Высокочувствительные микрофоны с малошумящими усилителями НЧ


Рассмотрены схемы и конструкции высокочувствительных микрофонов в комплексе с самодельными малошумящими усилителями низкой частоты (УНЧ).

Конструирование чувствительного и малошумящего усилителя (УНЧ) имеет свои особенности. Наибольшее влияние на качество воспроизведения звуков и разборчивость речи оказывают амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя, уровень его шумов, параметры микрофона (АЧХ, диаграмма направленности, чувствительность и т.д.) или заменяющих его датчиков, а также их взаимная согласованность с усилителем. Усилитель должен иметь достаточное усиление.

При использовании микрофона - это 60дб-80дб, т.е. 1000-10000 раз. Учитывая особенности приема полезного сигнала и его низкую величину в условиях сравнительно значительного уровня помех, которые существуют всегда, целесообразно в конструкции усилителя предусмотреть возможность коррекции АХЧ, те. частотной селекции обрабатываемого сигнала.

При этом необходимо учитывать, что наиболее информативный участок звукового диапазона сосредоточен в полосе от 300 Гц до 3-3.5 кГц. Правда, иногда с целью уменьшения помех эту полосу сокращают еще больше. Использование полосового фильтра в составе усилителя позволяет значительно увеличить дальность прослушивания (в 2 и более раз).

Еще большей дальности можно достичь использованием в составе УНЧ селективных фильтров с высокой добротностью, позволяющих выделять или подавлять сигнал на определенных частотах. Это дает возможность значительно повысить соотношение сигнал/шум.

Элементарная база

Современная элементная база позволяет создавать качественные УНЧ на основе малошумящих операционных усилителей (ОУ), например, К548УН1, К548УН2, К548УНЗ, КР140УД12, КР140УД20 и т.д.

Однако, несмотря широкую номенклатуру специализированных микросхем и ОУ, и их высокие параметры, УНЧ на транзисторах в настоящее время не потеряли своего значения. Использование современных, малошумящих транзисторов, особенно в первом каскаде, позволяет создать оптимальные по параметрам и сложности усилители : малошумящие, компактные, экономичные, рассчитанные на низковольтное питание. Поэтому транзисторные УНЧ часто оказываются хорошей альтернативой усилителям на интегральных микросхемах.

Для минимизации уровня шумов в усилителях, особенно в первых каскадах, целесообразно использовать высококачественные элементы. К таким элементам относятся малошумящие биполярные транзисторы с высоким коэффициентом усиления, например, КТ3102, КТ3107. Однако в зависимости от назначения УНЧ используются и полевые транзисторы.

Большое значение играют и параметры остальных элементов. В малошумящих каскадах электронных схем используют оксидные конденсаторы К53-1, К53-14, К50-35 и т. п., неполярные - КМ6, МБМ и т. п., резисторы - не хуже традиционных 5% МЛТ-0.25 и МЛ Т-0.125, лучший вариант резисторов - проволочные, безиндуктивные резисторы.

Входное сопротивление УНЧ должно соответствовать сопротивлению источника сигнала - микрофона или заменяющего его датчика. Обычно входное сопротивление УНЧ стараются сделать равным (или немного больше) сопротивлению источника-преобразователя сигнала на основных частотах.

Для минимизации электрических помех целесообразно для подключения микрофона к УНЧ использовать экранированные провода минимальной длины. Электретный микрофон МЭК-3 рекомендуется монтировать непосредственно на плате первого каскада микрофонного усилителя.

При необходимости значительного удаления микрофона от УНЧ следует использовать усилитель с дифференциальным входом, а подключение осуществлять витой парой проводов в экране. Экран подключается к схеме в одной точке общего провода максимально близко к первому ОУ. Это обеспечивает минимизацию уровня наведенных в проводах электрических помех.

Малошумящий УНЧ для микрофона на К548УН1А

На рисунке 1 представлен пример УНЧ на основе специализированной микросхемы - ИС К548УН1А, содержащей 2 малошумящих ОУ. ОУ и УНЧ, созданный на базе этих ОУ (ИС К548УН1А), рассчитаны на однополярное напряжение питания 9В - ЗОВ. В приведенной схеме УНЧ первый ОУ включен в варианте, который обеспечивает минимальный уровень шумов ОУ.

Схема УНЧ на ОУ К548УН1А и варианты подключения микрофонов

Рис. 1. Схема УНЧ на ОУ К548УН1А и варианты подключения микрофонов: а - УНЧ на ОУ К548УН1А, б - подключение динамического микрофона, в - подключение электретного микрофона, г - подключение удаленного микрофона.

