Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера

  • Tutorial

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 $5 см^2$





Предисловие


Хотел применить в проекте синтезатор речи в реальном времени на основе библиотеки
ESP8266Audio — supports ESP8266 & ESP32
Автор порта библитотеки предлагает подключать динамик используя один транзистор

Use the AudioOutputI2SNoDAC object instead of the AudioOutputI2S in your code, and the following schematic to drive a 2-3W speaker using a single $0.05 NPN 2N3904 transistor:



Я так и сделал. Но оказалось, что транзистор греется т.к. каскад работает в режиме класса A. Стабилизатор напряжения 300mA просто не справился с питанием контроллера и такого усилителя. Не говоря уже про питание от батареи, которую пришлось бы ставить не оправданно большей емкости, по сравнению с применением усилителя класса AB, B или C. Пришлось искать различные варианты. Так же рассмотрены варианты усилителей для микрофона. Напряжение питания усилителей однополярное 3V...5V


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 предусилитель 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



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



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


" />

Расчеты конденсаторов

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

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

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

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.



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



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




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

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 I2S интерфейсом, такие как INMP441. В этом случае использование усилителя отпадает и микрофон подключается непосредственно через интерфейс I2S к контроллеру


INMP441





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

Autodesk Eagle PCB GitHub

С чего все началось






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

Видеоинструкция как распаять эту плату


Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

Считать ли статью Tutorial?

  • 49,3%Да34
  • 37,7%Нет26
  • 13,0%Не знаю что такое Tutorial9

Средняя зарплата в IT

110 450 ₽/мес.
Средняя зарплата по всем IT-специализациям на основании 6 901 анкеты, за 2-ое пол. 2020 года Узнать свою зарплату
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 35

    +1
    Очень интересно! А можно еще введение и заключение?
    Т.е. какое место в большом мире усилителей занимают описанные?
    А то есть вот такие вещи:
    www.kombik.com/catalog/view/avalon-design-vt-737sp
    за 244 тыс руб.
    Для чего можно применять то что в статье? Я интересуюсь именно в плане музыкального применения.
      0
      возможно, для «музыкальной» шкатулки, но с очень большими оговорками.
      +7
      Для ликбеза для начинающих статья возможно будет полезна. Помечая как туториал свои статьи начинающим я бы не рекомендовал — это большая ответственность. Прежде чем учить других надо самому быть глубоко в теме. Можно нарваться на комментарии профи, в лучшем случае над тобой посмеются, в при плохом настроении могут и заминусовать, глядя скажем на примеры трассировки.
      Для понимания принципов работы примеры усилителей на транзисторах имеют смысл, но на дворе уже 2020 год. Сегодня стыдно не использовать интегральные схемы. Как справедливо отмечено в статье «рулят» MEMS микрофоны и интегральные решения. Экономить на копейках не имеет смысла. Лишние 100 — 200 рублей в самоделке вряд ли ударят по бюджету, а конкурировать в массовых изделиях с китайцами бесперспективно.
      Качественный микрофонный усилитель не получить без АРУ, а собрать подобную схему на транзисторах без моточных изделий вряд ли получится. Гораздо проще использовать для этого специализированные микросхемы усилителей. Чтобы не быть голословным прилагаю участок схемы домофона с эффективным и настраиваемым АРУ, который я разработал для одной компании кстати ещё 10 лет назад!
      Для «удобосмотрения» пришлось на две части разбить. На верхней микрофонный усилитель на MAX9814



      на нижней — очень бюджетный УНЧ, который обладает куда параметрами куда лучше трёхтранзисторного, приведённого в статье, а места занимает пожалуй даже меньше



        0
        А зачем в УНЧ 2х100мкФ 16В? У вас же уже был 220мкФ 16В в спецификации? Еще один на 220 в плату не лез?
          0
          Плата для домофона, ставил SMD конденсаторы, было ограничение по высоте, а площадь на плате ещё оставалась.
        +1
        Спасибо, интересно!
        А каково назначение IC4 в схеме с операционными усилителями (и почему используется двойной)?
          +2
          IC4 для увеличение нагрузочной способности выхода на динамик. А примененные в схеме двойные или счетверенные оу банально дешевые и легко достать.
            0
            Спасибо за пояснение! Я, правда, совсем ламер, и не очень понимаю: если оу работает как буфер, то почему в параллель ему идет R24? Как я понимаю (поправьте, если не так), суть оу в буфере том, что импеданс его большой и это позволяет большую нагрузку. Но если ему в параллель идет резистор, разве не через него пойдет весь сигнал?
              0

              r24,17,18 для ограничения тока.

