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 транзи­стора 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, К_п [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 мон­тажной 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............ I_t5 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.

ФИЛЬТРЫ

Частотная характеристика высококачественных усилителей 34 прости­рается от единиц герц до сотни килогерц, что обеспечивает очень малые линей­ные искажения. Но это же обстоятельство приводит к усилению таких неже­лательных явлений, как прохождение помех от близлежащих радиостанций, усиление гармоник ограниченного сигнала и остаточных напряжений УПЧ приемника, помех от вибраций двигателя электрофона, напряжения фона от сети и т. п. Поэтому необходимо, чтобы звуковой сигнал, проходящий через высококачественный звуковоспроизводящий тракт, был очищен от всех сопут­ствующих помех.

Для этой цели в состав звуковоспроизводящего тракта вводятся специаль­ные фильтры нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот. Их задача — обеспе­чить эффективное подавление составляющих фона, шумов и паразитных сиг­налов в той части диапазона, где отсутствуют составляющие полезного сиг­нала.

К важнейшим показателям, характеризующим свойства фильтров, как и других функциональных узлов звуковоспроизводящего тракта, относятся: вели­чина, характеризующая способность фильтра усиливать сигнал; степень вноси­мых фильтром искажений; динамический диапазон; входные и выходные дан­ные.

Фильтры характеризуются параметрами, аналогичными принятым для мик­рофонных усилителей. И, кроме того, еще двумя специфичными показателями — частотой среза и крутизной спада АЧХ.

Частота среза [Гц] — точка перегиба АЧХ фильтра, в которой коэффициент передачи изменяется на 3 дБ. Для фильтров, построенных на однозвенных RG цепях, частота среза

f_ср=1/(2пRС).

Крутизна спада АЧХ характеризует скорость спада АЧХ фильтра от точки перегиба. Обычно она измеряется в децибелах на октаву.

Рис. 35. Электрическая схема фильтра низких (а) и высоких (б) частот

Амплитуда на выходе RC фильтра убывает от точки перегиба пропорцио­нально 1/f. Поэтому в пределах одной октавы (соответствует изменению час­тоты вдвое) она уменьшается вдвое, т. е. RC фильтр обеспечивает крутизну спада АЧХ 6 дБ на октаву. Если последовательно включить два RC звена, кру­тизна возрастает до 12 дБ на октаву, если три — до 18 и т. д. Однако это справедливо при условии, когда реактивная составляющая полного, выходного сопротивления каждого RC звена равна нулю, а входного — бесконечности.

Один из способов устранения взаимного влияния каскадов состоит в том, чтобы каждый последующий каскад имел значительно большее полное вход­ное сопротивление, чем предыдущий. Еще эффективнее использовать в качестве межкаскадных буферов активные фильтры на транзисторах или ОУ.

Полосовой фильтр на пассивных элементах. На рис. 35,а показан ФНЧ на основе Г-образного RC полузвена. Напряжение на выходе такого фильтра не­изменно от самых нижних частот до частоты среза f_cp; f_0p = 1/(2пR1C1). При дальнейшем увеличении частоты выходное напряжение уменьшается пропор­ционально 1/f, т. е. с крутизной около 6 дБ на октаву. Как отмечалось, па­раметры пассивных RC фильтров весьма критичны к сопротивлению нагрузки R_н и источника сигнала R_г. Расчетные характеристики фильтров достигаются при сопротивлении нагрузки R_a, стремящемся к бесконечности и сопротивлении источника сигнала R_r, стремящемся к нулю. Точный расчет фильтров с учетом конечных значений R_a и 7?_г довольно громоздок, но для приближенных расчетов частоты среза можно воспользоваться и приведенной ранее формулой.

Практически достаточно, чтоб выполнялись соотношения:

R_и = (10... 20) R1, R_г = (0,05 ..,0,1) R1.

Если в схеме на рис. 35,а поменять местами резистор и конденсатор, то получается RC ФВЧ (рис. 35,6). В отличие от ФНЧ, ФВЧ пропускает ча­стоты выше частоты среза f_cp, ниже этой частоты АЧХ имеет спад с на­клоном 6 дБ на октаву. Соединяя каскадно ФВЧ и ФНЧ, можно построить полосовой фильтр.