Элементы для схемы на рисунке 1 :

  • R1 =240-510, R2=2.4к, R3=24к-51к (подстройка усиления),
  • R4=3к-10к, R5=1к-3к, R6=240к, R7=20к-100к (подстройка усиления), R8=10; R9=820-1.6к (для 9В);
  • С1 =0.2-0.47, С2=10мкФ-50мкФ, С3=0.1, С4=4.7мкФ-50мкФ,
  • С5=4.7мкФ-50мкФ, С6=10мкФ-50мкФ, С7=10мкФ-50мкФ, С8=0.1-0.47, С9=100мкФ-500мкФ;
  • ОУ 1 и 2 - ОУ ИС К548УН1А (Б), два ОУ в одном корпусе ИС;
  • Т1, Т2 - КТ315, КТ361 или КТ3102, КТ3107 или аналогичные;
  • D1 - стабилитрон, например, КС133, можно использовать светодиод в обычном включении, например, АЛ307;
  • М - МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в),
  • Т - ТМ-2А .

Выходные транзисторы данной схемы УНЧ работают без начального смещения (с Iпокоя=0). Искажения типа “ступенька" практически отсутствуют благодаря глубокой отрицательной обратной связи, охватывающей второй ОУ микросхемы и выходные транзисторы. При необходимости изменения режима выходных транзисторов (Iпокоя=0) схему необходимо соответствующим образом откорректировать: включить в схему резистор или диоды между базами Т1 и Т2, два резистора по 3-5к с баз транзисторов на общий провод и провод питания.

Кстати, в УНЧ в двухтактных выходных каскадах без начального смещения хорошо работают уже устаревшие германиевые транзисторы. Это позволяет использовать с такой структурой выходного каскада ОУ с относительно низкой скоростью нарастания выходного напряжения без опасности возникновения искажений, связанных с нулевым током покоя. Для исключения опасности возбуждения усилителя на высоких частотах используется конденсатор C3, подключенный рядом с ОУ, и цепочка R8С8 на выходе УНЧ (достаточно часто RC на выходе усилителя можно исключить).

Малошумящий микрофонный УНЧ на транзисторах

На рисунке 2 представлен пример схемы УНЧ на транзисторах. В первых каскадах транзисторы работают в режиме микротоков, что обеспечивает минимизацию внутренних шумов УНЧ. Здесь целесообразно использовать транзисторы с большим коэффициентом усиления, но малым обратным током.

Это могут быть, например, 159НТ1В (Iк0=20нА) или КТ3102 (Iк0=50нА), или аналогичные.

Схема УНЧ на транзисторах и варианты подключения микрофонов

Рис. 2. Схема УНЧ на транзисторах и варианты подключения микрофонов: а УНЧ на транзисторах, б - подключение динамического микрофона, в - подключение электретного микрофона, г - подключение удаленного микрофона.

Элементы для схемы на рисунке 2 :

  • R1=43к-51к, R2=510к (подстройка, Uкт2=1.2В-1,8В),
  • R3=5.6к-6.8к (регулятор громкости), R4=3к, R5=750,
  • R6=150к, R7=150к, R8=33к; R9=820-1.2к, R10=200-330,
  • R11=100к (подстройка, Uэт5=Uэт6=1.5В),
  • R12=1 к (подстройка тока покоя Т5 и Т6, 1-2 мА);
  • С1=10мкФ-50мкФ, С2=0.15мкФ-1мкФ, С3=1800,
  • С4=10мкФ-20мкФ, С5=1мкФ, С6=10мкФ-50мкФ, С7=100мкФ-500мкФ;
  • Т1, Т2, Т3 -159НТ1 В, КТ3102Е или аналогичные,
  • Т4, Т5 - КТ315 или аналогичные, но можно и МП38А,
  • Т6 - КТ361 или аналогичные, но можно и МП42Б;
  • М - МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в),
  • Т - ТМ-2А.

Использование подобных транзисторов позволяет обеспечить не только устойчивую работу транзисторов при малых коллекторных токах, но и достичь хороших усилительных характеристик при низком уровне шумов.

Выходные транзисторы могут использоваться как кремниевые (КТ315 и КТ361, КТ3102 и КТ3107, и т.п.), так и германиевые (МП38А и МП42Б и т.п.). Настройка схемы сводится к установке резистором R2 и резистором RЗ соответствующих напряжений на транзисторах: 1,5В - на коллекторе Т2 и 1,5В - на эмиттерах Т5 и Т6.

