Простий аудіо підсилювач на операційному підсилювачі LM833
Це схема простого аудіо підсилювача на основі операційного підсилювача LM833. Вона відноситься до розряду тих схем, які можна зібрати за годину "на коліні". Однак, незважаючи на свою простоту, схема цілком працездатна і при належній якості складання може знайти застосування як підсилювач для навушників або підсилювач електрогітари. Або, на крайній край, вашого першого зібраного пристрою.
Мал. 1. Схема простого аудіо підсилювача на LM833.
Підсилювач працює від дев'яти вольт батареї типу "крона". Основу підсилювача складає здвоєний операційний аудіо-підсилювач загального призначення - LM833. Задіяна частина мікросхеми включена за схемою підсилювача, що не інвертує, незадіяна - за схемою повторювача, тобто по суті "заглушена". Смуга пропускання схеми приблизно 0.5 Гц до 16 кГц. Коефіцієнт посилення від 1 до 100 залежно від значення змінного резистора. Номінали всіх компонентів зрозумілі зі схеми.
Операційний підсилювач має однополярне живлення 9 Ст. Ідеальний операційний підсилювач може давати на виході напругу в діапазоні від 0 до напруги живлення. В реальності так можуть поводитися тільки операційні підсилювачі типу Rail-to-rail, а операційні підсилювачі загального призначення працюють у діапазоні від мінімальної до максимальної напруги насичення, яка зазвичай менша за напругу живлення на
1 - 2 В. Для того щоб посилити вхідний сигнал по максимуму і без спотворень, ми повинні змістити його в середину діапазону вихідної напруги оу - приблизно в точку 4 В. Тоді вихідного сигналу де "розвернутися".
Мал. 1. Посилення вхідного сигналу (червоний) без усунення. Вихідний сигнал (синій) "обрізається знизу".
Мал. 2.Занадто велике усунення. Вихідний сигнал "обрізається зверху". Можна зменшити посилення, тоді сигнал не спотворюватиметься.
Мал. 3. Оптимальне зміщення та посилення. Сигнал не спотворюється.
Схему зміщення складають компоненти R1, R4 та С3. Резистори R1 і R4 утворюють дільник напруги, завдяки якому на неінвертуючому виведенні операційного підсилювача є постійна напруга трохи менше половини живлення, а конденсатор C3 відсікає постійну складову вхідного сигналу. Якщо ви подивіться осцилографом напруга в точці A, то побачите, що вхідний сигнал коливається на "підставці" 4 В. Це якраз те, що нам потрібно.
Крім зміщення компоненти R1, R4 та С3 виконують роль пасивного RC фільтра низької частоти. Частота зрізу цього фільтра визначатиметься формулою
З - це ємність вхідного роздільно конденсатора C3, а R - це сумарний опір паралельно з'єднаних резисторів R1 і R4. Чому паралельні? Тому що для змінного сигналу джерело живлення є "закоротким". Тобто він його не "бачить". Операційний підсилювач має високий вхідний опір. Резистори R1 і R4 будуть зменшувати цей опір (бо для змінного вхідного сигналу вони включені паралельно вхідному опору підсилювача) і, по суті, визначати його значення. Для того щоб не "загробити" вхідний аудіо сигнал (за амплітудою та частотою), номінали резисторів і конденсатора потрібно взяти досить великими - сотні ком та одиниці мкФ. Для номіналів зазначених у схемі частота зрізу фільтра складе
Найпростіша схема підсилювача напруги на оу - це схема підсилювача, що не інвертує (на малюнку нижче вона виділена сірою рамкою). Для посилення вхідного сигналу ми можемо його використовувати.Коефіцієнт посилення такої схеми дорівнює відношенню двох резисторів у ланцюзі зворотного зв'язку.
Uout/Uin = 1 + R5/R6
Мал. 4 Схема підсилювача, що не інвертує, на оу.
Однак, якщо ми подамо наш зміщений сигнал на вхід звичайного підсилювача, що не інвертує, операційний підсилювач навіть при невеликому посиленні "піде" в насичення (тобто на виході буде максимальна напруга). Щоб уникнути цього, потрібно "змусити" його посилювати тільки змінний сигнал. Цього можна досягти, якщо додати до схеми конденсатор - C7. По постійному сигналу ця схема буде повторювачем (тому що конденсатор для постійного сигналу рівносильний обриву), а по змінному підсилювач, що не інвертує.
Як можна здогадатися, цей конденсатор впливатиме на смугу пропускання нашої схеми. А якщо точніше, то конденсатор C7 та резистор R6 утворюють низькочастотний фільтр із частотою зрізу:
F = 1 / (2 * Pi * R6 * C7), [Гц]
Місткість конденсатора C7 потрібно взяти досить великий (десятки мкФ), щоб частота зрізу цього НЧ фільтра була маленькою (частки Гц).
Схема підсилювача, що не інвертує, буде посилювати всі частоти, які пропускає операційний підсилювач, і в тому числі високочастотний шум. Для аудіо підсилювача нам це зовсім не потрібно. Щоб обмежити смугу пропускання підсилювача з боку високих частот, паралельно резистору R5 додано конденсатор C5. На низьких частотах не впливає на коефіцієнт посилення схеми, але в високих, що його опір стає порівнянним з R5, коефіцієнт посилення схеми зменшується. Конденсатор C5 разом з резистором R5 утворюють фільтр ВЧ, частота зрізу якого визначається формулою:
F = 1 / (2 * Pi * R5 * C5), [Гц]
Великий номінал цього конденсатора додастьзвуку більш басового звучання (за рахунок придушення високих частот), але може значно зменшити коефіцієнт посилення схеми. Погравши з номіналом цього конденсатора, можна підібрати прийнятне частотне звучання підсилювача.
На виході операційного підсилювача ми отримаємо посилений вхідний сигнал на підставці 4 В. У відсутності вхідного сигналу на виході підсилювача буде просто напруга 4 В (тому що для постійного сигналу схема буде працювати як повторювач, а на вході у нас 4 В). Якщо підключити навушники безпосередньо до виходу, то без вхідного сигналу через них потече струм. Це нам зовсім не потрібно, тому на виході підсилювача стоїть розділовий конденсатор C4, який відсікає постійну складову.
Також на виході підсилювача стоїть фільтр ВЧ на елементах R2 і C6. По-перше, R2 обмежує вихідний струм операційного підсилювача у разі замикання виходу на землю, а по-друге фільтр коригує вихідний сигнал, тобто додатково "обрізає" високі частоти.
І останнє - це конденсатори в ланцюзі живлення операційного підсилювача (C1, C2). Це особливо актуально під час запитування схеми від мережевого адаптера.
Висновок
Звичайно, ця схема не є еталоном аудіо звучання, і, можливо, не виправдає ваших очікувань щодо якості звуку. Однак, вона дозволяє електроннику-початківцю познайомитися з основами і отримати при цьому конкретний практичний результат. Такий досвід запам'ятовується набагато краще, ніж просте читання підручника та зубріння формул. В одному матеріалі всього не поясниш (та й усього я не знаю), але я постарався торкнутися основних моментів схеми. З ними можна поекспериментувати і подивитися, як поводитиметься підсилювач.