Изучаем работу операционного усилителя на примере NE5532

1 декабря 2017

Операционный усилитель — это интегральная схема, предназначенная для усиления слабого сигнала. Операционные усилители часто используются в различных аудио-устройствах. Например, если вы решите спаять усилитель для высокоомных наушников, вам наверняка понадобится операционный усилитель. Звучит, как что-то полезное. Так 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:

Подключение электретного микрофона

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:

Осциллограмма оригинальный сигнала и усиленного с помощью NE5532

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:

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. (Стоит отметить, что при определенных условиях операционные усилители могут работать в качестве не очень хорошего компаратора, но вы почти наверняка не должны этого хотеть.) Отличить компаратор от операционного усилителя обычно 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. На базе это схемы можно собрать фильтр нижних частот, добавив конденсатор, соединенный параллельно с резистором RB. 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. Если добавить в схему конденсатор, соединенный параллельно с регистром RA, получится фильтр верхних частот. В этом проекте мы воспользуемся именно неинвертирующим включением.

Взглянем на распиновку NE5532:

Распиновка чипа 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:

Правильное подключение неиспользованного операционного усилителя

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:

Схема подключения 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.

Fun fact! Еще в интернете можно найти схемы инвертора напряжения на основе знакомого нам таймера 555.

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 LM7805 и LM7905

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:

Вывод звука на 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:

Самодельный микрофон с усилителем NE5532

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.

А доводилось ли вам паять что-то связанное со звуком, и если да, то что именно?

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. Кое-какие подробности о фильтрах нижних и верхних частот вы найдете в посте Базовые аналоговые фильтры: теория и практика.

Метки: , .

Понравился пост? Узнайте, как можно поддержать развитие этого блога.

Также подпишитесь на RSS, Facebook, ВКонтакте, Twitter или Telegram.