PKE – Praktyczny Kurs Elektroniki (11) Whisper czyli superpodsłuch

Proponuję, żebyś wykonał superpodsłuch, bardzo czuły wzmacniacz z mikrofonem elektretowym i słuchawkami. Do jego wejścia można podłączyć różne czujniki. My podłączymy mikrofon, natomiast inne czujniki będziemy testować podczas ćwiczeń następnego wykładu.

Czuły wzmacniacz z mikrofonem pozwoli wychwycić najcichsze szepty. Najlepszy efekt uzyskasz na otwartej przestrzeni, na łonie natury, poza domem. Zdziwisz się jak brzmi w słuchawkach wzmocniony śpiew ptaków, szczekanie psów i rozmaite odgłosy życia codziennego. Czułość wzmacniacza możesz regulować według upodobań i potrzeb, zmieniając wartość tylko jednego rezystora.

Jestem przekonany, że bez problemu pokonasz jedną drobną przeszkodę. Mianowicie potrzebne są jakieś słuchawki – na pewno znajdziesz jakieś w swoich zapasach. Słuchawki te trzeba podłączyć do płytki stykowej. Nie zalecam cięcia przewodów. Proponuję, żebyś dołączył słuchawki za pomocą kawałków drutu zaciśniętych (za pomocą szczypiec – kombinerek) na wtyku. Ze słuchawek stereo trzeba zrobić słuchawki mono. Jak pokazuje fotografia A, możesz połączyć je równolegle lub pominąć wyprowadzenie masy i wykorzystać połączenie szeregowe. Zapewne z powodzeniem poradzisz sobie z takim zadaniem i sensownie dołączysz słuchawki do płytki.

Omawiany układ elektroniczny jest przedwzmacniaczem mikrofonowym o dużej czułości. W zasadzie, zamiast do słuchawek, można byłoby go dołączyć do wejścia AUX domowego zestawu audio. Nie proponuję takiego rozwiązania, ponieważ układ będzie się łatwo wzbudzał z uwagi na sprzężenie na drodze głośniki – mikrofon, więc nie wykorzystasz dużej czułości. Aby takie rozwiązanie z głośnikami miało sens, mikrofon należałoby umieścić w innym budynku lub w oddalonych pomieszczeniach gdzie nie dociera dźwięk z głośników.

Oprócz podsłuchiwania klasycznych dźwięków, możesz też dołączyć mikrofon za pomocą dłuższego dwużyłowego przewodu i badać np. przewodnictwo dźwięków przez ściany, przez metalowe rury instalacji wodociągowej czy centralnego ogrzewania.

Opis układu dla „zaawansowanych”

Schemat Whispera – superpodsłuchu jest pokazany na rysunku B.

Żółtą podkładką wyróżniony jest „goły wzmacniacz”, a pozostałe elementy ustalają warunki pracy tego wzmacniacza. Na wejściu wzmacniacza pracuje para różnicowa z tranzystorami NPN T1, T2. Od strony emitera podłączona jest do źródła prądowego, czy raczej lustra prądowego z tranzystorem T3. Prąd tego lustra, a więc i sumaryczny prad T1 i T2 jest wyznaczony przez rezystor R1. Od strony kolektorów para różnicowa jest obciążona lustrem prądowym zbudowanym z diody D2 i tranzystora T4. Dzięki obecności tego lustra prądowego można uzyskać bardzo duże wzmocnienie napięciowe, ale pod warunkiem, że rezystancja zewnętrznego obciążenia tego stopnia też będzie bardzo duża. Aby była jak największa, następnym stopniem wzmacniającym jest nie pojedynczy tranzystor, tylko układ Darlingtona z tranzystorami T5, T6. Wzmocniony w tym stopniu sygnał jest podawany na symetryczny wtórnik z tranzystorami T7, T8, który zapewnia stosunkowo dużą wydajność prądową wyjścia. Dzięki spadkowi napięcia na diodach D3, D4 w spoczynku przez tranzystory T7, T8 płynie niewielki prąd, co jest korzystne.