Микрофонный усилитель на ОУ с дифференциальным входом

На рисунке 3 представлен пример УНЧ на ОУ с дифференциальным входом. Правильно собранный и настроенный УНЧ обеспечивает значительное подавление синфазной помехи (60 дб и более). Это обеспечивает выделение полезного сигнала при значительном уровне синфазных помех.

Следует напомнить, что синфазная помеха - помеха, поступающая в равных фазах на оба входа ОУ УНЧ, например, помеха, наведенная на оба сигнальных провода от микрофона. Для обеспечения корректной работы дифференциального каскада необходимо точно выполнить условие: R1 =R2, R3=R4.

Схема УНЧ на ОУ с дифференциальным входом и варианты подключения микрофонов

Рис.3. Схема УНЧ на ОУ с дифференциальным входом и варианты подключения микрофонов : а - УНЧ с дифференциальным входом, б - подключение динамического микрофона, в - подключение электретного микрофона, г - подключение удаленного микрофона.

Элементы для схемы на рисунке 3:

  • R1=R2=20к (равно или немного выше максимального сопротивления источника в рабочем диапазоне частот),
  • RЗ=R4=1м-2м; R5=2к-10к, R6=1к-Зк,
  • R7=47к-300к (подстройка усиления, К=1+R7/R6), R8=10, R9=1,2к-2.4к;
  • C1=0.1-0.22, C2=0.1-0.22, C3=4.7мкФ-20мкФ, C4=0.1;
  • ОУ - КР1407УД2, КР140УД20, КР1401УД2Б, К140УД8 или другие ОУ в типовом включении, желательно с внутренней коррекцией;
  • Т1, Т2 - КТ3102, КТ3107 или КТ315, КТ361, или аналогичные;
  • D1 - стабилитрон, например, КС133, можно использовать светодиод в обычном включении, например, АЛ307;
  • М - МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в),
  • Т - ТМ-2А .

Резисторы целесообразно подобрать с помощью омметра среди 1%-резисторов с хорошей температурной стабильностью. Для обеспечения необходимого баланса рекомендуется один из четырех резисторов (например, R2 или R4) выполнить переменным. Это может быть высокоточный переменный резистор-подстроечник с внутренним редуктором.

Для минимизации шумов входное сопротивление УНЧ (значения резисторов R1 и R2) должно соответствовать сопротивлению микрофона или заменяющего его датчика. Выходные транзисторы УНЧ работают без начального смещения (с 1покоя=0). Искажения типа "ступенька” практически отсутствуют благодаря глубокой отрицательной обратной связи, охватывающей второй ОУ и выходные транзисторы. При необходимости схему включения транзисторов можно изменить.

Настройка дифференциального каскада: подать синусоидальный сигнал 50 Гц на оба входа дифференциального канала одновременно, подбором величины RЗ или R4 обеспечить на выходе ОУ 1 нулевой уровень сигнала 50 Гц. Для настройки используется сигнал 50 Гц, т.к. электросеть частотой 50 Гц дает максимальный вклад в суммарную величину напряжения помехи. Хорошие резисторы и тщательная настройка позволяют достичь подавления синфазной помехи 60дб-80дб и более.

Для повышения устойчивости работы УНЧ целесообразно зашунтировать выводы питания ОУ конденсаторами и на выходе усилителя включить RC-целочку (как в схеме усилителя на рисунке 1). Для этой цели можно использовать конденсаторы КМ6.

Для подключения микрофона использована витая пара проводов в экране. Экран подключается к УНЧ (только в одной точке !!) максимально близко от входа ОУ.

Улучшеные усилители для чувствительных микрофонов

Применение в выходных каскадах УНЧ низкоскоростных ОУ и эксплуатация кремниевых транзисторов в усилителях мощности в режиме без начального смещения (ток покоя равен нулю - режим В) может, как это уже отмечалось выше, привести к переходным искажениям типа “ступенька”. В этом случае для исключения данных искажений целесообразно изменить структуру выходного каскада таким образом, чтобы выходные транзисторы работали с небольшим начальным током (режим АВ).

На рисунке 4 представлен пример подобной модернизации приведенной схемы усилителя с дифференциальным входом (рисунок 3).

Схема УНЧ на ОУ с дифференциальным входом и с низким уровнем искажений выходного каскада

Рис.4. Схема УНЧ на ОУ с дифференциальным входом и с низким уровнем искажений выходного каскада.

