Схема микрофонного усилителя на lm358

Говоря операционный усилитель, я зачастую подразумеваю LM358. Так как если нету каких-то особых требований к быстродействию, очень широкому диапазону напряжений или большой рассеиваемой мощности, то LM358 хороший выбор.

Какие же характеристики LM358 принесли ему такую популярность:

• низкая стоимость;
• никаких дополнительных цепей компенсации;
• одно или двуполярное питание;
• широкий диапазон напряжений питания от 3 до 32 В;
• Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 0,6 В/мкс;
• Ток потребления: 0,7 мА;
• Низкое входное напряжение смещения: 0,2 мВ.

LM358 цоколевка

Так как LM358 имеет в своем составе два операционных усилителя, у каждого по два входа и один выход (6 — выводов) и два контакта нужны для питания, то всего получается 8 контактов.

LM358 корпусируются как в корпуса для объемного монтажа (LM358N — DIP8), так и в корпуса для поверхностного монтажа (LM358D — SO8). Есть и металлокерамическое исполнение для особо тяжелых условий работы.
Я применял LM358 только для поверхностного монтажа – просто и удобно паять.

Аналоги LM358

Полные аналоги LM358 от разных производителей NE532, OP04, OP221, OP290, OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C.
Для LM358D — KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G.

Вместе с LM358 выпускается большое количество похожих операционных усилителей. Например LM158, LM258, LM2409 имеют аналогичные характеристики, но разный температурный диапазон работы.

Тип	Минимальная температура, °C	Максимальная температура, °C	Диапазон питающих напряжений, В
LM158	-55	125	от 3(±1,5) до 32(±16)
LM258	-25	85	от 3(±1,5) до 32(±16)
LM358		70	от 3(±1,5) до 32(±16)
LM358	-40	85	от 3(±1,5) до 26(±13)

Если диапазона 0..70 градусов не хватает, то стоит применить LM2409, однако следует учитывать что у неё диапазон питания уже:

Кстати если нужен только один операционный усилитель в компактном 5 выводном корпусе SOT23-5 то вполне можно применить LM321, LMV321 (аналоги AD8541, OP191, OPA337).
Наоборот, если нужно большое количество рядом расположенных операционных усилителей, то можно применить счетверенные LM324 в 14 выводном корпусе. Можно вполне сэкономить пространство и конденсаторы по цепям питания.

LM358 схема включения: неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления этой схемы равен (1+R2/R1).
Зная сопротивления резисторов и входное напряжение можно посчитать выходное:
Uвых=Uвх*(1+R2/R1).

При следующих значениях резисторов коэффициент усиления будет равен 101.

• DA1 – LM358;
• R1 – 10 кОм;
• R2 – 1 MОм.

LM358 схема включения: мощный неинвертирующий усилитель

• DA1 – LM358;
• R1 – 910 кОм;
• R2 – 100 кОм;
• R3 – 91 кОм.

Для этой схемы коэффициент усиления по напряжению равен 10, в общем случае коэффициент усиления этой схемы равен (1+R1/R2).
Коэффициент усиления по току определяется соответствующим коэффициентом транзистора VT1.

LM358 схема включения: преобразователь напряжение — ток

Выходной ток этой схемы будет прямо пропорционален входному напряжению и обратно пропорционален значению сопротивления R1.
I=Uвх/R, [А]=[В]/[Ом].

Для сопротивления резистора R1 равного 1 Ом, каждый Вольт входного напряжения будет давать, один Ампер выходного напряжения.

LM358 схема включения: преобразователь ток — напряжение

А эта схема нужна для преобразования малых токов в напряжение.
Uвых = I * R1, [В]= [А]*[Ом].

Например при R1 = 1 МОм, ток через 1 мкА, превратиться в напряжение 1В на выходе DA1.

LM358 схема включения: дифференциальный усилитель

Эта схема дифференциального усилителя с высоким входным сопротивление, может применятся для измерения напряжении источников с высоким внутренним сопротивлением.
При условии, что R1/R2=R4/R3, выходное напряжение можно рассчитать как:
Uвых = (1+R4/R3)(Uвх1 – Uвх2).
Коэффициент усиления соответственно будет равен: (1+R4/R3).

Для R1 = R2 = R3 = R4 = 100 кОм, коэффициент усиления будет равен 2.

LM358 схема включения: дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления

Стоит отметить, что предыдущая схема не позволяет подстраивать коэффициент усиления, так как требует одновременного изменения двух резисторов. Если необходимо иметь возможность регулировки коэффициента усиления в дифференциальном усилителе, то можно воспользоваться схемой на трех операционных усилителях.
В данной схеме подстройка коэффициента усиления осуществляется за счет регулировки резистора R2.
Для этой схемы нужно соблюсти условия равенства значений сопротивлений резисторов: R1 = R3 и R4 = R5 = R6 = R7.
Тогда коэффициент усиления будет равен: (1+2*R1/R2).

