Алексей Чистяков, разработчик
В статье рассматривается несколько аспектов построения аудиосхем. Основное внимание уделено выбору двух- или трехпроводной схемы подключения микрофона и конденсаторов развязывающей цепи.
При разработке аудиосистемы одним из основных вопросов является выбор схемы коммутации микрофона.
Выбирают между двух- и трехпроводной схемами. Трехпроводная схема обеспечивает лучшее качество звучания, но уступает двухпроводной по стоимости и простоте реализации.
На рисунке 1 схематично показано двух- и трехпроводное соединение микрофона.
Рис. 1. Двух- и трехпроводное соединение микрофона
В двухпроводной схеме сигнал микрофона модулируется по току и передается по шине питания. Токовый сигнал преобразуется в сигнал напряжения с помощью резистора, величина которого обычно составляет 680 Ом. Далее сигнал фильтруется, усиливается и оцифровывается. В трехпроводной схеме сигнал передается по отдельной линии и также предварительно фильтруется, усиливается, а затем оцифровывается. Обычно в трехпроводной схеме коэффициент нелинейных искажений с учетом шума (THD+N) меньше, чем в двухпроводной.
Возможна реализация двухпроводной схемы с помощью дискретных элементов. Несколько упрощенный пример подобного варианта представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Реализация двухпроводной схемы с помощью дискретных элементов
Коэффициент усиления в этой схеме достигает 41 дБ при полосе пропускания 10–3000 Гц. Выходной сигнал микрофона поступает в базовую цепь входного транзистора Q1 и усиливается пассивной цепочкой R5‑C5. В схемах, которые используются на практике, пассивная цепочка несколько сложнее, поэтому для регулирования коэффициента усиления недостаточно изменить значение одного резистора. Для управления нагрузкой, чтобы «отрезать» ее от входного каскада, в схему введен транзистор Q2. Таким образом, сигнал микрофона передается по длинной двухпроводной линии.
Схема на рисунке 2 довольно проста и экономична, но ее сложнее настраивать, чем схему на операционных усилителях (ОУ), которая представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Реализация двухпроводной схемы с помощью операционных усилителей
К тому же, у схемы на ОУ , как будет показано далее, – несколько лучше показатели по соотношению сигнал/шум. Коэффициент усиления схемы с ОУ немногим меньше 40 дБ, а полоса пропускания составляет 30–7000 Гц.
В качестве фильтров используется индуктивность L1, резистор R3 и конденсатор C2.
Резистивный делитель R8–R12 формирует напряжение VB, которое подается на неинвертирующий вход ОУ «В». Благодаря этому смещению ОУ работает в линейном диапазоне, что приводит к минимальным нелинейным искажениям. В схеме с ОУ гораздо проще, чем в схеме с дискретными элементами, менять коэффициент усиления, который определяется соотношением сопротивлений резисторов R11/R6. Напряжение питания микрофона формируется с помощью положительной шины питания V+ резистивным делителем R4–R7/С5. ОУ канала «А» служит буфером для напряжения питания микрофона.
Для проверки обеих описанных выше схем [1] были изготовлены печатные платы. Размер платы с дискретными элементами составил 20.12,5 мм, а платы с ОУ – 20.14 мм. В первом случае использовались пассивные компоненты в габарите 0201 и 0603, а во втором – 0402 и 0603, а также ОУ в корпусе VSSOP.
При сравнении двух описанных выше решений, построенных на дискретных компонентах и операционных усилителях, измерялась величина коэффициента нелинейных искажений с учетом шума THD+N в зависимости от выходного напряжения (пик–пик) и от частоты. В обоих случаях измерения проводились при температурах –20, 20 и 65°C. Экспериментальные результаты приведены на рисунках 4–5.
