МИКРОФОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Микрофонные усилители предназначены для усиления слабых сигналов микрофона и согласования его с последующими усилительными каскадами звуковоспроизводящего тракта. Коэффициент усиления микрофонного усилителя выбирают таким образом, чтобы обеспечить на входе основного усилителя номинальный уровень напряжения от 200 до 400 мВ. При необходимости в микрофонный усилитель вводят частотную коррекцию, чтобы компенсировать неравномерность АЧХ используемого микрофона.
Особенностями микрофонного усилителя являются: работа при малых уровнях входного сигнала (номинальная ЭДС, развиваемая разными типами микрофонов, составляет 0,1... 0,8 мВ); совместная работа с источником сигнала, имеющим низкое внутреннее сопротивление (500 ... 2000 Ом), которое остается постоянным в широком диапазоне рабочих частот.
Основные сложности при разработке микрофонных усилителей связаны о достижением низкого уровня собственных шумов и минимальных нелинейных искажений. Формирование необходимой АЧХ особых трудностей не представляет.
Собственные (внутренние) шумы применяемых в высококачественной звуке-технике электростатических (конденсаторных) и электродинамических (ленточных) микрофонов незначительны. Так, шумы электродинамических микрофонов очень малы и, как правило, не нормируются. Конденсаторные микрофоны имеют сравнительно более высокий уровень шумов, обычно указываемый в паспорте микрофона. Но даже для конденсаторных микрофонов уровень собственных шумов не превышает нескольких микровольт. Поэтому важно, чтобы собственные шумы микрофонного усилителя были малы.
Как известно, для достижения малого уровня шумов на выходе усилителя необходимо уменьшать собственные шумы первого каскада и увеличивать полезный сигнал на его входе. Поскольку шумовые свойства усилительного каскада зависят от внутреннего сопротивления источника сигнала, при выборе режима работы транзистора в первом каскаде микрофонного усилителя необходимо учитывать внутреннее сопротивление микрофона.
Например, для транзи стора КТ3102 оптимальный коллекторный ток, при котором коэффициент шума минимален, составляет 100... 300 мкА при сопротивлении источника сигнала 1 кОм и 30... 60 мкА при сопротивлении 10... 100 кОм.
По рекомендации Международной Электротехнической Комиссии номинальное входное сопротивление микрофонного усилителя, обеспечивающее наилучшее отношение сигнал-шум на его выходе, равно утроенному сопротивлению микрофона (Rвх = 3Rмк). В описанных далее конструкциях входное сопротивление усилителя 3,3 кОм, что является компромиссным решением для различных типов применяемых микрофонов.
Номинальный диапазон частот микрофонного усилителя с учетом АЧХ используемого микрофона должен быть не хуже 20 Гц... 20 кГц при неравномерности ±2 дБ. Невзвешенное значение отношения сигнал-шум достаточно иметь примерно равным 60 дБ. Запас по перегрузочной способности (относительно номинальной чувствительности) должен быть не менее 30 дБ. Коэффициент гармоник в полосе частот должен составлять не более 0,1...0,2%. Автоматическая регулировка усиления, значительно сужающая динамический диапазон и используемая, как правило, в специальных усилителях (для усиления речи и т. п.), в рассматриваемых далее микрофонных усилителях не применяется.
Микрофонные усилители имеют следующие параметры:
максимальное входное напряжение [мВ] — наибольшее действующее значение синусоидального входного сигнала на частоте 1 кГц, при котором коэффициент гармоник выходного напряжения не превышает 0,5%;
максимальное выходное напряжение [В] — наибольшее действующее значение выходного напряжения на частоте 1 кГц при коэффициенте гармоник не более 0,5%;
перегрузочная способность, Кп [дБ] — отношение максимального входного напряжения к номинальному входному;
коэффициент гармоник [%] — наибольшее значение коэффициента нелинейных искажений выходного сигнала, измеряемое в полосе частот 20... 20 000 Гц при номинальном выходном напряжении;
отношение сигнал-шум (невзвешенное) [дБ] — отношение действующего значения номинального напряжения выходного синусоидального сигнала к действующему значению напряжения шума на выходе усилителя (измеряется без взвешивающих фильтров);
номинальный диапазон [Гц] — диапазон частот, внутри которого нормированная АЧХ усилителя имеет неравномерность не более ±1,5 дБ.
