ПрОдАвЕц ИгРуШеК

Понимаю, тема несколько выбивается из ряда… но разнообразие прекрасно, полезно и бодрит, поэтому продолжаем. В последние два с половиной года я был сильно погружен коммерческую разработку на  C++ , мой стол набитый комплектацией простаивал без дела, и вот пришло время размяться на аналоговом поле.

На самом деле микрофонный усилитель — это не просто так, а часть моего проекта, который я завершу — когда нибудь, надеюсь. Задача усилителя — завести голос с микрофона гарнитуры на АЦП STM32. Определенное время я развлекался, знакомясь с ужасными схемотехническими решениями, которые кочуют с сайта на сайт (высокоимпедансный микрофон на вход схемы с общим эмиттером), и решил дать простое решение с подробными разъяснениями (фокус с последующим разоблачением).

Итак, смотрим чертеж.

Микрофонный усилитель на LM358 / Microphone amplifier LM358

Слева подключаем микрофон, справа подаем выход усилителя на АЦП микроконтроллера. Пусть обозначения цветов вас не смущают — это маркировка проводов в моем монтаже.

Начинаем с микрофона. В гарнитуре он или электретный, или конденсаторный. И в том и другом случае на него нужно подать питание, что делает резистор R1, обеспечивая положительное смещение. Также и в том и другом случае микрофон имеет высокий импеданс, поэтому нагрузочный каскад должен иметь высокое входное сопротивление. Ходят легенды, что в микрофоны встраивают полевой транзистор, который обеспечивает высокоомную нагрузку для него — благо что питание подавать все равно надо. Я специально разобрал такой один, но транзистор вероятно был настолько мал, что я его не нашел даже под лупой.

Поэтому пусть будет универсальное решение — вход нашего усилителя будет высокоомным, поэтому подаем сигнал с микрофона на (+) вход операционного усилителя — ОУ. И давайте примем, что сопротивление входа (+) ОУ будет бесконечным, поэтому входную нагрузку будут определять параллельно включенные R2 и R3 (да — да, вы не ослышались —  для сигнала что питание что земля все едино, поэтому микрофон получает нагрузку 50 кОм).

Лирическое отступление — почему на (+), а не на (-)? Ведь входы ОУ равноценны и образуют дифференциальный транзисторный каскад. Все дело в отрицательной обратной связи через R6, благодаря которой вход (+) становится высокоомным. Как это работает — рассказал на примере эмиттерного повторителя .

Давайте сразу про обратную связь. Она весьма двулична и ведет себя по-разному по постоянному и переменному току. По постоянному току играет R6 (и в этом варианте он вообще не нужен — мы могли бы накоротко замкнуть выход ОУ и вход (-)). Обратная связь получается 100 — процентной, поэтому коэффициент усиления каскада по постоянному току — единица, и средняя точка, которую устанавливает делитель R2/R3, будет такой же на выходе операционника, то есть — половина напряжения питания.

Теперь про обратную связь по переменному току. Здесь играет конденсатор C3, который закорачивает нижний конец резистора R4 на землю, в результате чего в цепи обратной связи появляется делитель R6/R4. Тут уже резистор R6 выполняет свою роль и совместно с R4 устанавливает коэффициент усиления каскада по переменному току, равный 100.

Конденсатор C4 давит усиление на высоких частотах, что лишает широкополосный LM358 возможности самовозбудиться на высоких частотах (вполне реальная перспектива, если фазовый сдвиг в цепи обратной связи получится другим нежели чем 180).

Поскольку режимы по постоянному току для микрофона и входа (+) ОУ — разные, изолируем эти цепи конденсатором C1. Надеюсь, не надо объяснять, что он проницаем для входного сигнала, и неожиданно маленькая емкость — 0.1 мкф совсем не большое препятствие, потому что опять таки — вход высокоомный.

Как вы наверное догадались, линия в верхней части, уходящая вдаль направо — это питание 3.3 В. Столько я рассчитываю получить с USB смартфона (ну вот, проговорился про еще про один кусок будущего проекта).

Для LM358 такое напряжение — нормально. Заметим, что выходной сигнал будет меняться не относительно земли (разделительного конденсатора на выходе ОУ нет), а между землей и 3.3 В — что АЦП и надо.

Для чего нужна цепочка R5C2? Практикующие инженеры знают, что мусор в цепях питания — обычное дело. На чувствительном входе каскада ОУ он нам совсем не нужен, и поэтому фильтр R5C2 будет прибивать все что по частоте выше постоянного тока (в идеале).

Пара электролит — керамика для сброса мусора на землю также стоит в правой части, которая не видна. Зачем керамический конденсатор маленькой емкости в параллель с электролитическим? Последние имеют неприятное свойство — паразитную индуктивность. Поэтому с ростом частоты они будут не очень хорошим конденсатором.

На макетке операционник в левой части. Особо зоркие могут заприметить транзистор в правой части — не обращайте на нее внимание, это очередной кусок проекта (который надо полностью поменять).

В результате экспериментов выяснилось, что усилитель держит неплохую полосу от 100 Гц до 10 кГц и негромких песен вполне достаточно до раскачки выхода от 0.5 В до 2.5 В.