Przetwornikiem jest tu mikrofon elektretowy ME, standardowo polaryzowany przez rezystor R14. Z kolei dzielnik R12, R13 ustala napięcie stałe w punktach A, B, C wzmacniacza. Ponieważ ten układ jest bardzo czułym wzmacniaczem, więc z uwagi na ogromne wzmocnienie zachodzi ryzyko samowzbudzenia między wyjściem a wejściem. Przy zbyt dużym wzmocnieniu samowzbudzenie układu nastąpi wskutek przenikania sygnału z wyjścia na wejście wzmacniacza, a konkretnie dźwięku na drodze ze słuchawek do mikrofonu przez powietrze. Aby to zminimalizować, należy oddalić słuchawki od mikrofonu. Ale samowzbudzenie może też nastąpić wskutek przechodzenia sygnału przez obwód zasilania. Aby temu zapobiec, w układzie mamy rozbudowane filtry w obwodach wejściowych (R9C4, R10C5 i R11C6).

Wzmocnienie sygnałów zmiennych jest wyznaczone przez stosunek rezystorów R7 i R8. Można łatwo regulować wzmocnienie, zmieniając wartość R8 w zakresie 22 Ω…2,2 kΩ. U mnie, z dobrymi słuchawkami, optymalna wartość R8 wyniosła 220 Ω – przy mniejszej wartości R8 układ miał wprawdzie większą czułość, ale się wzbudzał. Wypróbowałem też pracę z rezystorem R8 = 22 Ω – dało to ogromną czułość, ale układ trzeba było wystawić na parapet, zamknąć okno i dopiero wtedy przestał się wzbudzać. Uzyskiwany efekt był wtedy zadziwiający.

Wykonaj taki układ i przetestuj. A pod koniec tego wykładu przedstawię ci propozycję budowy pokrewnej wersji Whispera. Jeśli potraktujemy nasz „goły wzmacniacz” wyróżniony żółtą podkładką jako „żółtą skrzynkę”, to schemat naszego podsłuchu będzie wyglądał jak na rysunku C.

Poznajemy elementy i układy elektroniczne

Uniwersalny wzmacniacz. We wcześniejszych wykładach dowiedzieliśmy się wiele o wzmacnianiu, ale przekonaliśmy się też o bardzo poważnym problemie zmian termicznych. Omawiane w poprzednim wykładzie wzmacniacze w konfiguracjach OE, OB, OC i ich kombinacje przeznaczone były do wzmacniania niewielkich sygnałów zmiennych. Poradziliśmy sobie z problemem zmian termicznych przy wzmacnianiu sygnałów zmiennych, stosując lokalne ujemne sprzężenie zwrotne. Jednak uzyskiwana stabilność punktów pracy jest niewystarczająca do wzmacniania małych sygnałów stałych (np. w układach pomiarowych czy automatyki przemysłowej). W każdym razie zauważyliśmy, że ujemne sprzężenie zwrotne redukując wzmocnienie, poprawia inne ważne parametry. Ten fakt bardzo często wykorzystujemy – używamy szczególnego rodzaju wzmacniaczy o bardzo dużym wzmocnieniu. I właśnie budując układ z fotografii tytułowej i rysunku C „wynaleźliśmy”…

Wzmacniacz operacyjny. Jest to podstawowa, nieprawdopodobnie uniwersalna „cegiełka”, stosowana do budowy najróżniejszych układów analogowych. Nazwa pochodzi stąd, że wzmacniacze takie pierwotnie służyły do przeprowadzania operacji matematycznych w komputerach analogowych. Potem znalazły wiele innych zastosowań.

Symbol wzmacniacza operacyjnego, bez zaznaczonych obwodów zasilania, pokazany jest na rysunku 1 – dwie wersje są jednakowe, dla wygody rysowania schematów zamienione miejscami są tylko oznaczenia wejść (plus i minus).

Wzmacniacz operacyjny ma dwa wejścia i wzmacnia tylko różnicę napięć między tymi wejściami, natomiast praktycznie nie ma znaczenia napięcie wspólne na obu wejściach. Wzrost napięcia na wejściu „dodatnim”, nieodwracającym, powoduje wzrost napięcia na wyjściu – stąd znaczek plus na wejściu. Wzrost napięcia na wejściu „ujemnym”, odwracającym powoduje zmniejszanie napięcia wyjściowego – stąd znaczek minus. Współczesny wzmacniacz operacyjny ma ogromne różnicowe wzmocnienie napięciowe. Wynosi ono setki tysięcy, a w niektórych typach wzmacniaczy nawet ponad milion razy, czyli ponad 120 dB. Oznacza to, że do dużej zmiany napięcia wyjściowego wystarczą zmiany napięcia między wejściami rzędu mikrowoltów, czyli milionowych części wolta!