Uвых = (1+2*R1/R2)(Uвх1 – Uвх2).

LM358 схема включения: монитор тока

Еще одна интересная схема позволяющая измерять ток в питающем проводе и состоящая из шунта R1, операционного усилителя npn – транзистора и двух резисторов.

• DA1 – LM358;
• R1 – 0,1 Ом;
• R2 – 100 Ом;
• R3 – 1 кОм.

Напряжение питания операционного усилителя должно быть минимум на 2 В, выше напряжения нагрузки.

LM358 схема включения: преобразователь напряжение – частота

И напоследок схема которую можно использовать в качестве аналого-цифрового преобразователя. Нужно только подсчитать период или частоту выходных сигналов.

• C1 – 0,047 мкФ;
• DA1 – LM358;
• R1 – 100 кОм;
• R2 – 50 кОм;
• R3,R4,R5 – 51 кОм;
• R6 — 100 кОм;
• R7 — 10 кОм.

Описание и применение операционного усилителя LM358. Схемы включения, аналог, datasheet

Главная » Справочник » Описание и применение операционного усилителя LM358.

Схемы включения, аналог, datasheet

Микросхема LM358 в одном корпусе содержит два независимых маломощных операционных усилителя с высоким коэффициентом усиления и частотной компенсацией.

Отличается низким потреблением тока. Особенность данного усилителя – возможность работать в схемах с однополярным питанием от 3 до 32 вольт. Выход имеет защиту от короткого замыкания.

Описание  операционного усилителя LM358

Область применения — в качестве усилительного преобразователя, в схемах преобразования постоянного напряжения, и во всех стандартных схемах, где используются операционные усилители, как с однополярным питающим напряжением, так и двухполярным.

Технические характеристики LM358

• Однополярное питание: от 3 В до 32 В.
• Двухполярное питание: ± 1,5 до ± 16 В.
• Ток потребления: 0,7 мА.
• Входное напряжение смещения: 3 мВ.
• Дифференциальное входное напряжение: 32 В.
• Синфазный входной ток: 20 нА.
• Дифференциальный входной ток: 2 нА.
• Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению: 100 дБ.
• Размах выходного напряжения: от 0 В до VCC — 1,5 В.
• Коэффициент гармонических искажений: 0,02%.
• Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 0,6 В/мкс.
• Частота единичного усиления (с температурной компенсацией): 1,0 МГц.
• Максимальная рассеиваемая мощность: 830 мВт.
• Диапазон рабочих температур: 0…70 гр.С.

Габаритные размеры и назначения выводов LM358 (LM358N)

Аналоги LM358

Ниже приведен список зарубежных и отечественных аналогов операционного усилителя LM358:

• GL358
• NE532
• OP221
• OP290
• OP295
• TA75358P
• UPC358C
• AN6561
• CA358E
• HA17904
• КР1040УД1 (отечественный аналог)
• КР1053УД2 (отечественный аналог)
• КР1401УД5 (отечественный аналог)

Примеры применения (схемы включения) усилителя LM358

Простой неинвертирующий усилитель

 Компаратор с гистерезисом

Допустим, что потенциал, поступающий на инвертирующий вход, плавно возрастает. При достижении его уровня чуть выше опорного (Vh -Vref), на выходе компаратора возникнет высокий логический уровень. Если после этого входной потенциал начнет медленно снижаться, то выход компаратора переключится на низкий логический  уровень при значении немного ниже опорного (Vref – Vl). В данном примере разница между (Vh -Vref) и (Vref – Vl)  будет значение гистерезиса.

Генератор синусоидального сигнала с мостом Вина

Мостовой генератор Вина (Wien bridge oscillator) — является одним из видов электронного генератора, который генерирует волны синусоидальной формы. Он может генерировать широкий спектр частот. Генератор основан на мостовой схеме, изначально разработанной Максом Вином в 1891 году. Класический генератор Вина состоит из четырех резисторов и двух конденсаторов. Генератор можно также рассматривать в качестве прямого усилителя в сочетании с полосовым фильтром, который обеспечивает положительную обратную связь.

 Дифференциальный усилитель на LM358

Назначение данной схемы — усиление разности двух входящих сигналов, при этом каждый из них умножается на определенную постоянную величину.

Дифференциальный усилитель — это хорошо известная электрическая схема, применяемая для усиления разности напряжений 2-х сигналов, поступающих на его входы. В теоретической модели дифференциального усилителя величина выходного сигнала не зависит от величины каждого отдельного входного сигнала, а зависит строго от их разности. 

Функциональный генератор

Данный функциональный генератор вырабатывает сигналы треугольной и прямоугольной формы.

Генератор прямоугольных импульсов на LM358

В качестве примера использования  приведем схему микрофонного усилителя на LM358:

Скачать datasheet LM358 (808,0 KiB, скачано: 15 518)

Отправить сообщение об ошибке.

