje wyjście tego dzielnika napięcia. Ma to na celu wyeliminowanie usterki, tętnienia zasilacza i innych zakłóceń na zasilaniu 5 V, aby nie dostały się do twojego sygnału. R3 jest potrzebny tylko dlatego, że C2 tam jest. Gdyby nie było R3, C2 zniszczyłby również twój sygnał wejściowy, a nie tylko szum na zasilaczu. Ostatecznie prawy koniec R3 ma dostarczać czysty sygnał zasilający 1/2 o wysokiej impedancji. Wysoka impedancja jest taka, że ​​nie zakłóca pożądanego sygnału przechodzącego przez C1.

C1 jest ogranicznikiem DC. Oddziela poziom prądu stałego w IN od poziomu prądu stałego, na którym opamp jest tendencyjny.

R4 i R5 tworzą dzielnik napięcia od wyjścia z powrotem do wejścia ujemnego. Jest to ścieżka ujemnego sprzężenia zwrotnego, a całkowite wzmocnienie obwodu jest odwrotnością wzmocnienia dzielnika napięcia. Chcesz wzmocnienia o wartości 10, więc dzielnik R4-R5 powinien mieć wzmocnienie o wartości 1/10. C3 blokuje prąd stały, dzięki czemu dzielnik działa tylko na sygnał prądu przemiennego, a nie na punkt napięcia stałego. Dzielnik przepuści całe DC, więc wzmocnienie DC od wejścia + opampa do jego wyjścia wyniesie 1.

C4 jest kolejnym ograniczeniem DC, tym razem odsprzęgającym poziom odchylenia prądu stałegoampa od wyjścia. Dzięki dwóm blokującym czapkom prądu stałego (C1, C4) ogólny wzmacniacz działa na prąd przemienny, a jakiekolwiek odchylenia prądu stałego na wejściach i wyjściach są nieistotne (w zakresie napięcia C1 i C4).

Teraz kilka wartości. MCP6022 to opamp wejściowy CMOS, więc ma bardzo wysoką impedancję wejściową. Nawet MΩ jest mały w porównaniu do impedancji wejściowej. Inną rzeczą do rozważenia jest zakres częstotliwości, na których ma pracować ten wzmacniacz. Powiedziałeś, że sygnał jest dźwiękiem, więc założymy, że wszystko poniżej 20 Hz lub powyżej 20 kHz to sygnał, na którym ci nie zależy. W rzeczywistości dobrym pomysłem jest zmiażdżenie niepożądanych częstotliwości.

R1 i R2 muszą być równe, aby uzyskać 1/2 napięcia zasilania. Nie wspominasz o żadnych specjalnych wymaganiach, takich jak zasilanie bateryjne, w którym minimalizacja prądu ma duże znaczenie. Biorąc to pod uwagę, zrobiłbym R1 i R2 10 kΩ każdy, chociaż tutaj jest duża swoboda. Gdyby były zasilane bateryjnie, prawdopodobnie zrobiłbym je 100 kΩ każdy i nie czułbym się z tym źle. Przy R1 i R2 10 kΩ impedancja wyjściowa dzielnika wynosi 5 kΩ. Tak naprawdę nie chcesz żadnego istotnego sygnału na wyjściu tego dzielnika, więc zacznijmy od sprawdzenia, jaka pojemność jest potrzebna do filtrowania do 20 Hz. 1,6 µF. Wspólna wartość 2 µF byłaby w porządku. Wyższe działa również, z wyjątkiem tego, że jeśli przejdziesz za wysoko, czas uruchamiania staje się znaczący na ludzką skalę. Na przykład 10 µF działałoby by ładnie filtrować szumy. Ma stałą czasową 500 ms z impedancją 5 kΩ,

R3 powinien być większy niż moc wyjściowa R1-R2, która wynosi 5 kΩ. Wybrałbym co najmniej kilka 100 kΩ. Impedancja wejściowa opampa jest wysoka, więc użyjmy 1 MΩ.

C1 z R3 tworzą filtr górnoprzepustowy, który musi przejść co najmniej 20 Hz. Impedancja widziana w prawym końcu R3 wynosi nieco ponad 1 MΩ. 20 Hz przy 1 MΩ wymaga 8 nF, więc 10 nF to jest. To miejsce, w którym nie chcesz używać ceramicznej nasadki, więc niższe wartości są całkiem przydatne. Na przykład czapka z mylaru byłaby tutaj dobra, a 10 nF mieści się w dostępnym zakresie.

Ponownie, ogólna impedancja dzielnika R4-R5 nie ma większego znaczenia, więc pozwólmy arbitralnie ustawić R4 na 100 kΩ i opracować inne wartości stamtąd. R5 musi wynosić R4 / 9 dla ogólnego wzmocnienia wzmacniacza 10, więc 11 kΩ działa. C3 i R5 tworzą filtr, który musi staczać się przy 20 Hz lub poniżej. C3 musi wynosić 720 nF lub więcej, więc 1 µF.

Zwróć uwagę na jeden problem z tą topologią. C3 pod względem częstotliwości działa z R5, ale poziom prądu stałego, w którym C3 ostatecznie ustabilizuje się, jest filtrowany przez R4 + R5 i C3. Jest to filtr o częstotliwości 1,4 Hz, co oznacza, że ​​ten obwód ustabilizuje się po kilku sekundach po podłączeniu zasilania.

C4 tworzy filtr górnoprzepustowy o dowolnej impedancji podłączonej do OUT. Ponieważ możesz tego nie wiedzieć, chcesz uczynić go dość dużym. Wybierzmy 10 µF, ponieważ jest on łatwo dostępny. To rozwija się przy 20 Hz przy 8 kΩ. Wzmacniacz będzie zatem działał tak, jak określono, o ile OUT nie jest obciążony mniej niż 8 kΩ.

Nie ma potrzeby ustawiania tej wartości na R4, ponieważ jest to wzmacniacz operacyjny CMOS (brak dopasowania prądów polaryzacji wejściowej).

$\frac{1}{2\pi f_c R}$

Więc jeśli fc = 20 Hz, a R1, R2 = 39 K. Zróbmy dowolnie R3 100K. Wtedy C = 100nF jest prawie prawidłowe.

C2 zależy od źródła zasilania, które próbujesz osłabić, ale powiedzmy za to 1 uF.

Wybierzmy R4 = 100K, aby dwa oporniki pozostały takie same. R5 będzie wtedy wynosić 11K dla wzmocnienia +10,1

Wreszcie C3 można obliczyć z R5, aby wynosił około 1uF (przy użyciu powyższego równania).

Otóż ​​to!