Записки программиста

Операционный усилитель — это интегральная схема, предназначенная для усиления сигналов низкой частоты. Операционные усилители часто используются в различных аудио-устройствах. Давайте же разберемся, как работать с этим хозяйством, на примере конкретного чипа NE5532.

Рассмотрим такую задачу. Допустим, мы хотим сделать микрофон, чтобы его можно было подключить прямо к компьютеру и записывать с него звук, например, в Audacity. Популярным и дешевым видом микрофона является электретный микрофон. Типичная схема его подключения выглядит как-то так:

Обратите внимание, что у электретного микрофона есть полярность. Определить, где у микрофона минус, обычно не сложно. Если перевернуть микрофон контактами кверху, то со стороны минуса у него будут видны дорожки, идущие к корпусу. Впрочем, мне попадались электретные микрофоны и без таких дорожек. В этом случае лучше свериться с даташитом.

Так что же происходит на приведенной схеме? Будучи соединенным последовательно с резистором, как показано на верхней части схемы, электретный микрофон создает колебания напряжения в точке между собой и резистором. Колебания эти соответствуют окружающему звуку. Однако есть проблема, и даже несколько.

Для начала, у напряжения в точке между микрофон и резистором есть две составляющие — постоянная и переменная. Из них нам интересна только переменная составляющая, значит, постоянную нужно как-то отрезать. Именно для этого в схеме и используется конденсатор C2, подтянутый к земле через резистор R3. Как вам может быть известно, конденсаторы пропускают через себя переменную часть сигнала, отрезая постоянную, а это именно то, что нам нужно. Резистор R3 нужен для того, чтобы результирующий сигнал колебался вокруг строго определенной точки 0 В. Таким образом, на выходе mic мы получим интересующий нас сигнал с отрезанной постоянной составляющей.

Другая проблема заключается в том, что получившийся сигнал очень слаб, всего лишь +/- 20 мВ или около того. Тут-то в дело и вступают операционные усилители. Для наглядности я забегу немного вперед и приведу следующую картинку, полученную при помощи осциллографа Rigol DS1054Z:

Здесь желтый сигнал, которого почти не видно — это исходный сигнал, полученный от электретного микрофона. Синий сигнал — это он же, но усиленный с помощью операционного усилителя. На глаз коэффициент усиления можно оценить, как 1:100.

Итак, существует две типичные схемы использования операционного усилителя:

Важно! Несмотря на то, что операционный усилитель обозначается на схемах так же, как компаратор, это два разных компонента, которые не следует путать. Операционный усилитель может быть использован в качестве не очень хорошего компаратора, но обычно вы не должны этого хотеть. Чтобы окончательно всех запутать, этот же символ используется для обозначения и других интегральных схем. Например, LM386 является аудио-усилителем класса AB. Но на схемах он может быть изображен тем же символом, что и операционный усилитель. Понять, какой компонент используется на самом деле, можно по подписанному рядом названию чипа.

Коэффициент усиления сигнала в первой схеме можно примерно посчитать, как - RB / RA. Обратите внимание на знак минус в формуле. Он означает, что сигнал на выходе будет инвертирован. Соответственно, такое включение операционного усилителя называется инвертирующим. Недостатком схемы является довольно низкий входной импеданс.

По этой причине в большинстве случаев предпочтительнее использовать неинвертирующее включение операционного усилителя, изображенное на второй схеме. Коэффициент усиления этой схемы можно приблизительно вычислить по формуле 1 + RB / RA. В этом проекте мы воспользуемся неинвертирующим включением.

Взглянем на распиновку NE5532:

Как видите, чип содержит в себе два операционных усилителя, из которых в этом проекте нам понадобится только один. Для снижения энергопотребления и повышения стабильности работы чипа неиспользуемый операционный усилитель следует подключать образом, изображенным на следующей картинке справа:

Оставшийся же усилитель был подключен по обычной неинвертирующей схеме. Единственное отличие здесь заключается в том, что RB был заменен на подстроечный резистор для возможности регулирования коэффициента усиления.

Хорошо, как пользоваться операционным усилителем мы разобрались. Но что это еще за отрицательные 5 В, необходимые для его работы? Отрицательное напряжение — это вообще как, и откуда мы его возьмем? В действительности, все не так страшно, как может показаться на первый взгляд. Напряжение зависит от выбранной точки отсчета. Например, мы можем сказать, что 3 В от источника питания в нашей цепи будут считаться за 0 В. Тогда 6 В превратятся в 3 В относительно нового нуля, а 0 В, соответственно, в -3 В.

Отрицательное напряжение достаточно просто получить при помощи делителя напряжения или двух последовательно соединенных батареек. Но такие схемы далеки от идеала. Например, батарейки могут разряжаться с разной скоростью, и в результате наш ноль со временем «уплывет». В случае же с делителем напряжения следует учесть вклад сопротивления самой нагрузки, которая получается соединенной параллельно с резистором на делителе, опять таки, смещая тем самым ноль. Поэтому в данном проекте я решил пойти другим путем.

Путь заключается в использовании специальной микросхемы для инвертирования напряжения под названием ICL7660:

Принцип действия этого чипа не сложен для понимания и основывается на переключающихся конденсаторах. Подробности можно найти в даташите [PDF] на рисунке 13. Интересно, что ICL7660 можно использовать не только как инвертор напряжения, но и как удвоитель. А при использовании нескольких чипов напряжение можно умножить на 4 или 8. Следует однако учесть, что при использовании ICL7660 в качестве удвоителя рекомендуемая производителем схема подключения отличается от приведенной выше.

Поскольку мы работает со звуком, лишние шумы нам ни к чему. А ICL7660 показал себя как достаточно шумный источник напряжения, по крайней мере, на макетной плате. Поэтому я решил также добавить в схему два линейных регулятора напряжения — LM7805 для положительного напряжения и аналогичный ему LM7905 для отрицательного:

Регуляторы напряжения хороши еще тем, что позволяет питать схему напряжением из некого диапазона, а не фиксированным.

Остался последний штрих, а именно — добавить в схему разъем 3.5 mm jack:

Заметьте, что выход операционного усилителя идет через конденсатор. Так сделано по той причине, что вход для микрофона компьютера на левом и правом канале имеет какое-то постоянное напряжение, и нам нужно от него отгородиться.

Окончательный вид устройства, спаянного на макетке:

Должен сказать, что качество звука меня приятно удивило. Нет, до профессионального конденсаторного микрофона, конечно же, еще очень далеко. Но какой-либо фоновый писк, треск или иные артефакты, которых я ожидал, совершенно отсутствуют. Если говорить исключительно о передаче голоса, то устройство даст огромную фору многим USB-гарнитурам. Учитывая, что себестоимость проекта составляет что-то близкое к 2-3$, это действительно поразительно.

Полную версию проекта для KiCad вы найдете в этом Git-репозитории.

Дополнение: Пример использования операционного усилителя в роли повторителя напряжения и создания с его помощью ЦАП вы найдете в посте Генерация синусоидального сигнала, а следовательно и звука, на FPGA. Схема peak detector приводится в статье Самодельный интерфейс для работы в цифровых видах связи. Также вас могут заинтересовать статьи Активные фильтры: теория и практика, Генератор с мостом Вина на NE5532 и Сдвиг фазы аудио-сигнала на 90° при помощи ОУ.

Метки: Аудио, Электроника.