Светодиодный индикатор уровня сигнала (громкости) на LM3914 / LM3915 / LM3916

Введение

В данной статье будет описан процесс создания измерителя уровня сигнала. Основная цель – измерение громкости музыкального сигнала, который можно снять с мобильного телефона либо компьютера, через 3.5 мм джек.

Индикация будет реализована на светодиодах и драйвере LM3914 (LM3915, LM3916). LM3914 имеет линейную шкалу отображения, LM3915 – логарифмическую. Для отображения уровня громкости лучше подходит логарифмическая шкала, но они структурно не отличаются и будут рассмотрены оба. Для входного буфера используется TL072. В качестве источника сигнала используется Redmi note 7.

Буфер применяется для того, чтобы не повредить источник сигнала и не учитывать его импеданс. Сперва следует определиться с параметрами, основным является диапазон изменений входного сигнала.


Проблема в том, что нет чёткого стандарта для выходного напряжения, мощности или сопротивления у различных устройств [1].

У профессиональной аппаратуры с линейными входами и выходами есть стандарты для взаимодействия друг с другом. Но данное устройство планируется использовать вместе с обычными источниками звука (к примеру телефон).


Входной сигнал и буфер на ОУ

Проверим уровень сигнала практически, подключив выход телефона к осциллографу.

Используя бесконечное накопление можно определить диапазон изменений входного сигнала. Он меняется от -1 до 1 В.

Рис. 1 Накопленный сигнал с аудио выхода телефона

Проверим сигнал на выходе буфера, ОУ использовался как повторитель напряжения.

 

Рис. 2 ОУ в качестве повторителя сигнала

Питание 12 В. Т.к. питание не дифференциальное, то должны быть проблемы с отрицательным входным напряжением, это решается добавлением напряжения смещения. Но ради интереса посмотрим, что будет на выходе.

Рис. 3 Сигнал на выходе ОУ при максимальном уровне звука (слева) и на 1 деление меньше (справа)

Рисунок слева отображает как выглядит музыкальный сигнал при максимальном уровне громкости, то же значение использовались и ранее. Сигнал представляет собой некоторые пики величиной до напряжения питания (12 В). Если уменьшить уровень громкости на 1 деление, форма сигнала похожа на полученную ранее. Отображается только положительное значение напряжения.

Посмотрим на сигнал на входе и на выходе ОУ.

 

Рис. 4 Сигналы на входе (синий) и выходе (жёлтый) ОУ

Синий цвет соответствует сигналу на входе, жёлтый на выходе. Шкалы у сигналов разные 200 мВ на клетку у входного и 5 В на клетку у выходного. Как можно заметить, при уменьшении входного сигнала ниже некоторого порога (около -600 мВ), напряжение на выходе совпадает с напряжением питания.

Согласно документации, минимальное напряжение на входе не должно быть меньше, чем отрицательное питание ОУ – 500 мВ. В нашем случае отрицательное напряжение = 0 В. Это объясняет проблемы с выходом.

Проверим что происходит с положительной частью сигнала.

Рис. 5 Сигналы на входе (синий) и выходе (жёлтый) ОУ

Если сигнал положительный, то выходной сигнал практически повторяет входной. Есть некоторая разница в напряжении, около 100 мВ. Это можно объяснить входным напряжением смещения.


Добавление смещения для входного сигнала

Далее нужно добавить постоянное смещение для входного сигнала, для того чтобы сигнал был в рабочем диапазоне ОУ. Воспользуемся симулятором для исследования работы ОУ. Для анализа применяется LTspice чтобы проверить разные варианты добавления постоянного смещения. Анализируются частоты от 1 до 20 кГц. В библиотеках не было TL072, на замену был выбран OP07.

Просимулируем работу ОУ без смещения:

Рис. 6 Схема повторителя на ОУ в LTspice

Рис. 7 Временная диаграмма для 1 кГц сигнала, вход ОУ (синий), выход ОУ (красный)

Сигнал сильно искажается, для ОУ это нестандартный режим. Документация запрещает подавать входное напряжение вне диапазона питания, тут можно ожидать что угодно.