Усилитель для электретного микрофона с АРУ

При изучении схем подключения электретных микрофонов [1] вызывает глубокое удивление их однообразность. Точка соединения микрофона и нагрузочного резистора подключается к собственно усилителю через разделительный конденсатор (Рис. 1) в 100% изученных схем. 

Возможно, существуют и другие схемы подключения, но автору они не встречались.

В то же время любой, кто плотно и долго связан со звуковоспроизведением, видимо, не будет резко возражать против того факта, что любой конденсатор на пути звукового сигнала, является нежелательным компонентом.

Особенно это касается электролитических конденсаторов, поневоле применяемых в случае достаточно низкого входного сопротивления усилительного каскада.

Прикидочное исследование режимов работы электретных микрофонов [2] показало, что, во-первых, они представляют собой источники тока и, во-вторых, максимальная амплитуда их выходного сигнала наблюдается, когда падения напряжения на микрофоне и нагрузочном резисторе одинаковы.

Рассмотрим одну из известных [3] схем микрофонного усилителя с системой АРУ, выполненного на ОУ (Рис. 2).

Схема состоит из собственно неинвертирующего усилителя на ОУ DA1, на неинвертирующий вход которого поступает искусственная средняя точка с делителя R3R4, а также входной сигнал через разделительный конденсатор С2; управляемый делитель сигнала ООС (резистор R5, конденсатор С1 и сопротивление канала полевого транзистора с P-N переходом VT1); детектора выходного усиленного сигнала (конденсаторы С3,С4 и диоды VD1, VD2 ). Продетектированный выходной сигнал отрицательной полярности управляет проводимостью канала VT1, увеличивая его, за счет чего снижается коэффициент усиления ОУ. 

Учитывая наличие постоянной составляющей делителя, образованного электретным микрофоном и его нагрузочным резистором, можно сделать вывод, что компоненты C2R3R4 — совершенно лишние. Роль R4 прекрасно выполняет сам микрофон, а R3 — его нагрузочный резистор. Конденсатор же С2 — вообще лишний, как класс.

В итоге получилась схема, приведенная на рис. 3.

RC-фильтра R3C1 обеспечивает дополнительную фильтрацию напряжения питания электретного микрофона. В принципе, он опциональный (необязательный), но вообще-то, довольно полезен.

Номинал резистора R1 подбирается такой величины, чтобы в точке его соединения с микрофоном была примерно половина напряжения питания.

Резисторы R4R6 линеаризируют передаточную функцию управляемого резистора на полевом транзисторе VT1.

Вместо резистора R5 в цепи ООС может быть включен двойной Т-образный фильтр (справа), поднимающий полосу частот, соответствующую диапазону голоса. Его АЧХ показана на плоттере Боде из измерительных приборов Мультисима (внизу)

Естественно, любые теоретические разглагольствования могут быть приняты во внимание только в случае их подтверждения практикой. Поэтому схема, показанная на рис. 3, была исследована на макете.

Использованы имевшиеся в наличии микромощный ОУ на МОП-транзисторах TLC271 и TL081. Результаты были идентичными. В принципе, в качестве ОУ можно использовать любой «звуковой» ОУ (к которым категорически НЕ относятся LM358/324 и их клоны!!!). Электретный микрофон для этих экспериментов был использован типа J60.

Повторять эксперименты с другими микрофонами было сочтено нецелесообразным по затратам времени. Эпюры сигналов с выхода ОУ регистрировались цифровым осциллографом «RIGOL DS1052E». «Тестовой фразой», проговариваемой в микрофон с примерно одинаковой громкостью, была: «Раз-два-три-четыре-пять, вышел зайчик погулять».

Конечно, для чистоты эксперимента было бы желательно использовать запись, воспроизводимую через динамик, но уж что получилось, то получилось.

Вначале была исследована схема без АРУ. Детектор и полевой транзистор не подключались, а от нижнего вывода конденсатора С2 к общей минусовой шине был подключен резистор 10 кОм. Т.о., коэффициент усиления составил 11. Выходной сигнал при быстрой (10 мс/дел) и медленной (100 мс/дел) развертках на расстоянии 20 см ото рта до микрофона показаны, соответственно, на рис 4.

   

Рис. 4

Вызвал удивление размах сигнала (пик-пик), составивший более 2 В. А это значит, что сигнал с микрофона составлял около 200 мВ!!!

Далее вместо резистора 10 кОм был подключен полевой транзистор КП303Ж с начальным током стока 0,85 мА и напряжением отсечки 0,7 В. Его затвор был подключен к минусовой шине, благодаря чему обеспечивалось минимальное сопротивление его канала и, соответственно, максимальное усиление. Выходной сигнал такой схемы показан на рис. 5.