Практическая схема полосового фильтра показана на рис. 36. Он имеет следующие основные технические характеристики:

Входное напряжение:

номинальное............ 0,2 В

максимальное............ 4В

Выходное напряжение:

номинальное............ 0,16 В

максимальное............ 3,2 В

Коэффициент передачи в полосе пропускания .... 0,8

Перегрузочная способность, не менее...... 26 дБ

Частота среза............ 0,1 и 7 кГц

Крутизна спада АЧХ........... 6 дБ на октаву

Коэффициент гармоник, не более....... 0,08%

Отношение сигнал-шум (невзвешенное)..... 70 дБ

Напряжение питания........... 15 В

Ток потребления............ 3 мА

Рис. 36. Принципиальная схема низкочастотного и высокочастотного фильтров на пассивных элементах

Фильтр нижних частот (его включают кнопкой SB1) с частотой среза около 7 кГц состоит из резистора R1 и конденсатора С1. Для уменьшения влияния входного сопротивления последующих каскадов на параметры фильтра используется эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, входное сопротив-, ление которого с учетом делителя R2, R3 образует нагрузку фильтра. Фильтр верхних частот с частотой среза около 100 Гц образован конденсатором С2 и входным сопротивлением каскада на транзисторе VT1. Его включают кнопкой SB2. Конденсаторы СЗ и С4 используются для развязки по постоянному току каскада на транзисторе VT1.

Поскольку сами фильтры состоят из пассивных цепей, то такие парамет­ры, как максимальное входное напряжение, коэффициент гармоник, перегру­зочная способность и т. п., определяются целиком последующими каскадами (в данном случае эмиттерным повторителем).

Полосовой фильтр собран на унифицированной монтажной плате. В нем использованы резисторы МЛТ-0,125, конденсаторы КМ-5, К53-1. Желательно, чтобы точность элементов, входящих непосредственно в фильтры (R1, C1, C2), была не хуже 2%. Вместо транзистора КТ3102В можно использовать также транзисторы КТ315, КТ342, КТ203. В качестве переключателей SВ1, SB2 по­дойдут любые на два положения, например П2К.

Для проверки работы фильтра необходим стабилизированный источник пи­тания напряжением 15 В и током не менее 5 мА. При монтаже без ошибок и «справных элементах фильтр практически работает без настройки.

Чтобы получить точное значение частот среза, поступают следующим обра­зом. В ФНЧ резистор R1 временно заменяют переменным резистором, парал­лельно С1 подключают осциллограф или вольтметр переменного тока. На вход фильтра с генератора звуковых частот подается сигнал частотой, равной fcp. Подстраивая переменный резистор, добиваются, чтобы напряжение на С1 стало равным 0,7 U_вх. После этого переменный резистор заменяют на соответствую­щий постоянный. Настройка ФВЧ производится аналогично подбором конденса­тора С2. Напряжение контролируют на выходе фильтра.

Фильтр верхних частот на ОУ К153УД2. Пассивные RC фильтры имеют значительное затухание, малую крутизну спада АЧХ, а сама АЧХ зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала и нагрузки в пределах полосы пропускания. Для улучшения параметров RC фильтров к ним присоединяют активные элементы — транзисторы или ОУ, работающие в простейшем случае по схеме повторителя. Так как повторитель не меняет фазы входного сигнала, то пассивное RC звено включают в цепь ПОС. Этим частично компенсируют потери сигнала и повышают крутизну спада АЧХ всего фильтра.

Сопротивление резисторов и емкость конденсаторов в активных фильтрах сравнительно небольшие даже на очень низких частотах, вследствие чего кон­струкция активных фильтров получается компактной.

Фильтр верхних частот на ОУ К153УД2 имеет следующие основные техни­ческие характеристики:

Входное напряжение:

номинальное........... 0,2 В

максимальное.......... 8В

Выходное напряжение:

номинальное........... 0,19 В

максимальное.......... 7,6 В

Коэффициент передачи в полосе пропускания . . 0,95

Перегрузочная способность, не менее . . . . 32 дБ

Частота среза........... 40 и 100 Гц

Крутизна спада АЧХ......... 6 и 12 дБ на октаву

Коэффициент гармоник, не более...... 0,07%

Отношение сигнал-шум (невзвешенное) . . . . 66 дБ

Напряжение питания......... ±15В

Ток потребления . . . . ,..... 10 мА

На рис. 37 приведена схема этого ФВЧ. Он состоит из последовательно со­единенных пассивного RC ФВЧ на основе Г-образного звена C2R2 и собственно активного C3C4R3R4DA1 ФВЧ второго порядка. Такой фильтр (или фильтр Баттерворта) обладает максимально плоской АЧХ в пределах полосы пропу­скания.

