Grund für die Verzerrung im Verstärker für Sprachsignale

Ich habe kürzlich an einem Heimprojekt gearbeitet, das die Verwendung eines Sprachverstärkers erfordert. Mein ultimatives Ziel ist es, eine Signalverarbeitung über einen dsPIC an Sprachsignalen durchzuführen, um Schlüsselwörter zu identifizieren oder zumindest die Sprachfrequenz zu erkennen. Ich habe bei der Signalverarbeitung eine Pause eingelegt, um am Sprachverstärker zu arbeiten, aber ich bin auf einige Schwierigkeiten gestoßen.

Meine Erfahrung mit Hardware beschränkt sich auf Kurse und ein paar einfache Projekte zu Hause, daher bin ich mit den Nicht-Idealitäten von Schaltungen nicht sehr vertraut. Ich möchte einen Einzelversorgungsverstärker mit einem LM318 herstellen. Die Schaltung würde idealerweise mit 5 V versorgt (wodurch sie nahe an den Versorgungsbereichsgrenzen des LM318 liegt) und würde ein verstärktes Sprachsignal über den gesamten Spannungsbereich an einen ADC ausgeben. In den nichtinvertierenden Verstärker möchte ich auch einen Bandpassfilter einbauen, um die DC-Verstärkung auf Eins zu halten und Aliasing am dsPIC-ADC zu verhindern. Ich habe das Mikrofon mit einer vorgespannten 2,5-V-Spannungsquelle mit einer Impedanz von 2,2 kOhm modelliert (eigentlich ist es ein Mikrofon, das zwischen 2,2-kOhm-Widerständen an Strom und Masse liegt). Nicht enthalten sind Entkopplungskondensatoren (jeder Bonus-Ratschlag zur Auswahl der Werte für diese wäre willkommen).

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich verwende TINA als Simulator. Die AC-Übertragungsfunktion der Schaltung ist das, was ich mit einem Durchlassband von ungefähr 10-5000 Hz und einer Verstärkung von 10 erwartet habe (Stack Exchange lässt mich nur 2 Bilder posten).

Diese Übertragungseigenschaften habe ich von dieser Schaltung erwartet, aber es ist die Transientenanalyse, die unerwartete Ergebnisse lieferte. Ich gebe eine Sinuswelle mit 500 Hz und 0,1 V Amplitude ein. Was ich erwartet hatte, war eine 500-Hz-1-V-Sinuswelle, aber stattdessen gab die Simulation Folgendes zurück.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich habe den Verstärker bei anderen Frequenzen getestet, und es sieht so aus, als ob je weniger Verstärkung bei einer Frequenz vorhanden ist, desto weniger Verzerrung wird es geben. Ich bin ratlos, woran das liegt. Irgendwelche Ideen?

Ich bin auch offen für Feedback zu anderen Verbesserungen, die an diesem Verstärker vorgenommen werden könnten.

Das ist nicht mehr mein Studienfach in EE, aber ich möchte auf jeden Fall weiter an Projekten arbeiten und etwas über Hardware lernen. Alle Empfehlungen für Lektüre oder Bücher zu Themen wie diesen (Nicht-Idealitäten von Schaltungen / Verstärkern) wären sehr willkommen.

Antworten (3)

Die Schaltung würde idealerweise mit 5 V versorgt (was sie nahe an den Versorgungsbereichsgrenzen des LM318 schneidet).

Tatsächlich beträgt die Mindestversorgung des LM318 laut Datenblatt ±5 V (dh 10 V ) :

Versorgungsspannungsbereich . . . ±5 V bis ±20 V

Mit nur einer einzigen 5-V-Versorgung liegen Sie 5 V unter dem Minimum.

Sie benötigen die zusätzliche Versorgungsspannung, damit der Ausgang auf die gewünschte Amplitude schwingen kann. Bei ±15-V-Versorgungen schwingt der Ausgang garantiert nur innerhalb von 3 V der Versorgungsschienen:

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Verwenden Sie entweder eine Versorgung mit 10 V oder mehr (und spannen Sie den Eingang auf die Hälfte dieser Versorgungsspannung vor) oder verwenden Sie einen Operationsverstärker, der mit nur 5 V versorgt werden kann und so nah an den Schienen schwingen kann, wie Sie es für Ihr Ausgangssignal benötigen.

Danke. Ich wollte eine 9-V-Batterie verwenden und auf 5 V herunterregeln, da der dsPIC damit versorgt wird, aber mir fällt etwas anderes ein. Sind die 3 V innerhalb des Versorgungsschienenbereichs für Allzweck-Operationsverstärker ziemlich einstimmig?
@PaulBunyan Ein Operationsverstärker ohne Rail-to-Rail-Ausgang kann nur ein paar Volt in der Nähe der Schienen schwingen. Es kann 3 V oder 2 V oder etwas Ähnliches sein, aber das ist der allgemeine Bereich. Ein Operationsverstärker mit Rail-to-Rail-Ausgang kann normalerweise innerhalb von 100 mV der Schienen schwingen.
Wenn Sie Rail-to-Rail versuchen, beachten Sie, dass die Last R höher sein muss. digikey.com/products/en/integrated-circuits-ics/…
@PaulBunyan Wenn Sie eine 9-V-Batterie haben, wäre die beste Lösung wahrscheinlich, einen anderen Operationsverstärker zu finden, der mit 9 V oder weniger betrieben werden kann (und einen niedrigen Ruhestrom hat, sodass die Batterie länger hält). Sie können es wahrscheinlich direkt von den 9 V mit Strom versorgen und dann den Eingang auf 4,5 V (die Hälfte der Batteriespannung) vorspannen. Wenn Ihr Ausgang nicht zu stark verstärkt werden muss, können Sie möglicherweise einen Operationsverstärker mit Rail-to-Rail-Ausgang vermeiden.

5 V schneiden nicht in die Nähe, es ist die Hälfte des Minimums. Das angegebene Minimum ist +/- 5 V Split-Rail oder 10 V Einzelversorgung. Was Sie brauchen, ist ein guter Rail-to-Rail-Operationsverstärker, der Ihnen bei 5 V einen guten Ausgangshub liefert.

Danke. Hätte genauer lesen sollen. Ist es jemals klug, einem Operationsverstärker zu vertrauen, dass er Signale in der Nähe der Schienen nicht verzerrt? Sollte ich mich für einen Rail-to-Rail-Operationsverstärker mit 5 V entscheiden, oder wäre es viel besser, die Versorgungsspannung zu erhöhen?
Je näher Sie den Schienen kommen, desto wahrscheinlicher ist es, dass Sie Verzerrungen bekommen, aber einige Operationsverstärker sind besser als andere. Was ist der Output-Swing, den Sie brauchen? 0 bis 5 Volt?
Ideal wären 0 bis 5 Volt. Das ist der Bereich des ADC des Controllers. Je höher die Amplitude des Signals ist, desto geringer ist der Quantisierungsfehler des ADC.

Hier ist ein Diagramm, wie nah Sie an Schienen herankommen können [aus dem MCP651-Datenblatt]; Der typische Kurzschlussstrom beträgt 100 mA: Bei 50 % davon liegen Sie 0,5 Volt über GND oder unter VDD.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein