Микросхемы УМЗЧ в микрофонных усилителях с АРУ для цветомузыкальных и светодинамических устройств.

Обычно в микрофонных усилителях используются микросхемы операционных усилителей (ОУ). В теме показаны варианты применения в качестве микрофонных усилителей других микросхем – усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ).

Если требуется подключить цветомузыкальное устройство с малым входным импедансом, то усилитель, выполненный на микросхеме УМЗЧ, позволит получить на выходе более мощный по току сигнал. При питании от однополярного источника питания, если сравнивать с ОУ, микросхемам УМЗЧ не нужна искусственная средняя точка (виртуальная земля). К недостаткам применения микросхем УМЗЧ в микрофонных усилителях можно отнести небольшой и, как правило, фиксированный коэффициент усиления (Кус). Этот недостаток устраняется подключением к входу УМЗЧ дополнительного усилительного каскада. Если в микрофонных усилителях применить микросхемы УМЗЧ, позволяющие изменять Кус, например, популярные LM386 или MC34119, то необходимости в дополнительном каскаде нет. Усилители проектировались для работы в составе ЦМУ или СДУ, поэтому содержат узел автоматической регулировки уровня (АРУ) и построены на микросхемах маломощных УМЗЧ (Pвых=0,25…1Вт). Для проверки схем использовались активные колонки с выходной мощностью Рвых=20Вт на канал. Работа АРУ проверялась речевым и музыкальным сигналами. Комфортной громкостью воспроизведения считалась такая, при которой можно спокойно разговаривать и не повышать голос. Режимы по постоянному току в контрольных точках схем измерены цифровым мультиметром, а переменные значения напряжений – осциллографом. Приведенные ниже схемы были собраны и проверены на макетных платах с положительным результатом.

Рассмотрим возможность применения в микрофонном усилителе микросхемы LM386. Этот УМЗЧ, имеющий минимальное число внешних элементов и малую потребляемую мощность, разработан для аппаратуры с батарейным питанием.

На рисунке из даташита показана структура:

Особенностью является наличие двух входов GAIN (выводы 8 и 1) для изменения коэффициента усиления и автоматическая центровка уровня Uпит/2 на выходе Vout (выв.5). Напряжение Uпит=4…12V (для LM386N-1, LM386N-3, LM386М-1 и LM386ММ-1) или Uпит=5…18V (для LM386N-4) подают на входы питания Vs (выв.6) и GND (выв.4). К входу BYPASS (выв.7) можно подключить конденсатор фильтра C=10µF, тогда пульсации источника питания для предварительного каскада будут снижены на 50dB. Усиливаемый сигнал подают на вход –INPUT (выв.2) или +INPUT (выв.3). Если входы GAIN не используются, то коэффициент усиления по напряжению не превышает Кус=20 (26dB). Если между входами установить конденсатор С=10µF, то коэффициент усиления составит Кус=200 (46dB). Такого усиления достаточно для подключения непосредственно к входу УМЗЧ электретного микрофона. Если последовательно с конденсатором включить подстроечный резистор, то можно задать необходимый Кус от 20 до 200. Усиление также можно изменить подключением конденсатора и резистора между выводом 1 и общим проводом (GND). Ток покоя при Uпит=6V не превышает Iпотр=4mA. Оба входа УМЗЧ внутрисхемно заземлены через резисторы R=50К.

Пример принципиальных схем с Кус=20 и Кус=200 из даташита показан на рисунке:


Усилитель с Кус=20
Минимальное число деталей   

Усилитель с Кус=200

На нижнем рисунке УМЗЧ имеет большой Кус, поэтому, пунктиром показана возможность подключения конденсатора фильтра (BYPASS). Движок регулятора громкости R=10К подключен к неинвертирующему входу (выв.3) без разделительного конденсатора. Входной сигнал таким же образом можно подать на инвертирующий вход (выв.2), при этом выв.3 соединяют с GND. Демпферная цепь С=0,05µF и R=10Ω устраняет возможное неустойчивое состояние усилителя при работе на высоких частотах.

Пример применения УМЗЧ типа LM386 в микрофонном усилителе с АРУ показан на РИС.1:

Регулирующим элементом системы АРУ служит полевой транзистор VT1 с изолированным затвором типа КП501А. Электретный микрофон BM1 получает питание через фильтр R3-С2. Резисторы R1 задает рабочий ток для BM1, при котором на выводе «+» микрофона устанавливается напряжение Uпит=2,63V. Через разделительный конденсатор С1 и резистор R2 переменный сигнал подается на вход 2DA1. Резистор R2 вместе с сопротивлением перехода С-И транзистора VT1 образует управляемый делитель напряжения.

Элементами С3 и R4 задан необходимый коэффициент усиления по напряжению, который выбирают практически и в зависимости от характеристик используемого микрофона. Конденсатор С4 осуществляет дополнительную фильтрацию Uпит для предварительного каскада УМЗЧ. Выходной сигнал снимается с выхода VOUT через разделительный конденсатор С7. С этого же выхода через С5 сигнал поступает на активный детектор VT2. База транзистора подключена к движку подстроечного резистора R7, которым настраивают необходимую чувствительность детектора. При верхнем по схеме положении движка R7 чувствительность детектора минимальна (VT2 закрыт), а выходное напряжение усилителя максимально. При нижнем положении движка R7 чувствительность детектора максимальна (VT2 открыт), а выходное напряжение минимально. Подстроечным резистором R7 следует выставить нужный уровень выходного напряжения (на R6). Для данного примера ~Uвых=300mVp-p.

Транзистор VT2 работает как однополупериодный выпрямитель сигнала. При отрицательных полуволнах на выходе VOUT транзистор открывается (структура P-N-P) и на R5 формируются импульсы. Конденсатор С6 преобразует импульсы в постоянное напряжение, уровень которого зависит от положения движка R7 и пропорционален ~Uвых. Чем больше уровень постоянного напряжения на затворе VT1, тем меньше сопротивление канала С-И транзистора и, следовательно, меньший уровень напряжения поступит от микрофона на вход DA1.

