Схемы микрофонных усилителей: особенности конструкции и применения

Основные элементы схемы:

• ОУ — операционный усилитель (например, OPA604)
• R1, R2 — резисторы обратной связи, задающие коэффициент усиления
• C1 — входной разделительный конденсатор
• C2 — выходной разделительный конденсатор

Коэффициент усиления определяется соотношением R2/R1. Типичные значения: R1 = 1 кОм, R2 = 100 кОм, что дает усиление 100 раз (40 дБ).

Питание микрофонного усилителя

Качество питания критически важно для работы микрофонного усилителя. Основные требования:

• Стабильное напряжение без пульсаций
• Гальваническая развязка от сети
• Двуполярное питание ±12В или ±15В для ОУ
• Фильтрация высокочастотных помех

Оптимальный вариант — использование линейного стабилизированного блока питания с трансформаторной развязкой от сети. Импульсные блоки питания могут вносить дополнительные шумы.

Практические советы по сборке микрофонного усилителя

Несколько рекомендаций для самостоятельной сборки микрофонного усилителя:

• Используйте качественные компоненты с малыми допусками
• Применяйте короткие сигнальные линии
• Разделяйте аналоговые и цифровые цепи
• Обеспечьте хорошее экранирование
• Используйте металлический корпус и заземление
• Тщательно разводите печатную плату

При соблюдении этих рекомендаций можно собрать вполне качественный микрофонный усилитель в домашних условиях.

Применение микрофонных усилителей

Микрофонные усилители находят широкое применение в различных областях:

• Студийная звукозапись
• Концертное оборудование
• Системы оповещения
• Радио- и телевещание
• Видеосъемка
• Компьютерные аудиоинтерфейсы
• Измерительное оборудование

В каждом конкретном применении к микрофонным усилителям предъявляются свои специфические требования по шумам, искажениям, динамическому диапазону и другим параметрам.

Многоканальные микрофонные усилители

Для профессиональных применений часто требуются многоканальные микрофонные усилители. Они позволяют одновременно работать с несколькими микрофонами. Основные особенности таких устройств:

• Независимая регулировка усиления по каналам
• Индикация уровня сигнала
• Фантомное питание для конденсаторных микрофонов
• Переключаемые фильтры и аттенюаторы
• Балансные входы и выходы

Многоканальные микрофонные усилители часто выполняются в виде отдельных блоков для монтажа в стойку. Они широко используются в студиях и на концертных площадках.

Заключение

Микрофонный усилитель является важным элементом любого звукового тракта. Правильно спроектированный и собранный усилитель позволяет раскрыть потенциал микрофона и получить качественный звук без искажений и шумов. При разработке микрофонных усилителей необходимо уделять внимание согласованию входных цепей, выбору качественных компонентов и тщательной компоновке.

Схема микрофонного усилителя на ОУ для своей домашней студии звукозаписи

 Схема микрофонного усилителя, описанного в данной статье имеет два маленьких секрета, которые позволяют делать запись вокала в своей собственной домашней студии звукозаписи практически с таким же качеством, как и в дорогой, профессиональной студии.

Но обо всём — по порядку.

Микрофон для домашней студии

Простое и очень эффективное решение для записи голоса или вокала в своей домашней студии звукозаписи — это применение динамического кардиоидного микрофона. И вот почему:

•    Во-первых, Вам не нужно будет принимать специальные меры по шумоизоляции квартиры;
• Во-вторых, Вам не нужно будет звукоизолировать тыловое пространство за микрофоном для избавления от реверберации комнаты, так как динамический кардиоидный микрофон хорошо подавляет боковые и тыловые звуки;
• В-третьих, Вам не надо будет организовывать дополнительное питание как в случае с конденсаторным микрофоном.

Для нашей цели идеально подойдёт микрофон типа Shure sm58 или ему подобный. Например, у меня долгие годы идеально работает микрофон Beyerdynamic Opus39s.

Конечно, для записи голоса существует большое число самых разных решений. Например, Вы можете специально для записи вокала сделать хорошую шумоизоляцию квартиры, приобрести дорогой конденсаторный микрофон с большой мембраной, но это решение уже не такое простое и в разы дороже. Кроме того, микрофонный усилитель для конденсаторного микрофона понадобится немного другой, и об этом мы поговорим в другой статье.