Рис. 5

Как видно, сигнал с микрофона усиливается избыточно, аж до клипирования, что свидетельствует о применимости полевого транзистора с таким небольшим начальным током стока при сопротивлении резистора ООС порядка 100 кОм.

Далее исследовалась полная схема, со всеми, показанными на рис. 3 компонентами. Выходные сигналы при проговаривании «тестовой фразы» с расстояния, соответственно, 20 и 60 см (при медленной развертке) показаны на рис. 6, а с расстояния 60 (при быстрой развертке) — на рис. 7.

   

Рис. 6

Рис. 7

Как видно из этих эпюр, размах сигнала составил около 4 В при удовлетворительной форме, чего вполне достаточно для обычных применений. К сожалению, первоначальный «выброс» амплитуды (пока система АРУ еще не сработала), зарегистрировать не удалось. Суслик был не виден, но на слух он присутствовал…

Наконец, были исследованы еще два полевых транзистора с бОльшим начальным током стока и напряжением отсечки (соответственно, еще один КП303Ж с начальным током стока 1,2 мА и напряжением отсечки 0,9 В, а также КП303В с начальным током стока 2,6 мА и напряжением отсечки 1,2 В).  Выходной сигнал с первым из них при расстоянии до микрофона 20 см (при медленной развертке) показан на рис. 8, а выходные сигналы со вторым при расстоянии до микрофона 10 см и 40 см (при медленной развертке) показаны на рис. 9.

• Рис. 8
• Рис. 9
• В первом случае размах сигнала составил почти 5 В, а во втором — почти 7 В!

Из этих экспериментально полученных данных видно, что для практических целей желательно использовать полевые транзисторы с минимально возможным напряжением отсечки. Начальный ток стока существенно не влияет на стабилизируемую амплитуду выходного сигнала при данном сопротивлении резистора ООС.

Наконец, был апробирован режим «мютирования» (заглушения) микрофона путем короткого замыкания инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ. На слух «щелчков» при таком способе мютирования не наблюдалось.

На «закуску» — аналогичная по функции схема, выполненная на транзисторах (может, кому приглянется): Рис. 10. Правда, она не макетировалась «вживую», только симулировалась в Мультисиме. Показала практически такие же результаты, как и схема на ОУ.

Рис. 10

Полевой транзистор Q1 с резистором R1 представляют собой модель электретного микрофона. Номиналом нагрузочного резистора R2 подбирается половина напряжения питания в точке соединения его с микрофоном. Номиналом резистора R4 подбирается равенство коллекторных токов Q2 и Q3.

Полевой транзистор Q4 с резистором R5 представляет собой параметрический генератор тока для дифкаскада на транзисторах Q2 и Q3. Аналогичную роль играет и транзистор Q7 с резистором R9. для транзистора Q6. В принципе, эти генераторы тока могут быть заменены на обычные резисторы, но с ними параметры усилителя получше по определению.

Наконец, переменный резистор в цепи ООС на транзисторе Q5 и детектор выходного сигнала — такие же, как в схеме на ОУ.

Выводы:

1. На суд представлен еще один усилитель для электретного микрофона, не претендующий на исключительность, но несколько более простой, чем известные. За счет исключения одного разделительного конденсатора в тракте прохождения звукового сигнала — более качественный по определению.
2. Учитывая достаточно высокое значение коэффициента усиления, обеспечиваемого этим усилителем, ОУ для него, для обеспечения достаточной полосы пропускания, должны иметь граничную частоту хотя бы 5…10 мГц.
3. Данный усилитель без системы АРУ может быть использован для высокочувствительного усиления сигналов с электретного микрофона. 

Литература:

1. http://forum.cxem.net/uploads/monthly_04_2011/post-57852-0-96201600-1301791430.gif2. 
2. http://forum.cxem.net/index.php?/blogs/entry/429-танцы-с-бубном-вокруг-электретного-микрофона/
3. http://nauchebe.net/2014/06/vysokochastotnye-vxodnye-usiliteli-i-aru-dlya-novichkov-v-radiodele/

Микросхема LM358: datasheet на русском, применение, аналоги, назначение выводов

LM358 (N) — востребованный двухканальный операционный усилитель с однополярным питанием. Обладает низким энергопотреблением, широким диапазоном синфазного входного напряжения – от нуля до напряжения питания. Схема питания предполагает работу от однополярного или двухполярного источника напряжения. Функционально LM358 это половина LM324.

• Микросхемы LM358 и LM358N отличаются только корпусом.
• Эта серия обладает рядом существенных преимуществ в сравнении с другими типами операционных усилителей, работающих с одними источником питания.
• 

Они могут работать при напряжениях питания до 3,0 В или до 32 В, с токами покоя около одной пятой от тех, которые связаны с MC1741 (на основе каждого усилителя).