          +2
          Запишите в книжечку — предусилитель.
            0
            Ну ошибся в одном месте, бывает)
            Спасибо, исправил
            +1
            mems микрофоны с SPI интерфейсом, такие как INMP441.

            Микрофонов с SPI интерфейсом не видел (как найдете покажите, хочу взглянуть на это чудо). INMP441 и ему подобные — с интерфейсом I2S.
              0
              Кончно I2S
              Спасибо, исправил
              +1
              MEMS-микрофоны из сотовых, планшетов, и с алиэкспресса — что может быть проще? Они созданы для работы с мк, ничего придумывать не нужно.
              А для качественного звука уже недостаточно встроенного в мк ацп. Тут даже усилитель не поможет.
                +1
                Да, я в своё время пытался оцифровывать звук АЦП микроконтроллера — качество ниже плинтуса. В результате поставил кодек. Проще сразу поставить цифровой микрофон, но мне требовался микрофон с очень низкой нижней граничной частотой, как ни странно я не нашёл такого.
                  +1
                  1. Они созданы для работы со специализированными DSP и SoC, обычным МК с ними сложно (но можно). У них на выходе поток 2-3 Мбита/с.
                  2. Не МЭМС, а digital. МЭМС это технология изготовления сенсоров, в т.ч. и аналоговых микрофонов.
                  3. Качество звука у них на уровне аналоговых. Единственный плюс — упрощение аналогового тракта. Но, имхо, самоделкину-радиолюбителю в штучных поделках это вообще не показатель.
                    0
                    «Самоделкиным», как и вполне зрелым специалистам о области цифры очень сложно разбираться с тонкостях аналоговой схемотехники.
                    В данном случае статья явно была с уклоном в сторону ESP, в нём проблем с ресурсами не существует. Cortex M0 тоже легко справится, а вот у дешёвых восьмибитников типа AVR действительно могут возникнуть серьёзные проблемы, но опять же, нет никакого смысла задирать верхнюю частоту до 20 МГц в бюджетных проектах, хотя бы потому что на дешёвых малогабаритных динамиках этим только лишние «хрипы» породишь.
                    Я в своих проектах, связанных со звуком, работаю на М4 и в них для подобных целей существует «специально обученный» аппаратный интерфейс.
                      +1
                      Я в своих проектах, связанных со звуком, работаю на М4 и в них для подобных целей существует «специально обученный» аппаратный интерфейс.

                      Напишите pls на тему stm32 + dig.mic статью, очень многим было бы интересно!
                        0
                        Спасибо за внимание. Та, что с цифровым микрофоном слева. Делаем этот проект в свободное время, которого бывает не много. Постараюсь описать результат своих экспериментов, если время найду.
                        Плата с микрофоном — крайняя левая.
                  0
                  > Разводка одного из вариантов платы

                  А другие варианты чем отличались?
                    +2
                    Видимо ошибками. Обычное дело. Сложно с первого раза сделать всё идеально даже имея опыт работы.
                      0
                      MicroUSB, CP2102, HT7833
                      Autodesk Eagle PCB
                      0
                      Не рассматривали усилители класса D?
                        0

                        Конденсатор 10uF в цепи эмиттера на частоте 20 Гц будет иметь сопротивление около 800 Ом, соответственно усиливается обратная связь и усиление каскада на нижних частотах падает. В результате АЧХ усилителя будет иметь завал нижних частот.


                        Выходной импеданс этой схемы достаточно высокий, что может не понравится АЦП.