Рис. 4. Зависимость THD+N от выходного напряжения. Пунктирными линиями обозначены графики для схем на дискретных компонентах, а сплошными – графики для схем на ОУ
Рис. 5. Зависимость THD+N от частоты сигнала при размахе сигнала 1,5 В (пик–пик). Пунктирными линиями обозначены графики для схем на дискретных компонентах, а сплошными – графики для схем на ОУ
Как видно из рисунка 4, оптимальные значения наблюдаются в диапазоне выходного напряжения 0,7–1,5 В (пик–пик). В этом диапазоне выигрывает решение, созданное с использованием операционных усилителей. График на рисунке 5 снимался при размахе выходного напряжения 1,5 В (пик–пик). Из полученных результатов видно, что в частотном диапазоне 300–3400 Гц (телефонный диапазон) характеристика решения, построенного на операционных усилителях, и в этом случае заметно превосходит решение на дискретных компонентах.
Тем не менее, превосходство схемы с ОУ не настолько велико, чтобы можно было делать однозначные выводы о непригодности решений на дискретных компонентах. В чувствительных к цене приложениях подобные решения вполне приемлемы.
К сожалению, проблемы выбора для разработчика не заканчиваются определением схем микрофона. Немало вопросов может возникнуть при выборе компонентов для тракта воспроизведения аудиосигналов. Поскольку требования ко многим компонентам зависит от требований к качеству воспроизведения звука, нельзя рассматривать проблему в общем виде. Однако имеются компоненты, выбор которых делается без должного внимания, хотя их параметры могут играть важную роль в качестве конечного изделия. Речь идет о конденсаторах. Иногда критичной может оказаться замена конденсаторов одного производителя аналогами другого. Чтобы подтвердить важность выбора этого компонента, заметим, что стоимость конденсатора высокого качества зачастую может превышать стоимость микросхемы, в комплекте с которой он работает. Исходя из рассматриваемого приложения, мы будем рассматривать свойства конденсатора в цепях переменного тока.
Как известно, эти свойства определяются используемым в нем диэлектриком. Чем меньше его относительная диэлектрическая проницаемость, тем меньше потери в конденсаторе, следовательно, тем ближе реальный конденсатор к идеальному. Увы, как свидетельствует известная формула, определяющая емкость классического конденсатора (из уважения к читателю мы не будем ее приводить), уменьшение относительной диэлектрической проницаемости ведет к уменьшению емкости конденсатора.
С учетом тенденции миниатюризации в электронике у разработчиков может возникнуть соблазн при выборе конденсаторов емкостью от нескольких микрофарад и выше использовать керамические конденсаторы класса II. У диэлектрика этих конденсаторов – очень высокая относительная диэлектрическая проницаемость. Следовательно, у них высокая плотность емкости. К сожалению, именно из-за высокой диэлектрической проницаемости емкость керамических конденсаторов класса II существенно меняется в зависимости от температуры и приложенного напряжения. Этот эффект определяется наличием в диэлектрике титаната бария, обладающего сегнетоэлектрическими свойствами.
Изменение емкости конденсатора под действием приложенного напряжения может внести основной вклад в нелинейные искажения на низких частотах, где сопротивление конденсатора довольно велико. На высоких частотах вклад конденсатора в нелинейные искажения уменьшается. Для минимизации этих эффектов в случае, когда конденсатор используется в развязывающей цепи, последовательно ему можно включить сопротивление,
что позволит уменьшить напряжение на конденсаторе.
Подобный эксперимент, а также несколько других аналогичных были выполнены в [2]. В экспериментах использовался многоканальный аудио АЦП TLV320ADC5140 от компании Texas Instruments.
Рис. 6. Зависимость THD+N от частоты для разных значений сопротивления в развязывающей цепочке
На рисунке 6 показаны графики THD+N в зависимости от частоты для разной величины сопротивления в развязывающей цепочке, которая подключалась к входу АЦП. Как и следовало ожидать, при увеличении последовательного сопротивления значение THD+N возрастает по модулю. К сожалению, добавление резистора несколько увеличивает шум и ошибку усиления, поэтому такое решение уместно лишь в чувствительных к стоимости приложениях.
Увеличение емкости развязывающего конденсатора – другой вариант, нивелирующий изменение емкости конденсатора от приложенного напряжения.