Диапазон входного сигнала синфазного режима включает в себя отрицательный источник питания, тем самым устраняя необходимость во внешних компонентах смещения во многих приложениях.

Диапазон выходного напряжения также включает в себя отрицательное напряжение питания.

Особенности

• Внутренняя защита выходов от короткого замыкания.
• Дифференциальный входной каскад.
• Параметры источника питания – 3,0…32 В.
• Низкий уровень входных токов смещения.
• Внутренняя частотная компенсация.
• Диапазон синфазного режима ограничен только напряжением питания.
• Две схемы питания, – одинарная и раздельная.
• Защита выводов от электростатического электричества повышает надежность микросхемы и не влияет на ее работу.
• Элемент не содержит свинец и удовлетворяет требованиям директивы RoHS, – запрет использования вредных веществ.

Корпуса и распиновка

• Output – выход.
• Inputs – вход.
• VCC – «+» источника питания.
• VEE/Gnd – «-» минус источника питания/Земля.
• Top view – вид сверху.

Применение

• генератор импульсов и пульсаций (устройства типа «мигающий маяк»);
• блоки питания и зарядные устройства;
• сплит системы внутреннего и наружного применения;
• материнские платы;
• бытовая техника;
• симетричный усилитель;
• мостовой усилитель тока;
• схемы управления двигателем;
• источники бесперебойного питания;
• холодильные установки, посудомоечные и стиральные машины;
• различные виды инверторов;
• контроллеры и другое.

Сферы применения микросхемы производители, как правило, указывают в технических описаниях.

Способы питания

Внутренняя принципиальная схема одного канала ИМС LM358

LM358 представляет собой два операционных усилителя, каждый из которых состоит из двух каскадов усиления и цепей частотной компенсации. Входные сигналы поступают в дифференциальное устройство на транзисторах Q20 и Q18.

Роль согласующих элементов исполняют буферные транзисторы Q21 и Q17, обеспечивающие высокое входное сопротивление.

Дополнительно усиливают сигнал по напряжению транзисторы Q3 и Q4 дифференциального несимметричного преобразователя, включенные по схеме с общей базой.

В основе второй ступени лежит стандартный усилительный каскад с токовой нагрузкой.

Схемные решения (эмиттерные повторители и т.п.) выводят транзисторы в зону активной работы, тем самым обеспечивая низкий температурный коэффициент. В результате операционные усилители имеют хорошие показатели по температуре и подавлению помех по питанию.

Предельно допустимые значения

Данные в таблице действительны при температуре воздуха 25°С.

ПараметрОбозн.ВеличинаЕд. изм.

Напряжение питания	Vdc
простое	VCC	32
раздельное	VCC, VEE	±16
Диапазон входного дифференциального напряжения	VIDR	±32	Vdc
Диапазон входного синфазного напряжения	VICR	−0.3…+32	Vdc
Продолжительность короткого замыкания на выходе	tSC	непрерывно
Температура кристалла	TJ	150	°C
Тепловое сопротивление кристалл-воздух	RθJA	C/W
Case 846A	238
Case 751	212
Case 626	161
Температурный диапазон хранения	Tstg	−65…+150	°C
Температурный диапазон окружающей среды при работе	TA	0…+70	°C

ESD – защита от электростатического разряда

• HBM (модель человеческого тела – имитирует контакт с человеком) – 2000 V.
• ММ (модель машины – имитирует контакт с оборудованием) – 200 V.

Электрические параметры

Данные действительны при температуре воздуха 25°С.

ПараметрОбозн.Мин.Тип.Макс.Ед. изм.

Разница входных напряжений смещения VCC = 5…30 V, TA = 25°C	VIO	2	7	mV
Средний температурный коэффициент VIO, при TA = Thigh…Tlow	ΔVIO/ΔT	7	µV/°C
Разница входных токов смещения	IIO	5	50	nA
Входной ток смешения	IIB	-45	-250	nA
Средний температурный коэффициент IIO	ΔIIO/ΔT	10	pA/°C
Максимальное значение входного синфазного напряжения при напряжении питания 30 V	VICR	28,3	V
Дифференциальное входное напряжение	VIDR	VCC	V
Коэффициент усиления большого сигнала с разомкнутой обратной связью	AVOL	25	100	V/mV
Коэффициент разделения каналов 1,0 kHz ≤ f ≤ 20 kHz	CS	-120	dB
Коэффициент подавления синфазного сигнала	CMR	65	70	dB
Подавление помех в цепи питания	PSR	65	100	dB
Верхний предел выходного напряжения VCC = 5.0 V	VOH	3,3	3,5	V
VCC = 30 V	27	28
Нижний предел выходного напряжения VCC = 5.0 V	VOL	5	20	mV
Выходной ток – нагрузка на землю VCC = 15 V	IO +	20	40	—	mA
Выходной ток – нагрузка на плюс источника питания
VCC = 15 V	10	20	mA
VO = 200 mV	12	50	µA
Ток короткого замыкания на землю	ISC	40	60	mA
Ток потребления микросхемы	mA
VCC = 30 V	1,5	3
VCC = 5 V	0,7	1,2

Импортные и отечественные аналоги

LM358 весьма популярна в промышленной и любительской электронной технике. Она активно используется в различных сравнивающих и генерирующих устройствах, активных фильтрах, усилителях различного назначения. Неудивительно, что многие производители радиоэлектронных компонентов включили в перечень своей продукции аналоги LM358 или близкие ей по своим параметрам микросхемы.