Стандартная схема добавления смещения.

Рис. 8 Добавление напряжения смещения к входному сигналу

Рис. 9 Временные диаграммы сигнала на источнике (синий) и на входе ОУ (красный)

Рис. 10 АЧХ на источнике (синий) и на входе ОУ (красный)

Сигнал на входе ОУ имеет смещение равное половине напряжения питания. Конденсатор нужен для того, чтобы постоянное напряжение не пошло обратно на источник. Конденсатор и резисторы образуют фильтр. Как видно на АЧХ это фильтр высоких частот. Также это можно определить, заметив, что конденсатор подключен последовательно источнику сигнала, следовательно, постоянное напряжение через него не пройдёт.

Данная схема эквивалентна схеме, представленной ниже:

Рис. 11 Эквивалентная схема добавления смещения

Результаты симуляций данной и предыдущей схемы совпадают. Формула расчёта эквивалентного сопротивления:

 

Формула расчёта частоты среза фильтра:

 

На этой частоте сигнал ослабляется в 2 раза или (что тоже самое) опускается до уровня -3 дБ. Для нашего случая:

Это соответствует результатам симуляции.

Рассмотрим, что произойдёт при изменении номиналов компонентов. Сперва увеличим сопротивление резисторов в 10 раз.

 

Рис. 12 Смещение входного сигнала с увеличенным сопротивлением

Рис. 13 АЧХ на входе ОУ с увеличенным сопротивлением

При увеличении сопротивления резисторов уменьшается потребление тока на создание постоянного смещения, но если сопротивление будет соизмеримо с сопротивлением приёмника сигнала (в данном случае вход ОУ), то образуется делитель напряжения и смещение измениться. Похожим образом изменяется сигнал при близких сопротивлениях источника входного сигнала и источника смещения.

При увеличении сопротивления и его частота среза фильтра уменьшиться.

 

Рассмотрим, что происходит при увеличении ёмкости конденсатора.

Рис. 14 Смещение входного сигнала с увеличенной ёмкостью

Рис. 15 АЧХ на входе ОУ с увеличенной ёмкостью

Если увеличить конденсатор в 10 раз, это также изменит АЧХ фильтра.

 

Тот же результат что и раньше.

Ещё один способ создания смещения — это использование дополнительного ОУ в качестве повторителя напряжения. На входе ОУ смещение создаётся тем же образом, что и ранее.  Смещение нужно подавать через резистор, иначе ОУ уберёт информационный сигнал.

Рис. 16 Схема добавления смещения через ОУ

Плюсы данного подключения в том, что можно использовать дополнительную фильтрацию как на входе, так и на выходе ОУ, который используется для создания постоянного смещения. Сопротивления, создающие смещение не влияют на буфер входного сигнала. Также данный источник постоянного смещения можно подключить к нескольким каскадам.

При замере показаний на отладочной плате, образовалась небольшая проблема. Для эксперимента были использованы резисторы сопротивлением по 2 мегаома для каждого из плеч делителя напряжения. При измерении напряжения на каждом из плеч делителя, сумма значений не совпадала с напряжением питания. 

Как оказалось, согласно документации, входное сопротивление тестера 10 МОм. При проверке напряжений с учётом сопротивления тестера в симуляторе, результаты совпадают с практическими. Стоит брать во внимание влияние измерительных приборов. Входное сопротивление ОУ (один вход) равно 6 ТОм (6*10¹²).


Преобразователь из стерео в моно

Следующим каскадом является преобразователь из стерео в моно. Самое популярное решение — это соединить оба канала с помощью резисторов:

Рис. 17 Преобразование из стерео в моно на резисторах

В интернете это называют суммированием, но на самом деле, при одинаковом сопротивлении резисторов, эта схема выдаст арифметическое среднее. При бесконечном импедансе нагрузки, между двумя каналами образуется делитель напряжения и напряжение на выходе будет зависеть от соотношения номиналов резисторов. Для равных сопротивлений, напряжение на выходе будет равно половине от суммы двух источников.

Проверим это, просимулировав работу схемы. Возьмём 2 генератора синуса, с одинаковой частотой, но разной амплитудой. Пусть у одного из них амплитуда будет в 2 раза больше.