При нажатии на кнопку SB1 включается пассивный RC фильтр C2R2R4 с частотой среза около 100 Гц, имеющий крутизну спада 6 дБ на октаву. На­жатие на кнопку SB2 приводит к включению активного ФВЧ. Точный расчет такого фильтра сложен, но при некоторых допущениях расчет упрощается. На­пример, принимая СЗ=С4 = С, R3=R4/2, R4 можно приближенно определить по формуле:

R4 = 0,707/(пf_СР С).

В данном случае фильтр имеет частоту среза около 40 Гц. Крутизна спада его АЧХ 12 дБ на октаву. При нажатии на обе кнопки включаются пассивный и активный фильтры, при этом ниже частоты 20 Гц наклон АЧХ увеличивается до 18 дБ на октаву.

Рис. 37. Принципиальная схема высокочастотного фильтра на ОУ К153УД2

Для монтажа фильтра использована унифицированная плата. Переключа­тели SB1 и SB2 могут быть любого типа на два положения, например П2К Номиналы конденсаторов и резисторов, входящие в фильтр, должны иметь точность 2%. Вместо микросхемы К.153УД2 можно использовать любые ОУ с соответствующими цепями коррекции, например, К153УД1, К140УД7, К140УД8.

Для проверки работы фильтра необходим стабилизированный двухполяр-ный источник питания напряжением ±15 В и током не менее 10 мА. При ис­пользовании в фильтре элементов с точностью не хуже 2% настройка не тре­буется. Если такие детали подобрать не удалось, поступают следующим об­разом. Вначале, пользуясь рекомендациями по настройке полосового фильтра, настраивают пассивный RC фильтр C2R2R4 (кнопка SB1 нажата). Затем, от­ключив пассивный RC фильтр, включают активный. Подбирая конденсаторы СЗ и С4, добиваются, чтобы напряжение на выходе фильтра на частоте среза (f_cp = 40 Гц) составляло 0,7 U_вх. На этом настройка заканчивается.

Фильтр нижних частот на ОУ К153УД2 (рис. 38). Он имеет следующие основные технические характеристики:

Входное напряжение:

номинальное....... . .... . . 0,2 В

максимальное.......... 8В

Выходное напряжение:

номинальное........... 0,19 В

максимальное.......... 7,6 В

Коэффициент передачи в полосе пропускания . . 0,95

Перегрузочная способность, не менее .... 32 дБ

Частота среза........... 10 и 20 кГц

Крутизна спада АЧХ......... 6 и 12 дБ на октаву

Коэффициент гармоник, не более...... 0,07%

Отношение сигнал-шум (невзвешенное) .... 66 дБ

Напряжение питания......... ±15 В

Ток потребления.......... 10 мА

Рис. 38. Принципиальная схема низкочастотного фильтра на ОУ К153УД2

Если поменять местами резисторы и конденсаторы, то ФВЧ (см. рис. 37) преобразуется в ФНЧ (рис. 38). Элементы R2, С2, С4 образуют пассивный ФНЧ с крутизной спада АЧХ 6 дБ на октаву и частотой среза около 10 кГц, а элементы R3, R4, СЗ, С4, DA1 входят в активный ФНЧ с наклоном спада АЧХ 12 дБ на октаву и частотой среза около 20 кГц. Упрощенный расчет активного фильтра можно-произвести, принимая R3=R4=R и СЗ=2С4; емкость! конденсатора С4 определяют по формуле: C4 = 0,707/(2пf_CpR).

Одновременное включение активного и пассивного фильтров обеспечивает на частотах выше 20 кГц крутизну спада АЧХ фильтра 18 дБ на октаву.

Конструкция и детали в ФНЧ такие же, как и в ФВЧ на ОУ К153УД2. Фильтр налаживают в такой же последовательности, что и предыдущий фильтр. Частоты среза устанавливают, подбирая резисторы R2 — R4.