Напряжения в контрольных точках, выделенные красным цветом, даны для примера и показывают режимы работы по постоянному току для конкретного типа электретного микрофона при Uпит=4,97V (после стабилизатора 78L05) и заданном напряжении ~Uвых=300mVр-р.

Есть мнение, что в составе «правильной» АРУ должен быть детектор, выполненный по схеме двухполупериодного выпрямителя. Такое детектирование применяют в схемах точной обработки речевого сигнала, где прецизионный выпрямитель строят на операционных усилителях. Пример двухполупериодного выпрямителя сигнала на ОУ:

В схемах АРУ цветомузыкальных устройств обходятся детекторами, выполненными по однополупериодной схеме. Однако, применив УМЗЧ с дифференциальным выходом, не сложно реализовать аналог двухполупериодного детектирования сигнала. Схема АРУ должна одинаково реагировать на положительные и отрицательные полуволны звукового сигнала и, значит, процесс регулирования должен быть более мягким.

Рассмотрим для примера недорогую микросхему мостового УМЗЧ типа МС34119. Она разработана для телефонии, но, удачно спроектированная с хорошими характеристиками, находит применение и в других приложениях.

Существуют два основных типа включения этой микросхемы:

На верхнем рисунке из даташита показана распространенная схема, в которой на вход Vin подается сигнал от предыдущего каскада. На нижнем рисунке показана схема включения с увеличенным входным импедансом Zвх=125К. Для работы с электретным микрофоном отдадим предпочтение этой схеме.

Напряжение Uпит=2…16V подается на входы питания Vсс (выв.6) и GND (выв.7). Звуковой сигнал подают на вход FC1 (выв.3) через разделительный конденсатор С=0,1µF. К входу FC2 (выв.2) подключен конденсатор фильтра С=5,0µF. На вход CD (выв.1) с типовым входным сопротивлением R=90К, подают логические уровни напряжения. При высоком уровне напряжения (Uвыв.1≥2,0V) микросхема выключается, и ее ток потребления не превышает Iпотр=65…100µА. При низком уровне напряжения (Uвыв.1≤0,8V) микросхема работает, и ее ток потребления равен Iпотр=2,7mA…5,0mA в зависимости от Uпит. Ведущий усилитель #1 с разомкнутой петлей обратной связи имеет усиление 80dB на выходе Vо1 (выв.5), а ведомый усилитель #2 работает с усилением 0dB (т.к. Rос=Rвх=4,0К) и формирует противофазный сигнал на выходе Vо2 (выв.8). Внешняя обратная связь задана двумя резисторами R=75К, R=3,0К и конденсатором С=0,1µF, при этом дифференциальное усиление (на динамической головке) составляет 34dB. Из структурной схемы видно, что внутри микросхемы сформирован делитель напряжения питания, состоящий из кремниевого диода и двух резисторов по R=50К. В связи с этим, на выходах Vо1 и Vо2 постоянное напряжение не равно Uпит/2, а вычисляется как (Vсс-0,7V)/2. Например, при Uпит=5V, напряжение составит (5V-0,7V)/2=4,3V/2=2,15V. Резистор R=125К устраняет шунтирующее влияние на входной сигнал конденсатора фильтра, подключенного к выводу 2.

Рекомендуемое максимальное усиление, задаваемое внешними резисторами, для этого УМЗЧ составляет 46dB (Кус=200), т.е. на его вход можно подавать сигнал непосредственно от электретного микрофона. Таким образом, микросхему МС34119 можно представить как мощный ОУ с дифференциальным выходом.

Микрофонный усилитель с АРУ, где два активных детектора работают как двухполупериодный выпрямитель, показан на РИС.2: РИС.2Р

Сигнал от электретного микрофона BM1 на вход усилителя DA1 поступает через делитель напряжения, состоящий из постоянного резистора R3 и изменяемого сопротивления перехода сток-исток транзистора VT1. Коэффициент усиления DA1 по напряжению Кус=180 задан резисторами R5 и R4. Конденсатор фильтра С5, подключенный к выводу 2, устраняет возможные помехи. С выходов DA1 усиленный сигнал через разделительные конденсаторы С6 и С7 поступает на два одинаковых детектора – транзисторы VT2 и VT3. С движка подстроечного резистора R10 через R6 и R8 на базы транзисторов подается необходимое смещение, устанавливающее порог чувствительности детекторов, а значит регулирующее ~Uвых усилителя. Для переменного напряжения резисторы R6 и R8 вместе с конденсатором С9 представляют собой фильтр, препятствующий проникновению сигнала из одного детектора в другой.

Работу детекторов схематично поясняет график. На выходах Vо1 и Vо2 усиленные сигналы появляются в противофазе по отношению друг к другу. От каждой отрицательной полуволны выходного сигнала открывается VT2 или VT3 (структура P-N-P). Коллекторы транзисторов соединены вместе, поэтому, после детектирования на резисторе R9 формируются результирующие импульсы. Параллельно R9 подключен накопительный С10, следовательно, на затвор VT1 поступает постоянное напряжение, уровень которого пропорционален амплитуде переменного сигнала. С увеличением уровня постоянного напряжения на затворе VT1 сопротивление канала С-И транзистора уменьшается и, наоборот, с уменьшением уровня сопротивление канала С-И увеличивается. Изменением сопротивления делителя R3-Rси регулируется уровень микрофонного сигнала на входе DA1, это, в свою очередь, приводит к поддержанию постоянного уровня на выходе усилителя. Выходной сигнал снимается через разделительный конденсатор С8 с резистора R7.