Nieodłącznym składnikiem obwodu wejściowego każdego wzmacniacza operacyjnego jest poznana w wykładzie piątym para różnicowa, która nie tylko wzmacnia, ale pozwala uzyskać wejście różnicowe, które reaguje tylko na różnicę sygnałów wejściowych. W najprostszym przypadku układ mógłby wyglądać jak na rysunku 2, tylko miałby słabe parametry i małe wzmocnienie.

W rzeczywistości na wyjściu zawsze występuje bufor, zwykle symetryczny wtórnik, co zapewnia dobre parametry wyjścia. W najprostszym przypadku taki wyjściowy wtórnik – bufor można byłoby zrealizować jak na rysunku 3.

W rzeczywistych wzmacniaczach operacyjnych oprócz wejściowej pary różnicowej występuje jeden, czasami dwa stopnie wzmacniacza napięciowego, a na wyjściu zawsze pracuje jakaś odmiana symetrycznego bufora wyjściowego. Rezystory są często zastępowane źródłami i lustrami prądowymi. Występują też dodatkowe wtórniki i inne obwody pomocnicze. W efekcie otrzymujemy uniwersalny wzmacniacz o ogromnym wzmocnieniu różnicowym.

Podobny „uniwersalny wzmacniacz” i oparty na nim superpodsłuch moglibyśmy też zrealizować na wiele innych sposobów. Na przykład wzmacniacz z rysunków B i C moglibyśmy równie dobrze zrealizować według rysunku 4. Zwróć uwagę, że ten układ jest niejako „odwrotnością” układu tytułowego z rysunku B – na wejściu pracują tranzystory T1, T2 typu PNP, więc prądy polaryzacji wejść (prądy baz pary różnicowej) popłyną tu w kierunku przeciwnym, niż w układzie tytułowym.

Tego rodzaju uniwersalne wzmacniacze są od dawna produkowane: najpierw z pojedynczych elementów, potem jako układy scalone – począwszy od roku 1963, gdy opracowano wzmacniacz operacyjny uA702, a zwłaszcza od roku 1965, kiedy pojawił się bardzo popularny układ uA709. Tego rodzaju wzmacniacze można zrealizować na wiele sposobów. Dziś mamy do dyspozycji setki typów wzmacniaczy operacyjnych. Często wykorzystujemy też wzmacniacze podwójne i poczwórne. Zapamiętaj rozmieszczenie podstawowych wyprowadzeń w scalonych wzmacniaczach operacyjnych pojedynczych, podwójnych i poczwórnych w standardowych obudowach DIL – patrz rysunek 5. Zauważ, że mamy tylko dwie nóżki zasilania: dodatnią (V_CC) i ujemną (V_EE). Brak natomiast wyprowadzenia masy. We wzmacniaczach pojedynczych „nadmiarowe” nóżki często pozwalają skorygować tzw. napięcie niezrównoważenia, a czasem pozwalają na tzw. kompensację częstotliwościową.

Nasz układ scalony LM358 to podwójny wzmacniacz operacyjny, czyli z wyprowadzeniami według rysunku 5b. Jest to wersja opracowanej w 1972 roku kostki LM324, zawierającej cztery wzmacniacze. Schemat wewnętrzny pojedynczego wzmacniacza pokazany jest w pewnym uproszczeniu na rysunku 6. Składa się on z doskonale znanych nam elementarnych obwodów, wyróżnionych kolorowymi podkładkami. Zwróć uwagę na duże podobieństwo z rysunkiem 4. Realizacja w postaci układu scalonego ma wiele zalet, m.in. wszystkie elementy mają jednakową temperaturę. W rzeczywistości układ scalony ma nieco inną budowę, niż układ z elementów pojedynczych – dyskretnych.

Dokładniejszy schemat wzmacniacza LM358 pokazany jest na rysunku 7. W szczegóły nie będziemy się jednak zagłębiać.