Купить или сделать своими руками?

У микрофонного предусилителя, сделанного своими руками есть три основных преимущества перед теми моделями, которые можно купить в соответствующем магазине:

1. Цена.
2. Идеальная адаптация под конкретную задачу. 
3. Качество звука.

Цена

Итак, цена готового изделия, продаваемого в магазине, кроме стоимости комплектующих компонентов, включает в себя плату за бренд, компенсацию рекламных расходов и прибыль, которую получают все: изготовитель, оптовый и розничный продавцы, плюс транспортные расходы. Вот и получается, что в покупном усилителе один только корпус будет стоить дороже, чем весь микрофонный усилитель, сделанный вручную.

Кроме того, существует целый ряд потребительских качеств, которым обязательно следуют практически все изготовители, чтобы достичь определённой универсальности для возможных применений микрофонных предусилителей. Ведь перед разработчиками стоит задача добиться максимальной совместимости со всеми возможными микрофонами и тем оборудованием, с которым он должен будет работать.

Это приводит к тому, что схема микрофонного усилителя приобретает существенную избыточность в виде различных режимов работы, защиты, регуляторов и индикаторов. И чем больше деталей в устройстве, тем большее влияние они оказывают на качество звука, причём не в лучшую сторону.

Адаптация под конкретную задачу

Но в домашней студии звукозаписи микрофонный усилитель обычно работает с одним конкретным микрофоном, в стационарных условиях, и выполняет всегда одну и ту же задачу. А это значит, что большинство универсальных возможностей покупного преампа нам просто не нужны. Но мы можем сосредоточиться на максимальном качестве именно того, что нам нужно, идеально адаптировав собственную конструкцию под конкретную задачу.

Качество звука

Чем отличается хороший микрофонный усилитель для записи вокала от обычного? В первую очередь тем, что хороший предусилитель не вносит в звук собственных артефактов и искажений, и в то же время создаёт для микрофона самое оптимальное согласование для получения максимально возможного качества преобразование звука в электрический сигнал.

Услышать это на слух при обычной проверке затруднительно. Чтобы оценить качество микрофонного усилителя, с ним нужно поработать в реальных условиях, применяя к уже записанному с помощью него вокалу самые различные обработки. Особенно сильно все недостатки проявляются при больших уровнях компрессии и попытках поместить вокал в плотный микс.

Качество звука современных микрофонных предусилителей, особенно брендовых марок, как правило, особых нареканий не вызывает. Но естественное стремление изготовителей максимально удешевить изделие приводит к тому, что формально все характеристики соответствуют заявленным, но компоненты могут быть недорогими, чисто из маркетинговой целесообразности.

Причём проверить, из чего сделан готовый предусилитель, пока Вы его не купили, далеко не всегда возможно.

Так что пока Вы не купите преамп и не поработаете с ним как следует, качество его Вы не оцените. А вот в собственную конструкцию довольно легко можно внести изменения, если что-то не понравится.

И ещё.

Что делать не стоит

Что для своей домашней студии звукозаписи точно не нужно, так это микрофонные усилители с каким-нибудь «особым» звуком, так часто рекламируемым многими изготовителями. Это удел более крупных бюджетов для особых случаев.

На практике специфическая окраска звука крайне редко нужна, а вот избавиться от неё, если она присутствует, очень сложно. Да и возможностей современной DAW — digital audio workstation вполне достаточно для того, чтобы уже при звукорежиссуре придать звуку любую окраску.

Схема микрофонного усилителя на ОУ

Схема микрофонного усилителя представлена на рисунке. Два секрета, о которых было написано вначале статьи, — это согласование микрофона и микрофонного усилителя и схема самого операционного усилителя. 

Согласование

Входное сопротивление этой схемы микрофонного предусилителя значительно ниже общепринятых стандартов. Из общей теории электротехники нам известно, что максимальная передача мощности между генератором и нагрузкой происходит при равенстве их сопротивлений. Вот и не будем это нарушать, обеспечив входное сопротивление микрофонного усилителя равным сопротивлению микрофона. При этом никаких переходных конденсаторов мы применять не будем, чтобы не вносить в девственно чистый сигнал асимметрию, фазовые сдвиги и дополнительные источники искажений.