Красным цветом указаны напряжения в контрольных точках. Uпит=+4,96V – это уточненное напряжение после стабилизатора 78L05 от которого был запитан усилитель на макетной плате. При таком Uпит получены остальные напряжения. Резистором R10 следует установить на выходе требуемое напряжение (в данном примере ~Uвых=300mVp-p) при громкости, соответствующей комфортному прослушиванию фонограммы. При выключенном звуке и после кратковременного замыкания пинцетом резистора R9, напряжение на затворе плавно возросло до уровня Uз=+0,64…0,75V, при этом АРУ не работает. Уровень напряжения Uз=+1,09…1,2V получен при включении фонограммы и плавном регулировании громкости, при этом происходит захват сигнала системой АРУ. Уровень напряжения Uз=+1,54V получен при громком крике в микрофон с расстояния 15…20см.

Разумеется, можно отказаться от двойного детектирования сигнала и упростить схему АРУ. Для этого достаточно удалить элементы С7, R8 и VT3 и отрегулировать ~Uвых до нужного значения подстроечным резистором R10.

Промышленностью давно освоен выпуск микросхем УМЗЧ со встроенными электронными регуляторами громкости. В таких микросхемах есть специальный вход управления, реагирующий на изменение тока (DC volume control) или на импульсы напряжения (digital volume control). Была приобретена микросхема TDA7052А, применяемая в портативной аудио технике с батарейным питанием. На рисунках из даташита приведены структура и схема включения:

Назначение выводов и цоколевка микросхемы TDA7052А:

Напряжение Uпит=4,5…18V подают на входы positive supply voltage «Vp» (выв.1) и power ground «GND2» (выв.6). Сигнальный общий провод signal ground «GND1» (выв.3) соединяют с землей (GND2). Нагрузку – динамическую головку с R=8Ω подключают к выходам positive output  «OUT+» (выв.5) и negative output «OUT-» (выв.8). Усиливаемый сигнал подают на вход positive input «IN+» (выв.2) через разделительный  конденсатор С=0,47µF. Для снижения наводимых шумов вход шунтируют резистором Rs=5КΩ. Для регулирования громкости предназначен вход DC volume control «VC» (выв.4). К этому входу допускается подключение переменного резистора R=1МΩ и конденсатора С=1µF (для подавления помех при вращении ручки переменного резистора). Максимальное усиление с переменным резистором не превышает 30dB, тогда как усиление при типовом регулировании достигает 35,5dB. Из графика зависимости усиления от управляющего напряжения на входе VC видно, что регулирование имеет логарифмическую характеристику. Максимальное усиление 35,5dB соответствует уровню VC=1,4V, а минимальное -44dB — уровню VС=0,5V. При VС≤0,3V усилитель переходит в режим MUTE.


Подключение переменного резистора 
для регулирования громкости

Усиление как функция от
управляющего напряжения

Типовой потребляемый ток при Uпит=6V и отключенной нагрузке Iпотр=7mA. Входной сигнал не должен превышать ~Uвх.макс=650mVp-p. Частотный диапазон соответствует F=20Гц – 300кГц, а входное сопротивление не ниже Zвх=15К. Управляющий ток на выводе 4 при VC=0,4V не более Iупр=80µА.

Внутрисхемно максимальное усиление, как указывалось выше, установлено на уровне 35,5dB, что соответствует:

35,5dB = 20lgХ

lgХ  = 35,5/20 = 1,775

или n = 1,775

Тогда, Х = 10ⁿ = 59,566

После округления: Х= 60 раз.

Усиления в 60 раз для подключения электретного микрофона непосредственно к входу УМЗЧ будет маловато. Пришлось поэкспериментировать с несколькими экземплярами микрофонов и резисторами в их цепи питания. Из семи образцов, имеющихся в наличии, нашлась пара, у которых при комфортной громкости и соответствующем нагрузочном резисторе амплитуда выходного напряжения достигала ~Uвых=80…120mVр-р. Поэтому, с некоторой потерей чувствительности при тихой громкости источника звука допустимо подключить подобранный экземпляр микрофона непосредственно к входу этого УМЗЧ. Если ЦМУ или СДУ будет работать на вечеринках с громкой музыкой, то такое решение оправдано.

При проверке осциллографом работы АРУ выяснилось, что для симметричного ограничения сигнала должен использоваться детектор сигнала, обязательно выполненный по двухполупериодной схеме. При работе с однополупериодным детектором ограничение «правильно» работало только для одной полуволны сигнала, во время второй полуволны наблюдались «выбросы» амплитуды, особенно проявляющиеся при звучании ударных инструментов.

Два варианта усилителя с АРУ на УМЗЧ типа TDA7052А показаны на РИС.3:

На РИС.3а показан вариант, в котором подобранный экземпляр электретного микрофона ВМ1 (с максимальным усилением, определяемым R1) подключен через разделительный конденсатор С1 непосредственно к входу DA1, а в качестве регулирующего элемента применяется биполярный транзистор типа КТ3102. После детектирования разнофазного сигнала на коллекторах транзисторов VT1 и VT2 появляются импульсы, которые через ограничивающий ток R5 поступают на базу VT3. В зависимости от длительности и уровня импульсов транзистор VT3 разряжает конденсатор С6, что, в свою очередь, приводит к уменьшению уровня напряжения на входе управления VC и, следовательно, к уменьшению амплитуды выходного сигнала. При уменьшении выходного сигнала происходит обратный процесс – конденсатор С6 заряжается через R9 от Uпит и уровень напряжения на входе VC увеличивается. Так поддерживается неизменным выходное напряжение усилителя, которое снимается с резистора R3 через разделительный С4.

Чтобы не подбирать электретный микрофон, схему дополняют усилительным каскадом, как показано на РИС.3б. Здесь же дан пример использования в качестве регулирующего элемента полевого транзистора с изолированным затвором типа КП501А.