Элементы для схемы на рисунка 4 :

  • R1=R2=20к (равно или немного выше максимального сопротивления источника в рабочем диапазоне частот),
  • RЗ=R4=1м-2м; R5=2к-10к, R6=1к-Зк,
  • R7=47к-300к (подстройка усиления, К=1+R7/R6),
  • R8=10, R10=10к-20к,R11=10к-20к;
  • С1 =0.1-0.22, С2=0.1-0.22, C3=4.7мкФ-20мкФ, C4=0.1;
  • ОУ - К140УД8, КР1407УД2, КР140УД12, КР140УД20, КР1401УД2Б или другие ОУ в типовом включении и желательно с внутренней коррекцией;
  • Т1, Т2 - КТ3102, КТ3107 или КТ315, КТ361, или аналогичные;
  • D2, D3 - КД523 или аналогичные;
  • М - МД64, МД200, МЭК-3 или аналогичный (в),
  • Т - ТМ-2А .

На рисунке 5 представлен пример УНЧ на транзисторах. В первых каскадах транзисторы работают в режиме микротоков, что обеспечивает минимизацию шумов УНЧ. Схема во многом аналогична схеме на рисунке 2. Для увеличения доли полезного сигнала низкого уровня на фоне неизбежных помех в схему УНЧ включен полосовой фильтр, обеспечивающий выделение частот в полосе 300 Гц -3.5 кГц.

Схема УНЧ на транзисторах с полосовым фильтром и варианты подключения микрофонов

Рис.5. Схема УНЧ на транзисторах с полосовым фильтром и варианты подключения микрофонов: а - УНЧ с полосовым фильтром, б - подключение динамического микрофона, в - подключение электретного микрофона.

Элементы для схемы на рисунке 5 :

  • R1=43к-51к, R2=510к (подстройка, Uкт2=1.2В-1,8В),
  • R3=5.6к-6.8к (регулятор громкости), R4=3к, R5=8.2к,
  • R6=8.2к, R7=180, R8=750; R9=150к, R10=150к, R11=33к,
  • R12=620, R13=820-1,2к, R14=200-330,
  • R15=100к (подстройка, Uэт5=Uэт6=1.5В), R16=1 к (подстройка тока покоя Т5 и Т6, 1-2мА);
  • С1=10мкФ-50мкФ, С2=0.15-0.33, С3=1800,
  • С4=10мкФ-20мкФ, С5=0.022, С6=0.022,
  • С7=0.022, С8=1мкФ, С9=10мкФ-20мкФ, С10=100мкФ-500мкФ;
  • Т1, Т2, Т3 -159НТ1 В, КТ3102Е или аналогичные;
  • Т4, Т5 - КТ3102, КТ315 или аналогичные, но можно и устаревшие, германиевые транзисторы, например, МП38А,
  • Т6 - КТ3107 (если Т5 - КТ3102), КТ361 (если Т5 - КТ315) или аналогичные, но можно и устаревшие, германиевые транзисторы, например, МП42Б (если Т5 - МП38А);
  • М - МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в),
  • Т - ТМ-2А .

В данной схеме также целесообразно использовать транзисторы с большим коэффициентом усиления, но малым обратным током коллектора (Iк0), например, 159НТ1В (Iк0=20нА) или КТ3102 (Iк0=50нА), или аналогичные. Выходные транзисторы могут использоваться как кремниевые (КТ315 и КТ361, КТ3102 и КТ3107, и т.п.), так и германиевые (устаревшие транзисторы МП38А и МП42Б и т.п.).

Настройка схемы, как и в случае схемы УНЧ на рис.11.2, сводится к установке резистором R2 и резистором RЗ соответствующих напряжений на транзисторах Т2 и Т5, Т6: 1,5В - на коллекторе Т2 и 1,5В - на эмиттерах Т5 и Т6.

Конструкция микрофона

Из большого листа плотной бумаги с ворсом, под бархат, изготавливается труба диаметром 10-15 см и длиной 1.5-2 м. Ворс, как можно догадаться, конечно, должен быть не снаружи, а внутри. В один конец этой трубы вставляется чувствительный микрофон. Лучше если это будет хороший динамический или конденсаторный микрофон.

Однако можно воспользоваться и обычным, бытовым, микрофоном. Это может быть, например, динамический микрофон типа МД64, МД200 или даже миниатюрный МКЭ-3.