Для избавления от всевозможных помех, в том числе и помех от мобильных телефонов, нам понадобится симметричное подключение микрофона, а значит, у микрофонного усилителя должен быть симметричный вход.

Дифференциальный усилитель, специально спроектированный для таких включений, — это обыкновенный операционный усилитель. Вход здесь симметричный дифференциальный с распределённым входным сопротивлением 600 ом. Резистор R2 3 ом особого значения не имеет, он стоит скорее для корректного изображения дифференциального усилителя.

Подключать можно любой ДИНАМИЧЕСКИЙ микрофон. Но чем качественнее, тем лучше. Обычно сопротивление такого микрофона от 200 до 600 ом, и для чистоты идеи Вы можете сделать сумму R1+R3 равной сопротивлению микрофона (при R1=R3).

Самое главное, что такое включение, благодаря демпфированию подвижной системы микрофона, устраняет окраску звука паразитными резонансами самого микрофона, позволяя получать чистый, ровный звук. Потом, при обработке вокала, можете делать со звуком всё, что угодно. Он податлив, с ним не надо воевать, устраняя всякие призвуки.

Кроме того, помехозащищённость низкоомного входа просто великолепна! Мне приходилось записывать без проблем вокал в комнате, где находилось одновременно более 20-ти мобильных телефонов!

Здесь следует обратить внимание на то, что согласование по-книжному — это как раз измерение параметров и шумов в первую очередь. Нас же шумы не волнуют никак. При использовании ОУ с показателями до 10nV/√Hz про шумы можно забыть. Шумы не мешали жить даже при использовании ОУ TL071, у которого шумы составляют 18nV/√Hz. В реальной работе шум помещения больше, и всё зависит от мастерства звукорежиссёра.

Зато TL071 очень даже хорошо звучит, в отличии от общепризнанной NE5534.

Схема операционного усилителя

Второй секрет этой конструкции — это схема самого операционного усилителя, оказывающая очень большое влияние на звучание.

В этом микрофонном усилителе используется микросхема OPA604.

Самый лучший звук — это когда о звуке не думаешь вовсе, думая лишь о голосе и о музыке. Вот это происходит с OPA604.

Она настолько прозрачна — что даже при самых диких уровнях компрессии никакие артефакты не вылезают.

А секрет, очевидно, в том, что OPA604 — ОДНОКАСКАДНЫЙ операционный усилитель, специально разработанный для профессиональных звуковых применений. (OPA604 PDF) Количество каскадов напрямую влияет на переходную характеристику и на звук в целом. Причём обратно пропорционально. Чем больше каскадов — тем лучше объективные характеристики, а звук хуже.

Осталось дополнить схему микрофонного усилителя регулятором коэффициента усиления, и снабдить весь усилитель нормальным чистым питанием.

Итак, регулятор усиления помещаем в цепь обратной связи. Такое включение позволяет сохранить нулевое выходное сопротивление микрофонного усилителя, благодаря чему практически устраняется влияние на звук соединительного кабеля от преампа до компьютера.

Для организации питания есть изумительный стабилизатор напряжения TL431. Абсолютно чистый, с дифференциальным сопротивлением около 0,2ом. Мне он очень нравится. С ним не бывает проблем. Поставил и забыл.

Вот и всё, схема готова.

Разъёмы я поставил — обыкновенные «джеки», хотя XLR на входе — правильнее.

Корпус — без особых требований. Благодаря симметричному входу, компактности монтажа и низкоомной обвязке, усилитель не нуждается в тщательном экранировании.

Осталось этот микрофонный усилитель спаять, включить и забыть о том, что когда-то была проблема получения качественного звука от микрофона в своей собственной домашней студии звукозаписи.

Сергей Шевгота 
 

Схема микрофонного предусилителя с микшером (КР140УД608)

Принципиальная схема не сложного самодельного микрофонного предусилителя с микшированием двух сигналов в один. Существует довольно много аудиоустройств, имеющих только один линейный вход.Либо линейный и микрофонный входы, но переключаемые, так что работать одновременно с двумя входами невозможно. Это накладывает определенные ограничения и создает неудобства.