Для всех приводимых далее микрофонных усилителей номинальный уровень входных сигналов равен 1 мВ, выходное сопротивление не превышает 1 кОм, что обеспечивает хорошее их согласование с узлами, описанными далее,
Микрофонный усилитель на микросхеме К548УН1. Наиболее просто требуемые характеристики микрофонного усилителя можно реализовать на основе микросхем. Специально спроектированная для звуковой техники микросхема К548УН1 позволяет легко получить требуемые параметры при небольшом числе внешних элементов. Микрофонный усилитель на этой микросхеме имеет следующие основные технические характеристики:
Входное напряжение:
номинальное............ 1 мВ
максимальное............ 30 мВ
Выходное напряжение:
номинальное............ 200 мВ
максимальное............ 6000 мВ
Перегрузочная способность, не менее ...... 30 дБ
Коэффициент гармоник, не более....... 0,2%
Отношение сигнал-шум (невзвешенное)..... 60 дБ
Номинальный диапазон частот........ 20 ... 20 000 Гц
Напряжение питания........... 24 В
Ток потребления............ 10 мА
Схема одного канала этого усилителя приведена на рис. 31. Микросхема DA1 включена по схеме неинвертирующего усилителя. Отрицательная обратная связь по постоянному току (через резисторы R3, R4) определяет режим работы микросхемы. Усиление по переменному току определяется соотношением резисторов R2 и R4. Для уменьшения уровня шума (примерно в 1,4 раза) используется только один из транзисторов входного дифференциального каскада
микросхемы, база второго (вывод 2 микросхемы DA1) соединена с общим проводом.
Конденсаторы С1 и С4 служат для развязки по постоянному току источника сигнала и нагрузки, С5 устраняет паразитную связь по цепи питания.
Микрофонный усилитель собран на унифицированной мон тажной плате методом объемного монтажа. В устройстве используют резисторы МЛТ-0,125, конденсаторы КМ-4, КМ-б, К50-6. Чертеж унифицированной монтажной платы приведен на рис. 32.
Рис. 31. Принципиальная схема микрофонного усилителя на микросхеме К548УН1
Рис. 32. Чертеж унифицированной монтажной платы
Для проверки усилителя необходим стабилизированный источник питания с выходным напряжением 24 В, обеспечивающий ток в нагрузке не менее 15 мА, Если монтаж выполнен правильно, а детали исправны, усилитель работает практически без настройки.
Микрофонный усилитель на микросхеме К153УД2. При отсутствии специальных микросхем (К548УН1А, К157УЛ1) для микрофонного усилителя вполне можно использовать ОУ на микросхеме К153УД2 общего применения. При этом ухудшится только отношение сигнал-шум, а остальные параметры останутся практически без изменений или даже несколько улучшатся.
Такой микрофонный усилитель имеет следующие основные технические характеристики:
Входное напряжение:
номинальное............ It5 мВ
максимальное............ 3000 мВ
Выходное напряжение:
номинальное............ 220 мВ
максимальное............ 9000 мВ
Перегрузочная способность, не менее...... 66 дБ
Коэффициент гармоник, не более....... О gg%
Отношение сигнал-шум (невзвешенное)...... 55 дБ
Номинальный диапазон частот........ 20... 20 000 Гц
Напряжение питания.......... ± l5 В
Ток потребления............ J2 мА
На рис. 33 показан усилитель, включенный по схеме инвертирующего усилителя. Неинвертирующий вход (вывод 3) микросхемы DA1 подключен к общему проводу, а на инвертирующий (вывод 2} подается ООС, раздельно по постоянному и переменному токам. Отрицательная обратная связь по постоянному току (через резистор R4) стабилизирует рабочую точку усилителя. Регулируемая ООС по переменному току (цепь R3, С2) обеспечивает нормальное функционирование усилителя, предохраняет его от перегрузки по входу.