Рис. 18 Проверка преобразователя из стерео в моно

Полученные результаты:

 

Рис. 19 Временная диаграмма преобразователя (входы синий и красный, выход чёрный)

Сигналы с самой большой и самой маленькой амплитудой это входные сигналы. Сигнал на выходе имеет амплитуду равную средней арифметической между ними. для того чтобы выходное сопротивление не зависело от резисторов и было минимальным, можно добавить повторитель на ОУ.

 

Рис. 20 Сумматор на ОУ

Данная схема также называется сумматором на ОУ. Хотя, как было отмечено ранее, на выходе будет среднее арифметическое.


АЧХ ОУ

При исследовании влияния номиналов сопротивлений на работу сумматора, оказалось, что АЧХ не является линейной в полосе до 20 кГц, даже если нет дополнительного усиления, и схема используется как повторитель сигнала.

 

Рис. 21 Повторитель на ОУ

Рис. 22 АЧХ повторителя на ОУ (до 20 кГц, синий = вход ОУ, красный = выход ОУ)

Усиление незначительно, максимум 1.5 мДб, что соответствует усилению в 1.00017 раз. Это также отображено в документации:

 

Рис. 23 АЧХ замкнутого контура OP07 для разных коэффициентов усиления

При симуляции работы повторителя на больших частотах, получен похожий результат:

 

Рис. 24 АЧХ повторителя на ОУ (до 10 МГц, синий = вход ОУ, красный = выход ОУ)

У TL072 который планируется применять в реальном устройстве также есть подобная проблема: 

 

Рис. 25 АЧХ замкнутого контура TL072 для разных коэффициентов усиления

Но это также не оказывает существенного влияния на сигнал.


Slew rate (скорость нарастания сигнала) ОУ

Из графика АЧХ можно сделать предположение, что 1 МГц сигнал на выходе ОУ будет иметь большую амплитуду чем на входе. В действительности ситуация обратная:

 

Рис. 26 Временная диаграмма работы повторителя с сигналом 1 МГц (вход = синий, выход = красный)

ОУ не может мгновенно менять напряжение на выходе. У него есть параметр “slew rate” который определяет скорость изменения сигнала на выходе. Также есть график, отображающий максимальное выходное напряжение в зависимости от частоты сигнала.

Таблица 1 Slew rate OP07 из документации

Рис. 27 Максимальное выходное напряжение OP07 в зависимости от частоты сигнала

Таблица 2 Slew rate TL072 из документации

Рис. 28 Максимальное выходное напряжение TL072 в зависимости от частоты сигнала (и напряжения питания)

Рассчитаем какой slew rate необходим для нашей задачи. В данный момент на выходе ОУ должен быть синусоидальный сигнал с двойной амплитудой 2 В и частотой 20 кГц. В идеале ОУ должен быть способен выдавать прямоугольный сигнал с такими характеристиками. существует следующая формула для расчёта:

Slew rate ≥ 2πfV,

Где f = частота сигнала, V = максимальное напряжение в Вольтах. В нашем случае будет:

Slew rate ≥ 2π*20000*2=251327 V/s = 0.251 V/us

Как видно, TL072 хватает для выполнения этой задачи.


Паразитная ёмкость на входе ОУ

Также при исследовании сумматора на ОУ, оказалось, что увеличение сопротивлений преобразует АЧХ устройства в НЧ фильтр. Скорей всего это можно объяснить паразитной ёмкостью на входе ОУ. Отличие ОУ от идеального можно схематически отобразить наличием паразитных элементов:

Рис. 29 Схематическое отображение паразитных компонентов внутри ОУ

Таблица 3 Параметры паразитных элементов TL072

Сопротивление между входом и землёй составляет 6 ТОм (Тера = 1012), это можно представить как разрыв цепи и не учитывать. Сопротивление между входами в 100 МОм также опустим. Ёмкость между входом и землёй составляет 1 пФ, между входами 2 пФ. Из-за этого сумматор с большими значениями сопротивлений на входе, превращается в НЧ фильтр. Это можно изучить на примере повторителя:

 

Рис. 30 Повторитель на ОУ для исследования паразитной ёмкости

Рис. 31 АЧХ повторителя на ОУ с последовательным, входным сопротивлением 0 Ом (синий = вход ОУ, красный = выход ОУ)

При отсутствии последовательного сопротивления (0 Ом), АЧХ на входе и выходе совпадает с рассмотренными ранее. Максимум АЧХ составляет 1.5 мДб. Рассмотрим, что будет при увеличении сопротивления.

