Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера

в 20:02, , рубрики: esp32 STM32 ADC DAC oamp amplifier, программирование микроконтроллеров, схемотехника

Усилители сигналов для АЦП и ЦАП микроконтроллера

В статье изложены подходы по построению схемотехники усилителей для микрофона и динамиков в микроконтроллерной технике. Занимаемое элементами усилителей пространство не превышает $5 см^2$

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 2

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 3

Усилитель на одном транзисторе для микрофона

Первое и самое простое это каскад с общим эмиттером. В качестве микрофона будем использовать электретный микрофон. В нем использован предуселитель на полевом транзисторе. Для его питания нужен источник питания

Мне нравится схема с использованием Collector-Feedback Bias. Во первых в ней на один резистор меньше по сравнению с классической схемой на делителе и за счет отрицательной обратной связи компенсирует разброс в коэффициенте усиления транзистора.

Transistor Biasing Calculations

Для примера зададимся резистором коллектора 18 KOm для усиления в 50 раз резистор в эмиттере будет (упрощенно, т.к. мы не учитываем внутреннее сопротивление эмиттера) 18000 / 50 = 360 Om

Поскольку входное сопротивление АЦП обычно составляет сотни KOm можно немного увеличить сопротивление коллектора и достичь большего усиления. Важно чтобы сопротивление следующего каскада (в нашем случае вход АЦП) имело большое входное сопротивление, что бы наш усилитель мог «раскачать» сигнал. Иначе придется увеличивать ток через коллектор уменьшая резистор в коллекторе, а это приведет к уменьшению усиления в целом

Сопротивление в эмиттере используется для стабилизации режима транзистора за счет отрицательной обратной связи. Если подключить параллельно этому резистору конденсатор, то отрицательная обратная связь по переменному напряжению исключается и каскад имеет коэффициент усиление как у самого транзистора «по документации».

Еще один момент. надо задать выходное напряжение на коллекторе, равное половине полной рабочей шкалы напряжения АЦП. Шкала ESP32 без аттенюаторов 1.1V. Смещением базы R10 выставляем на коллекторе 0.5V… 0.6V

  • 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

Можно сделать смещение на коллекторе близкое к половине напряжения питания и увеличить коэффициент усиления каскада, но добавив аттенюатор. Однако, вносить ослабление не рекомендуется, поскольку нам понадобится большее усиление

Схема и расположение на плате

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 4 Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 5

Усилитель на трех транзисторах для динамика

Для усилителя применим схему на трех транзисторах с выходным каскадом в режима AB. Зададим ток покоя порядка 5 — 10 mA. Ток покоя устанавливается резистором R4. R15 устанавливает половину напряжения питания на эмиттерах

Варианты исполнения:

Class AB Power Amplifiers

ZL2PD No IC Audio Amplifier

Схема и расположение на плате

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 6Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 7

Усилитель на операционном усилителе для микрофона

Ниже ссылка на наиболее распространенные решения с расчетами для микрофонного усилителя

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

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

Хорошая статья по предотвращению помех по питанию в схемах op amp
Операционный усилитель с однополярным питанием

Схема и расположение на плате усилитель для микрофона и динамика

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 8" />Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 9

Расчеты конденсаторов

C2 = ${1 over 2Pi R1_{1} f_{H}}={1 over 2Pi 100kOm_{1} 5kHz}=0.00000000031831F=0.318nF -> 0.33nF $

C5 = ${1 over 2Pi R6_{1} f_{L}}={1 over 2Pi 500Om_{1} 200Hz}=0.000001591549431F=1.59mF -> 2.2mF $

C14 = ${1 over 2Pi (R2||R14)_{1} f_{IN}}={1 over 2Pi 75kOm_{1} 30Hz}=0.00000007073553F=70.73nF -> 0.1mF $

Можно использовать любой операционный усилитель, даже LM358 или LM322 (LM324 четыре усилителя в одном корпусе). Рекомендуется выбирать усилитель с выходом Rail-to-Rail для достижения большей амлитуды на выходе

Усилитель на операционном усилителе для динамика. Параллельное включение

Поиски использования параллельного включения операционного усилителя для раскачки более менее приемлемой мощности привели на интересные решения.
Один человек взял аж 60! усилителей и сделал себе подарок на юбилей. Вот это я понимаю.

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 13Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 14

Ссылка работает не всегда

На Русскоязычном форуме есть вот такое решение
Качественный оконечный УНЧ для ППП на TS922 и TS925

Микросхема семейства TS922 способна отдавать 80 мА на нагрузку 32 Ом

TS922

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

Комбинированная схема с операционным усилителем и каскадом класса B, AB
Small audio amplifiers

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 15

Что бы хотелось попробовать в будущем

Добавить возможность автоматической регулировки усиления. Например на основе такого решения Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 16
Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 17

Для «сжатия» уровня входного сигнала, чтобы уровень выходного сигнала не зависел от громкости говорящего в микрофон применяют SSM2167. Это предусилитель микрофона с регулируемой компрессией. Но выходное напряжения ограничен 0.7V и смещение на выходе 1.4V. Для согласование со входом АЦП потребуется каскад с небольшим усилением.

SSM2167 spec

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 18
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 output dc voltage of the device is approximately 1.4 V;therefore, a blocking capacitor for grounded loads must be used.

Заключение

Использование транзисторных усилителей в современной электронике оправдано когда нет возможности купить специализированные микросхемы такие как stereo — PAM8403, PAM8406 или mono PAM8302A, PAM8304, NS4150. Где PAM8406 — Абсолютный фаворит если нужен стерео усилитель с однополярным питанием. Его цена стремится к 2$ за 10 штук. Есть возможность включения режима усиления выходного каскада в режим AB

В качестве микрофонного усилителя можно использовать mems микрофоны с SPI интерфейсом, такие как INMP441. В этом случае использование усилителя отпадает и микрофон подключается непосредственно через интерфейс SPI к контроллеру

INMP441

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 19

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 20

Разводка одного из вариантов платы с усилителями на транзисторах сделанная в Autodesk EAGLE

С чего все началось

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 21

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера - 22

Плата была изготовлена на фабрике JLCPCB.
Качество мне понравилось, но мне не с чем сравнивать, разве что с травлением в хлорном железе.

Автор: Andreev Dmitry

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js