Если движок резистора R3 находится в крайнем левом по схеме положении, входное напряжение может достигать 3 В и при этом еще не наступает ограничение сигнала на выходе. При максимальном усилении (движок R3 в крайнем правом положении) ограничение выходного напряжения наступает при входном напряжении около 20 мВ.
Конденсаторы С1 и С4 обеспечивают развязку по постоянному току на входе и выходе узла, С5 и С6 устраняют паразитную связь по цепи питания.
Для монтажа микрофонного усилителя использованы унифицированная монтажная плата (см. рис. 32), резисторы МЛТ-0,125, СПЗ-12 или СПЗ-23 {R3), конденсаторы КМ-4, КМ-б, К53-1.
Рис. 33. Принципиальная схема микрофонного усилителя на микросхеме К153УД2
Вместо микросхемы К.153УД2 можно использовать и другие ОУ общего применения с соответствующими цепями коррекции (К153УД1, К.140УД7, К140УД8 и т. п.).
Для работы усилителя необходим стабилизированный двухполярный источник питания с напряжением +15 В, обеспечивающий ток в нагрузке не менее 15 мА. При правильно выполненном монтаже и исправных деталях узел работает без настройки.
Микрофонный усилитель на ОУ с малошумящим транзистором на входе. На ОУ общего применения можно создать микрофонный усилитель, не уступающий по параметрам усилителю, построенному на базе специализированной микросхемы. Однако шумовые свойства такого усилителя получаются невысокими. Для уменьшения уровня шума, как и в случае предусилителя-корректо-ра, на входе микросхемы можно установить малошумящий транзистор.
Микрофонный усилитель, сочетающий усилительные возможности ОУ и шумовые характеристики дискретного транзистора, приведен на рис. 34. Он имеет следующие основные технические характеристики:
Входное напряжение:
номинальное............ 1 мВ
максимальное............ 45 мВ
Выходное напряжение:
номинальное . . . ......... 200 мВ
максимальное............ 9000 мВ
Перегрузочная способность, не менее...... 33 дБ
Коэффициент гармоник, не более ....... 0,06%
Отношение сигнал-шум (невзвешенное)..... 6G дБ
Номинальный диапазон частот........ 20 ... 20 000 Гц
Напряжение питания.......... ±15 В
Ток потребления............ 15 мА
Усилитель может работать как с низкоомным, так и с высокоомным микрофоном. Входной каскад на малошумящем транзисторе VT1 питается от параметрического стабилизатора напряжения (стабилитрон VD1, резистор R10), который одновременно обеспечивает необходимую фильтрацию пульсаций питающего напряжения. Для защиты от помех мощных радиостанций сигнал на базу транзистора VT1 поступает через фильтр нижних частот R4C2 с частотой среза около 3 МГц. Режим работы транзистора стабилизирован глубокой ООС по постоянному току (с выхода микросхемы DA1 через резистор R11 в цепь эмиттера транзистора VT1). Необходимый коэффициент усиления (5... 300) устанавливают подстроечным резистором R7. Благодаря большому запасу усиления и глубокой ООС коэффициент гармоник не превышает сотых долей процента, а АЧХ усилителя линейна во всем звуковом диапазоне.
Монтаж микрофонного усилителя производят на унифицированной монтажной плате методом объемного монтажа (см. рис. 32). Вместо транзистора КТ3102Е можно использовать КТ3102В, К.Т315Б, вместо микросхемы К153УД2 — К153УД1, К140УД7, К140УД8 и другие с соответствующими цепями коррекции. Резисторы — МЛТ-0,125, СПЗ-22(R7), конденсаторы — КМ-4, КМ-6, К53-1.
Рис. 34. Принципиальная схема микрофонного усилителя на ОУ
Налаживание заключается в проверке правильности монтажа и установке подстроечным резистором R7 необходимого усиления. Для этого, подключив стабилизированный источник напряжением ±15 В, обеспечивающий ток в нагрузке не менее 20 мА, на вход узла с генератора звуковой частоты подают сигнал частотой 1 кГц и напряжением 1 мВ. Подстроечным резистором R7 напряжение на выходе микрофонного усилителя устанавливают в пределах 200... 250 мВ.