 

Рис. 32 Повторитель на ОУ с последовательным входным сопротивлением 421 кОм

Рис. 33 АЧХ повторителя на ОУ с последовательным, входным сопротивлением 421 кОм (синий = вход ОУ, красный = выход ОУ)

При 421 кОм фильтр на входе начинает ослаблять частоты после 1 кГц, но зато это компенсируется внутренним фильтром ОУ и на выходе практически равномерная АЧХ.

 

Рис. 34 Повторитель на ОУ с последовательным входным сопротивлением 10 МОм

Рис. 35 АЧХ повторителя на ОУ с последовательным, входным сопротивлением 10 МОм (синий = вход ОУ, красный = выход ОУ)

При 10 МОм фильтр сильно ослабляет частоты около 20 кГц. Минимум АЧХ составляет -4.4 Дб, ослабление сигнала более чем в 2 раза. Увеличение входного сопротивления выравнивает АЧХ, но при некотором значении устройство превращается в НЧ фильтр.

Наиболее прямая АЧХ получена с сопротивлением 421 кОм, усиление в мДб скорее всего будет незаметно для текущей задачи, требования к точности номинала резистора низки, АЧХ довольна ровная при разных входных сопротивлениях.

Эффект Миллера

При изучении slew rate в ОУ, был рассмотрен операционный усилитель µA741:

Рис. 36 Внутренняя схема µA741

На схеме присутствует конденсатор на 30 пФ. Было не понятно, для чего он нужен, ведь наличие ёмкости уменьшает рабочую полосу усилителя. Как оказалось это первый ОУ с внутренней компенсацией. До него, у ОУ были дополнительные выводы, к которым подключалось сопротивление для изменения частотных характеристик усилителя.

Наличие конденсатора увеличивает рабочую полосу усилителя благодаря изменению ФЧХ. Ниже представлены АЧХ и ФЧХ усилителя без частотной коррекции, и с частотной коррекцией.

 

Рис. 37 АЧХ (вверху) и ФЧХ (внизу) без частотной коррекции (1) и с частотной коррекцией (2)

Когда на выходе усилителя с отрицательной обратной связью сигнал отличается по фазе на 180° от входного сигнала, усилитель возбуждается и начинает бесконечно усиливать сигнал, что ухудшает его характеристики. Желательно чтобы выходной сигнал не отличался более чем на 90°.

Как можно заметить на графике, без частотной коррекции рабочая полоса усилителя менее 1 МГц и ограничена ФЧХ, из-за того, что ФЧХ усилителя переходит точку -180° раньше, чем АЧХ переходит точку 0. С частотной коррекцией рабочая полоса ограничена точкой, в которой АЧХ переходит 0, т.к. ФЧХ переходит точку -180° на большей частоте. В результате рабочая полоса ОУ стала больше 1 МГц.

Для простоты можно сказать, что, ухудшая характеристики АЧХ (т.к. желательна наиболее ровная и широкая рабочая полоса), мы получаем выигрыш в ФЧХ (характеристика достигает ±180° на большей частоте, что увеличивает рабочий диапазон).

Усилитель можно рассматривать как четырёхполюсник с набором параметров, из которых образуется передаточная функция. Из которой после некоторых преобразований можно получить АЧХ и ФЧХ, Добавление конденсатора позволяет изменить передаточную функцию и изменить вид АЧХ и ФЧХ. Более глубокий анализ заключается, в рассмотрении, нулей и полюсов передаточной функции, что выходит за рамки данной статьи.

