Разговор пойдёт об очень распространённой интегральной схеме (ИС) звукового усилителя мощности LM386, производимой компанией National Semiconductor (сейчас полностью входит в состав Texas Instruments) [1]. Действительно, напряжение питания микросхемы может быть в пределах 4…12 В, а потребляемый ток покоя составляет всего 4 мА, что является идеальным для большинства аудиопроектов, получающих питание от батарей. Усилитель развивает выходную мощность 0,5 Вт при напряжении питания 9 В и сопротивлении нагрузки 8 Ом. Если добавить, что Кус. этой интегральной МС может быть легко выбран от 20 до 200 с помощью двух внешних элементов, а её выходное напряжение автоматически устанавливается равным половине напряжения питания, то станет ясно, почему в течение многих лет эта микросхема сохраняет популярность.
Заголовок проекта отражает сказанное – как микросхема, так и наборы на её основе чрезвычайно востребованы радиолюбителями, в этом смысле аудиоусилитель LM386 действительно чемпион. См., например,
«Новый супер мини-усилитель на LM386, 3 В — 12 В DIY Kit»
Предлагаю ознакомиться с возможностями массовой микросхемы LM386 и предложить мои варианты её применения.
Содержание / Contents
- 1 Характеристики, функциональная схема и выбор внешних элементов усилителей на ИС LM386
- 2 Усилительные схемы на ИС LM386 2.1 Усилитель с коэффициентом усиления 200
- 2.2 Усилитель с минимальным количеством внешних элементов и коэффициентом усиления 20
- 2.3 Усилитель с коэффициентом усиления 50
- 2.4 Усилитель с подъёмом низких частот
- 2.5 Принципиальная схема усилителя для АМ радиоприёмника
- 3.1 Усилитель на LM386 с гнездом для подключения наушников
- 4.1 Детали универсального усилителя и монтажная плата
Работа схемы усилителя звука LM386
Простой, но эффективный усилитель звука разработан с использованием ИС усилителя звука LM386. Работа схемы очень проста, так как вся работа выполняется самой микросхемой LM386.
Когда на схему подано питание и на вход подается соответствующий аудиовход, LM386 усиливает входной сигнал в 200 раз и приводит в действие выходной динамик.
Одной из основных проблем с усилителями звука, такими как LM386, является шум. Удивительно, но несмотря на то, что схема построена на макете, из динамика было очень мало шума.
↑ Характеристики, функциональная схема и выбор внешних элементов усилителей на ИС LM386
Усилитель мощности звуковой частоты LM386 применяется в портативной радиоэлектронной аппаратуре.
Аналогом LM386 является KA386 фирмы Samsung, отечественный аналог – КР1438УН2. У российских любителей интегральная схема LM386 стала популярна с падением «железного занавеса», до этого времени тогда ещё советские электронщики облюбовали в качестве массового усилителя микросхему К157УД1, предназначенную для применения в аппаратуре магнитной записи.
Основные технические характеристики микросхемы LM386
Выходная мощность, Pвых = 250…500 МВт, Сопротивление нагрузки, Rн = 8 Ом. Коэффициент усиления, Ku = 26…46 дБ, Полоса частот, B = 20 Гц..60 кГц, Входное сопротивление, Rвх = 50 кОм, Коэффициент гармоник, Kг = 0,2%, Напряжение питания, Uп = 4…12 В, Ток покоя, Io=4 мА.
Таблица 1 поможет оперативно выбрать необходимое напряжение питания в зависимости от сопротивления нагрузки и требуемой выходной мощности.
На рис. 1 изображена функциональная схема LM386. На ней транзисторы структуры p-n-p VT1, VT2 и VT5, VT6 образуют дифференциальный усилитель, в котором каждый из входов соединён с общим проводом через резисторы R1 и R2, собственно и определяющие типовое входное сопротивление 50 кОм.