Początkowo wzmacniacze operacyjne zasilane były napięciem symetrycznym ±15 V, a przetwarzane sygnały użyteczne miały zakres ±10 V względem masy. Wystarczyło, żeby wejścia i wyjścia wzmacniaczy operacyjnych prawidłowo pracowały w zakresie napięć wejściowych i wyjściowych ±10 V, co zilustrowane jest zielonymi podkładkami na rysunku 8a. Pozostawał bezpieczny margines 5 V od każdej z szyn zasilania. Z czasem, wzmacniacze operacyjne częściej pracowały w innych zastosowaniach, przy zasilaniu napięciem pojedynczym, coraz niższym. Pożądane stały się wzmacniacze, których wejścia i wyjścia mogły pracować w jak najszerszym zakresie napięć. A tu wszystko zależy od szczegółów budowy obwodów wejściowych i wyjściowych. Nasza znana od 50 lat kostka LM358 ma taką budowę, że użyteczny zakres napięć wejściowych i wyjściowych sięga nawet nieco poniżej ujemnej szyny zasilania (V_EE), która przy zasilaniu pojedynczym często pełni rolę masy – patrz rysunek 8b. Układ LM358 może być zasilany napięciem symetrycznym w zakresie ±1,5 V…±16 V albo pojedynczym 3 V…32 V. Obecnie, w związku z tendencją do obniżania napięć zasilających, coraz popularniejsze są tak zwane wzmacniacze rail-to-rail, które dzięki specyficznej budowie wejść i wyjść mogą pracować w niemal pełnym zakresie napięć wyjściowych, a zakres wspólnych napięć wejściowych w większości nawet wykracza poza szyny zasilania – rysunek 8c.

Ideałem byłby „ superidealny ” wzmacniacz operacyjny, o zerowych prądach wejściowych i doskonałej symetrii wejść, całkowicie niewrażliwy na zmiany temperatury, nieskończenie szybki i o nieograniczenie dużym prądzie wyjściowym, którego wejścia i wyjścia mogłyby pracować w całym zakresie napięć zasilania. Takiego wzmacniacza nie ma i nie będzie, niemniej także niedoskonałe wzmacniacze operacyjne są genialnie uniwersalnymi „cegiełkami” w układach analogowych. Obecnie dostępne są setki typów wzmacniaczy operacyjnych o bardzo różnej budowie wewnętrznej i różnych parametrach. W niektórych zastosowaniach potrzebne są wzmacniacze zasilane niskimi napięciami, nawet 1…1,5 V lub pobierające jak najmniej prądu (low power). W innych pożądane są wzmacniacze niskoszumne (low noise), w jeszcze innych jak najszybsze (high speed), w jeszcze innych jak najbardziej precyzyjne i stabilne (precision).

Podstawowe parametry wzmacniaczy operacyjnych to: dopuszczalny zakres napięć zasilania, zakres roboczych napięć wejściowych i wyjściowych, szybkość (SR – Slew Rate w V/us) i pasmo przenoszonych częstotliwości (f_T w MHz). W katalogach podawana jest maksymalna wydajność prądowa wyjścia, zazwyczaj kilkanaście do kilkudziesięciu mA. Bardzo ważne okazują się parametry wejść: wielkość stałego prądu polaryzacji wejść (bias current), a także „doskonałość symetrii” wejść i wpływ temperatury.

Istnieją liczne wzmacniacze operacyjne, które na wejściu mają parę różnicową tranzystorów polowych, złączowych JFET lub MOSFET, przez co prąd polaryzacji wejść jest radykalnie mniejszy, niż w przypadku tranzystorów bipolarnych i często jest rzędu pikoamperów (bilionowych części ampera). Podstawowym problemem w układach precyzyjnych są zmiany temperatury. Temperatura na przykład zmienia prąd polaryzacji wejść, w tranzystorach bipolarnych w niewielkim stopniu, ale w tranzystorach polowych – relatywnie dużo, co najmniej dwukrotnie na każde 10 stopni. Ponadto prądy polaryzacji obu wejść nie są identyczne, dlatego w katalogach, oprócz wielkości prądu polaryzacji (bias current) podaje się też wartość spodziewanej różnicy dwóch prądów wejściowych – wejściowy prąd niezrównoważenia (offset current). Ogromnie ważną sprawą jest wspomniana „doskonałość symetrii”. Niestety, idealnej symetrii obwodów wejściowych osiągnąć nie można, a to owocuje błędem, znanym jako wejściowe napięcie niezrównoważenia, inaczej napięcie offsetu – przesunięcia (offset voltage). Jak już wiemy, przy wzmocnieniu rzędu setek tysięcy, a nawet miliona, do zmiany napięcia na wyjściu o 1 V wystarczy zmiana napięcia miedzy wejściami o jeden do kilku mikrowoltów. Teoretycznie oba tranzystory wejściowej pary różnicowej powinny być identyczne, czyli do uzyskania jednakowych prądów tranzystorów pary różnicowej i zerowego napięcia na wyjściu, napięcie między wejściami powinno być równe zeru. Teoretycznie… Natomiast w praktyce, z uwagi na „niedoskonałości symetrii”, do uzyskania zerowego napięcia na wyjściu (ogólnie by umożliwić liniową pracę wyjścia) potrzebne jest jakieś niezerowe napięcie między wejściami, zwane właśnie wejściowym napięciem niezrównoważenia – napięciem offsetu. W popularnych wzmacniaczach operacyjnych wynosi ono od jednego do kilku miliwoltów, a precyzyjnych, znacznie mniej. Podczas normalnej pracy niejako na tle tego napięcia offsetu występują drobne mikrowoltowe zmiany napięcia między wejściami. Co istotne, napięcie offsetu zmienia się z temperaturą. Dlatego w katalogach oprócz napięcia niezrównoważenia (offset voltage), podaje się też dryft cieplny napięcia niezrównoważania (offset voltage drift), zwykle wynoszący kilka mikrowoltów na stopień Celsjusza. Tu po pierwsze trzeba uspokoić, że w praktyce wcale nie trzeba podawać między wejścia jakiegoś małego napięcia offsetu – ustawi się ono tam samo. Po drugie problem napięcia niezrównoważenia dotyczy tylko niektórych zastosowań – niemniej trzeba o tym wiedzieć. Rysunek 9 pokazuje fragmenty karty katalogowej (Motorola) m.in. naszego wzmacniacza LM358 – niektóre wartości dopuszczalne (Maximum ratings).