Каскад на транзисторе VT1 имеет коэффициент усиления по напряжению около Кус=5. Для конкретного экземпляра микрофона коэффициент можно изменить, подобрав сопротивление резистора R3. Амплитуда напряжения на выходе (на R4) не должна превышать ~Uвых.макс=0,6Vр-р. Осциллограммы показали, что при увеличении уровня сигнала на входе УМЗЧ больше паспортного значения, на выходах возникают искажения в виде срезанных пиков сигнала. Для подъема АЧХ в области высоких частот параллельно резистору R3 можно подключить конденсатор С=4,7…10nF.

С выхода предварительного каскада сигнал подается на переключатель SA1, которым выбирают источник сигнала: микрофон/линейный вход (разъем XS1). С подвижного контакта SA1 через разделительный С2 сигнал подается на вход IN+ усилителя DA1.

Также как в схеме на РИС.3а, противофазные сигналы с выходов OUT- и OUT+ через разделительные конденсаторы поступают на активные детекторы. На резисторе R9 формируются положительные импульсы, поступающие на затвор транзистора VT4. В зависимости от длительности и амплитуды этих импульсов VT4 открывается и разряжает С7. В результате уровень постоянного напряжения на входе VC понижается. Выходное напряжение, снимаемое с R7, уменьшается. При снижении громкости источника звука конденсатор С7 через R13 заряжается и на входе VC уровень напряжения увеличивается. Это приводит к увеличению усиления DA1 и на выходе амплитуда напряжения возрастает.

Настройку схем производят так: сначала отключают базу транзистора VT3 (сток транзистора VT4). Подстроечным резистором R8 (R12) на входе VC устанавливают напряжение U=+1,4V, соответствующее максимальному усилению DA1. Установку проводят с учетом медленной зарядки конденсатора С6 (С7). Затем, восстановив соединение базы VT3 (стока VT4), включают фонограмму с комфортной громкостью и подстроечным резистором R6 (R10) настраивают необходимый уровень напряжения на выходе усилителя.

Работа схем на РИС.3 характеризуется четкой реакцией на звуковой сигнал (громкий или тихий; речь или музыка; в начале или в течение всего звукового фрагмента).

Рассмотрим  возможность использования в схеме усилителя с АРУ микросхемы мостового УМЗЧ типа TDA8551 с дискретным (импульсным) управлением громкостью. Структура и типовая схема включения показаны на рисунках из даташита:

Рабочее напряжение 5V подается на входы питания Vp (выв.6) и GND (выв.7). Звуковой сигнал подается на вход IN (выв.4) через разделительный конденсатор С1=330nF. Нагрузка (динамическая головка с R=8Ω) подключается к двум противофазным выходам OUT+ (выв.8) и OUT- (выв.5).

Трехуровневый вход MODE (выв.2) задает три режима работы микросхемы:

  1. вход MODE подключен к Vp — режим STANDBY;
  2. вход MODE подключен к выходу SVR (выв.3) — режим MUTE;
  3. вход MODE подключен к GND — режим OPERATING.

В режиме STANDBY микросхема выключена, и ток потребления снижен до Iпотр=10µA, в режиме MUTE переменный сигнал на выходах подавляется на 90dB, в режиме OPERATING микросхема работает и ток потребления (с выключенной нагрузкой) не превышает Iпотр=6mA.

Трехуровневый вход UP/DOWN (выв.1) управляет громкостью. Для этого переключателем VOLUME CONTROL на этом входе изменяют уровень напряжения:

  1. если вход UP/DOWN подключить к Vp – увеличение громкости на один шаг;
  2. если вход UP/DOWN подключить к GND – уменьшение громкости на один шаг;
  3. если вход UP/DOWN никуда не подключен, то заданная громкость сохраняется.

Таким образом, микросхема управляется импульсами высокого или низкого уровня напряжения относительно среднего уровня на выводе 1. Встроенный реверсивный счетчик формирует 64 шага управления. Усиление УМЗЧ фиксировано на уровне 20dB. Минимальная громкость соответствует уровню -80dB, а максимальная уровню 0dB. Тогда один шаг регулирования равен 80/64=1,25dB. Сразу после подачи питания усиление соответствует тихой громкости (внутренним аттенюатором усиление снижено на 40dB). Входное напряжение может достигать ~Uвх.макс=2Vр-р, а частотный диапазон составляет от 20Гц до 20кГц. Фильтр на элементах R1=2,2К и С5=100nF подавляет дребезг контактов переключателя.

Вариант применения TDA8551 в линейном/микрофонном усилителе с АРУ показан на РИС.4

Первый каскад на транзисторе VT1 имеет усиление по напряжению порядка Кус=10 и предназначен для компенсации небольшого коэффициента усиления УМЗЧ DA1. Сигнал с электретного микрофона BM1 подается на базу VT1 через разделительный С3. Резистор R4 задает необходимое смещение на базе VT1 для получения половины Uпит на его коллекторе. Установив вместо R6 подстроечный резистор с R=330…470 Ом, можно изменять Кус этого каскада, при этом, если задать R=0 Ом, амплитуда не искаженного переменного напряжения на коллекторе VT1 сможет достигать ~Uк=1,5Vр-р.

С коллектора VT1 усиленный по напряжению сигнал поступает на переключатель SA1, которым выбирают источник сигнала – разъем XS1 (AUDIO IN) или микрофон. Если подвижный контакт переключателя в нижнем по схеме положении, то через разделительный С2 на вход DA1 поступит усиленный сигнал от микрофона.

Выход OUT- усилителя DA1 используется для работы системы АРУ, а с выхода OUT+ сигнал с заданным уровнем через конденсатор С5 подается на разъем XS2 (AUDIO OUT). Режимы STANDBY и MUTE не используем, поэтому вход MODE подключен к GND.

