Простой аудио усилитель на операционном усилителе LM833

25/07/2013 - 12:35 Павел Бобков

Введение

   Это схема простого аудио усилителя на основе операционного усилителя LM833. Она относится к разряду тех схем, которые можно собрать за час "на коленке". Однако, несмотря на свою простоту, схема вполне работоспособна и при должном качестве сборки может найти применение в качестве усилителя для наушников или предусилителя электрогитары. Или, на худой конец, вашего первого собранного устройства.

Рис. 1. Схема простого аудио усилителя на LM833.

Описание

   Усилитель работает от девяти вольтовой батарейки типа "крона". Основу усилителя составляет сдвоенный операционный аудио усилитель общего назначения - LM833. Задействованная часть микросхемы включена по схеме неинвертирующего усилителя, незадействованная - по схеме повторителя, то есть по сути "заглушена". Полоса пропускания схемы приблизительно от 0.5 Гц до 16 кГц. Коэффициент усиления от 1 до 100 в зависимости от значения переменного резистора. Номиналы всех компонентов понятны из схемы. 

Как работает схема 

   Операционный усилитель имеет однополярное питание 9 В. Идеальный операционный усилитель может давать на выходе напряжение в диапазоне от 0 до напряжения питания. В реальности так могут вести себя только операционные усилители типа Rail-to-rail, а операционные усилители общего назначения работают в диапазоне от минимального до максимального напряжения насыщения, которое обычно меньше напряжения питания на ~1 - 2 В. Для того чтобы усилить входной сигнал по максимуму и без искажений, мы должны сместить его в середину диапазона выходного напряжения оу - приблизительно в точку 4 В. Тогда выходному сигналу будет где "развернуться". 

Рис. 1. Усиление входного сигнала (красный) без смещения. Выходной сигнал (синий) "обрезается снизу".

Рис. 2. Слишком большое смещение. Выходной сигнал "обрезается сверху". Можно уменьшить усиление, тогда сигнал не будет искажаться.

Рис. 3. Оптимальное смещение и усиление. Сигнал не искажается.

   Схему смещения составляют компоненты R1, R4 и С3. Резисторы R1 и R4 образуют делитель напряжения, благодаря которому на неинвертирующем выводе операционного усилителя присутствует постоянное напряжение чуть меньше половины питания, а конденсатор C3 отсекает постоянную составляющую входного сигнала. Если вы посмотрите осциллографом напряжение в точке A, то увидите, что входной сигнал колеблется на "подставке" в 4 В. Это как раз то, что нам нужно. 

   Помимо смещения компоненты R1, R4 и С3 выполняют роль пассивного RC фильтра низкой частоты. Частота среза этого фильтра будет определяться формулой

f = 1/(2*Pi*R*C), [Гц]

   С - это емкость входного разделительно конденсатора C3, а R - это суммарное сопротивлении параллельно соединенных резисторов R1 и R4. Почему параллельных? Потому что для переменного сигнала источник питания представляет собой "закоротку". То есть он его как бы не "видит".
   Операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление. Резисторы R1 и R4 будут уменьшать это сопротивление (потому что для переменного входного сигнала они включены параллельно входному сопротивлению усилителя) и, по сути, определять его значение.
   Для того чтобы не "загробить" входной аудио сигнал (по амплитуде и частоте), номиналы резисторов и конденсатора нужно взять достаточно большими - сотни кОм и единицы мкФ. Для номиналов указанных в схеме, частота среза фильтра составит ~0.6 Гц.

   Самая простая схема усилителя напряжения на оу - это схема неинвертирующего усилителя (на рисунке ниже она выделена серой рамкой). Для усиления входного сигнала мы можем использовать ее. Коэффициент усиления такой схемы равен отношению двух резисторов в цепи обратной связи. 

   Uout/Uin = 1 + R5/R6



Рис. 4 Схема неинвертирующего усилителя на оу.

   Однако, если мы подадим наш смещенный сигнал на вход обычного неинвертирующего усилителя, операционный усилитель даже при небольшом усилении "уйдет" в насыщение (то есть на выходе будет максимальное напряжение).
   Чтобы этого избежать, нужно "заставить" его усиливать только переменный сигнал. Этого можно добиться, если добавить в схему конденсатор - C7. По постоянному сигналу эта схема будет представлять собой повторитель (потому что конденсатор для постоянного сигнала равносилен обрыву), а по переменному неинвертирующий усилитель.