На рисунке показана схема микрофонного усилителя — микшера. Он включается по ходу движения сигнала на линейный вход потребителя от линейного выхода источника, и в сигнал, поступающий на потребитель добавляет сигнал от стереомикрофона. Например, между CD-плеером и усилителем можно включить этот микрофонный усилитель и подключить к нему стереофонический микрофон.

Принципиальная схема

И в музыкальный сигнал, поступающий от CD-плеера добавить голос певца или диктора. В схеме имеется регулятор уровня сигнала микрофона, которым можно плавно сделать вставку речевого сигнала с нарастанием звука, выбрать оптимальный уровень речевого сигнал над музыкальным. Микрофонный усилитель выполнен в виде самостоятельного узла, питающегося от источника постоянного тока напряжением от 9 до 15V.

Рис. 1. Принципиальная схема самодельного микрофонного предусилителя-микшера на ОУ.

Стереомикрофон подключается к разъемам Х1 и Х2. Он состоит из двух электретных микрофонов. Питание на них поступает через резисторы R1 и R13. Эти же резисторы служат и нагрузками электретный микрофонов.

Следующий этап — усиление и установка уровня аудиосигнала, поступающего от микрофона. Этим занимаются операционные усилители А1 и АЗ. Любопытная особенность данной схемы в том, что регулировка уровня сигналов микрофона осуществляется не при помощи потенциометра, изменяющего напряжение, проходящее с микрофона, а при помощи цепей ООС операционных усилителей.

Достоинство такого решения в том, что не возникает излишнего усиления, и сигнал с выхода микрофона не ослабляется. А это значит, что меньше шумов, склонности к самовозбуждению и приему наводок и помех на вход усилителя, так как коэффициент передачи усилителя всегда установлен таким как нужен, без излишнего запаса.

Регулировка коэффициента передачи осуществляется с помощью двойного переменного резистора R3, секции которого включены между инверсными входами ОУ А1 и АЗ и их выходами. Вращая роторы этого переменного резистора мы одновременно регулируем глубину ООС усилителей, а значит, и регулируем их коэффициент передачи.

И так, сигнал от микрофона усилен, теперь его нужно ввести в линейный сигнал, поступающий от источника сигнала. Аудиосигнал от источника подается на разъем ХЗ. Здесь используется трехконтактныое гнездо для стереосигнала, но можно сделать два отдельных гнезда азиатского стандарта или установитъ гнездо типа СГ, все зависит от конструкции используемых кабелей.

В моем случае для подключения был использован кабель для подачи аудио* сигнала на компьютерную аудиокарту, потому и разъем ХЗ имеет такую конструкцию (аналогичную конструкцию имеет и выходной разъем Х4, что опять же, не критично).

Сигнал с линейного входа (ХЗ) поступает на инверсный вход ОУ А2 и А4 через резисторы R9 и R10. Туда же поступает и сигнал с выхода микрофонного усилителя, — через резисторы R4 и R16. Коэффициенты передачи усилителей на ОУ А2 и А4 установлен равным единице.

Эти каскады не усиливают сигнал, а осуществляют функции микшера, вводя сигнал от стереомикрофона в сигнал, поступающий от источника.

Конденсаторы C3, С5, С12 и С15 снижают усиление на ВЧ выше звукового спектра и снижают вероятность возникновения само-возбухщения по ВЧ. Данная схема питается однополярным напряжением.

Для того чтобы обеспечить работу операционных усилителей в схеме имеется источник «искусственной земли», который создает напряжение, равное половине напряжения питания, и подает его на прямые входы всех ОУ. Данный источник состоит из делителя напряжения питания на два, созданный на резисторах R11 и R12, а также, конденсаторах С8 и С9. исключающих появление в этой точке каких-то переменных напряжений, сигнала или помех.

Детали

В устройстве использованы наиболее распространенные и доступные на сегодняшний момент операционные усилители общего назначения, — КР140УД608. Практически это ОУ К140УД6 в пластмассовом корпусе DIP-8. Здесь можно использовать любые ОУ общего назначения или малошумящие, с соответствующими цепями коррекции, если такие цепи требуются конструкцией ОУ.