Однако стоит отметить, что при подключении конденсатора между базой и коллектором транзистора увеличивается эквивалентная ёмкость усилителя. Это называется эффектом Миллера. Данный эффект позволил внести небольшую ёмкость внутрь усилителя, вместо того чтобы подключать большую ёмкость к внешним выводам.


Пиковый детектор

При подаче сигнала с частотой 1 кГц и постоянной амплитудой на вход LM3914/LM3915 светодиодная индикация будет постоянно менять состояние несмотря на то, что громкость не меняется. Это происходит из-за того, что драйвер пытается отобразить уровень входного напряжения, который описывается синусоидой. Для корректного отображения громкости можно использовать энергию, мощность, и т.п. В данном устройстве будет применяться пиковый детектор, ввиду простоты реализации. Ниже представлена его схема.

Рис. 38 Пиковый детектор

При использовании 1 кГц сигнала, результат, следующий:

Рис. 39 Входной сигнал (синий), сигнал на конденсаторе (красный), ток через диод (чёрный)

В первый момент времени конденсатор разряжен и напряжение на нём равно 0. Когда напряжение входного сигнала будет больше падения напряжения на диоде, через него потечёт ток и начнёт заряжать конденсатор. Если напряжение сигнала будет меньше, чем падение напряжения на диоде + напряжение на конденсаторе, диод перестанет пропускать ток. Поскольку к конденсатору больше ничего не подключено, он будет медленно разряжаться через различные токи утечки связанные с не идеальностью компонентов. Таким образом данная схема держит максимальное напряжение, которое было на входе минус падение напряжения на диоде.

Для того чтобы напряжение на выходе точно соответствовало пиковому значению, можно добавить ОУ.

 

Рис. 40 Пиковый детектор с применением ОУ

Рис. 41 Входной сигнал (синий), сигнал на конденсаторе (красный), ток через диод (чёрный)

Как видно при добавлении ОУ, напряжение на выходе даже превосходит пиковое. Это происходит из-за инерционности ОУ, он не может мгновенно менять напряжение на выходе. При большем slew rate выходное напряжение меняется быстрее. Также следует отметить, что конденсатор стал разряжаться быстрее с добавлением ОУ. На это влияет вход ОУ, к которому теперь подключен конденсатор, через него также утекает некоторая часть тока.

Можно использовать конденсатор с различными номиналами для того, чтобы изменить время зарядки и разрядки. Также можно использовать параллельно подключённый резистор, для того чтобы регулировать скорость разрядки конденсатора.

Рис. 42 Применение резистора для регулирования скорости разрядки конденсатора

Рис. 43 Входной сигнал (синий), сигнал на конденсаторе (красный), ток через диод (чёрный)

При увеличении частоты входного сигнала, ОУ не успевает поднять выходное напряжение до нужного уровня чтобы пройти через диод. Ниже представлен график с 20 кГц входным сигналом.

Рис. 44 Входной сигнал (синий), сигнал на конденсаторе (красный), ток через диод (чёрный), выход ОУ (бирюзовый)

Как можно заметить, напряжение на выходе ОУ начинает подниматься от ~1 В с постоянной скоростью. Если уменьшить напряжение смещения, то ОУ потребуется меньше времени чтобы достичь нужного уровня. Изменим постоянное смещение с 6 В до 1 В.

Рис. 45 Входной сигнал (синий), сигнал на конденсаторе (красный), ток через диод (чёрный), выход ОУ (бирюзовый)

Удалось найти модель для TL072 [2], воспользуемся ей и посмотрим, как выглядит график.

Рис. 46 Входной сигнал (синий), сигнал на конденсаторе (красный), ток через диод (чёрный), выход ОУ (бирюзовый), TL072

Выходной ток меньше, напряжение изменяется быстрее, начинает изменяться от 1.5 В, напряжение на конденсаторе близко к истинному.

Вернём постоянное смещение на 6 В и проверим результат.

Рис. 47 Входной сигнал (синий), сигнал на конденсаторе (красный), ток через диод (чёрный), выход ОУ (бирюзовый)

Даже в этом случае напряжение на конденсаторе близко к пиковому значению.