                          +1
                          Справедливости ради отмечу, что речь в статье идёт никак о HIFI, а о супербюджетном варианте с полосой пропускания в районе 100 — 8000 Гц, если вообще не 200 — 5000.
                          Собственно даже микрофон без серьёзного завала на 20 герцах в бюджетном варианте найти крайне сложно. Дешёвые модели от сотни и выше начинают работать.
                          +1
                          Спасибо за статью.
                          Комбинированная схема с операционным усилителем и каскадом класса B, AB

                          Тут есть тонкость. По сравнению со третьей схемой в статье Small audio amplifiers Вы убрали резистор 1Ом последовательно эмиттеру выходных каскадов. К сожалению, без него схема не будет термостабильна. Напряжение база-эммитер пропорционально 1/T (обратной абсолютной температуре), а значит, что ток коллектора будет сильно зависеть от температуры. И чем больше температура, тем больше ток коллектора, а значит они ещё нагреются, и ещё, и больше и больше.
                            0

                            Полезная статья, спасибо. Сам недавно просчитывал простой усилитель на транзисторе для переменной составляющей с шунта. Сейчас увидел бОльшее количество вариантов, в т.ч. интегральных.
                            Жаль, что не привели методики расчётов и как выше было замечено — упустили момент термостабильности в одной из схем.

                              +3
                              Тему автор затронул интересную, но некоторые важные моменты, как мне кажется, не рассмотрел. Попробую дополнить.
                              1. Электретный микрофон на выходе выдаёт всего лишь несколько мВ со смещением в сторону питания VCC, которые необходимо качественно усилить. Не всякий осциллограф может показать эти милливольты. Сигнал с микрофона желательно усилить в 1000 раз. Минимум в 200-300 раз, чтобы на АЦП или усилитель завести.
                              2. Микрофону требуется стабильный источник питания, т.к. все помехи по питанию будут усиливаться в сотни раз. Для этого у автора на входе стоит RC-фильтр R9-C10.
                              image
                              В схемах с ОУ (когда есть несколько ОУ в одном корпусе) один из них используют для стабилизации источника питания.
                              3. Конденсатор С9 является разделительным, он убирает постоянную составляющую VCC, которая идёт с сигналом с микрофона. В результате получаем [-0.01..+0.01] Вольта, которые добавляются к смещению базы транзистора, создаваемому R10. Лично я предпочитаю использовать два резистора-делителя, которые задают смещение базы не менее 0.6В. В зависимости от R и C в эмиттерной цепи базовое смещение надо увеличить до 0.9В.
                              4. Элементы R13 и C6 в цепи эмиттера очень важны для усилителя микрофона. За счёт снижения коэффициента усиления повышается качество усиления сигналов переменной частоты.
                              5. В усилителе для динамика у автора транзисторы BC847 в корпусе SOT-23. У них рассеиваемая мощность 0.25Вт. Это надо иметь в виду при подключении нагрузки.
                              image
                              P.S. Схемы на ОУ требуют примерно столько же деталей-обвязки. Но дешёвые ОУ имеют GBP около 1 МГц и не могут усиливать в 1000 раз сигналы всего частотного диапазона 20-20000 Гц. Их возможности это максимум х100 на частотах до 10кГц. Поэтому ставят 2 каскада. А между каскадами можно поставить АРУ, раз уж есть такая возможность.
                              P.P.S. У автора на схеме с ОУ в цепи обратной связи стоят резисторы 100к и 510 Ом, которые устанавливают режим усиления сигнала в 200 раз. Возможно, это не всем очевидно, но надо это отметить.
                                0
                                image
                                У электретного микрофона есть предусилитель. Выходное напряжение с микрофона порядка 7 mV. На вход АЦП ESP32 надо подать 1.1V. Так что требуется усиление всего около 150. Но никак не 1000.
                                Designing tiny microphone circuits with the industry’s smallest op amp

                                Смещение на входе АЦП должно быть половину шкалы АЦП т.е 0.55V в нашем случае

                                  0
                                  4. Элементы R13 и C6 в цепи эмиттера очень важны для усилителя микрофона. За счёт снижения коэффициента усиления повышается качество усиления сигналов переменной частоты.

                                  Эти элементы вообще не имеют смысла в данной схеме, так как не влияют ни на режим по постоянному току (задается R10) ни на усиление в рабочей полосе частот — эмиттерный резистор заблокирован конденсатором большой емкости (спад будет в несколько децибел на частоте герц в 50-100, уже микрофон сдастся давно).

                                  Поэтому коэффициент усиления этого каскада определяется только крутизной каскада (зависит от тока коллектора) и сопротивлением нагрузки и, навскидку, под сотню. Так что с линейностью у этого усилителя плоховато.

