Причина искажения в усилителе речевых сигналов

Недавно я работал над домашним проектом, который требует использования усилителя речи. Моя конечная цель — выполнить обработку сигналов с помощью dsPIC для речевых сигналов, чтобы идентифицировать ключевые слова или, по крайней мере, определить частоту речи. Я сделал перерыв в обработке сигнала, чтобы поработать над усилителем речи, но столкнулся с некоторыми трудностями.

Мой опыт работы с аппаратным обеспечением ограничен занятиями и несколькими простыми домашними проектами, поэтому я не очень знаком с неидеальностью схемотехники. Я хочу сделать усилитель с одним источником питания, используя LM318. В идеале схема должна питаться от 5 В (что приближает его к пределам диапазона питания LM318) и выводить усиленный речевой сигнал во всем диапазоне напряжений на АЦП. В неинвертирующий усилитель я также хочу включить полосовой фильтр, чтобы поддерживать постоянное усиление на уровне единицы и предотвратить наложение спектров в АЦП dsPIC. Я смоделировал микрофон с источником смещения 2,5 В с импедансом 2,2 кОм (на самом деле это микрофон, зажатый резисторами 2,2 кОм на питании и земле). Не включены развязывающие конденсаторы (любые дополнительные советы о том, как выбрать значения для них, будут оценены).

введите описание изображения здесь

Я использую TINA в качестве симулятора. Передаточная функция переменного тока схемы - это то, что я ожидал, с полосой пропускания примерно от 10 до 5000 Гц и коэффициентом усиления 10 (Stack Exchange позволит мне опубликовать только 2 изображения).

Именно таких передаточных характеристик я и ожидал от этой схемы, но анализ переходных процессов дал неожиданные результаты. Я ввожу синусоидальный сигнал с частотой 500 Гц и амплитудой 0,1 В. Я ожидал получить синусоиду с частотой 500 Гц и напряжением 1 В, но вместо этого симуляция дала следующее.введите описание изображения здесь

Я тестировал усилитель на других частотах, и оказалось, что чем меньше усиление на частоте, тем меньше искажений. Я в недоумении, что вызывает это. Есть идеи?

Я также открыт для любых отзывов о любых других улучшениях, которые можно было бы внести в этот усилитель.

Это больше не моя область изучения EE, но я определенно хочу продолжать работать над проектами и изучать аппаратное обеспечение. Любые рекомендации по чтению или книгам по таким темам (неидеальность схем/усилителей) будут высоко оценены.

Ответы (3)

В идеале схема должна питаться от 5 В (что приближает ее к пределам диапазона питания LM318).

Фактически, минимальное питание LM318 составляет ± 5 В (т.е. 10 В), согласно его техническому описанию :

Диапазон напряжения питания. . . ±5 В до ±20 В

Вам не хватает 5 В от минимума только с одним источником питания 5 В.

Вам нужно дополнительное напряжение питания, чтобы выходной сигнал колебался до желаемой амплитуды. При питании ±15 В выходной сигнал гарантированно колеблется только в пределах 3 В от шин питания:

введите описание изображения здесь

Либо используйте источник питания 10 В или более (и смещайте входное напряжение до половины этого напряжения питания), либо используйте операционный усилитель, который может питаться только 5 В и может качаться настолько близко к шинам, насколько вам нужно для вашего выходного сигнала.

Спасибо. Я хотел использовать батарею 9 В и понизить ее до 5 В, потому что это то, от чего питается dsPIC, но я придумаю что-то другое. Является ли 3 В в пределах диапазона шин питания достаточно единодушным для операционных усилителей общего назначения?
@PaulBunyan Операционный усилитель, у которого нет выхода от рельса к рельсу, может колебаться только на пару вольт близко к рельсам. Это может быть 3 В или 2 В или что-то подобное, но это общий диапазон. Операционный усилитель с выходом rail-to-rail обычно может колебаться в пределах 100 мВ от рельсов.
если вы попробуете рельс к рельсу, обратите внимание, что нагрузка R должна быть выше. digikey.com/products/en/integrated-circuits-ics/…
@PaulBunyan Если у вас есть батарея на 9 В, лучшим решением, вероятно, будет найти другой операционный усилитель, который может работать от 9 В или меньше (и имеет низкий ток покоя, поэтому батарея работает дольше). Вероятно, вы можете запитать его напрямую от 9 В, а затем вы можете сместить вход до 4,5 В (половина напряжения батареи). Если ваш выход не нуждается в слишком сильном усилении, вы, возможно, можете отказаться от операционного усилителя с выходом «rail-to-rail».

5 В это не совсем близко, это половина от минимума. Минимальное указанное значение составляет +/- 5 В с разделенной шиной или 10 В с одним источником питания. Что вам нужно, так это хороший операционный усилитель rail-to-rail, который даст вам хороший выходной размах при напряжении 5 В.

Спасибо. Внимательнее надо было читать. Разумно ли доверять операционному усилителю, чтобы он не искажал сигналы вблизи рельсов? Должен ли я перейти на операционный усилитель от сети к сети с питанием 5 В, или было бы намного лучше увеличить напряжение питания?
Чем ближе вы подходите к рельсам, тем больше вероятность появления искажений, но некоторые операционные усилители лучше других. Какой выходной размах вам нужен? от 0 до 5 вольт?
Идеально было бы от 0 до 5 вольт. Это диапазон АЦП контроллера. Чем выше амплитуда сигнала, тем меньше ошибка квантования будет от АЦП.

Вот график того, насколько близко к рельсам вы можете подойти [из таблицы данных MCP651]; типичный ток короткого замыкания составляет 100 мА: при 50% этого значения вы будете на 0,5 вольт выше GND или ниже VDD.введите описание изображения здесь