Ниже в таблице приведены элементы, которыми можно заменить LM358. По корпусу и распиновке они идентичны LM358. Но по электрическим параметрам они могут немного отличаться (в допустимых пределах) от оригинала.

Перед установкой подменных элементов рекомендуется свериться с даташит производителя.

ПроизводителиАналоги

Импортные	GL358, NE532, OP295, OP290, OP221, OPA2237, TA75358P, UPC1251C, UPC358C
Отечественные	КР1040УД1, КР1053УД2, КР1401УД5

Типовые эксплуатационные характеристики

Зависимость тока потребления от напряжения источника питания.

Зависимость входного тока смещения от напряжения источника питания.

Зависимость входного напряжения от напряжения источника питания.

Зависимость коэффициента усиления с разомкнутой обратной связью от частоты.

Зависимость выходного напряжения от частоты.

График отклика выходного сигнала на входной импульс.

Высококачественный аудио усилитель — LM358, LM386

• Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2017
• Charles Wenzel
• Techlib.com

На Рисунке 1 представлена схема 2-ваттного аудио усилителя общего назначения с отличными характеристиками. Его легко сконфигурировать выходным каскадом для маломощных аудио приложений, или более мощным усилителем, способным наполнить звуком объем целой комнаты. Я даже пробовал использовать его в качестве «репетиционного» усилителя для электрогитары, и с хорошими колонками он отдавал приличную мощность.

Рисунок 1.	Аудио усилитель общего назначения с выходной мощностью 2 Вт.

В выходном каскаде использована уникальная технология стабилизации тока покоя, не требующая традиционных диодов для термокомпенсации.

Каждая половина операционного усилителя (ОУ) IC2 с соответствующим транзистором работает повторителем напряжения, поддерживая дифференциальное напряжение на двух эмиттерных резисторах сопротивлением 1 Ом равным точному значению, установленному резистором 220 Ом, включенным между входами.

Можно рассчитать, что при напряжении источника питания схемы, равном 15 В, на резисторе 220 Ом падает примерно 16 мВ, и это напряжение, усиленное операционным усилителем, устанавливает ток покоя через резисторы 1 Ом равным примерно 8 мА. (Некоторое отличие от этого значения будет обусловлено напряжениями смещения ОУ).

Подбирая сопротивление этого единственного резистора, ток покоя легко изменять, чтобы снизить его до очень низких значений для экономии энергии батареи, или установить равным примерно 10 мА для минимизации искажений. Уменьшение этих сопротивлений до нуля ничему не повредит, но может стать причиной возникновения заметных искажений типа «ступенька».

Однако при слишком больших сопротивлениях резисторов мощные транзисторы будут сильно нагреваться, что приведет к неоправданному падению КПД усилителя. Для маломощных приложений, таких, скажем, как усилитель детекторного приемника, сопротивления эмиттерных резисторов 1 Ом можно увеличить, вследствие чего пропорционально уменьшится ток покоя. Благодаря этому ток покоя снизится почти до нуля, но качество звука останется отличным, – идеальный вариант для небольших проектов с батарейным питанием.

Диоды 1N4148 ограничивают размах выходного напряжения ОУ при выключении соответствующего транзистора. Для замыкания обратной связи на инвертирующий вход выходное напряжение ОУ должно лишь превысить падение напряжения на диоде.

Здесь было бы очень заманчиво использовать германиевые диоды! Эта маленькая хитрость в сочетании с полным коэффициентом усиления и полосой пропускания ОУ, использованными для того, чтобы просто повторять входное напряжение, позволила получить очень низкие искажения, даже на высоких частотах и при максимальной выходной мощности.

Какой операционный усилитель использовать

Первые два ОУ должны быть пригодны для аудио приложений. Таковыми являются MC33182, LM833 и многие другие. Если где-нибудь в техническом описании микросхемы промелькнут слова «аудио» или «искажения», скорее всего, это будет хороший выбор.