Рис. 7. Зависимость THD+N от частоты для разных значений емкости конденсатора в развязывающей цепочке
На рисунке 7 показана зависимость искажений THD+N от частоты при разных значениях емкости конденсаторов развязывающих цепочек. И в данном случае эксперимент подтвердил логику наших рассуждений. При увеличении емкости конденсаторов увеличивается полоса частот с минимальными искажениями.
Зависимость искажений THD+N от величины входного напряжения при разной емкости развязывающих конденсаторов представлена на рисунке 8.
Рис. 8. Зависимость THD+N от входного сигнала для разных значений емкости конденсатора в развязывающей цепочке
Добавим, что эксперимент проводился при частоте входного сигнала 100 Гц. Как видно, в этом случае применение конденсатора большей емкости также дает лучший результат. Поскольку конденсатор емкостью 47 мкФ имеет габарит 1206, в отличие от других конденсаторов габарита 0805, участвующих в испытаниях, использование этого конденсатора приведет к небольшому увеличению габаритов платы.
Заметим, что во всех случаях при увеличении емкости конденсатора развязывающей цепочки уменьшается и частота среза фильтра высоких частот (ФВЧ). При использовании в разделительной цепочке керамических конденсаторов можно следовать эмпирическому правилу, суть которого заключается в том, что частота среза ФВЧ должна быть примерно в 100 раз меньше нижнего предела полосы частот аудиоканала. Другими словами, величина емкости конденсатора должна быть в 100 раз больше. Казалось бы, исходя из описанных выше соображений и подтверждающих их экспериментов, это правило играет нам на руку. Увы! С увеличением емкости конденсаторов и, следовательно, с ростом полосы пропускания ФВЧ возрастает шум вида 1/f.
В очередной раз мы убеждаемся в справедливости известного афоризма о двух сторонах медали. В идеальном варианте было бы хорошо использовать керамические конденсаторы групп C0G/NP0 – их емкость практически не зависит от приложенного напряжения и крайне мало изменяется во всем диапазоне рабочей температуры. К сожалению, поскольку емкость конденсаторов этих групп невелика и не превышает 1 мкФ, они не находят широкого применения в рассматриваемом нами приложении.
Но на керамических конденсаторах свет клином не сошелся. Поэтому были рассмотрены конденсаторы других технологий, а именно: танталовый конденсатор и пленочный конденсаторы для поверхностного монтажа, а также электролитический конденсатор для монтажа в отверстия; для сравнения использовался керамический конденсатор. Емкость всех этих конденсаторов составила 1 мкФ.
Результаты испытаний представлены на рисунке 9, где показаны экспериментальные графики зависимости коэффициента нелинейных искажений с учетом шума THD+N от частоты.
Рис. 9. Зависимость THD+N от частоты для конденсаторов разных типов
Никаких сюрпризов эксперимент не принес. Лучшие характеристики во всем диапазоне частот продемонстрировали пленочные конденсаторы, вторыми оказались электролитические конденсаторы. Выбор пленочных конденсаторов очень хорош, если нет значительных ограничений на габариты. Из-за низкой относительной проницаемости диэлектрика пленочных конденсаторов его размеры довольно велики: конденсатор емкостью 1 мкФ имеет габарит 1206. Дважды, а лучше трижды стоит подумать, прежде чем выбрать электролитические конденсаторы. Во‑первых, следует выбрать габариты, во‑вторых, полярность – необходимо предусмотреть дополнительное смещение во избежание отрицательной полярности. И, наконец, следует учесть фактор старения – уменьшение емкости конденсаторов по мере высыхания электролита.
Итак, мы рассмотрели некоторые особенности построения аудиосхем. Мы не преследовали цель выбрать наилучшие решения, поскольку таковых попросту не существует – все зависит от требования конкретного приложения. Мы лишь обратили внимание разработчиков на некоторые проблемы, с которыми они могут столкнуться при построении аудиоканалов.
Литература
- Comparing two-wire microphone circuits for automotive applications//www.ti.com.
- Selecting capacitors to minimize distortion in audio applications//www.ti.com.