Z kolei rysunek 10 z katalogu firmy ST pokazuje podstawowe parametry robocze. Zwróć uwagę, że podane są zarówno spodziewane wartości typowe (Typ.) oraz gwarantowane dla wszystkich egzemplarzy (Max, Min).

W następnych wykładach poznamy wiele zaskakujących zastosowań wzmacniaczy operacyjnych. W zdecydowanej większości wykorzystujemy dobroczynne skutki ujemnego sprzężenia zwrotnego z wyjścia na wejście odwracające („ujemne”). Sprzężenie takie zmniejsza wzmocnienie, ale za to poprawia liczne inne parametry. Zgodnie z regułą „coś za coś”, czym większa jest redukcja wzmocnienia, tym bardziej poprawione są inne parametry. W obszerną teorię nie będziemy się zagłębiać. Na razie omówmy podstawowe układy pracy. Najprostszym jest…

Wtórnik. Wystarczy połączyć wyjście z wejściem odwracającym („ujemnym”) według rysunku 11a, by otrzymać wtórnik – bufor o wzmocnieniu równym jedności. Wiemy, że w związku z ogromnym wzmocnieniem napięciowym wzmacniacza operacyjnego, do uzyskania na wyjściu zmian rzędu kilku woltów, wystarczą zmiany napięcia różnicowego między wejściami rzędu mikrowoltów, praktycznie niemierzalne. Podanie z zewnątrz napięcia na wejście nieodwracające (A) spowoduje taką reakcję wyjścia, żeby napięcie na drugim wejściu (B) było praktycznie takie same. Można uznać, że napięcia w punktach A i B są jednakowe. Teoretycznie z dokładnością do mikrowoltów.

W rzeczywistości występuje tam różnica równa wejściowemu napięciu niezrównoważenia (wg rysunku 10 dla LM358 typowo 2 mV, maksymalnie do 9 mV).

Choć przy analizie działania często zakładamy, że prądy wejściowe są równe zeru, jednak trzeba pamiętać, że zawsze trzeba zapewnić przepływ niewielkich stałych prądów polaryzacji wejść. Ponieważ w LM358 stały prąd polaryzacji wejść (typowo I_B = 20 nA, maksymalnie 0,2 uA) wypływa z wejść, więc w układzie z rysunku 11b na wejściowym rezystorze R1 występuje spoczynkowe napięcie stałe (U=I_B×R1). Wtórnik pracuje prawidłowo zarówno przy sygnałach stałych, jak i zmiennych, w zakresie napięć wyjściowych zaznaczonym kolorem zielonym na rysunku 8b. Takie wtórniki mają parametry zdecydowanie lepsze od prostego wtórnika z jednym tranzystorem (pomijając kwestię szybkości): mają bardzo dużą rezystancję wejściową, praktycznie równą rezystancji R1 i znikomo małą rezystancję wyjściową. Aby wzmacniać przebiegi zmienne, których napięcie spada poniżej potencjału masy, należy albo zasilić układ napięciem symetrycznym względem masy według rysunku 11b, albo dodać obwód zapewniający pracę na poziomie połowy napięcia zasilania – prosty przykład na rysunku 12. Obwód wyjściowy C2R3 odcina składową stałą, czyli zapewnia na wyjściu napięcie stałe równe zeru – potencjał masy.