Кузянский Л. РК-2010-04.

Как собрать схему микрофонного усилителя

В этой статье мы рассмотрим, как собрать схему микрофонного усилителя на операционном усилителе LM324. Эту схему можно использовать в качестве хорошего предварительного усилителя для аудиопроектов.

Выбор ОУ

Основой схемы микрофонного усилителя является операционный усилитель LM324, состоящий из четырех операционных усилителей, залитых в одну ИС. Мы собираемся использовать один из них для нашего проекта. Читатели могут попробовать различные операционные усилители, такие как IC 741 и т. д. или IC LM321.

Микрофон — устройство, преобразующее звуковые волны в электрические сигналы. Но необработанного электрического сигнала с микрофона недостаточно для обработки сигналов для вашего проекта.

Типичный микрофон, используемый для хобби-проектов, может выдавать размах сигнала примерно 0,02 В, что недостаточно для обнаружения микросхемой или микроконтроллером. Для получения сигнала более высокого напряжения нам понадобится усилитель.

Коэффициент усиления операционного усилителя

Основное преимущество усилителя на основе операционного усилителя заключается в том, что мы можем регулировать коэффициент усиления, изменяя номиналы резисторов.

Усиление показанного усилителя определяется как:

Усиление=1+ (R2/R1)

Если мы подключаем наушники к выходу, нам нужен размах сигнала не менее 2 В, чтобы услышать разумное количество звука. Итак, нам нужно усилить данный сигнал не менее чем в 100 раз.

Выход = 0,02 В x 100 = 2 В

Величина или время, в которое вы собираетесь усилить входной сигнал, называется «усилением». Здесь коэффициент усиления равен 100. Это безразмерная величина, поэтому единицы измерения нет.

Дизайн:

Рекомендуется оставить значение R1 постоянным для начинающих и изменить значение R2 для регулировки усиления.

Здесь мы сохраняем значение R1 как 1 кОм и R2 как 100 кОм. Применяя формулу усиления, мы получаем 100 в результате.

Усиление = 1+ (100K/1K) = 101 (Усиление)

Так что, если вы собираетесь подключить что-то более мощное, например, небольшой динамик, нам может понадобиться еще больше увеличить усиление.

Всегда помните, из ничего нельзя получить что-то большее, поэтому нужно подать на вход достаточное напряжение.

Если вам нужно от пика до пика 10В, вам нужно подать как минимум 12В; в противном случае на выходе может произойти отсечение. Это может не дать хорошего и чистого звука.

Предлагаемая схема усилителя микрофона может усиливать входной сигнал в тысячи раз; это не означает, что вы можете управлять динамиком домашнего кинотеатра.

Эта схема может просто выводить ток в диапазоне мА. Если вам нужно управлять этими громоздкими динамиками, вам может потребоваться ток более 1 ампера.

Схема контактов:

Принципиальная схема:

Источником питания является дифференциальный источник питания, который состоит из двух 9-вольтовых батарей, соединенных с конденсаторами для плавного и бесшумного питания. Конденсатор 2,2 мкФ предназначен для устранения постоянного напряжения, попадающего на микросхему.

Резистор 4,7 кОм помогает питать микрофон. R1 и R2 — резисторы регулировки усиления, вы можете рассчитать свои значения. Конденсатор 2,2 мкФ на выходе служит для усечения постоянных составляющих.

Схема микрофонного усилителя на двух транзисторах

Кристаллические и высокоимпедансные динамические микрофоны, как правило, не позволяют использовать их с длинными проводами, за исключением случаев, когда используется определенный трансформатор связи. Это связано с тем, что фоновый шум и другие паразитные помехи могут попасть в линию. Но мини-трансформатор на самом деле может быть слишком дорогим, особенно когда требуется высокая точность воспроизведения.

Представленная ниже идея представляет собой технику, которая позволяет нам использовать предусилитель даже на больших расстояниях от источника музыки или речи. Этот предусилитель установлен со стороны микрофона и работает как трансформатор, согласующий импеданс (от высокого к низкому), и одновременно имеет удобный коэффициент усиления по напряжению.