Через R7 и С6 сигнал поступает на активный детектор VT2. Делитель R8-R9 задает положение рабочей точки транзистора VT2 для получения необходимой чувствительности. Во время отрицательной полуволны на выходе OUT- транзистор VT2 открывается и через его переход Э-К конденсатор С7 заряжается. Во время положительной полуволны VT2 закрывается и С7 разряжается через R10, т.е. транзистор VT2 работает как однополупериодный выпрямитель.

Напряжение U2 с конденсатора С7 подается на первый вход компараторного окна – объединенные выводы 6DA2.1 и 3DA2.2. Делитель напряжения R13-R14-R15 формирует опорные напряжения для двух других входов компараторного окна. Напряжение U1 с движка подстроечного резистора R14, подаваемое на вывод 5DA2.1, определяет верхний порог, а напряжение U3 с движка подстроечного резистора R15, подаваемое на вывод 2DA2.2, определяет нижний порог работы компараторного окна. Если U2 станет меньше U3, то из лог.1 в лог.0 переключится выход компаратора 1DA2.2. Если U2 станет больше U1, то из лог.1 в лог.0 переключится выход компаратора 7DA2.1. Таким образом, компараторное окно следит за напряжением на выходе детектора: находится ли оно в заданном промежутке U1>U2>U3, а подстроечными резисторами R14 и R15 задают уровень выходного напряжения на разъеме XS2. На схеме, для примера, красным цветом указаны постоянные напряжения для ~Uвых=200mV р-р.

Компараторы DA2.1 и DA2.2 включают соответствующие индикаторы HL1, HL2 и через переключатель SA2 управляют генераторами прямоугольных импульсов, соответственно, DD1.3-DD1.4 и DD1.1-DD1.2.

Когда выходы компараторов не активированы с резисторов R11 и R12 высокий уровень напряжения (лог.1) блокирует работу генераторов. С выхода 3DD1.1 лог.0 подается на анод VD1, поэтому диод закрыт. С выхода 10DD1.4 лог.1 подается на катод VD2, поэтому этот диод также закрыт. На выводе 1DA1 «дежурит» напряжение Uпит/2=2,5V. Допустим, напряжение U2 стало меньше U3, тогда выход 1DA2.2 переключится (загорится HL2) и на входе 1DD1.1 сформируется лог.0, разрешающий работу генератора DD1.1-DD1.2. Импульсы с уровнем лог.1 через VD1, R20 и R21 поступят на вход 1DA1 – амплитуда переменного сигнала на XS2 начнет увеличиваться. Когда напряжение U2 станет больше U3, выход 1DA2.2 вернется в исходное состояние и работа генератора заблокируется. Допустим, напряжение U2 стало больше U1, тогда переключится выход 7DA2.1 (загорится HL1) и на входе 13DD1.3 сформируется лог.0, разрешающий работу генератора DD1.3-DD1.4. Импульсы с уровнем лог.0 через VD2 и R21 поступят на вход 1DA1 – амплитуда переменного сигнала на XS2 начнет снижаться. Когда напряжение U2 станет меньше U1, выход 7DA2.1 вернется в исходное состояние и работа генератора заблокируется.

Рабочие частоты генераторов определяется элементами R16-С9 и R17-C10. Из схемы видно, что емкость С9 больше емкости С10 приблизительно в два раза, следовательно, частоты генераторов также различаются в два раза (F2/F1=2). Снижение амплитуды переменного сигнала на выходе XS2 происходит быстрее, чем увеличение, приблизительно в два раза. Подбором емкостей С9 или С10 изменяют характеристику регулирования, но следует соблюдать условие правильной работы АРУ – время снижения амплитуды выходного сигнала должно быть не меньше времени разряда С7 через R10. Например, если частота генератора снижения уровня DD1.3-DD1.4 выбрана слишком большой, то вероятен эффект «замирания» – на выходе XS2 сигнал исчезнет. Только после того, как напряжение на С7 уменьшится до заданного значения, заработает генератор увеличения уровня DD1.1-DD1.2. Изменяя емкость С7, выбирают скорость реакции АРУ на входной сигнал. Резистор R20 устанавливает приоритет снижения уровня над увеличением. Элементы фильтра R21-C11 обязательны – без них вероятны сбои регулировки уровня при работе генераторов.

Если подвижные контакты переключателя SA2 перевести в нижнее по схеме положение, то АРУ отключится, а регулирование уровня станет возможным с помощью кнопок SB1 и SB2. При нажатии и удержании этих кнопок начинают работать генераторы, и уровень сигнала меняется. По светодиодам HL1 или HL2 можно отслеживать превышение или занижение уровня сигнала относительно заданного.

Если нужно, чтобы сигнал изменялся пошагово (как в схеме из даташита – только в момент нажатия на кнопку), то кнопки SB1, SB2 и переключатель SA2 включают по схеме, показанной на РИС.4а. Резистор 1К устраняет короткое замыкание источника питания при случайном одновременном нажатии кнопок. Фильтр на резисторе R21 и конденсаторе С11 устраняет дребезг контактов кнопок. Переключатель SA2 подключает вход регулирования 1DA1 либо к выходу генераторов, либо к кнопкам.

Схема спроектирована просто, исходя из соображений, какие должны быть узлы в ее составе для выполнения той или иной функции. К недочету в работе можно отнести медленное время Т=1…2сек снижения уровня сигнала на выходе до заданного значения при первом появлении громкого звука в помещении (хотя, для ЦМУ скорость реакции АРУ не очень актуальна), поэтому допустима модернизация. И, тем не менее, устройство весьма точно поддерживает заданный уровень выходного напряжения на протяжении всего музыкального фрагмента.

Фото проверочной макетной платы для предварительного каскада на транзисторе КТ3102 и собранного усилителя показана на ФОТО:

В заключение рассмотрим еще один вариант микрофонного усилителя с АРУ. В нем также применяется УМЗЧ, но регулирование уровня осуществляется микросхемой цифрового регулятора громкости с индикатором. В основе усилителя микросхемы МС34119 и LC7530. Регулирующие кнопки и шкальный индикатор будут красиво смотреться на передней панели проектируемого цветомузыкального устройства.