🙂 Помните, что многие современные операционные усилители имеют узкий диапазон допустимых напряжений питания! Коэффициент усиления в каждом из этих первых двух каскадов установлен равным всего 34, поэтому здесь довольно хорошо будут работать даже более медленные ОУ, однако следите за тем, чтобы произведение их усиления на полосу пропускания равнялось хотя бы 1 МГц. У некоторых операционных усилителей, прекрасных во всех отношениях, размах выходного напряжения недостаточен для этой схемы, выходной каскад которой не имеет усиления. Меньшая амплитуда на выходе IC1b означает снижение максимальной мощности, но впрочем, большого значения это обычно не имеет. Не пытайтесь использовать ОУ LM358 в первых двух каскадах; в режиме усилителя напряжения эта микросхема создаст неприятную проблему переходных искажений.

Для выходного каскада был выбран операционный усилитель LM358. При попытках использовать любые другие микросхемы я сталкивался с какими-нибудь трудностями.

Первоначально я брал более быстрые ОУ, и на 8-омном эквиваленте нагрузки они показывали хорошие результаты, однако реактивность некоторых реальных громкоговорителей вызывала возбуждение схемы.

Небольшие искажения, вносимые LM358, видны как очень слабое дрожание вблизи точки пересечения нуля на частоте в несколько килогерц, однако уровень результирующих гармоник находится за пределами человеческого слуха. При использовании более быстрых ОУ фазовый сдвиг в транзисторах TIP31 и TIP32 приводил к неустойчивости схемы.

Я временно снижал усиление первых каскадов, шунтируя два резистора 33 кОм резисторами 1 кОм.

С помощью анализатора нелинейных искажений я измерил, что суммарный уровень гармоник при напряжении питания от 15 В до 18 В и выходной мощности, близкой к максимальной, равен 0.16%.

Для LM358 это совсем неплохо! При сопротивлении нагрузки 16 Ом и напряжении питания 18 В искажения снижались до 0.1%. Замена транзисторов на 2N2219 и 2N2905 привела к росту искажений до 0.2% при питании 12 В.

Какой транзистор выбрать

При использовании TIP31 и TIP32 транзисторы моего прототипа работали без теплоотводов в диапазоне напряжений питания от 9 В до 21 В. Эти комплементарные транзисторы в корпусах TO-220 при естественном воздушном охлаждении допускают рассеяние мощности до 2 Вт, в то время как в моей схеме при нагрузке 8 Ом и питании 21 В на них выделяется максимум 1.3 В.

Технически тут все нормально, однако транзисторы настолько горячи, что до них невозможно дотронуться. Поэтому, все же было бы неплохо воспользоваться небольшими навесными радиаторами с пружинными зажимами. При 8-омном динамике и напряжениях питания менее 18 В теплоотводы не нужны.

Максимальная мощность, отдаваемая моим прототипом, аппроксимируется следующим выражением, полученным на основании эмпирических данных:

Используя эту формулу, вы можете определить, что мой прототип при питании напряжением 9 В отдает в нагрузку 8 Ом респектабельные 350 мВт. Это совсем немало для небольших радио проектов.

На другом полюсе – при напряжении питания 21 В и нагрузке 8 Ом – формула предсказывает мощность 2.5 Вт, и это ровно то, что я измерил в точке начала ограничения.

В этом тесте я использовал синусоидальный сигнал частотой 1 кГц.

Как ни странно, похоже, что своей устойчивостью схема обязана низкой граничной частоте силовых транзисторов.

Я пробовал использовать более быстрые транзисторы (44H11 и 45H11), но получил возбуждение вблизи 700 кГц, несмотря на то, что SPICE моделирование предсказывало противоположное! Подозреваю, что более высокочастотные транзисторы просто не успевали внести дополнительный фазовый сдвиг вблизи частоты единичного усиления ОУ LM358 (1 МГц). (Это не более чем мое предположение). Выбор намного более быстрых транзисторов, таких как 2N2219 и 2N2905, возвращал схеме устойчивость, скорее всего потому, что присущий LM358 спад уже наступал к тому времени, когда транзисторы начинали сдвигать фазу. В этом случае результаты находились в согласии со SPICE. SPICE предупреждает, что совсем медленные транзисторы, такие как старинные 2N3055, будут еще более неустойчивыми. Одним словом, нужно экспериментировать!

При напряжении питания Vcc ниже 12 В рассеиваемая транзистором мощность становится меньше 350 мВт, и многие малосигнальные приборы будут хорошо работать без теплоотвода.

С какими проблемами я столкнулся

В этой схеме много усиления собрано в небольшом объеме и, что еще хуже, есть много тока, идущего через выходной каскад. Операционные усилители довольно хорошо подавляют обратную связь, создаваемую помехами по шинам питания и земли, но, тем не менее, эта обратная связь может создавать проблемы устойчивости.

Провода от источника питания подключайте к схеме вблизи выходных транзисторов. Провод «земли» припаяйте возле точки соединения трех конденсаторов 10 мкФ и резистора 330 кОм. Обратите также внимание на входной фильтр 1 кОм/10 мкФ.