Влияние тока и напряжения на зарядку конденсатора

Из симуляций можно отметить, что напряжение на выходе ОУ меняется быстрее до открытия диода. В тот момент, когда начинает течь ток, скорость нарастания напряжения уменьшается. Возможно увеличение тока ускорит зарядку конденсатора. Рассмотрим каким образом напряжение и ток влияют на зарядку конденсатора.

Конденсатор заряжается по формуле:

 

Где Vc – напряжение на конденсаторе, Vs – питающее напряжение.
Для схемы с ОУ затруднительно указать питающее напряжение и сопротивление цепи. Выходное сопротивление идеального ОУ равно 0, выходное напряжение равно положительному либо отрицательному напряжению питания ОУ, в зависимости от того на каком из входов напряжение больше. Но в реальном ОУ выходное напряжение меняется не мгновенно.

Преобразуем сопротивление в уравнении, будем учитывать лишь максимальный ток зарядки.

Подставим в формулу:

 

Выразим время:

 

Примем, что Imax = 25 мА, C = 1 мкФ, Vc = 7 В, Vs = 8 В, если не указаны другие значения. Просимулируем уравнения.

Рис. 48 Время зарядки конденсатора 1 мкФ до 7 В в зависимости от питающего напряжения (слева) и тока (справа)

С напряжением не так просто что-то сделать, но можно увеличить ток без особых трудностей воспользовавшись транзистором.

Рис. 49 Эмиттерный повторитель

В схеме эмиттерного повторителя, напряжение на эмиттере будет на падение напряжения между базой и эмиттером меньше, чем на базе. Но ток будет в разы больше, в зависимости от коэффициента усиления транзистора. Данная схема также позволяет избавиться от диода, т.к. его роль будет выполнять P-N переход между базой и эмиттером.

Рис. 50 Пиковый детектор с эмиттерным повторителем

Рис. 51 Входной сигнал (синий), сигнал на конденсаторе (красный), ток через диод (чёрный), выход ОУ (бирюзовый)

Далее остаётся решить вопрос с номиналами резистора и конденсатора. Чем больше ёмкость, тем сложнее её зарядить или разрядить, но пиковое значение сигнала держится дольше. Было решено подобрать номиналы экспериментально в симуляторе. В LTspice можно загружать WAV аудио файлы. Для 1.5 МОм и 1 мкФ выход выглядит следующим образом:

 

Рис. 52 Аудио сигнал на выходе пик детектора

Скорей всего нужно будет подбирать номиналы на готовом устройстве экспериментально.


Драйвер светодиодов

Теперь можно перейти к драйверу светодиодов. Сигнал на выходе предыдущего каскада имеет амплитуду чуть больше 1 В. Для упрощения схемы можно убрать постоянное смещение, для того чтобы сигнал на входе драйвера менялся в диапазоне от 0 В до ~1 В. Драйвер выдерживает входные сигналы в диапазоне ±35 В.

Далее выберем ток светодиодов на выходе. Здесь также приходится подбирать экспериментально. После небольшого количества экспериментов, было решено использовать 5 мА. Но возможно это придётся изменить на готовом устройстве.

Выберем компоненты для создания необходимого тока для светодиодов и диапазона изменения входного сигнала. Рассмотрим внутреннюю схему LM3914/LM3915.

Рис. 53 Внутренняя схема LM3914 (слева) и LM3915 (справа)

Ток, который течёт через светодиоды приблизительно в 10 раз больше, чем ток, вытекающий из “REF OUT”, 7 ножки микросхемы. I ≈ 12.5 / R1. Также есть график зависимости светодиодного тока от эталонного тока:

Рис. 54 График зависимости светодиодного тока от эталонного тока

Для нашей задачи нам необходимо обеспечить ток, приблизительно равный 500 мкА. Точное значение не так важно. Диапазон напряжений входного сигнала, на который реагирует драйвер, настраивается выводами 6 (RHI) для верхнего порога и 4 (RLO) для нижнего порога.

Наш сигнал меняется от 0 до 1 В. Желательно использовать внутренний генератор напряжения в LM3914/LM3915 чтобы избежать зависимости от входного напряжения. В таком случае RLO можно заземлить, но для RHI необходимы дополнительные изменения.

