Прост аудио усилвател, базиран на операционния усилвател LM833
Това е проста схема на аудио усилвател, базирана на операционния усилвател LM833. Той принадлежи към категорията на онези схеми, които могат да бъдат сглобени за един час "на коляно". Въпреки това, въпреки своята простота, веригата е доста функционална и с подходящо качество на изработка може да се използва като усилвател за слушалки или предусилвател за електрическа китара. Или в най-лошия случай първото ви сглобено устройство.
Ориз. 1. Диаграма на прост аудио усилвател на LM833.
Усилвателят се захранва от девет волтова батерия тип "krone". Основата на усилвателя е двоен аудио операционен усилвател с общо предназначение - LM833. Включената част от микросхемата е свързана според веригата на неинвертиращия усилвател, неизползваната част - според веригата на повторителя, т.е. всъщност е "заглушена". Честотната лента на веригата е приблизително 0,5 Hz до 16 kHz. Коефициент на усилване от 1 до 100 в зависимост от стойността на променливия резистор. Оценките на всички компоненти са ясни от диаграмата.
Операционният усилвател има еднопостово захранване от 9 V. Идеалният операционен усилвател може да изведе напрежение в диапазона от 0 до захранващото напрежение. В действителност само rail-to-rail операционни усилватели могат да се държат по този начин, а операционните усилватели с общо предназначение работят в диапазона от минимално до максимално напрежение на насищане, което обикновено е по-малко от захранващото напрежение с
1 - 2 V. За да усилим входния сигнал максимално и без изкривяване, трябва да го изместим в средата на обхвата на изходното напрежение oh - приблизително до точката 4 V. Тогава изходният сигнал ще има къде да се "обърне".
Ориз. 1. Входно усилване (червено) без отместване. Изходният сигнал (син) е "подрязан отдолу".
Ориз. 2.Твърде голям офсет. Изходният сигнал е "отрязан отгоре". Можете да намалите усилването, тогава сигналът няма да бъде изкривен.
Ориз. 3. Оптимално отместване и усилване. Сигналът не е изкривен.
Веригата на отклонение се състои от компоненти R1, R4 и C3. Резисторите R1 и R4 образуват делител на напрежение, поради което неинвертиращият изход на операционния усилвател има постоянно напрежение малко по-малко от половината от захранването, а кондензаторът C3 прекъсва постоянния компонент на входния сигнал. Ако погледнете напрежението в точка А с осцилоскоп, ще видите, че входният сигнал осцилира на "стойка" от 4 V. Точно това ни трябва.
В допълнение към отклонението, компонентите R1, R4 и C3 действат като пасивен RC нискочестотен филтър. Честотата на срязване на този филтър ще бъде определена по формулата
C е капацитетът на входния разединителен кондензатор C3, а R е общото съпротивление на паралелно свързаните резистори R1 и R4. Защо паралелно? Защото за AC сигнал, захранването е "късо". Тоест той сякаш не го "вижда". Операционният усилвател има висок входен импеданс. Резисторите R1 и R4 ще намалят това съпротивление (тъй като за променлив входен сигнал те са свързани паралелно с входното съпротивление на усилвателя) и всъщност определят неговата стойност. За да не се "унищожи" входният аудио сигнал (по отношение на амплитудата и честотата), стойностите на резисторите и кондензатора трябва да бъдат взети доста големи - стотици kOhm и единици микрофаради. За стойностите, посочени в диаграмата, честотата на прекъсване на филтъра ще бъде
Най-простата схема на усилвател на напрежението на операционния усилвател е неинвертираща усилвателна верига (показана в сиво на фигурата по-долу). За да усилим входния сигнал, можем да го използваме.Коефициентът на усилване на такава верига е равен на съотношението на двата резистора във веригата за обратна връзка.
Uout/Uin = 1 + R5/R6
Ориз. 4 Диаграма на неинвертиращ операционен усилвател.
Въпреки това, ако подадем нашия предубеден сигнал към входа на конвенционален неинвертиращ усилвател, операционният усилвател ще се "насити" дори с малко усилване (тоест изходът ще има максимално напрежение). За да избегнете това, трябва да го „принудите“ да усилва само променливия сигнал. Това може да се постигне чрез добавяне на кондензатор - C7 към веригата. За постоянен сигнал тази верига ще бъде последовател (защото кондензатор за постоянен сигнал е равносилно на прекъсване), а за променлив - неинвертиращ усилвател.
Както можете да предположите, този кондензатор ще повлияе на честотната лента на нашата верига. За да бъдем по-точни, кондензаторът C7 и резисторът R6 образуват нискочестотен филтър с гранична честота:
F = 1/(2*Pi*R6 * C7) , [Hz]
Капацитетът на кондензатора C7 трябва да бъде взет достатъчно голям (десетки микрофаради), така че граничната честота на този нискочестотен филтър да е малка (части от Hz).
Веригата на неинвертиращия усилвател ще усили всички честоти, които операционният усилвател пропуска, включително високочестотен шум. За аудио усилвател ние абсолютно не се нуждаем от това. За да се ограничи честотната лента на усилвателя от високите честоти, се добавя кондензатор C5 паралелно с резистора R5. При ниски честоти той не влияе на усилването на веригата, а при високи честоти, когато съпротивлението му стане сравнимо с R5, усилването на веригата намалява. Кондензатор C5 заедно с резистор R5 образуват RF филтър, чиято гранична честота се дава от:
F = 1/(2*Pi*R5* C5) , [Hz]
Голяма стойност на този кондензатор ще дадеповече басов звук (за сметка на потискането на високите честоти), но може значително да намали усилването на веригата. Като играете със стойността на този кондензатор, можете да изберете приемлива честота на звука на усилвателя.
На изхода на операционния усилвател ще получим усилен входен сигнал на "стойката" 4 V. При липса на входен сигнал изходът на усилвателя ще бъде просто напрежение от 4 V (защото за постоянен сигнал веригата ще работи като повторител и имаме 4 V на входа). Ако свържете слушалки директно към изхода, тогава при липса на входен сигнал през тях ще тече ток. Изобщо не се нуждаем от това, следователно на изхода на усилвателя има изолационен кондензатор C4, който "отрязва" постоянния компонент.
Също така на изхода на усилвателя има високочестотен филтър на елементите R2 и C6. Първо, R2 ограничава изходния ток на операционния усилвател в случай на изходно късо съединение към земята, и второ, филтърът коригира изходния сигнал, т.е. допълнително "отрязва" високите честоти.
И последното са кондензаторите в захранващата верига на операционния усилвател (C1, C2). Това е особено вярно при захранване на веригата от мрежов адаптер.
Заключение
Разбира се, тази схема не е аудио стандарт и може да не отговаря на вашите очаквания за качество на звука. Въпреки това позволява на начинаещ електронен инженер да се запознае с основите и в същото време да получи конкретен практически резултат. Такова преживяване се запомня много по-добре, отколкото просто четене на учебник и тъпчене с формули. Не можете да обясните всичко в една статия (и аз не знам всичко), но се опитах да засегна основните точки на схемата. Можете да експериментирате с тях и да видите как ще се държи усилвателят.