Нагрузкой дифференциального усилителя является токовое зеркало на транзисторах VT3, VT4, а выход (транзистор VT5) соединён с входом усилителя напряжения VT7, включённого по схеме с общим эмиттером. В цепь коллектора VT7 последовательно включены диоды VD1, VD2, служащие для создания смещения на базах выходного каскада, и источник тока Io.
Усилитель мощности работает в классе АВ и выполнен на транзисторах VT8 – VT10, включённых по схеме с общим коллектором, поэтому коэффициент усиления выходного каскада по напряжению близок к единице.
Рис. 1. Функциональная схема низковольтного аудиоусилителя LM386
Обратите внимание, что для минимизации падения напряжения на транзисторах выходного каскада и получения максимальной выходной мощности в схеме не предусмотрены элементы защиты от перегрузок.
Резисторы R2 и R3 задают ток транзисторов дифференциального усилителя. Точка соединения резисторов R2 и R3 выведена на внешний вывод микросхемы (вывод 7), предназначенный для подключения внешнего фильтрующего конденсатора.
Эмиттеры транзисторов дифференциального каскада VT2 и VT5 включены несколько нестандартно: не соединены вместе, а содержат резисторы отрицательной обратной связи. Два из них — R4 и R5 последовательно включены между эмиттерами VT2 и VT5, а третий — R6, подключён к эмиттеру VT5 и выходу выходного каскада (эмиттеры VT8, VT9).
Коэффициент усиления по напряжению при таком включении равен удвоенному отношению сопротивления R6 к сумме сопротивлений резисторов, установленных между эмиттерами транзисторов VT2 и VT5 (R4 + R5):
Ku=2R6/(R4+R5)=2•15/(0,15+1,35)=20 (1)
Вывод эмиттера VT5 и точка соединения резисторов R4, R5 выведены на внешние выводы микросхемы (выводы 1 и 8 соответственно) и предназначены для установки требуемого коэффициента усиления, который может варьироваться в диапазоне от 20 до 200. Если закоротить выводы 1 и 8 по переменному току с помощью внешнего конденсатора, то в выражении (1) сопротивление внутреннего резистора R5 принимаем равным нулю, и полное усиление по напряжению составит 200.
Включив между выводами 1 и 8 последовательную цепочку, состоящую из резистора и конденсатора, можем варьировать коэффициент усиления от 20 до 200:
Ku=2R6/(R4+R5Rвн/(R5+Rвн)),
где Rвн – сопротивление внешнего резистора, кОм.
Ёмкость внешнего конденсатора Свн должна быть выбрана такой, чтобы в рабочем диапазоне частот его сопротивление переменному току было много меньше, чем Rвн. При Rвн=0 получаем Ku=200; при Rвн=∞ получаем Ku=20, а при Rвн=680 Ом коэффициент усиления Ku=50.
Для получения требуемой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) можно включать комплексные элементы как между выводами 1 и 8, так и между выводами 1 и 5 микросхемы.
Элементы формирования требуемой АЧХ можно включать не только между указанными выводами, но и общим проводом [2]. Например, можно установить между выводом 1 и общим проводом цепочку, состоящую из оксидного конденсатора и внешнего резистора Rвн.
Интересно, что в этом случае удаётся получить коэффициент усиления порядка 70 дБ. При Rвн=4,7 Ом получаем Ku=70 дБ; при Rвн=15 Ом имеем Ku=60 дБ, а при Rвн=47 Ом коэффициент усиления составит Ku=50 дБ.
Такие схемы могут найти применение в высокочувствительных устройствах (приёмники прямого преобразования, сверхчувствительные микрофоны [3 — 5] и др.), при этом удаётся обойтись без дополнительного усилительного каскада на транзисторе, включаемого перед усилителем на микросхеме LM386.
Размеры LM386
Усилитель LM386 выпускается в четырех модификациях. Первые три из них, а именно: LM386 N-1, N-2, N-3, обеспечивают очень низкое искажение и хорошо работают при напряжении питания в диапазоне от 4 до 12 вольт постоянного тока.