Также стоит отметить, что при соединении выхода внутреннего генератора с RHI, необходимо учесть сопротивление резисторной цепочки внутри драйвера. Согласно документации, у LM3914 оно составляет 12 кОм, у LM3915 28 кОм. Не следует доверять блок схеме, главное — это параметры.

Таблица 4 Cопротивление резистивной цепочки LM3914 и LM3916 (сверху), LM3915 (снизу)

Для создания необходимого напряжения можно воспользоваться следующей схемой:

Рис. 55 Схема создания необходимого эталонного тока и напряжения смещения, LM3914 (слева), LM3915 (справа)

Нужно вычислить сопротивление резисторов R1 и R2. Сперва рассчитаем R1, известно падение напряжения и ток.

Далее вычислим чему равно параллельное соединение R1 и R3.

И наконец значение R2.

Для LM3914 и LM3916:

 

Для LM3915:

 

Остаётся разработать схему, плату и не забыть про конденсатор перед драйвером, чтобы убрать постоянное смещение.

Рис. 56 Блок схема устройства

На блок схеме отражено 2 разъёма для питания и 2 входа для аудио кабеля. Идея состоит в том, чтобы была возможность подключить несколько устройств паралельно.

Рис. 57 Блок схема устройства V2

Рис. 58 Электрическая схема устройства

Приехали платы из https://dirtypcbs.com

11.95 $ за платы (12 штук) и 7 $ за доставку.

Количество плат случайное число около 10.

Размер 5 см x 5 см.

Рис. 59 Печатные платы устройства

При проверке платы, оказалось при расчётах и в схеме были допущены ошибки. Сумматор соединён некорректно, вывод MODE должен быть либо подключен к питанию, либо висеть в воздухе. При отключении источника сигнала, все светодиоды горят, для решения нужно добавить подтягивающие к земле резисторы на вход. Также на выходе телефона сигнал имеет амплитуду 0.5 В, а не 1 В как было измерено ранее.

Рис. 60 Синусоида на выходе телефона

Из-за этого работала лишь половина светодиодов. Также вместо 1.25 В микросхема выдаёт 1.177 В, что даже не вписывается в минимальное значение, указанное в документации (1.2 В). Нужно использовать другое сопротивление для выставления рабочей точки.
$$R1=\frac{1.177-0.5}{500*10^{-6}}=\frac{0.677}{5*10^{-4}}=1354\: Ом$$

Слишком долго держится пиковое значение сигнала, уменьшил конденсатор до 10 нФ. Режим при котором работает лишь 1 светодиод работает некорректно, даже при стабильном уровне сигнала горит несколько светодиодов с разной яркостью.

Рис. 61 Электрическая схема устройства V2

Источники

[1] https://electronics.stackexchange.com/questions/28404/what-is-the-voltage-range-of-a-standard-headphone-jack-from-a-phone

[2] http://ltwiki.org/?title=Components_Library_and_Circuits#Opamps

[x] https://ocw.mit.edu/courses/media-arts-and-sciences/mas-836-sensor-technologies-for-interactive-environments-spring-2011/readings/MITMAS_836S11_read02_bias.pdf

[x] https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-581.pdf

[x] https://eng.libretexts.org/Bookshelves/Electrical_Engineering/Electronics/Operational_Amplifiers_and_Linear_Integrated_Circuits_-_Theory_and_Application_(Fiore)/04%3A_Basic_Op_Amp_Circuits /4.03%3A_Single_Supply_Biasing

[x] https://electronics.stackexchange.com/questions/200308/dc-bias-and-op-amp

[x] https://www.youtube.com/watch?v=iIKGvHjDQHs

[x] https://www.youtube.com/watch?v=jllsqRWhjGM

[x] https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_4.html

[x] https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/miller-frequency-compensation/

[x] https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/how-to-buffer-an-op-amp-output-for-higher-current-part-1/

[x] https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/how-to-buffer-an-op-amp-output-for-higher-current-part-2/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Миллера

[x] Достал, И., 1982. Операционные усилители. Мир.

[x] Op Amp Applications Handbook Walt Jung 2005