07.02.2020 20:02
app-z 27 12500 Источник

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


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/vHz
• Low distortion
• High output current: 80 mA (able to drive 32 ? loads)
• High-speed: 4 MHz, 1 V/?s
• Operating from 2.7 to 12 V
• Low input offset voltage: 900 ?V 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 ?, and the external load on Pin 9 should be >5 k?. 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

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.