Четвертый тип, LM386 N-4 работает с рабочим напряжением от 5 до 18 вольт постоянного тока. Это крайние значения питающего напряжения, за пределами которого усилитель либо перестает работать, либо перегревается и выходит из строя.
↑ Усилительные схемы на ИС LM386
↑ Усилитель с коэффициентом усиления 200
Принципиальная схема усилителя с коэффициентом усиления Ku=200 (46 дБ), изображена на рис. 2 а, б. На первом из них (рис. 2 а) показана функциональная схема ИС LM386, позволяющая лучше понять работу усилителя, а на втором (рис. 2 б) микросхема изображена в виде «чёрного ящика», по ней легче выполнять разводку печатной платы и проверку правильности установки смонтированных на ней элементов.
Рис. 2. Усилитель с коэффициентом усиления 200
Резистор R1 служит регулятором громкости, конденсатор C1 является фильтрующим. Конденсатор C2 шунтирует выводы 1 и 8 микросхемы DA1 по переменному току, благодаря чему достигается максимальный коэффициент усиления; конденсатор C4 служит для развязки по питанию, что важно в условиях работы с разряженной батареей, когда её внутреннее сопротивление увеличивается.
Цепочка C3, R2 предназначена для повышения стабильности при работе усилителя на ёмкостную нагрузку. Иногда её установкой пренебрегают, что не является преступлением, но нежелательно, поскольку может преподнести «сюрприз» в самый неподходящий момент. Нагрузка ВА1 подключена к выходу ИС через разделительный конденсатор С5.
↑ Усилитель с минимальным количеством внешних элементов и коэффициентом усиления 20
На рис. 3 показана схема с минимальным количеством элементов, имеющая коэффициент усиления по напряжению Ku=20 (26 дБ). Здесь выводы 1 и 8 микросхемы оставлены свободными, исключён из схемы фильтрующий конденсатор, подключаемый к выводу 7. В результате весь усилитель содержит всего семь элементов, включая и динамическую головку ВА1.
Рис. 3. Усилитель с минимальным количеством внешних элементов и коэффициентом усиления 20
↑ Усилитель с коэффициентом усиления 50
Ещё один вариант схемы приведён на рис. 4. При значениях элементов, показанных на этой схеме, обеспечивается усиление по напряжению Ku=50 (34 дБ).
Рис. 4. Усилитель с коэффициентом усиления 50
По сравнению с предыдущей схемой добавлено три элемента: два конденсатора и резистор. В табл. 2 приведены значения резистора R2 для получения других коэффициентов усиления по напряжению.
↑ Усилитель с подъёмом низких частот
Примером усилителя, в котором производится формирование требуемой частотной характеристики, является схема, показанная на рис. 5.
Здесь усиление по напряжению изменено шунтированием внутреннего резистора обратной связи (R6), доступного через выводы 1 и 5 микросхемы LM386. Шунтирование цепочкой R2, C2 позволяет получить подъем частотной характеристики около 6 дБ на частоте 85 Гц, что может быть использовано для улучшения звучания малогабаритных акустических систем.
Коэффициент усиления по напряжению усилителя на частоте 1 кГц составляет Ku=10 (20 дБ).
Рис. 5. Усилитель с подъёмом низких частот
↑ Принципиальная схема усилителя для АМ радиоприёмника
Ещё один пример применения ИС в качестве усилителя для малогабаритного АМ радиоприёмника показан на 6. В этой схеме радиовещательный сигнал после детектора поступает через конденсатор С1, устраняющий передачу постоянной составляющей на регулятор громкости R1.
Рис. 6. Принципиальная схема усилителя для АМ радиоприёмника
Сигнал со среднего вывода R1 поступает на неинвертирующий вход микросхемы DA1 через развязывающую цепочку – фильтр нижних частот R2, C2, устраняющий попадание остатков высокочастотного напряжения. Для этих же целей на выходе усилителя включена цепочка L1, C7. Дело в том, что усилитель на микросхеме DA1 довольно широкополосный (полоса пропускания составляет около 300 кГц) и без принятия подобных мер служит отличным источником радиоизлучений в длинноволновом и средневолновом диапазонах волн.