Jeśli chcesz, możesz zbudować stereofoniczny wtórnik według rysunku 13 i fotografii 14. Dla sygnałów zmiennych ma on rezystancję wejściową równą wartościom R1 i R2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wzmacniacz nieodwracający. Bardzo popularna konfiguracja wzmacniacza napięć stałych i zmiennych pokazana jest na rysunku 15a. Dla łatwiejszej analizy warto go przedstawić jak na rysunku 15b.

Można powiedzieć, że jest to wtórnik z dodatkowym dzielnikiem w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, więc też ma bardzo dużą rezystancję wejściową. Znów pamiętamy, że do dużych zmian napięcia wyjściowego, wystarczy znikomo mała zmiana różnicy napięć między punktami A, B. Po podaniu napięcia na wejście (punkt A), na wyjściu C wystąpi takie napięcie, żeby UB=UA. Tym samym stopień podziału dzielnika R1, R2 wyznacza wzmocnienie: UC/UA = G = 1+R2/R1

Jeśli przy zasilaniu napięciem pojedynczym chcemy wzmacniać napięcia zmienne, trzeba zapewnić pracę na poziomie połowy napięcia zasilania i dodać kondensator w obwodzie rezystorów sprzężenia zwrotnego według rysunku 16a. Tu dla napięć stałych i wolnozmiennych kondensator C2 stanowi przerwę, więc układ jest wtedy wtórnikiem o wzmocnieniu 1, czyli 0 dB, natomiast dla przebiegów zmiennych, gdy C2 ma małą reaktancję (praktycznie stanowi zwarcie), wzmocnienie wyznaczają rezystory ujemnego sprzężenia zwrotnego i wynosi ono G = 1+R2/R1. Rysunek 16b pokazuje charakterystykę częstotliwościową i częstotliwości charakterystyczne.

Możesz zbudować wzmacniacz mikrofonowy według rysunku 17 (porównaj z rysunkiem C na wstępie tego wykładu).

Wykorzystujesz jeden z dwóch wzmacniaczy kostki LM358, drugi może zostać niepodłączony. Mój model pokazany jest na fotografii 18.

Jednak nasz wzmacniacz LM358 jest powolny i nie jest optymalizowany do zastosowań audio. W przedwzmacniaczu mikrofonowym należałoby raczej wykorzystać inną, lepszą kostkę, choćby podwójny wzmacniacz operacyjny NE5532, TL072 lub inny podwójny lub pojedynczy wzmacniacz wysokiej jakości – przykłady na fotografii 19.

Warto wiedzieć, że wiele scalonych wzmacniaczy mocy audio jest „specjalizowanymi wzmacniaczami operacyjnymi o dużej mocy”, pracującymi w konfiguracji nieodwracającej.

Rysunek 20 pokazuje katalogowe schematy aplikacyjne popularnych wzmacniaczy mocy TDA2040 i TDA2050. W konfiguracji nieodwracającej pracują też słynne wzmacniacze mocy wysokiej jakości typu TDA7294 oraz LM3886.

Wzmacniacz odwracający. Na pozór dziwna konfiguracja z rysunku 21a okazuje się genialnie uniwersalna. Wejście nieodwracające („dodatnie”) jest tu na stałe dołączone do masy. Znów pamiętamy, że do zmiany napięcia na wyjściu, wystarczą znikome zmiany na wejściu odwracającym („ujemnym”), rzędu mikrowoltów. Przykładowo jeżeli podamy na wejście X napięcie dodatnie U₁, to popłynie prąd I₁. Pomijamy teraz maleńki prąd wejściowy wzmacniacza – cały prąd I₁ płynie przez R2 i dalej wpływa do wyjścia wzmacniacza i dalej do ujemnej szyny zasilania. Ilustruje to rysunek 21b. W związku z tym rezystancja wejściowa jest równa R1. Napięcie wyjściowe U₂ przyjmie taką wartość, żeby zachować w punkcie B napięcie równe zeru – to nie żadna magia czy zdolność przewidywania, tylko efekt ujemnego sprzężenia zwrotnego z wyjścia na wejście odwracające. Gdyby bowiem napięcie na wejściu odwracającym, w punkcie B było zbyt wysokie (dodatnie), to na wyjściu pojawiłoby się duże napięcie ujemne, które „ściągnęłoby punkt A niżej”. Gdyby z kolei napięcie w punkcie A było zbyt niskie (ujemne), to napięcie wyjściowe by wzrosło. W warunkach normalnej, liniowej pracy właśnie dzięki ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu wzmacniacz samoczynnie dąży do wyrównania napięć na wejściach i napięcie w punkcie B jest równe potencjałowi masy. Mówimy więc, że punkt B to masa wirtualna.

