Amplificador de áudio de amplificador operacional de fonte única

Estou tentando criar um amplificador de amplificador operacional que funcione a partir de uma fonte de 5V e que seja capaz de amplificar o sinal de áudio de -100mV a + 100mV para cerca de um pico de pico de 1V. Eu deparei com este circuito deste artigo , que parece funcionar, mas estou tendo problemas para calcular os valores reais:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

No artigo, li que R1 e R2 deveriam ser iguais e cerca de 42kOhm para a fonte de alimentação de 5V. R4 deve ser R3 + (0,5 * R1) e é isso ...

Então, como eu iria realmente calcular o capacitor, os valores do resistor necessários para um sinal de frequência variável com frequência máxima em torno de 20kHz e ganho de cerca de 5?

Obrigado por me ajudar!

EDITAR:

No artigo, o autor escreveu com o símbolo do solo: "* STAR GROUND". É realmente importante combinar todos os transes de terra no esquema em um ponto ou posso usar um plano de terra em todo o circuito?

Você parecia ter encontrado um circuito razoável na internet. Ouvi dizer que havia por aí em algum lugar.

As equações que você cita são excessivamente rigorosas. Em vez de apenas informar os valores, é melhor explicar o que cada parte faz.

R1 e R2 são um divisor de tensão para fazer 1/2 da tensão de alimentação. Esse será o viés de CC em que o opamp operará. O passa-baixo C2 filtra a saída desse divisor de tensão. Isso é para eliminar falhas, ondulações na fonte de alimentação e outros ruídos na fonte de 5 V para que eles não acabem no seu sinal. R3 é necessário apenas porque C2 está lá. Se R3 não estivesse lá, o C2 também esmagaria o sinal de entrada, não apenas o ruído na fonte de alimentação. Por fim, a extremidade direita do R3 destina-se a fornecer um sinal de fornecimento limpo de 1/2 com alta impedância. A alta impedância é para que não interfira com o sinal desejado vindo através de C1.

C1 é uma tampa de bloqueio de corrente contínua. Ele desacopla o nível DC em IN do nível DC em que o opamp é polarizado.

R4 e R5 formam um divisor de tensão da saída de volta para a entrada negativa. Esse é o caminho de feedback negativo, e o ganho geral do circuito é o inverso do ganho do divisor de tensão. Você quer um ganho de 10, portanto, o divisor R4-R5 deve ter um ganho de 1/10. C3 bloqueia CC, de modo que o divisor funcione apenas no seu sinal CA, não no ponto de polarização CC. O divisor passará todo o CC, de modo que o ganho de CC da entrada + do opamp para sua saída será 1.

C4 é outra tampa de bloqueio de corrente contínua, desta vez separando o nível de polarização de corrente contínua do opamp da saída. Com as duas tampas de bloqueio de corrente contínua (C1, C4), o amplificador geral funciona com corrente alternada e quaisquer desvios de corrente contínua que podem estar em IN e OUT são irrelevantes (dentro da tensão nominal de C1 e C4).

Agora, para alguns valores. O MCP6022 é um opamp de entrada CMOS, portanto, possui impedância de entrada muito alta. Mesmo um MΩ é pequeno comparado à sua impedância de entrada. A outra coisa a considerar é a faixa de frequências que você deseja que este amplificador trabalhe. Você disse que o sinal é de áudio; portanto, assumiremos que qualquer coisa abaixo de 20 Hz ou acima de 20 kHz é um sinal de que você não se importa. De fato, é uma boa idéia esmagar frequências indesejadas.

R1 e R2 só precisam ser iguais para fazer 1/2 da tensão de alimentação. Você não menciona requisitos especiais, como operação com bateria, onde a minimização de corrente é de grande importância. Dado isso, eu faria R1 e R2 10 kΩ cada, embora exista uma grande margem de manobra aqui. Se isso fosse operado por bateria, eu provavelmente os faria 100 kΩ cada e não me sentiria mal por isso. Com R1 e R2 de 10 kΩ, a impedância de saída do divisor é de 5 kΩ. Você realmente não quer nenhum sinal relevante na saída desse divisor, então vamos começar vendo qual capacitância é necessária para filtrar até 20 Hz. 1,6 µF. O valor comum de 2 µF seria bom. Trabalhos superiores também, exceto que, se você for muito alto, o tempo de inicialização se tornará significativo em escala humana. Por exemplo, 10 µF funcionariam para filtrar bem o ruído. Possui uma constante de tempo de 500 ms com impedância de 5 kΩ,

R3 deve ser maior que a saída de R1-R2, que é de 5 kΩ. Eu pegaria alguns 100 kΩ pelo menos. A impedância de entrada do opamp é alta, então vamos usar 1 MΩ.

C1 com R3 formam um filtro passa-alto que precisa passar pelo menos 20 Hz. A impedância vista olhando para a extremidade direita do R3 é um pouco acima de 1 MΩ. 20 Hz com 1 MΩ requer 8 nF, então 10 nF é. Este é um lugar em que você não deseja usar uma tampa de cerâmica, portanto, valores mais baixos são bastante úteis. Uma tampa de mylar, por exemplo, seria boa aqui e 10 nF estão dentro da faixa disponível.

Novamente, a impedância geral do divisor R4-R5 não importa muito, então vamos definir arbitrariamente R4 para 100 kΩ e calcular os outros valores a partir daí. R5 deve ser R4 / 9 para obter um ganho geral do amplificador de 10, para que 11 kΩ funcionem. C3 e R5 formam um filtro que precisa sair a 20 Hz ou menos. C3 deve ter 720 nF ou mais, portanto 1 µF.

Observe um problema com esta topologia. Frequentemente, C3 está agindo com R5, mas o nível de DC em que C3 eventualmente se estabilizará é filtrado por R4 + R5 e C3. Esse é um filtro em 1,4 Hz, o que significa que este circuito levará alguns segundos para estabilizar após a energia ser aplicada.

C4 forma um filtro passa-alto com qualquer impedância conectada à OUT. Como você pode não saber, deseja torná-lo razoavelmente grande. Vamos escolher 10 µF, já que isso está prontamente disponível. Isso sai em 20 Hz com 8 kΩ. Portanto, este amplificador funcionará conforme especificado, desde que OUT não seja carregado com menos de 8 kΩ.

Não há necessidade de tornar R4 esse valor específico, pois esse é um amplificador operacional CMOS (sem correspondência de correntes de polarização de entrada).

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

Então, se fc = 20Hz e R1, R2 = 39K. Vamos fazer arbitrariamente R3 100K. Então C = 100nF está quase certo.

C2 depende do que está na fonte de alimentação que você está tentando atenuar, mas digamos 1uF para isso.

Vamos escolher R4 = 100K apenas para manter dois resistores iguais. R5 será então 11K para um ganho de +10.1

Finalmente, C3 pode ser calculado a partir de R5 para cerca de 1uF (usando a equação acima).

É isso aí!