Резистор R3, включённый параллельно катушке L1, служит для устранения нежелательных резонансов в звуковом диапазоне частот. Коэффициент усиления по напряжению усилителя максимален (Ku=200).
Наряду с оксидным конденсатором С6 включён керамический конденсатор С5, используемый для высокочастотной развязки по цепи источника питания; не забыт в этой схеме и фильтрующий конденсатор, подключаемый к выводу 7 микросхемы (С3).
Катушка L1 представляет собой ферритовую бусинку с пропущенным проводом внутри (Ferrite Bead).
Описание LM386
LM386 — это универсальная интегральная микросхема усилителя звука класса AB, которую можно использовать в самых разных устройствах. Микросхема LM386 применяется уже несколько десятилетий и до сих пор используется в качестве усилителя в компьютерных колонках и портативных стереосистемах.
LM386 — это низковольтный усилитель мощности с неактивной потребляемой мощностью 24 мВт, что делает его пригодным для приложений с батарейным питанием. Самым распространенным корпусом для LM386 является 8-контактный DIP. На следующем рисунке показана схема распиновки микросхемы LM386.
↑ Другие варианты применения микросхемы LM386
↑ Усилитель на LM386 с гнездом для подключения наушников
На рис. 7 показан усилитель с возможностью подключения головных телефонов. На схеме входное напряжение от источника аудиосигнала подаётся через конденсатор С1, устраняющий постоянную составляющую на регулятор громкости R1.
Рис. 7. Усилитель с гнездом для подключения наушников
Второй конденсатор (С2), включённый между средним выводом R1 и неинвертирующим входом, в принципе не нужен, но такое схемотехническое решение устраняет шорохи при возможном плохом качестве переменного резистора, а также уменьшает смещение половинного напряжения на выходе усилителя.
Гнездо для подключения наушников включено через развязывающий конденсатор С5 таким образом, что при отсутствии штекера наушников подключён динамик ВА1, а при включении штекера – динамик отключается.
Назначение остальных элементов усилителя было рассмотрено выше. Коэффициент усиления по напряжению минимален (Ku=20).
↑ Переговорное устройство на LM386
Взяв за основу усилитель с максимальным коэффициентом усиления (рис. 2), можно получить простое переговорное устройство. Как видно из схемы, представленной на рис. 8, в неё добавлен выключатель питания и переключатель «Приём – передача», обеспечивающий попеременную работу динамических головок ВА1 и ВА2 в качестве микрофона или громкоговорителя.
Рис. 8. Переговорное устройство
Устройство позволяет организовать проводную связь между двумя абонентами. Дальность связи достигает нескольких сотен метров.
Область применения этой конструкции: связь между двумя абонентами, игры и т. п. Усилитель с динамической головкой ВА1 располагается на основном пункте связи, а другая динамическая головка – на удалённом пункте связи. Соединение основного и удалённого пунктов связи выполняют многожильным телефонным двухпроводным кабелем. Конструкция питается от батареи напряжением 9 В типа «Крона».
↑ Генератор синусоидальных сигналов с малыми искажениями на LM386
Этот же усилитель без больших затрат превращается в генератор синусоидальных сигналов с малым коэффициентом гармоник. Схема генератора с мостом Вина показана на рис. 9.
Рис. 9. Генератор синусоидальных сигналов с малыми искажениями
Напомним, что частота генератора определяется выражением:
fo=½Π√(R1R2C1C2)
Чаще всего выбирают R1=R2 и C1=C2, при этом выражение упрощается:
fo=½ΠR1C1
Вторым требованием является то, что коэффициент отрицательной обратной связи усилителя должен быть равен точно 1/3 [6]. При указанных условиях в схеме возникают незатухающие колебания. Если этот коэффициент меньше 1/3, амплитуда колебаний будет быстро увеличиваться со временем, пока выходное напряжение не превратится в меандр.