Napięcia na rezystorach (U_R1=Uwe, U_R2=Uwy) są wprost proporcjonalne do ich rezystancji. A to oznacza, że wzmocnienie wynosi G = –R2/R1. Znak minus pokazuje, że jest to wzmacniacz odwracający, gdzie wzrost napięcia na wejściu X powoduje zmniejszanie napięcia na wyjściu Y. Wzmacniacz odwracający możemy wyobrazić sobie jako dziecięcą huśtawkę – dźwignię, ze środkiem obrotu w punkcie B, o długościach ramion wyznaczonych przez rezystancje R1, R2 – rysunek 21c. We wzmacniaczu nieodwracającym minimalne wzmocnienie wynosi 1, a tu, we wzmacniaczu odwracającym może wynosić zero – wystarczy zmniejszyć rezystancję R2 do zera.

W praktyce dość często wykorzystujemy wersję „zmiennoprądową” według rysunku 22a. Przy małych częstotliwościach reaktancja kondensatora C1 jest duża i wzmocnienie całości – małe. Jak pokazuje charakterystyka z rysunku 22b, w paśmie przenoszenia, czyli powyżej częstotliwości f_d = 1/2πR1C1, wzmocnienie wynosi G = –R2/R1. Górną częstotliwość graniczną (f_g) wyznaczają właściwości (szybkość) wzmacniacza operacyjnego, ale w razie potrzeby można ją obniżyć, dołączając pojemność C2. Wartość R2 zwykle wynosi 10 kΩ…220 kΩ.

Przy zasilaniu napięciem pojedynczym trzeba zapewnić pracę na poziomie połowy napięcia zasilania. Możesz w ten sposób wykonać wzmacniacz odwracający do mikrofonu elektretowego według rysunku 23 i fotografii 24, przy czym do zastosowań praktycznych zamiast LM358 należałoby zastosować szybszy wzmacniacz, np. podwójny TL072 lub pojedynczy TL071.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W razie potrzeby można zmienić wartość R2 w zakresie 22 kΩ…220 kΩ. W każdym razie wartość rezystora R1 nie powinna być mniejsza od 2,2 kΩ. I właśnie z uwagi na ograniczenia związane z rezystancją R1, we wzmacniaczach mikrofonowych zdecydowanie częściej wykorzystujemy konfigurację nieodwracającą według rysunków 15–17.

Natomiast wzmacniacz w konfiguracji odwracającej możesz wykorzystać do wielu innych pożytecznych celów, np. w torach sygnałów audio. A na marginesie: nie obawiaj się, że wzmacniacz ma wzmocnienie ujemne, czyli że odwraca fazę przebiegu zmiennego – w układach audio nie ma to żadnego znaczenia, byle tylko tory w układach wielokanałowych (stereo) były jednakowe.

Wzmacniacz odwracający jest też znakomitym sumatorem. Możesz wykonać i praktycznie wykorzystać sumator, czyli mikser audio ze wzmacniaczem. Idea pokazana jest na rysunku 25.

Praktyczny mikser, zasilany napięciem pojedynczym możesz zbudować według rysunku 26. W miejsce rezystora R2 można wstawić potencjometr, co pozwoli regulować wzmocnienie sumy sygnałów od zera. Dla prawidłowej regulacji głośności, powinien to być potencjometr o tzw. charakterystyce wykładniczej, a nie liniowej.

Na bazie wzmacniacza odwracającego mógłbyś wykonać korektor – regulator barwy dźwięku, na przykład według rysunku 27 (wg katalogu On Semi).

A jeśli mowa o korektorach, to do odtwarzania czarnych płyt winylowych potrzebny jest wzmacniacz korekcyjny o tak zwanej charakterystyce RIAA. Rysunek 28 pokazuje dwa przykłady realizacji takiego przedwzmacniacza (z katalogu Texas Instruments).