Микросхема LC7530 представляет собой цифровой (управляемый кнопками) двуканальный (стерео) регулятор громкости с линейной характеристикой регулирования (псевдокривая А). К особенностям микросхемы можно отнести наличие выводов для подключения LED-индикаторов, отображающих шаги регулирования, наличие вывода инициализации и возможность переключения в режим энергосбережения.

Для испытаний регулятора LC7530 на макетной плате была собрана схема, показанная на рисунке:

Назначение выводов:

СИМВОЛ НОМЕР НАЗНАЧЕНИЕ
IND1 – IND8 1 —  8 Выводы для подключения LED-индикаторов шагов регулирования. Когда выводы активны, на них появляется высокий уровень (Н). Когда выводы не активны, они выключаются —  переходят в высокоимпедансное состояние.
SIG1, SIG2 9, 14 Выводы ВХОД для регулирования громкости
COM1, COM2 10, 13 Выводы ВЫХОД для регулирования громкости
Vm 11 Вывод смещения. При работе от одиночного питания к этому выводу применяется 1/2Vdd
Vss 12 Вывод питания (-), земля
CE 15 Когда этот вывод установлен на «L», потребляемый ток уменьшается. Этот вывод должен быть «L» в режиме резервного питания «Back Up»
INIT 16 Вывод инициализации. Когда установлено значение «L», достигается 9-й шаг. На выводе IND5 появляется высокий уровень «H».
DN 17 Когда уровень на этом выводе падает, шаг опускается и громкость уменьшается. Когда удерживается в «L», громкость автоматически понижается; если установлено значение «H», громкость перестает понижаться на шаге, достигнутым в этот момент. Шаг останавливается в позиции LSB (при достижении младшего бита)
UP 18 Операция UP обратна DN. Когда UP и DN установлены одновременно на «L», приоритет имеет UP. Шаг останавливается в позиции МSB. (при достижении старшего бита)
CR 19 Выводы для подключения R, C от которых зависит скорость шага
Vdd 20 Вывод питания (+)

1. Входы питания Vdd и Vss.

Типовое напряжение питания микросхемы Uпит=8…14V. Работа проверялась с Uпит=12V, Uпит=9V и Uпит=5V. Работа цифровой части микросхемы при Uпит=5V не изменилась. Возможно, работа сохранится и при меньшем напряжении, например, при  Uпит=3V. Но, заявленные характеристики звукового тракта при напряжении меньшем, чем Uпит=8V уже не гарантируются.

2. Выходы индикации IND1-IND8.

Изменение Uпит заметно влияет на яркость светодиодов HL1-HL8. Значит, выходы не содержат генераторов стабильного тока, например, как в поликомпараторных микросхемах, управляющих шкальными индикаторами. Сопротивление резисторов R1-R8 следует выбирать в соответствии с Uпит и типом используемых светодиодов. На схеме сопротивления резисторов указаны для Uпит=5V. Предельный ток, который выдерживают выходы, не должен превышать Iмакс=20mA.

3. Звуковые входы SIG1 и SIG2.

Входы, имея сопротивление 50К, допускают подачу сигнала с амплитудой от Vss до Vdd.

4. Звуковые выходы COM1 и COM2.

Чем больше сопротивление подключаемой нагрузки, тем лучше. Оптимальным будет подключение каскада на ОУ.

5.  Вход смещения Vm.

На этом входе должно поддерживаться напряжение, равное примерно Uпит/2. Как видно из схемы используется делитель напряжения, составленный из резисторов R10 и R11, при этом, если меняется Uпит, то потенциал Uпит/2 поддерживается автоматически. Конденсатор С7 снижает внешние и внутренние (перекрестные между каналами) помехи в процессе работы регулятора. Напряжение с делителя одновременно используется в микрофонном усилителе как виртуальная земля для работы ОУ от однополярного источника питания.

6. Вход управления СЕ.

Работа регулятора возможна при высоком уровне на этом входе. Если вход отключить от Uпит (разомкнуть SA1), то регулятор перейдет в режим пониженного потребления тока (Iпотр=1µА). Установленный шаг регулирования в таком режиме сохраняется, пока Uпит не снизится до напряжения мене 3V (пока не разрядится конденсатор, подключенный между Vdd и Vss).

7. Вход инициализации INIT.

Этот вход по функции напоминает вход предварительной установки счетчика или регистра. При нажатии кнопки SB3 устанавливается 9-тый шаг регулирования независимо от предыдущего состояния и на выходе IND5 появляется высокий уровень напряжения (включается светодиод HL5). Если кнопку SB3 удерживать в нажатом состоянии, то нажатия на кнопки SB1 или SB2 игнорируются. Кроме этого, если микросхема находится в режиме минимального потребления тока «Back Up» (вход СЕ=0V) и до этого был задан какой-либо шаг регулирования, то нажатие на кнопку SB3 также установит 9-тый шаг регулирования. После возврата микросхемы в рабочий режим (вход СЕ=Uпит) сразу включится светодиод HL5. Если к входу постоянно подключен конденсатор (на схеме — С6), то каждый раз после подачи питания микросхема будет устанавливаться в состояние 9-го шага регулирования.

8. Входы управления громкостью UP и DN.

Если нажимать кнопки SB1 или SB2 кратковременно, то уровень громкости будет увеличиваться (уменьшаться) на единицу. Если нажать и удерживать, то уровень громкости меняется автоматически. Микросхема обеспечивает шестнадцать (0-15) уровней громкости за пятнадцать шагов регулирования.

9. Вход управления тактовым генератором CR.