   Как можно догадаться, данный конденсатор будет оказывать влияние на полосу пропускания нашей схемы. А если точнее, то конденсатор C7 и резистор R6 образуют низкочастотный фильтр с частотой среза:

   F = 1/(2*Pi*R6 * C7) , [Гц]

   Емкость конденсатора C7 нужно взять достаточно большой (десятки мкФ), чтобы частота среза этого НЧ фильтра была маленькой (доли Гц).

   Схема неинвертирующего усилителя будет усиливать все частоты, которые пропускает операционный усилитель, и в том числе высокочастотный шум. Для аудио усилителя это нам совершенно не нужно. Чтобы ограничить полосу пропускания усилителя со стороны высоких частот, параллельно резистору R5 добавлен конденсатор C5. На низких частотах он не оказывает влияния на коэффициент усиления схемы, а на высоких, когда его сопротивление становится сравнимым с R5, коэффициент усиления схемы уменьшается. Конденсатор C5 вместе с резистором R5 образуют ВЧ фильтр, частота среза которого определяется формулой:

   F = 1/(2*Pi*R5* C5) , [Гц]

   Большой номинал этого конденсатора придаст звуку более басовое звучание (за счет подавления высоких частот), но может значительно уменьшить коэффициент усиления схемы. Поиграв с номиналом этого конденсатора, можно подобрать приемлимое частотное звучание усилителя.

   На выходе операционного усилителя мы получим усиленный входной сигнал на "подставке" 4 В. В отсутствии входного сигнала на выходе усилителя будет просто напряжение 4 В (потому что для постоянного сигнала схема будет работать как повторитель, а на входе у нас 4 В). Если подключить наушники напрямую к выходу, то в отсутствии входного сигнала через них потечет ток. Это нам совершенно не нужно, поэтому на выходе усилителя стоит разделительный конденсатор C4, который "отсекает" постоянную составляющую.

   Также на выходе усилителя стоит ВЧ фильтр на элементах R2 и C6. Во-первых R2 ограничивает выходной ток операционного усилителя в случае замыкания выхода на землю, а во-вторых фильтр корректирует выходной сигнал, то есть дополнительно "обрезает" высокие частоты.

   И последнее - это конденсаторы в цепи питания операционного усилителя (C1, C2). Это особенно актуально при запитывании схемы от сетевого адаптера.

Заключение

   Конечно, это схема не является эталоном аудио звучания, и, возможно, не оправдает ваши ожидания по качеству звука. Однако, она позволяет начинающему электронщику познакомиться с основами и получить при этом конкретный практический результат. Такой опыт запоминается куда лучше, чем простое чтение учебника и зубрежка формул.
   В одном материале всего не объяснишь (да и всего я не знаю), но я постарался коснуться основных моментов схемы. С ними можно поэкспериментировать и посмотреть, как будет вести себя усилитель.

Комментарии   

# vint52 26.07.2013 20:54
Спасибо за интересную статью. Объясните пожалуйста мне новичку, какую роль выполняет операционник IC1B
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# JoJo 26.07.2013 21:43
Никакую.
Цитата:
"Задействованная часть микросхемы включена по схеме неинвертирующего усилителя, незадействованная - по схеме повторителя, то есть по сути "заглушена". "
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 27.07.2013 17:39
LM833 - это сдвоенный операционный усилитель, то есть два операционных усилителя в одном корпусе. Один усилитель используется, а второй нет. Поэтому от включен по схеме повторителя, чтобы потреблять меньше энергии. При желании его можно тоже задействовать.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Михаил_ 07.04.2014 16:50
Интересная схема. А достаточно ли выходной мощности даёт микросхема для громкого звучания наушников ?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 07.04.2014 22:29
Вопрос относительный. Достаточно для кого? Для меня нет. Громкость приемлемая, но не запредельная.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# olegg 21.08.2015 08:13
Сопротивление наушников порядка 32 Ом.При таком конденсаторе частота среза около килогерца. Хорошо бы увеличить емкость выходного конденсатора раз в 10-20.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Петр Дядищев 20.10.2015 14:56
Простите за беспокойство, только осваиваю Proteus. У Вас у одного на схеме вижу нормальные коннекторы тип mini-jeck. Подскажите пожалуйста какой компонент использовали? Не могу найти в библиотеке.

C уважением, Петр.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить