Design and Implementation of an Analog amplifier &
filter circuit
類比放大器及濾波器的電路設計及實現
【圖檔大，請耐心等候】
南台電機 趙春棠
2011.08.09、2011.08.14新增 《附錄》
n 前言：由於與學校同仁，組隊參加一個競賽。電路的初步設計，由一位博士生完成，由於此博士生信心滿滿，本人遂立即找學弟銲接電路，並簡單指示一些電路實現技巧。總之，後來本人對結果不滿意，於是親自重來，茲將過程簡單記錄，一些個人拙見，希望可以給一些同學做參考。
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參考資料（References）
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Design and
Dimensioning of （analog）Active Filters http://www.beis.de/Elektronik/Filter/Filter.html
(I prepared these utiliies written in Javascript to help you to quickly
design and dimension your active Sallen-Key or Multiple Feedback topology low-pass or high-pass filter. ...)
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Active
Low-Pass Filter Design (by TI) http://www.science.unitn.it/~bassi/Signal/TInotes/sloa049.pdf
A Single-Supply Op-Amp Circuit Collection (by TI) http://www.eng.yale.edu/ee-labs/morse/compo/sloa058.pdf
主動濾波器 http://ir.lib.ksu.edu.tw/bitstream/987654321/10721/10/chap19.pdf
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Electronic Devices,
Author: Thomas L. Floyd.
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OP. AMP. IC: OPA134、OPA2134、OPA4134； Audio Amp. IC: LM386
提到類比放大器及濾波器的電路，一般教科書多採用「雙電源」，本電路的設計，博士生則希望利用「單電源」，故讀者可以由以上參考文獻，看到一些「單電源」的設計範例。以「雙電源」來說，若是 +5V及-5V，則中心點即是0V(Ground)；若採用「單電源」，則就有 ‘Virtual Ground’ 的問題。直流電源若來自交流電源（如市電：110V、 60Hz），「雙電源」可以利用「雙電源整合濾波電路」即可完成，「單電源」最簡單者，則可利用「橋式整流濾波電路」。
本專題的最後一級輸出，是要與電腦音效卡的訊號輸出相容，故電源的穩定性非常重要，否則光是電源，就會產生難耐的雜音，不可不慎！
另外濾波器的電路，就有階數（Order）的考量，利用一個運算放大器，理論上就可以設計出高階的濾波器，但本人實際根據規格，花了許多時間，設計出的結果，經過實際購買零件組合電路，利用儀器測試，發現結果並不是非常精確，提醒讀者需實驗驗證，否則不如利用多個一階濾波器，組合出高階的濾波器電路，來得較直捷有把握！
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學弟銲接電路成果（正面 及 反面）
圖1 電路板正面（一大一小）
利用萬用板銲接電路，是最簡便的方法。學弟第一次竟將正反面搞錯了，以上是第二次完成的。元件的擺放，要注意美觀性，及未來方便檢查電路。以電阻為例，色帶中的最後的金、銀色帶，是必須擺放在最右方或最下方的，不可不知！（左上圖的許多電阻，就擺錯方向了！）此外，當然要對每一個元件的每一接腳，都要了解其功能意義，否則亂接一通，有何意義？
