Amplificador de audio de amplificador operacional de suministro único

Estoy tratando de crear un amplificador de amplificador operacional que funcione desde un solo suministro de 5V y pueda amplificar la señal de audio de -100mV a + 100mV en torno a un pico-pico de 1V más o menos. Me encontré con este circuito de este artículo , que podría funcionar, pero tengo problemas para calcular los valores reales:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Del artículo leí que R1 y R2 deberían ser iguales y de alrededor de 42kOhm para una fuente de alimentación de 5V. R4 debería ser R3 + (0.5 * R1) y eso es todo ...

Entonces, ¿cómo podría calcular el condensador, los valores de resistencia necesarios para una señal de frecuencia variable con una frecuencia máxima de alrededor de 20 kHz y una ganancia de aproximadamente 5?

¡Gracias por ayudarme!

EDITAR:

En el artículo, el autor escribió con el símbolo de tierra: "* STAR GROUND". ¿Es realmente importante que combine todos los trances de tierra en el esquema en un punto, o puedo usar un plano de tierra en todo el circuito?

Parecía haber encontrado un circuito razonable en internet. Escuché que había por ahí en alguna parte.

Las ecuaciones que cita son demasiado estrictas. En lugar de simplemente decirle los valores, es mejor explicar qué hace cada parte.

R1 y R2 son un divisor de voltaje para hacer la mitad del voltaje de suministro. Esta será la polarización DC en la que operará el opamp. El paso bajo C2 filtra la salida de ese divisor de voltaje. Esto es para aplastar fallas, ondulaciones de la fuente de alimentación y otros ruidos en la fuente de 5 V para que no terminen en su señal. R3 es necesario solo porque C2 está ahí. Si R3 no estuviera allí, C2 también aplastaría su señal de entrada, no solo el ruido en la fuente de alimentación. En última instancia, el extremo derecho de R3 está destinado a entregar una señal limpia de suministro de 1/2 con alta impedancia. La alta impedancia es para que no interfiera con la señal deseada que llega a través de C1.

C1 es una tapa de bloqueo de CC. Desacopla el nivel de CC en IN del nivel de CC en el que está polarizado el opamp.

R4 y R5 forman un divisor de voltaje desde la salida de regreso a la entrada negativa. Esta es la ruta de retroalimentación negativa, y la ganancia general del circuito es la inversa de la ganancia del divisor de voltaje. Desea una ganancia de 10, por lo que el divisor R4-R5 debería tener una ganancia de 1/10. C3 bloquea DC para que el divisor solo funcione en su señal de CA, no en el punto de polarización de CC. El divisor pasará todas las CC, por lo que la ganancia de CC de la entrada + del opamp a su salida será 1.

C4 es otro límite de bloqueo de CC, esta vez desacopla el nivel de polarización de CC opaco de la salida. Con las dos tapas de bloqueo de CC (C1, C4), el amplificador general funciona con CA y cualquier polarización de CC que pueda estar en IN y OUT es irrelevante (dentro de la clasificación de voltaje de C1 y C4).

Ahora para algunos valores. El MCP6022 es un opamp de entrada CMOS, por lo que tiene una impedancia de entrada muy alta. Incluso un MΩ es pequeño en comparación con su impedancia de entrada. La otra cosa a considerar es el rango de frecuencias sobre las que desea que este amplificador funcione. Dijiste que la señal es audio, por lo que asumiremos que cualquier cosa por debajo de 20 Hz o por encima de 20 kHz es una señal que no te importa. De hecho, es una buena idea aplastar las frecuencias no deseadas.

R1 y R2 solo necesitan ser iguales para hacer la mitad del voltaje de suministro. No menciona ningún requisito especial, como el funcionamiento de la batería, donde minimizar la corriente es de gran importancia. Dado eso, haría R1 y R2 de 10 kΩ cada uno, aunque aquí hay un gran margen de maniobra. Si esto funcionara con batería, probablemente los haría de 100 kΩ cada uno y no me sentiría mal por eso. Con R1 y R2 de 10 kΩ, la impedancia de salida del divisor es de 5 kΩ. Realmente no desea ninguna señal relevante en la salida de ese divisor, así que comencemos por ver qué capacitancia se necesita para filtrar hasta 20 Hz. 1.6 µF. El valor común de 2 µF estaría bien. También funciona más alto, excepto que si sube demasiado, el tiempo de inicio se vuelve significativo a escala humana. Por ejemplo, 10 µF funcionarían para filtrar el ruido muy bien. Tiene una constante de tiempo de 500 ms con la impedancia de 5 kΩ,

R3 debe ser mayor que la salida de R1-R2, que es de 5 kΩ. Elegiría unos 100 kΩ al menos. La impedancia de entrada del opamp es alta, así que usemos 1 MΩ.

C1 con R3 forman un filtro de paso alto que necesita pasar al menos 20 Hz. La impedancia observada en el extremo derecho de R3 es un poco más de 1 MΩ. 20 Hz con 1 MΩ requiere 8 nF, entonces 10 nF es. Este es un lugar donde no desea usar una tapa de cerámica, por lo que los valores más bajos son bastante útiles. Una tapa de mylar, por ejemplo, sería buena aquí y 10 nF está dentro del rango disponible.

Una vez más, la impedancia general del divisor R4-R5 no importa mucho, así que configuremos arbitrariamente R4 en 100 kΩ y calcule los otros valores a partir de ahí. R5 debe ser R4 / 9 para una ganancia general del amplificador de 10, entonces 11 kΩ funciona. C3 y R5 forman un filtro que tiene que rodar a 20 Hz o menos. C3 debe ser 720 nF o más, entonces 1 µF.

Tenga en cuenta un problema con esta topología. En cuanto a la frecuencia, C3 está actuando con R5, pero el nivel de CC en el que C3 eventualmente se estabilizará se filtra por R4 + R5 y C3. Es un filtro a 1,4 Hz, lo que significa que este circuito tardará unos segundos en estabilizarse después de que se aplique la alimentación.

C4 forma un filtro de paso alto con cualquier impedancia que se conectará a OUT. Como puede que no lo sepas, debes hacerlo razonablemente grande. Vamos a elegir 10 µF ya que está fácilmente disponible. Eso sale a 20 Hz con 8 kΩ. Por lo tanto, este amplificador funcionará según lo especificado siempre que OUT no esté cargado con menos de 8 kΩ.

No hay necesidad de hacer que R4 tenga ese valor particular ya que este es un amplificador operacional CMOS (sin coincidencia de corrientes de polarización de entrada).

$\frac{1}{2\pi f_c R}$

Entonces, si fc = 20Hz, y R1, R2 = 39K. Hagamos arbitrariamente R3 100K. Entonces C = 100nF es lo correcto.

C2 depende de qué hay en la fuente de alimentación que está intentando atenuar, pero digamos 1uF para eso.

Elija R4 = 100K solo para mantener dos resistencias iguales. R5 será entonces 11K para una ganancia de +10.1

Finalmente, C3 puede calcularse a partir de R5 para que sea aproximadamente 1uF (usando la ecuación anterior).

¡Eso es!