Poznane w poprzednim odcinku układy sztucznej indukcyjności najczęściej są realizowane z wtórnikami scalonymi według rysunku 29 i stworzone z nich obwody rezonansowe pracują w wielopasmowych korektorach graficznych – equalizerach.

Omówione w tym wykładzie propozycje układowe można z powodzeniem wykorzystać w urządzeniach audio. Przykładowy schemat blokowy jednego kanału bardziej rozbudowanego wzmacniacza – miksera pokazuje rysunek 30.

A teraz wróćmy do „superpodsłuchu” z projektu tytułowego. Można go z jeszcze lepszym skutkiem zrealizować ze scalonymi wzmacniaczami operacyjnymi z kostki LM358. Jeszcze bardziej czuły układ podsłuchowy mógłby wyglądać jak na rysunku 31 i fotografii 32.

W roli filtru wrażliwych obwodów polaryzacji tym razem pracuje tranzystor T3. Kondensator C4 nie pozwala na gwałtowne zmiany napięcia na bazie, a tym samym na jego emiterze, więc napięcie do zasilania mikrofonu oraz obwodu sztucznej masy (R2, R3, C2) jest dobrze odfiltrowane.

W torze sygnału mamy połączone kaskadowo dwa wzmacniacze z kostki LM358. Wzmacniacz U1B pracuje w konfiguracji nieodwracającej. Jego wzmocnienie ustalone jest przez stosunek rezystancji R5/R6 na około 48x (33,6 dB) i nie będziemy go zmieniać. Układ U1A pracuje jako wzmacniacz odwracający. W związku z małą wydajnością prądową wyjścia wzmacniacza operacyjnego, dodany jest prosty komplementarny wtórnik z tranzystorami T1, T2. Wzmocnienie wzmacniacza odwracającego wyznaczone jest przez stosunek R8/R7. Aby uzyskać potrzebne w naszym przypadku wzmocnienie całkowite (zależnie od parametrów mikrofonu, słuchawek), będziemy zmieniać wartość R7. Chodzi o to, żeby wzmocnienie było jak największe, ale by nie nastąpiło samowzbudzenie (pisk).

Zacznij od włożenia R7=10 kΩ, a potem spróbuj wstawiać mniejsze wartości (4,7 kΩ, 2,2 kΩ, 1 kΩ…), aż układ się wzbudzi i nie pomoże odsuniecie mikrofonu od słuchawek. U mnie R7 = 2,2 kΩ.

Najpierw wypróbuj układ bez pojemności C_F. Później dodaj pojemność C_F i sprawdź, jaki efekt daje ograniczenie pasma od góry, czyli obcięcie najwyższych częstotliwości. W modelu z fotografii 32 trzy połączone w szereg kondensatory 1 nF mają w sumie 1/3 pojemności każdego, czyli C_F = 0,33 nF i częstotliwość graniczna filtru dolnoprzepustowego wynosi około 10 kHz (patrz rysunek 22b). Jego wpływ jest ledwo zauważalny. Jeżeli w roli C_F połączysz w szereg dwa kondensatory 1 nF to uzyskasz połowę pojemności (C_F = 0,5 nF), a częstotliwość graniczna wyniesie około 6,8 kHz. Gdy w roli C_F równolegle do R8 włączysz jeden kondensator 1 nF, otrzymasz filtr o częstotliwości około 3,4 kHz. Wtedy nieprzyjemny szum wyraźnie się zmniejszy, ale stracisz też cześć sygnałów użytecznych. Możesz w roli C_F włączyć dwa połączone równolegle kondensatory 1 nF (C_F = 2 nF), ale wtedy stracisz znaczną część sygnałów użytecznych. Przeprowadź takie testy redukcji szumów za pomocą C_F zarówno z mikrofonem ME, jak też włączając kondensator 1 uF zamiast lub równolegle do mikrofonu. Innym sposobem redukcji szumu byłoby zastosowanie niskoszumnego wzmacniacza operacyjnego, ale nie licz na cud: całkowite wyeliminowanie szumów nie jest możliwe, ponieważ źródłem szumu jest każdy rezystor, każdy tranzystor we wzmacniaczu, a także sam mikrofon.

Gdy zbudujesz „superpodsłuch” według rysunku 31, nie demontuj go po wypróbowaniu! W projekcie tytułowym następnego wykładu wykorzystamy ten czuły wzmacniacz w zaskakujący sposób.

Piotr Górecki