Operationsverstärker mit Einzelversorgung

Ich versuche, einen Operationsverstärker zu entwickeln, der mit einer einzigen 5-V-Versorgung arbeitet und in der Lage ist, ein Audiosignal von -100 mV bis + 100 mV auf etwa 1 V Spitze-Spitze zu verstärken. Ich bin auf diese Schaltung in diesem Artikel gestoßen , die anscheinend funktioniert, aber Probleme beim Berechnen der tatsächlichen Werte hat:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Aus dem Artikel habe ich gelesen, dass R1 und R2 für eine 5-V-Stromversorgung gleich sein und ungefähr 42 kOhm betragen sollten. R4 sollte R3 + (0.5 * R1) sein und das war's auch schon ...

Wie würde ich also den Kondensator berechnen, die Widerstandswerte, die für ein Signal mit variierender Frequenz mit maximaler Frequenz bei etwa 20 kHz und einer Verstärkung von etwa 5 benötigt werden?

Danke, dass du mir geholfen hast!

BEARBEITEN:

In dem Artikel schrieb der Autor durch das Bodensymbol: "* STAR GROUND". Ist es wirklich wichtig, dass ich alle Ground Trances im Schaltplan zu einem Punkt kombiniere, oder kann ich eine Groundplane über den gesamten Schaltkreis verwenden?

Sie schienen tatsächlich eine vernünftige Schaltung im Internet gefunden zu haben. Ich habe gehört, dass es irgendwo da draußen war.

Die Gleichungen, die Sie zitieren, sind zu streng. Anstatt Ihnen nur die Werte zu sagen, ist es besser zu erklären, was jeder Teil tut.

R1 und R2 sind Spannungsteiler, um die Versorgungsspannung zu halbieren. Dies ist die Gleichstromvorspannung, bei der der Operationsverstärker arbeitet. Der C2-Tiefpass filtert den Ausgang dieses Spannungsteilers. Dies dient dazu, Störungen, Spannungsschwankungen und andere Störungen an der 5-V-Versorgung zu beseitigen, damit diese nicht in Ihr Signal gelangen. R3 wird nur benötigt, weil C2 vorhanden ist. Wenn R3 nicht vorhanden wäre, würde C2 auch Ihr Eingangssignal quetschen, nicht nur das Rauschen des Netzteils. Letztendlich soll das rechte Ende von R3 ein sauberes 1/2 Versorgungssignal mit hoher Impedanz liefern. Die hohe Impedanz verhindert, dass das von Ihnen gewünschte Signal über C1 übertragen wird.

C1 ist eine DC-Blockierkappe. Sie entkoppelt den Gleichstrompegel bei IN vom Gleichstrompegel, auf den der Operationsverstärker vorgespannt ist.

R4 und R5 bilden einen Spannungsteiler vom Ausgang zurück zum negativen Eingang. Dies ist der negative Rückkopplungspfad und die Gesamtverstärkung der Schaltung ist das Gegenteil der Spannungsteilerverstärkung. Wenn Sie eine Verstärkung von 10 wünschen, sollte der R4-R5-Teiler eine Verstärkung von 1/10 haben. C3 blockiert DC, sodass der Teiler nur mit Ihrem AC-Signal arbeitet, nicht mit dem DC-Bias-Punkt. Der Teiler lässt alle Gleichspannungen durch, sodass die Gleichspannungsverstärkung vom + -Eingang des Operationsverstärkers zum Ausgang 1 beträgt.

C4 ist eine weitere DC-Sperrkappe, die diesmal den Gleichstrom-Vorspannungspegel des Operationsverstärkers vom Ausgang entkoppelt. Mit den beiden DC-Blockierkappen (C1, C4) arbeitet der Gesamtverstärker mit Wechselstrom. Welche DC-Vorspannungen auch immer an IN und OUT liegen, ist irrelevant (innerhalb der Nennspannung von C1 und C4).

Nun zu einigen Werten. Der MCP6022 ist ein CMOS-Eingangsverstärker, daher hat er eine sehr hohe Eingangsimpedanz. Auch ein MΩ ist im Vergleich zu seiner Eingangsimpedanz klein. Die andere zu berücksichtigende Sache ist der Frequenzbereich, über den dieser Verstärker arbeiten soll. Sie sagten, das Signal ist Audio, also gehen wir davon aus, dass alles, was unter 20 Hz oder über 20 kHz liegt, ein Signal ist, das Sie nicht interessieren. Tatsächlich ist es eine gute Idee, unerwünschte Frequenzen zu unterdrücken.