Если коэффициент отрицательной обратной связи более 1/3, амплитуда колебаний через некоторое время будет стремиться к нулю. Ясно, что установить идеальное значение коэффициента можно, если применить систему автоматической регулировки амплитуды.
Для этого предусмотрена цепь отрицательной обратной связи R3, HL1, которая так воздействует на коэффициент усиления, чтобы амплитуда колебаний стабилизировалась при весьма малых нелинейных искажениях (порядка 0,05%).
Если выходное напряжение генератора по каким-либо причинам увеличивается, увеличится и ток через R3, а также напряжение на нелинейном элементе – лампе накаливания HL1. Нить лампы накаливания разогреется, и её сопротивление увеличится, что приведёт к уменьшению глубины отрицательной обратной связи и уменьшению напряжения на выходе генератора. При уменьшении выходного напряжения генератора процессы происходят в обратном направлении, в результате обеспечивается автоматическая стабилизация коэффициента усиления.
При указанных на принципиальной схеме значениях элементов частота генерируемых колебаний составляет 1 кГц, а амплитуда – около 2 В эфф.
↑ Генератор прямоугольных импульсов на LM386
Схема, показанная на рис. 10, представляет собой генератор сигналов прямоугольной формы.
Рис. 10. Генератор прямоугольных импульсов
Усилитель DA1 играет роль компаратора. Положительная обратная связь реализуется с помощью делителя R1, R2, подключённого к неинвертирующему входу усилителя. Коэффициент обратной связи Kос=R2/(R1+R2). В состав отрицательной обратной связи включена интегрирующая цепь R3, C1.
Период колебаний генератора для симметричных сигналов прямоугольной формы составляет:
T=2R3C1ln[(1+Kос)/(1-Kос)]
При Кос=0,462 формула упрощается:
Т=2R3C1, и частота f=½R3С1
Максимальная частота генерируемых схемой колебаний ограничена скоростью нарастания выходного напряжения усилителя DA1.
↑ Универсальный усилитель на ИС LM386
Показанная на рис. 11 схема универсального УМЗЧ на ИС LM386 открывает простор для творчества, поскольку предоставляет готовый функциональный узел для широкого спектра применений (см. табл. 3).
Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.
Рис. 11. Универсальный усилитель на ИС LM386
↑ Детали универсального усилителя и монтажная плата
Применены резисторы типа МЛТ, МОН, С2-33Н мощностью 0,25 или 0,125 Вт. Конденсаторы керамические КМ-5, КМ-6, К10-17, К10-47, а также плёночные К73-9, К73-17 или К73-24; оксидные конденсаторы К50-35. Динамическая головка – широкополосная, с сопротивлением 8 Ом, мощностью 0,5…3 Вт, например 1ГДШ-6-8. Все детали могут быть заменены импортными аналогами.
Детали
DA1 – Микросхема LM386N (L), корпус DIP8-300 – 1 шт., SCS-8 Розетка dip узкая – 1 шт., R1 – Рез.-0,25W-4,7 кОм (Жёлтый, фиолетовый, красный, золотистый) – 1 шт., R2 – Рез.-0,25W-10 кОм (Коричневый, чёрный, оранжевый, золотистый) – 1 шт., R3 – Рез.-0,25W-680 Ом (Голубой, серый, коричневый, золотистый) – 1 шт., R4 – Рез.-0,25W-300 Ом (Оранжевый, чёрный, коричневый, золотистый) – 1 шт., R5 – Рез.-0,25W-160 Ом (Коричневый, голубой, коричневый, золотистый) – 1 шт., R6 – Рез.-0,25W-51 Ом (Зелёный, коричневый, чёрный, золотистый) – 1 шт., R7 – Рез.-0,25W-47 Ом (Жёлтый, фиолетовый, чёрный, золотистый) – 1 шт., R8 – Рез.-0,25W-15 Ом (Коричневый, зелёный, чёрный, золотистый) – 1 шт., R9 – Рез.-0,25W-4,7 Ом (Жёлтый, фиолетовый, золотистый, золотистый) – 1 шт., R10 – Рез.-0,25W-10 Ом (Коричневый, чёрный, чёрный, золотистый) – 1 шт., R – Переменный резистор 10 кОм под гайку СП3-4ам – 1 шт., C1 – Конд.X7R 0,22 мкФ керам.имп (EIA Code 224); К10-17 б-Н90-10% 0,22 мкФ – 1 шт., C2 – Конд.X7R 1000пФ керам.имп (102); КМ-6 б- 1000 пФ – 1 шт., C3, C4 – Конд.10/16V 0511 +105С – 1 шт., C5, C9 – Конд.X7R 0,047 мкФ керам.имп (473); К10-17-1а-Н90 0,047 мкФ – 2 шт., C7 – Конд.X7R 0,033 мкФ керам.имп (333); К10-47-100В 0,033 мкФ – 1 шт., C6, C8, C10 – Конд.220/16V 0611 +85°C – 3 шт., J1…J9 – Вилка на плату PLS-2 – 9 шт., Печатная плата 75Ч25 мм – 1 шт.