Изменяя сопротивление резистора или емкость конденсатора, изменяют частоту тактового генератора, т.е. управляют скоростью регулирования громкости. Форма и уровни сигналов на этом входе при Uпит=5V показаны на графике.  Число импульсов с высоким уровнем соответствует числу шагов регулирования.

Таблица состояния выходов IND1-IND8 для подключения LED-индикаторов:

Из таблицы видно, что с помощью восьми светодиодов отображаются все пятнадцать шагов регулирования.

Принципиальная схема микрофонного усилителя с отключаемой АРУ показана на рисунке:

В схеме предусмотрена возможность отключения АРУ. Для этого выключатель SA2 должен быть разомкнут, как показано на схеме. Переключателем SA1 выбирают источник сигнала. При показанном на схеме положении сигнал передается от электретного микрофона BM1. Если переключатель SA1 перевести в нижнее по схеме положение, то сигнал поступит от разъема XS1, к которому подключают линейный выход звуковоспроизводящей аппаратуры.

При подаче питания напряжение поступает на цепь питания микрофона BM1 (резисторы R1, R2 и конденсатор С1), а также на входы питания Vdd микросхем DA1 и DA2 (выв.20DA1 и выв.6DA2). Конденсатор С5, подключенный к входу инициализации INIT (выв.16DA1), принудительно устанавливает 9-тый шаг регулирования, при этом на выходе IND5 (выв.5DA1) появляется высокий уровень напряжения, и седьмой сегмент шкального индикатора HL1 зажигается. На затворе транзистора VT1 с движка подстроечного резистора R18 устанавливается низкий уровень напряжения, поэтому транзистор полностью открыт и, следовательно, конденсатор С10 параллельно соединен с конденсатором С8. Цепь С8+С10 и R17, подключенная к входу CR (выв.19DA1) внутреннего генератора, определяет скорость регулирования громкости.

Микросхему МС34119, как указывалось выше, можно представить как мощный ОУ с дифференциальным выходом и встроенным делителем напряжения для работы от однополярного источника питания.

Постоянное напряжение с вывода 2DA2 подается на вход смещения Vm (выв.11DA1). Относительно этого напряжения звуковой сигнал с входов SIG2 (выв.9DA1) и SIG1 (выв.14DA1) передается на выходы COM2 (выв.10DA1) и COM1 (выв.13DA1). Конденсатор С6 снижает возможные помехи. Разделительный конденсатор С7 пропускает на вход 3DA2 только звуковой сигнал. Коэффициент усиления DA2 задан резисторами R15 и R16. Усиленный сигнал снимается с выхода VO2 (выв.5DA2) через разделительный конденсатор С13.

Уровень звукового сигнала регулируют кнопками SB1 и SB2, подключенными к входам, соответственно, UP (выв.18DA1) и DN (выв.17DA1). При нажатии кнопки SB1 через ограничивающий ток резистор R6 зажигается второй сегмент шкального индикатора HL1 и будет гореть, пока кнопка нажата. Внутри микросхемы запускается тактовый генератор, и уровень звукового сигнала на выходе увеличивается. Одновременно на выходах IND1-IND8 (выв.1DA1-выв.8DA1) появляются высокие уровни напряжения, индикатор HL1 отображает шаги регулирования вверх. Если нажать кнопку SB2, то через ограничивающий ток резистор R5 включится первый сегмент индикатора HL1 и будет гореть, пока кнопка удерживается нажатой. Также запустится внутренний генератор, и уровень звукового сигнала на выходе начнет снижаться. Индикатор HL1 отобразит шаги регулирования вниз. Увеличение сигнала имеет приоритет над снижением, поэтому, если кнопки SB1 и SB2 нажать одновременно, выходной сигнал начнет увеличиваться.

С конкретным экземпляром микрофона BM1 и резисторами в его цепи питания, а также с указанными резисторами делителя R3-R4 и заданным коэффициентом усиления DA2, на выходе максимальная амплитуда напряжения достигала ~Uвых=4V от пика до пика. 

Для работы усилителя в режиме АРУ замыкают выключатель SA2. В этом случае на узел, состоящий из активного детектора VT2 и компараторного окна DA3.1, DA3.2 поступит напряжение питания. С выхода VO1 (выв.8DA2) через разделительный конденсатор С12 переменный сигнал поступает на базу транзистора VT2. С движка подстроечного резистора R19 также на базу подается необходимое смещение, устанавливающее чувствительность детектора. От отрицательных полуволн сигнала транзистор VT2 открывается. На резисторе R18 и конденсаторе С14 формируется постоянное напряжение, уровень которого зависит от амплитуды звукового сигнала на входе. Постоянное напряжение с изменяемым уровнем (U2) подается на первый вход компараторного окна (соединенные выв.6DA3.1 и выв.3DA3.2). Настраиваемый делитель напряжения R22-R23-R24 формирует опорные напряжения (U1 и U3) для двух других входов компараторного окна (выв.5DA3.1 и выв.2DA3.2). Если уровень напряжения U2 превысит порог U1, то переключится выход 7DA3.1 и на входе DN (выв.17DA1) появится низкий уровень. Включится первый сегмент индикатора HL1 и амплитуда выходного сигнала начнет уменьшаться. Если уровень напряжения U2 станет ниже порога U3, то переключится выход 1DA3.2 и на входе UP (выв.18DA1) появится низкий уровень. Включится второй сегмент индикатора HL1 и амплитуда выходного сигнала начнет увеличиваться. В итоге уровень звукового сигнала на выходе усилителя поддерживается постоянным (U1>U2>U3). Если сопротивление подстроечного резистора R23 увеличить, то ширина компараторного окна станет больше – процесс авторегулирования будет происходить реже. Если сопротивление R23 уменьшить, то ширина компараторного окна также станет меньше, и процесс авторегулирования будет происходить чаще. Кроме этого, с движка подстроечного резистора R18 часть постоянного напряжения с изменяемым уровнем (U2) подается на затвор транзистора VT1. Чем больше уровень напряжения на затворе, тем сильнее закрывается транзистор VT1. Сопротивление канала исток-сток увеличивается, и конденсатор С10 оказывает меньшее влияние на работу тактового генератора DA1. Генератор станет работать с более высокой частотой  (частота в основном будет определяться сопротивлением резистора R17 и небольшой емкостью С8) и, как следствие, процесс уменьшения выходного сигнала произойдет быстрее. Таким образом, элементы С10, VT1 и R18 превращают тактовый генератор DA1 в генератор, управляемый напряжением. Положение движка резистора R18 определяет скорость реакции АРУ.

