Amplificador de audio op-amp de una sola alimentación

Question

Estoy tratando de crear un amplificador op-amp que funcione con una sola alimentación de 5V, y que sea capaz de amplificar una señal de audio de -100mV a +100mV hasta un pico de 1V más o menos. He encontrado este circuito de este artículo que podría parecer que funciona, pero estoy teniendo problemas para calcular los valores reales:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Del artículo leí que R1 y R2 deben ser iguales y alrededor de 42kOhm para una alimentación de 5V. R4 debe ser R3+(0.5*R1) y eso es todo...

¿Cómo puedo calcular los valores de los condensadores y las resistencias necesarios para una señal de frecuencia variable con una frecuencia máxima de unos 20 kHz y una ganancia de unos 5?

Gracias por ayudarme.

EDITAR:

En el artículo el autor escribió por el símbolo de tierra: "*ESTRELLA DE TIERRA". ¿Es realmente importante que combine todos los tramos de tierra en el esquema a un punto, o puedo utilizar un plano de tierra en todo el circuito?

Answer 1

Parece que has encontrado un circuito razonable en Internet. He oído que había por ahí en alguna parte.

Las ecuaciones que citas son demasiado estrictas. En lugar de limitarse a decir los valores, es mejor explicar lo que hace cada parte.

R1 y R2 son un divisor de tensión para hacer 1/2 la tensión de alimentación. Esta será la tensión continua con la que funcionará el amplificador. C2 filtra de paso bajo la salida de ese divisor de voltaje. Esto es para aplastar los fallos, la ondulación de la fuente de alimentación, y otros ruidos en la fuente de 5 V para que no terminen en su señal. R3 es necesario sólo porque C2 está allí. Si R3 no estuviera ahí, C2 aplastaría tu señal de entrada también, no sólo el ruido de la fuente de alimentación. En última instancia, el extremo derecho de R3 está destinado a entregar una señal de alimentación limpia 1/2 con alta impedancia. La alta impedancia es para que no interfiera con su señal deseada que viene a través de C1.

C1 es un tapón de bloqueo de CC. Desactiva el nivel de CC en IN del nivel de CC al que está polarizado el amplificador.

R4 y R5 forman un divisor de tensión desde la salida hasta la entrada negativa. Esta es la ruta de retroalimentación negativa, y la ganancia total del circuito es la inversa de la ganancia del divisor de voltaje. Quieres una ganancia de 10, por lo que el divisor R4-R5 debe tener una ganancia de 1/10. C3 bloquea la CC para que el divisor sólo funcione en su señal de CA, no en el punto de polarización de CC. El divisor pasará toda la CC, por lo que la ganancia de CC desde la entrada + del amplificador óptico hasta su salida será 1.

C4 es otro tapón de bloqueo de CC, esta vez desacoplando el nivel de polarización de CC del amplificador óptico de la salida. Con las dos tapas de bloqueo de CC (C1, C4), el amplificador global funciona con CA y cualquier polarización de CC que pueda haber en IN y OUT es irrelevante (dentro de la tensión nominal de C1 y C4).

Ahora, algunos valores. El MCP6022 es un opamp de entrada CMOS, por lo que tiene una impedancia de entrada muy alta. Incluso un MΩ es pequeño comparado con su impedancia de entrada. La otra cosa a tener en cuenta es el rango de frecuencias en el que quieres que trabaje este amplificador. Has dicho que la señal es de audio, así que asumiremos que todo lo que esté por debajo de 20 Hz o por encima de 20 kHz es señal que no te interesa. De hecho, es una buena idea aplastar las frecuencias no deseadas.

R1 y R2 sólo tienen que ser iguales para hacer 1/2 de la tensión de alimentación. Usted menciona ningún requisito especial, como la operación de la batería donde la minimización de la corriente es de gran importancia. Teniendo en cuenta esto, yo haría R1 y R2 10 kΩ cada uno, aunque hay un gran margen de maniobra aquí. Si esto fuera operado por batería, probablemente los haría 100 kΩ cada uno y no me sentiría mal por ello. Con R1 y R2 10 kΩ, la impedancia de salida del divisor es de 5 kΩ. Realmente no quieres ninguna señal relevante en la salida de ese divisor, así que vamos a empezar por ver qué capacitancia se necesita para filtrar hasta 20 Hz. 1,6 µF. El valor común de 2 µF estaría bien. Más alto también funciona, excepto que si vas demasiado alto, el tiempo de arranque se vuelve significativo a escala humana. Por ejemplo, 10 µF funcionaría para filtrar bien el ruido. Tiene una constante de tiempo de 500 ms con la impedancia de 5 kΩ, por lo que tardaría unos segundos en estabilizarse después de encenderse.

R3 debe ser mayor que la salida de R1-R2, que es de 5 kΩ. Yo elegiría unos 100 kΩ como mínimo. La impedancia de entrada del opamp es alta, así que vamos a utilizar 1 MΩ.

C1 con R3 forman un filtro de paso alto que debe pasar al menos 20 Hz. La impedancia que se ve mirando el extremo derecho de R3 es un poco más de 1 MΩ. 20 Hz con 1 MΩ requiere 8 nF, así que son 10 nF. Este es un lugar en el que no quieres usar un cap de cerámica, por lo que los valores más bajos son bastante útiles. Un tapón de mylar, por ejemplo, sería bueno aquí y 10 nF está dentro del rango disponible.

De nuevo, la impedancia global del divisor R4-R5 no importa mucho, así que vamos a fijar arbitrariamente R4 en 100 kΩ y calcular los demás valores a partir de ahí. R5 debe ser R4/9 para una ganancia global del amplificador de 10, por lo que 11 kΩ funciona. C3 y R5 forman un filtro que tiene que atenuarse a 20 Hz o menos. C3 debe ser de 720 nF o más, así que 1 µF.

Hay que tener en cuenta un problema con esta topología. En cuanto a la frecuencia, C3 está actuando con R5, pero el nivel de CC al que C3 se estabilizará finalmente está filtrado por R4+R5 y C3. Eso es un filtro a 1,4 Hz, lo que significa que este circuito tardará unos segundos en estabilizarse después de aplicar la energía.

C4 forma un filtro de paso alto con cualquier impedancia que se conecte a OUT. Como no lo sabes, quieres que sea razonablemente grande. Vamos a elegir 10 µF ya que es fácilmente disponible. Esto se reduce a 20 Hz con 8 kΩ. Por lo tanto, este amplificador funcionará como se especifica siempre que OUT no esté cargado con menos de 8 kΩ.

Answer 2

No hay necesidad de hacer que R4 tenga ese valor particular ya que este es un op-amp CMOS (no hay coincidencia de corrientes de polarización de entrada).

Los valores de los condensadores están determinados por el baja frecuencia de esquina. C = \$\frac{1}{2\pi f_c R}\$

Así que si fc = 20Hz, y R1, R2 = 39K. Hagamos arbitrariamente que R3 sea 100K. Entonces C = 100nF es más o menos correcto.

C2 depende de lo que haya en la fuente de alimentación que estés tratando de atenuar, pero digamos 1uF para eso.

Escojamos R4 = 100K sólo para mantener dos resistencias iguales. R5 será entonces 11K para una ganancia de +10.1

Finalmente, C3 se puede calcular a partir de R5 para que sea de aproximadamente 1uF (utilizando la ecuación anterior).

¡Eso es!