На рис. 12 показана монтажная плата усилителя.
Рис. 12. Монтажная плата универсального УМЗЧ на LM386
Для экспериментов с усилителем подходит лабораторный источник питания на основе аккумуляторной батареи [8].
Чипы-усилители
Все привыкли к тому, что усилители звука зависят от множества отдельных компонентов или от энергоёмких электронных ламп, чтобы звучание было качественным. Как и в других отраслях, появление интегральных микросхем вызвало прорыв в мире аудиосистем, позволив использовать любое количество операционных усилителей, созданных для звуковых систем.
Такие интегральные схемы называют усилитель аудиосигнала на ИС, чипы усиления звука или чиповые усилители. Обычно они требуют несколько дополнительных компонентов, схемы с ними просты по своей конструкции, и потребляют чипы-усилители меньше тока, чем их дискретные и ламповые аналоги.
Все это подводит нас к усилителю ЛМ386, созданным «Texas Instruments» в 1983 году. Его можно найти в низковольтных аккумуляторных устройствах по всему миру.
Его характеристики:
- легко питать (использует одностороннее электропитание)
- низкая теплоотдача (не требует теплоотвода)
- производительный/эффективный
- существует вариант с двухрядным расположением выводов/существует двухрядный вариант
А это значит, что этот чип в фаворе у любителей мастерить по всему миру и является отличным полигоном для экспериментов с чиповыми усилителями. И не забывайте о его низкой стоимости. Сегодня мы с вами попробуем собрать простой мини усилитель звука для колонок на основе этого чипа.
↑ Список источников
1. LM386 — Low Voltage Audio Power Amplifier . 2. Дайджест КВ+УКВ // Радиоаматор, 2009, №2, с. 56 (Как получить усиление 74 дБ от микросхемы LM386). 3. Мосягин В. Узконаправленный микрофон // Радио, 2002, №5, с. 54, 55. 4. Merryfield T. Super-Ear Audio Telescope // Everyday Practical Electronics, 2005, №6, p. 388 – 392. 5. Stewart J. The Big Ear // Nuts & Volts, 2008, №10, p. 34 – 39. 6. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС. – М.: Мир, 1985. 572 с. (с. 250 — 254). 7. Дайджест (Тест микрофонного эффекта конденсаторов) // Радиохобби, 2000, №5, с. 25. 8. Большая статья о маленьком усилителе на микросхеме TDA2822M. Датагорская статья. 9. Справочник. Микросхема УМЗЧ LA4525. Микросхема УМЗЧ LA4534M // Радиоконструктор, 2008, №9, с. 20 — 22. 10. Мосягин В.В. Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником. (Серия «СОЛОН – радиолюбителям», выпуск 17). – М.: СОЛОН – Пресс, 2003. – 208 с. 11. Мосягин В.В. Секреты радиолюбительского мастерства. (Серия «СОЛОН – радиолюбителям) – М.: СОЛОН – Пресс, 2005. – 216 с.