Правда, с бытовым микрофоном результат будет несколько хуже. Конечно, микрофон необходимо подключить с помощью экранированного кабеля к чувствительному усилителю с малым уровнем собственных шумов (рис.1 и 2). Если длина кабеля превышает 0.5 м, то лучше воспользоваться микрофонным усилителем, имеющим дифференциальный вход, например, УНЧ на ОУ (рис.

3).

Это позволит уменьшить синфазную составляющую помех - различного рода наводки от ближайших электромагнитных устройств, фон 50 Гц от сети 220 В и т. д. Теперь о втором конце данной бумажной трубы. Если этот свободный конец трубы направить на источник звука, например, на группу разговаривающих людей, то можно услышать речь. Казалось бы ничего особенного.

Именно для этого и существуют микрофоны. И труба для этого совершенно не нужна. Однако удивительно то, что расстояние до разговаривающих может быть значительным, например, 100 и более метров. И усилитель, и микрофон, снабженный такой трубой, позволяют все достаточно хорошо слышать на таком значительном удалении.

Расстояние может быть даже увеличено при использовании специальных селективных фильтров, позволяющих выделять или подавлять сигнал в узких полосах частот.

Это дает возможность повысить уровень полезного сигнала в условиях неизбежно существующих помех. В упрощенном варианте вместо спецфильтров можно применить полосовой фильтр в УНЧ (рис. 4) или воспользоваться обычным эквалайзером - многополосным регулятором тембра, в крайнем случае - традиционным, т.с. обычным, двухполосным, регулятором тембра НЧ и ВЧ.

Литература: Рудомедов Е.А., Рудометов В.Е - Электроника и шпионские страсти-3.


1 8921 Обработка голоса
высокочувствительный микрофон микрофонный усилитель
Комментарии (9):
#1 Александр Сентябрь 12 2019
+9

Возможно в схемах есть ошибки?
В на схемах 1 и 3, выходные транзисторы нужно включать по принципу как в 4-й?
При прохождении средины сигнала транзисторы не коротятся на питание?

#2 Seawar Сентябрь 14 2019
+7

Не коротяться. Кожне напівплече працює як емітерний повторювач без початкового зміщення (в режимі В). Одне підсилює позитивну напівхвилю, друге - негативну. При "проходженні середини сигналу" обидва транзистори закриті.

#3 Seawar Сентябрь 14 2019
+7

Недолік такої схеми (без зміщення) - нелінійне викривлення типу "сходинка", що виникає в районі малого сигналу в моменти відкриття/закриття транзисторів. Але в даних схемах це викривлення частково компенсується за рахунок глибокого негативного зворотнього зв"язку. В схемі 4 компенсація повніша, тому, що транзистори зміщені (трохи привідкриті), є ненульовий струм спокою (режим АВ підсилювача).

#4 Александр Компромистер Сентябрь 15 2019
+5

Вот, смотрю я на рисунок 4, и вижу, что эту схему можно переделать, включив резисторы R10, R11 продольно по питанию микросхемы (МС) А2, а транзисторами умощнить выходные транзисторы, имеющиеся в МС А2. Можно отказаться от резисторов R10, R11, управляя транзисторами с помощью изменения тока базы.

#5 Александр Компромистер Сентябрь 16 2019
+3

Ре: "вот, смотрю я на рисунок 4... " Но при этом транзисторы, мне видится, нужны одной проводимости (прямой или обратной), одной структуры (p-n-p или n-p-n, соответственно).

#6 Seawar Сентябрь 16 2019
+4

Це класична, мільйон разів перевірена схема двотактного повторювача, проста і геніальна, як граблі. Нема там чого переробляти.. Сміливо повторюйте - буде працювати.

#7 Александр Компромистер Сентябрь 17 2019
+3

А зачем два такта ? - Чтобы повысить выходную мощность? - Или чтобы чётные гармоники съелись?

#8 Seawar Сентябрь 17 2019
+2

Александр Компромистер, щоб підвищити коефіцієнт корисної дії (ккд). Зазвичай такі повторювачі працюють на потужне навантаження (динамік або низькоомні телефони), тож використовувати підсилювач класу "А" енергетично невигідно. Тому робиться підсилювач класу "В" або "АВ" окремо для кожної напівхвилі (щоб зберегти лінійність підсилення), а результат сумується на навантаженні..

#9 Seawar Сентябрь 17 2019
+1

Додам для кращого розуміння попереднього посту. Лінійність схеми - це здатність пропускати синусоїдальний сигнал без порушення форми.

Оставить комментарий:

cashback