                                  Не менее плох способ задания рабочей точки одним резистором коллектор-база, когда напряжение на коллекторе будет _может_ зависеть от параметров транзистора и температуры, хотя там и будет отрицательная связь по напряжению. Скорее всего в этой схеме оно установится на уровне порядка вольта, что для такого микрофонного усилителя хоть и допустимо, но плохо в смысле использования размаха выходного напряжения.

                                  В этом смысле более верно сделан УМЗЧ — там в базе делитель с коллектора, что стабилизирует выходное напряжение на уровне, примерно, Uбэ*R15/R16, около 2,5 В, а соотношение R4/R6 задает усиление (примерно 15) и повышает линейность.

                                  5. При напряжении питания 5В максимальная рассеиваемая мощность на этих транзисторах (режим Б, полпериода, нагрузка 8 ом) будет хорошо, если 0,05 Вт, даже не нагреются толком.

                                  ЗЫ: про полосу ОУ стоит ещё добавить, что, вместе с усилением на верхней границе, падает и коэффициент обратной связи, что добавляет искажений на высоких частотах и «совсем любое» ОУ не всегда годится. Но для данной схемы неважно.
                                    0
                                    5. При напряжении питания 5В максимальная рассеиваемая мощность на этих транзисторах (режим Б, полпериода, нагрузка 8 ом) будет хорошо, если 0,05 Вт, даже не нагреются толком.


                                    можете формулу расчета привести?
                                      0
                                      Ну так навскидку и посчитайте, динамик сопротивлением 8 ом висит на средней точке в 2,5 вольта (через разделительный конденсатор), максимальная мощность рассеивания будет при равенстве напряжения на динамике и транзисторе (из законов мощности в полной цепи, сопротивления равны), т.е. пополам, 1,25 В. Теперь считайте ток (1,25/8 = 0,16 А, максимум 0,32 А), мощность как ток на напряжение и делите на скважность (транзистор работает половину периода).

                                      Подставляем и получаем P = 1,25^2/8/2 = 0,097 ~=0,1 Вт и это для наихудшего случая. Если там какой-нибудь BC817/807 (комплементарная пара), то для них максимум 0,25 Вт примерно, укладывается. По току в 0,5А тоже укладывается. Для 4 или 2 Ом будет уже не так радужно конечно.

                                      Если очень хочется формулу, то P = (Uпит/4)^2/Rн/2. Она справедлива только для типа усилителя из статьи.
                                        0
                                        И, заодно, этот усилитесь весьма неэффективен — у него амплитуда напряжения при 5В хорошо, если 1 вольт будет, ограничивается падением напряжения на переходах, резисторе R4 и T1.
                                    +2

                                    Согласен с progchip666. Но почему это не "tutorial"?


                                    • Надо было хотя-бы вкратце уведомить читателя о температурной нестабильности транзисторных схем. Ведь применением внутрикаскадной ОС мы не только снижаем
                                      разброс в коэффициенте усиления транзистора.

                                    но и увеличиваем её термостабильность. И дать ссылки на соответствующую литературу.
                                    Коллега akhkmed — также не вполне прав, считая отрицательный температурный коэффициент Vbe обратно пропорциональным температуре.


                                    пропорционально 1/T (обратной абсолютной температуре)

                                    Iko

                                    Можно было-бы даже дополнить это экскурсом и в нестабильность от обратного тока коллектора. Но, при нынешних десятках нА у маломощных транзисторов, это уже эстетство.


                                    • Не упомянуто снижение коэффициента усиления относительно расчётного (18к/360) за счёт R10 и рост за счёт C6 (он только на первом рисунке).


                                    • Спорное выставление режима микрофонного усилителя по постоянному току (на грани насыщения) на основе данных о шкале АЦП. На мой взгляд — следовало-бы развязать усилитель и АЦП по переменному току.


                                      Шкала ESP32 без аттенюаторов 1.1V. Смещением базы R10 выставляем на коллекторе 0.5V… 0.6V

                                      0

                                      Кстати, еще вопросы: чем питаете есп32 и аналоговую часть? импульсник+линейный? как дело обстоит с шумами в звуковом тракте? применяли ли esp32a1s?

                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                      Самое читаемое