На выходе стабилизатора DA4 типа 78L05 указано уточненное напряжение Uвых=+4,93V. При таком напряжении питания измерены остальные напряжения в контрольных точках схемы, в частности потребляемый ток I=47mA max получен при трех включенных сегментах индикатора HL1.

Убедившись в правильности напряжений в контрольных точках и работоспособности регулятора вместе с усилителем, приступают к настройке узла АРУ. Сначала движок подстроечного резистора R19 устанавливают вверх по схеме, движок резистора R18 вниз, а движок резистора R23 в среднее положение. Переключателем SA1 выбирают в качестве источника сигнала микрофон, выключатель SA2 замыкают и включают музыкальный фрагмент. Движок резистора R19 медленно перемещают вниз до получения необходимого выходного напряжения, например, ~Uвых=300mVp-p, при этом по индикатору HL1 наблюдают работу компараторного окна. По необходимости увеличивают или уменьшают ширину окна, перемещая движок резистора R23 вниз или верх по схеме. Минимальную ширину (R23=0Ω) устанавливать не следует. Процесс авторегулирования  не остановится — выходной уровень звукового сигнала будет постоянно меняться (подстраиваться). На индикаторе HL1 это отобразится как частое поочередное мигание двух первых сегментов. После настройки выходного напряжения и ширины компараторного окна увеличивают громкость музыкального фрагмента и переводят его в «паузу». При отсутствии звука должны постоянно светиться второй и десятый сегменты индикатора HL1. Выключая и включая «паузу», резистором R18 настраивают скорость атаки (реакции) АРУ на появление громкого звука. Настройка считается правильной, если не будет так называемого «схлопывания», это когда сигнал на выходе усилителя исчезает. Индикатор HL1 отобразит быстрое уменьшение шагов регулирования (затухание сигнала) и процесс снижения громкости должен остановиться примерно на уровне, заданном резистором R19, при этом первый сегмент индикатора погаснет.

На ФОТО показана проверочная плата собранного регулятора:

Можно посмотреть ролики с работой представленных усилителей с АРУ на микросхемах TDA8551 и LC7530. К усилителю на LC7530 дополнительно подключен индикатор шагов регулирования на микроконтроллере и цифровом семисегментном индикаторе.

Литература.

  1. LM386. Low Voltage Audio Power Amplifier. Datasheet National Semiconductor. August 2000.
  2. MC34119. Low Power Audio Amplifier. Datasheet Motorola. 1996.
  3. TDA7052A/AT. 1W BTL mono audio amplifier with DC volume control. Datasheet NXP Semiconductors. August 1991.
  4. TDA8551. 1W BTL audio amplifier with digital volume control. Datasheet Philips Semiconductors. May 1997.
  5. LM193-LM293-LM393. Low power dual voltage comparators. Datasheet STMicroelectronics 1998.    

Александр Борисов.

Автор публикации

не в сети 2 дня

Radan

0
Комментарии: 938Публикации: 180Регистрация: 30-11--0001
Поделиться

5
Отправить ответ

Пожалуйста, чтобы добавить комментарий.
Войти с помощью: 
2 Цепочка комментария
3 Ответы по цепочке
1 Последователи
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
3 Авторы комментариев
azlk azlkpolarisdatasheet Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
новые старые рейтинг
Подписаться на
azlk azlk
Участник

Вот это да, так и хочется сказать: «старая гвардия детектед» — ни грамматических ошибок, коими нынче пестрят все страницы в сети, ни недоговорённостей — все описано и разложено по полочкам!
Я уже не говорю про резисторы МЛТ (кстати, почему же, все-таки, не использовали SMD? Ведь всё было бы намного компактнее и проще). А уж адская коса из МГТФ, это вообще сплошная ностальгия!…
Интересно, я сильно промахнусь, если предположу, что автор раньше работал в одном из советских НИИ? smile

polaris
Участник

Уважаемый коллега azlka,
SMD-элементы устанавливают на разработанную печатную плату. Печатками уже много лет не занимаюсь — все по старинке. Монтаж делаю проводами на заводских перфорированных платах. Процесс «проект — проверка — готовое устройство» у меня так получается быстрее. С НИИ промахнулись, но в СЮТе несколько лет преподавал.

datasheet
Участник

Применение АРУ необходимо только в случаях когда уровень сигналов не используется для управления. В других случаях, достаточно переменного резистора на входе. Сейчас не тот разброс уровней выходных сигналов, как в аналоговых источниках звука. К сожалению не везде есть «линейный выход» с нерегулируемым уровнем сигнала. Но это можно решить с помощью паяльника.

polaris
Участник

Уважаемый даташит, признаться, не уловил я Вашу мысль. Или ЦМУ с микрофонным входом в комнате 19 кв.м работает под 1,5-ватную пукалку, или где-нибудь в актовом зале на вечеринке со 150-ти ваттным звуком. Как понимать «Сейчас не тот разброс уровней выходных сигналов» ? А когда же был «тот разброс»? Что-то поменялось в жизни звуков?

datasheet
Участник

Если например яркость зажигания зависит от уровня сигнала, то лучше применить пер.резистор. Пример, это как ставить АРУ перед (шкальным) индикатором уровня.