圖2 電路板反面（一大一小）
以上是萬用板的反面。買了多種顏色的線材供學生使用，學生竟堅持如此「環保」，著實令人吃驚！要知線的顏色多樣，何不善加利用？例如「紅色」多代表「火線」，如此可以讓人一目了然也！此外，線的走向不宜任意角度，給人雜亂無章之感也！
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電路設計實現的步驟
以上「學弟銲接電路成果」，結果是完全量測不出想要的輸出。於是本人只好親自出馬！教學過程中，常遇到學生做電路，只會依樣畫葫蘆，最後結果出不來時，卻完全沒有除錯（debug）的能力。做硬體電路與寫軟體程式，原則都是一樣的，如果不了解每一指令的意義，以及應有的I/O，出了問題，自然無法自行解決了！其實當初也太信任博士生的設計結果，後來才發現，許多電阻值，以及濾波器的參數，都設計有誤！於是本人只好搬出最正確的設計流程，首先第一步就是：「麵包板測試」
圖3 麵包板接線測試
本專題的電路，簡單來說，依序為「訊號擷取電路」，「預放大電路」，「濾波電路」，以及「音頻放大輸出電路」。利用麵包板的方便插拔，以及儀器的輔助量測，便可以步步為營，了解適當的電路參數值，並印證理論與實務了。
圖4 實驗桌及常用儀器
於是第二步就是：「善用儀器測試」，上圖可見常用儀器：電源供應器，訊號產生器及示波器。
第三步才是：「電路板銲接」。說到這一步，也就是即將要完成成品了。整個電路的輸入、輸出接頭，這時就要考量，以方便使用者的操作。就以利用可變電阻調整音量大小來說好了，如果每次都要利用十字起子來調整，實在不方便，當然要改成旋鈕的方式。
由以下的電路板可看出，學生當初用了兩塊萬用板（一大一小），以下本人只用了一塊就搞定。而元件的擺放，如果空間還夠，我們甚至還可以參考原電路圖的位置來擺放，如此更能方便未來測試或修改了。例如以下每一個方塊IC，代表一個OPA，則周圍的電阻，電容，對照原電路圖，真的能立即讓人了解其功能及意義了！
圖5 電路板銲接完成（正面）
以下是上述電路板的反面。哈！本人可是把此電路，當作一個藝術品來實現囉。彩色的線，是不是比較賞心悅目呀！隨便透露一點吧！紅色表+5V，黃色表0V，那橙色呢？自然是表 “Virtual Ground” 電壓值囉！ ^_^
圖6 電路板銲接完成（反面）
以上三個步驟，常常是要反覆執行的，這也是做實做辛苦的地方！
結語：一定要對每一個元件，了解其原理特性。一定要對每一個小電路方塊，了解其功能，以及對於每一個接點，必須了解正確的訊號長相或電壓位準，如此對電路完全理解，才有能力進行除錯呀！例如本人實測時，甚至發現銲接不良，造成訊號不正確的情形，這才回憶起過去的銲接經驗。
又如前所述，本專題的訊號輸出是要與「電腦音效卡的訊號輸出」相容，此時如果不親自量測音效卡輸出訊號，不去了解一般音源的「兩個聲道」，又如何能善用之？（一般我們聽mp3音樂，輸出是幾個聲道呢？訊號位準範圍？音源插孔與聲道的關係如何？）
以上簡要說明，僅供參考，最後想到兩句話：
1. 「如人飲水，冷暖自知」
2. 國父說：「無論哪一件事，只要從頭至尾徹底做成功，便是大事」。 ^_^
《附錄》 2011.08.13 完成圖5、圖6電路之更新，結果見圖7、圖8。讀者比較電路更新前後，可發現主要更新內容為：
1. 電源輸入接頭及加入電源指示LED燈（見電路板右上方）
2. 對兩組訊號源，各自再加入一階濾波放大電源。（見電路板中間位置，原本一階，則成為兩階）
圖7 電路板更新（正面）
圖8 電路板更新（反面）
下圖為第一組訊號源，輸入心音訊號，經一階濾波放大及二階濾波放大之比較，讀者大概可以看出後者的訊號更大又更平滑了。
圖9 心音訊號經一階濾波放大（上）及二階濾波放大（下）之比較
圖10則為第二組訊號源，輸入聲音訊號，經一階濾波放大及二階濾波放大之比較。
圖10 聲音訊號經一階濾波放大（上）及二階濾波放大（下）之比較
別看小小的更新，可又要花費不少眼力及時間。一旦接錯，又要經過一番儀器測試，找出錯誤點，再利用吸錫器將銲錫吸出，再重新接線，可真是考驗一個人的耐心也！哈！好在此電路僅利用小電源，還不易將元件、IC燒毀，否則更是麻煩了！最後誠心地祝福同好吉祥如意！ ^_^
2011.08.16 又將電路做修改，主要將兩個音源訊號進行合併，此緣自本系 王啟州教授的敏銳耳朵，讓本人事後查證出之前的音效卡輸出訊號量測，本人接線錯誤，造成誤解！哈！特此記錄，特別感謝 王啟州教授囉！ ^_^