Мощности, потребляемой усилителем, достаточно для небольшого проседания Vcc, и небольшая часть возникающей в связи с этим помехи, проникая на вход, приводит к генерации или, в моем случае, к загадочному падению входного импеданса. Небольшой RC фильтр эту обратную связь устраняет.

Снизить усиление схемы вы можете, уменьшив сопротивления резисторов 33 кОм, или ограничившись только одним входным каскадом. Дополнительное усиление можно будет получить с помощью внешней схемы.

Помимо этого, вы можете столкнуться с проблемами устойчивости, связанными с выбором ОУ и транзисторов, о которых говорилось выше, поэтому было бы неплохо воспользоваться осциллографом и убедиться, что усилитель работает правильно.

Стабилизированный источник питания не является абсолютно необходимым для этой схемы, но, как минимум, нужно использовать конденсатор очень большой емкости, такой, как показанный на схеме конденсатор 2200 мкФ. Трехвыводной стабилизатор обеспечит некоторую дополнительную степень защиты транзисторов в случае короткого замыкания выхода на землю.

Чего хорошего в этом усилителе

Существуют микросхемы аудио усилителей, работающие не хуже, чем этот проект. Однако в предлагаемой схеме использованы детали, которые всегда есть под рукой у большинства радиолюбителей. Усилитель работает в широком диапазоне напряжений питания, а его ток покоя легко изменить в соответствии с требованиями конкретного приложения.

Питание напряжением 9 В делает эту схему прекрасным усилителем для небольших проектов. При замене транзисторов на 2N4401 и 2N4403 получается усилитель, похожий на популярный LM386, однако с регулируемым током покоя и несоизмеримо меньшими искажениями на полной мощности.

Подключив электрогитару, я получил отличный репетиционный усилитель! При питании 18 В и с хорошими динамиками он звучит удивительно громко и чисто. Гитаре его усиления более чем достаточно.

Для регулировки громкости параллельно входу я добавил резистор, подключив его движок через конденсатор 1 мкФ. Сопротивление этого потенциометра изменяет входной импеданс усилителя.

Хорошо подойдет потенциометр 10 кОм с обратной логарифмической зависимостью характеристики.

Сердцевиной проекта является выходной каскад, а предварительный усилитель может быть и другим. Только не забывайте, что для получения максимальной мощности размах напряжения должен быть близок к шинам питания, так как выходной каскад не имеет усиления по напряжению.

Материалы по теме

Предусилитель для электретного микрофона на LM358

Для того, чтобы получить качественный звук с электретного микрофона подключенного к компьютеру требуется не только программа которая отфильтрует различные помехи, поставит различные эффекты но и также нужно перед этим усилить сигнал с микрофона.

Для этого соберём самодельный но качественный предусилитель для электретного микрофона своими руками основанный на операционном усилителе LM358.

Такой микрофон отлично подойдёт тем, кто снимает или озвучивает видео для Youtube, для записи аудио подкастов, чтобы усилить звук акустического инструмента или же записать вокал.

Предусилитель для электретного микрофона на LM358

Детали для создания предусилителя:

• Микросхема LM358 – http://ali.pub/4g6dj6;
• Электретный микрофон – http://alii.pub/5r5b2e;
• Резистор 100 кОм – 2 шт.;
• Резистор 10 кОм – 2 шт.;
• Резистор 1 кОм;
• Переменный резистор 200 кОм;
• Керамический конденсатор, 0,1 мкФ – 2 шт.;
• Электролитический конденсатор 470 мкФ;
• Электролитический конденсатор 10 мкФ;
• Клеммная колодка на плату на 2 контакта;
• Аудио разъём 3,5 мм;
• Красный светодиод.

Самодельный предусилитель для электретного микрофона, инструкция:

Собирать микрофонный предусилитель будем по этой схеме:

Предусилитель для электретного микрофона на LM358

Хотя LM358 это сдвоенный операционный усилитель но в этой схеме используется только один из двух усилителей, его контакты: 1, 2 и 3 (см. Схему выше). Контакт 4 — это земля, а контакт 8 — VCC. Контакт 8 запитывается от источника 5 В через два конденсатора (C2 и C3) чтобы отфильтровать ВЧ и НЧ помехи.

Усиление данного микрофонного предусилителя благодаря использованию операционного усилителя LM358 осуществляется в 200 раз, устанавливается нужное усиление в широких пределах с помощью переменного резистора на 200 кОм (VR1), который стоит в обратной связи.

Предусилитель для электретного микрофона на LM358

В схеме также есть индикатор работы предусилителя, это светодиод, его с резистором R6 можно и не стравить, если в индикации работы устройства нет необходимости.

Всё, теперь подключите Ваш самодельный предусилитель для электретного микрофона к источнику питания на 5В и аудиовыход аудио кабелем к рекордеру или компьютеру и можно записывать голос или инструмент получая при этом отличное качество звука!

Предусилитель для электретного микрофона на LM358