R1 und R2 müssen nur gleich sein, um die Versorgungsspannung auf die Hälfte zu bringen. Sie erwähnen keine besonderen Anforderungen, wie den Batteriebetrieb, bei dem die Minimierung des Stroms von großer Bedeutung ist. Vor diesem Hintergrund würde ich R1 und R2 jeweils auf 10 kΩ einstellen, obwohl hier ein großer Spielraum besteht. Wenn dies batteriebetrieben wäre, würde ich sie wahrscheinlich zu je 100 kΩ machen und mich dabei nicht schlecht fühlen. Bei R1 und R2 10 kΩ beträgt die Ausgangsimpedanz des Teilers 5 kΩ. Sie möchten eigentlich kein relevantes Signal am Ausgang dieses Teilers haben. Sehen wir uns also zunächst an, welche Kapazität zum Filtern auf 20 Hz erforderlich ist. 1,6 uF. Der gemeinsame Wert von 2 µF wäre in Ordnung. Höhere Werte funktionieren auch, mit der Ausnahme, dass die Startzeit auf menschlicher Ebene bedeutend wird, wenn Sie zu hoch gehen. Zum Beispiel würden 10 µF das Rauschen gut filtern. Es hat eine Zeitkonstante von 500 ms mit einer Impedanz von 5 kΩ.

R3 sollte größer sein als der Ausgang von R1-R2, der 5 kΩ beträgt. Ich würde mindestens ein paar 100 kΩ wählen. Die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers ist hoch, verwenden Sie also 1 MΩ.

C1 und R3 bilden ein Hochpassfilter, das mindestens 20 Hz durchlassen muss. Die Impedanz am rechten Ende von R3 beträgt etwas mehr als 1 MΩ. 20 Hz mit 1 MΩ erfordern 8 nF, also 10 nF. Dies ist ein Ort, an dem Sie keine Keramikkappe verwenden möchten. Niedrigere Werte sind daher sehr nützlich. Eine Mylar-Kappe wäre hier beispielsweise gut und 10 nF liegen im verfügbaren Bereich.

Auch hier spielt die Gesamtimpedanz des R4-R5-Teilers keine Rolle. Stellen Sie R4 also willkürlich auf 100 kΩ ein und berechnen Sie die anderen Werte von dort. R5 muss für eine Gesamtverstärkung von 10 R4 / 9 sein, damit 11 kΩ funktionieren. C3 und R5 bilden einen Filter, der bei 20 Hz oder darunter abrollen muss. C3 muss mindestens 720 nF betragen, also 1 µF.

Beachten Sie ein Problem mit dieser Topologie. Frequenzmäßig wirkt C3 mit R5, aber der Gleichspannungspegel, bei dem sich C3 schließlich stabilisiert, wird durch R4 + R5 und C3 gefiltert. Dies ist ein Filter mit 1,4 Hz, was bedeutet, dass diese Schaltung nach dem Anlegen der Spannung einige Sekunden benötigt, um sich zu stabilisieren.

C4 bildet ein Hochpassfilter, dessen Impedanz an OUT angeschlossen wird. Da Sie es vielleicht nicht wissen, möchten Sie es einigermaßen groß machen. Lassen Sie uns 10 µF auswählen, da dies leicht verfügbar ist. Das rollt bei 20 Hz mit 8 kΩ ab. Dieser Verstärker funktioniert daher wie angegeben, solange OUT nicht mit mehr als 8 kΩ belastet ist.

Es ist nicht erforderlich, R4 auf diesen bestimmten Wert einzustellen, da dies ein CMOS-Operationsverstärker ist (keine Anpassung der Eingangsvorspannungsströme).

Kondensatorwerte werden durch die gewünschte untere Eckfrequenz bestimmt. C =$\frac{1}{2\pi f_c R}$

Also, wenn fc = 20Hz und R1, R2 = 39K. Lassen Sie uns beliebig R3 100K machen. Dann ist C = 100nF ungefähr richtig.

C2 hängt davon ab, was von der Stromversorgung abhängt, die Sie zu dämpfen versuchen, aber sagen wir 1uF dafür.

Wählen wir R4 = 100K, um zwei Widerstände gleich zu halten. R5 ist dann 11K für eine Verstärkung von +10,1

Schließlich kann aus R5 berechnet werden, dass C3 ungefähr 1 uF beträgt (unter Verwendung der obigen Gleichung).

Das ist es!