Эта схема является нетрадиционной, поскольку питание для предварительного усилителя извлекается из основного усилителя мощности и подается через тот же общий коаксиальный динамический шнур.

ПИТАНИЕ ПРЕДУСИЛИТЕЛЯ

На следующем рисунке показаны основные рабочие детали конструкции.

Давайте сначала представим, что питание предусилителя поступает от основного блока усилителя мощности.

Резисторы Ra и Rb определяют напряжение, подаваемое на предварительный усилитель. Следовательно, когда предварительный усилитель потребляет ток 1 ампер, напряжение, поступающее на предварительный усилитель, можно рассчитать как

В предусилителя = Vs — I(Ra + Rb)

, где V — напряжение питания. Предварительный усилитель, описанный в этой статье, был создан для работы при напряжении питания 10 В.

Необходимый ток составляет 2 мА. Если принять во внимание, что отвод напряжения на основном усилителе равен Vs, а Ra сделать равным Rb, приведенное выше уравнение упрощается до

Ra = Rb = 250 (Vs — 10) Ом

. что этот особый подход к получению напряжения питания от основного усилителя должен применяться только с низковольтными транзисторными усилителями, имеющими максимальное напряжение отвода 50 В.

Прототип предназначался для усилителей, работающих от сети 20 В. Можно использовать любой аналогичный транзисторный усилитель с таким типом питания.

Значит если учесть питание усилителя 20В то

Ra = Rb = 2.5К или просто 2.2К, даже это значение не столь критично, но не ниже этого.

О компании Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем/печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными схемами и учебными пособиями.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете ответить через комментарии, я буду очень рад помочь!

Схема электретного микрофона

10 ноября 2022 г.

СУБАШИНИ

Несмотря на то, что на рынке доступно множество микрофонов MEMS, простым и доступным способом преобразования звукового сигнала в электрический сигнал (аудиосигнал) является внедрение в цепь электретного или угольного микрофона. Когда мы используем эти микрофоны, мы можем получить прямой аналоговый аудиовыход, а также лучшие характеристики направленности.

Электретный микрофон

Как мы знаем, электретный микрофон представляет собой тип микрофона на основе электростатического конденсатора, и для его работы требуется потенциал постоянного тока и блокирующий конденсатор постоянного тока на его выводе электрического звука. Мы разработали несколько компонентов схемы предусилителя для электретного микрофона. Следующая схема содержит два транзистора BC549 NPN, оба сконфигурированы в конфигурации с общим эмиттером. Транзистор Q2 стабилизирован, чтобы дать половину входного постоянного питания в качестве выхода, чтобы мы могли получить максимальные пиковые колебания выходного аудиосигнала.

Эта простая схема электретного микрофона предназначена для работы от источника питания постоянного тока от 6 до 30 В, но при использовании постоянного тока 12 В обеспечивает лучшее качество выходного сигнала. Если вы используете двухконтактный электретный микрофон, вы можете подключить клемму +Ve конденсатора C1 к клемме +Ve электретного микрофона вместе с R1. Здесь конденсатор C1 блокирует постоянный ток от микрофона и подает звук с низким уровнем искажений на базовую клемму Q1. Развязывающий конденсатор C2 на эмиттерной клемме Q1 обеспечивает высокое усиление на выходе, тогда как транзистор Q2 дает максимальный уровень выходного сигнала через эмиттерную клемму. C4 Конденсатор заземляет шумовой сигнал на выходе. Таким образом, мы получаем очень малошумящий выходной аудиосигнал.

Углеродный микрофонный предусилитель

Ручной микрофон в большинстве случаев использует угольный микрофон в качестве датчика, поскольку мы знаем, что угольный микрофон будет иметь фиксированный электрод, угольные гранулы и диафрагму. Когда звуковая или акустическая волна попадает на диафрагму, она вызывает вибрацию углеродных гранул, а неподвижный электрод преобразует эту вибрацию в электрический звуковой сигнал, при этом амплитуда звукового сигнала зависит от смещения, подаваемого на микрофон.