单电源运算放大器音频放大器

电器工程 运算放大器 声音的
2022-01-12 08:07:07

我正在尝试创建一个运算放大器放大器,它可以在单 5V 电源下工作,并且能够将 -100mV 到 +100mV 音频信号放大到大约 1V 峰峰值左右。我从这篇文章中遇到了这个电路,它似乎可以工作,但是在计算实际值时遇到了麻烦:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

从文章中我读到 R1 和 R2 应该是相同的,并且对于 5V 电源应该在 42kOhm 左右。R4 应该是 R3+(0.5*R1) 就是这样......

那么我将如何实际计算最大频率约为 20kHz 且增益约为 5 的可变频率信号所需的电容器、电阻器值?

感谢你们对我的帮助!

编辑:

在文章中作者用地面符号写道:“*STAR GROUND”。将原理图中的所有接地线连接到一个点真的很重要,还是可以在整个电路中使用接地层?

2个回答

您似乎实际上已经在互联网上找到了一个合理的电路。我听说在外面的某个地方。

您引用的方程式过于严格。与其只告诉你值,不如解释每个部分的作用。

R1 和 R2 是一个分压器,使 1/2 的电源电压。这将是运算放大器运行的直流偏置。C2 低通滤波该分压器的输出。这是为了消除 5 V 电源上的毛刺、电源纹波和其他噪声,以免它们最终出现在您的信号中。只需要 R3,因为 C2 在那里。如果 R3 不存在,C2 也会压缩您的输入信号,而不仅仅是电源上的噪声。最终,R3 的右端旨在提供具有高阻抗的干净 1/2 电源信号。高阻抗使其不会干扰通过 C1 的所需信号。

C1 是一个直流阻断帽。它将 IN 处的 DC 电平与运算放大器偏置的 DC 电平解耦。

R4 和 R5 形成一个从输出返回到负输入的分压器。这是负反馈路径,整个电路增益是分压器增益的倒数。您希望增益为 10,因此 R4-R5 分频器的增益应为 1/10。C3 阻止直流,因此分压器仅适用于您的交流信号,而不是直流偏置点。分压器将通过所有 DC,因此从运算放大器的 + 输入到其输出的 DC 增益将为 1。

C4 是另一个隔直电容,这一次将运算放大器的直流偏置电平与输出去耦。使用两个隔直电容(C1、C4),整个放大器在交流电上工作,IN 和 OUT 处的任何直流偏置都无关紧要(在 C1 和 C4 的额定电压范围内)。

现在对于一些值。MCP6022 是 CMOS 输入运算放大器,因此具有非常高的输入阻抗。与其输入阻抗相比,即使是 MΩ 也很小。要考虑的另一件事是您希望此放大器工作的频率范围。你说信号是音频,所以我们假设低于 20 Hz 或高于 20 kHz 的信号是你不关心的信号。事实上,压制不需要的频率是个好主意。

R1 和 R2 只需相等,使 1/2 电源电压。您没有提到特殊要求,例如电池操作,其中最小化电流非常重要。鉴于此,我将 R1 和 R2 分别设为 10 kΩ,尽管这里有很大的余地。如果这是电池供电的,我可能会让它们每个 100 kΩ 并且不会感觉不好。当 R1 和 R2 为 10 kΩ 时,分压器的输出阻抗为 5 kΩ。您真的不希望该分压器的输出上有任何相关信号,所以让我们先看看需要什么电容才能过滤到 20 Hz。1.6 µF。2 µF 的常用值就可以了。更高的工作也有效,除了如果你太高,启动时间在人类规模上变得很重要。例如,10 µF 可以很好地过滤噪声。它的时间常数为 500 ms,阻抗为 5 kΩ,

R3 应大于 R1-R2 的输出,即 5 kΩ。我至少会选择几个 100 kΩ。运算放大器的输入阻抗很高,所以我们使用 1 MΩ。

C1 和 R3 组成一个高通滤波器,需要通过至少 20 Hz。从 R3 右端看到的阻抗略高于 1 MΩ。20 Hz 和 1 MΩ 需要 8 nF,因此需要 10 nF。这是您不想使用陶瓷盖的地方,因此较低的值非常有用。例如,聚酯薄膜帽在这里会很好,并且 10 nF 在可用范围内。

同样,R4-R5 分压器的总阻抗并不重要,因此让我们将 R4 任意设置为 100 kΩ,然后从那里计算出其他值。对于 10 的整体放大器增益,R5 必须为 R4/9,因此 11 kΩ 有效。C3 和 R5 形成一个滤波器,它必须在 20 Hz 或更低频率下滚降。C3 必须为 720 nF 或更高,因此为 1 µF。

请注意此拓扑的一个问题。在频率方面,C3 与 R5 一起作用,但 C3 最终稳定的直流电平由 R4+R5 和 C3 过滤。那是一个 1.4 Hz 的滤波器,这意味着该电路在通电后需要几秒钟才能稳定下来。

C4 形成一个高通滤波器,无论阻抗如何,都将连接到 OUT。因为你可能不知道,所以你想让它相当大。让我们选择 10 µF,因为它很容易获得。以 20 Hz 和 8 kΩ 滚动。因此,只要 OUT 的负载不小于 8 kΩ,该放大器就会按规定工作。

无需将 R4 设为特定值,因为这是一个 CMOS 运算放大器(输入偏置电流不匹配)。

电容值由所需的较低转角频率决定。C = \$\frac{1}{2\pi f_c R}\$

因此,如果 fc = 20Hz,并且 R1,R2 = 39K。让我们任意让R3 100K。那么 C = 100nF 是正确的。

C2 取决于您要衰减的电源上的内容,但我们假设为 1uF。

让我们选择 R4 = 100K 只是为了保持两个电阻相同。R5 为 11K,增益为 +10.1

最后,可以从 R5 计算出 C3 约为 1uF(使用上述等式)。

而已!