Zamieszczamy opis prostego eksperymentu z użyciem uniwersalnego środowiska pomiarowego ADALM2000. Tematem ćwiczenia są pomiary wzmacniacza dla popularnego mikrofonu elektretowego.

Cel

Celem tego ćwiczenia laboratoryjnego jest zaprojektowanie i zbudowanie prostego wzmacniacza audio. Do jego wejścia jest podawane małe napięcie z mikrofonu elektretowego, które po wzmocnieniu steruje małym głośnikiem.

Wprowadzenie

Mikrofon elektretowy to rodzaj mikrofonu pojemnościowego, który ma zasadniczo stały ładunek na płytkach kondensatora, eliminując wymóg zewnętrznego zasilania fantomowego, które jest używane do polaryzacji kondensatora w tradycyjnych mikrofonach pojemnościowych. Dostępne na rynku mikrofony elektretowe mają zwykle wbudowany przedwzmacniacz z tranzystorem FET z otwartym drenem, który może być zasilany niewielkim napięciem i pobiera znikomo mały prąd.

Proste wzmacniacze audio mogą być projektowane z użyciem tranzystorów, z zastosowaniem ujemnego sprzężenia zwrotnego lub bez niego. Ujemne sprzężenie zwrotne zapewnia jest korzystne ze względu ma istotne zmniejszenie zniekształceń. W tym eksperymencie projektujemy i budujemy wzmacniacz ze sprzężeniem zmiennoprądowym, który będzie miał wzmocnienie napięciowe równe 10. Układ ma na wyjściu wtórnik emiterowy, do którego jest dołączany poprzez kondensator głośnik. Wzmocnienie napięciowe zapewni wzmacniacz operacyjny, a wtórnik emiterowy ze sprzężeniem AC pełni funkcję bufora zapewniający odpowiedni prąd dla głośnika. Wtórnik emiterowy umieszczony w obrębie pętli sprzężenia wyjściowego zwrotnego poprawia ogólne osiągi wzmacniacza.

Konstrukcja wzmacniacza

Mikrofon elektretowy zawiera przedwzmacniacz FET z otwartym drenem i wymaga rezystora drenu, R_D, o rezystancji od 680 Ω do 2,2 kΩ, podłączonego między jego wyjściem a zasilaniem 5 V, jak pokazano na rys. 1. W tym projekcie rezystor drenu ma rezystancję 2,2 kΩ, co powoduje, że napięcie drenu wynosi około 4,5 V przy zasilaniu 5,0 V.

Rys. 1. Stopień wyjściowy mikrofonu elektretowego

Celem projektowym jest wysterowanie głośnika 8 Ω napięciem nominalnym 400 mV_pp, po sprzężeniu AC odniesionym do masy, wymagającym około ±25 mA. Wzmacniacz został zaprojektowany do pracy z pojedynczym zasilaniem 5 V. Z tego powodu poziomy DC wzmacniacza operacyjnego są polaryzowane połową napięcia wynoszącą 2,5 V. Sygnały wejściowe i wyjściowe są sprzężone zmiennoprądowo. Sprzężenie AC sygnału wejściowego pozwala na to, aby poziom DC na wyjściu mikrofonu różnił się od poziomu DC we wzmacniaczu. W części obwodu zawierającej wzmacniacz operacyjny można użyć poczwórnego wzmacniacza operacyjnego OP484, a w części obwodu zawierającej wtórnik emiterowy można użyć tranzystora 2N3904 NPN.

Rys. 2. Ogólny schemat wzmacniacza

Materiały

Zestaw ADALM2000

Stykowa płytka prototypowa

Przewody połączeniowe

Wzmacniacz rail-to-rail OP484

Mikrofon elektretowy

Tranzystor 2N3904 NPN

Głośnik 8 Ω

Rezystor 47 Ω

Rezystor 68 Ω

Rezystor 100 Ω

Rezystor 1 kΩ

Rezystor 2,2 kΩ

Rezystor 20 kΩ

Kondensator 4,7 μF

Kondensator 47 μF

Kondensator 220 μF

Konfiguracja sprzętu

Zbuduj obwód przedstawiony na rys. 3 na płytce prototypowej.

Rys. 3. Schemat wzmacniacza audio z mikrofonem elektretowym

Jeśli chcesz sprawdzić działanie wzmacniacza, możesz odłączyć mikrofon i głośnik od układu i użyć oscyloskopu. W tym celu połączenia płytki prototypowej przedstawiono na rys. 5.

Procedura

Jeśli chcesz sprawdzić wzmocnienie wzmacniacza, zmontuj układ zgodnie z rys. 5. Otwórz Scopy i włącz dodatnie zasilanie do 5 V. Ustaw kanał 1 generatora sygnału na przebieg sinusoidalny o amplitudzie międzyszczytowej 50 mV, częstotliwości 200 Hz i składową stałą 2,5 V. Amplitudę przebiegu sinusoidalnego można zwiększać do momentu zaobserwowania obcinania. Sygnał wejściowy oglądaj w kanale 1 oscyloskopu, a wyjściowy w kanale 2. Ustaw rozdzielczość pionową na 100 mV/dz, a pozycję na -2,5 V. Powinieneś zobaczyć sygnały w oknie oscyloskopu, jak na rys. 6.

Rys. 4. Połączenia wzmacniacza audio z mikrofonem elektretowym na płytce prototypowej

Rys. 5. Połączenia wzmacniacza audio na płytce prototypowej do pomiarów oscyloskopowych

Rys. 6. Przebiegi wejściowe i wyjściowe wzmacniacza

Podłącz mikrofon elektretowy i głośnik do obwodu, jak pokazano na rys. 4. Przesuń głośnik bezpośrednio przed mikrofon, aż pojawi się słyszalne sprzężenie zwrotne.

Pytania:

Dlaczego przycinanie występuje, gdy amplituda przebiegu sinusoidalnego jest zwiększona?

Dlaczego słyszalne sprzężenie zwrotne występuje, gdy głośnik i mikrofon znajdują się blisko siebie?

Odpowiedzi można znaleźć na blogu StudentZone.

Autorzy oryginału: Andreea Pop, Antoniu Miclaus

Opracowanie: Jarosław Doliński