Тема: Малошумящий микрофонный предусилитель на ОУ

Здравствуйте.
Как то меня тут затравили на форуме, мол чтобы я бросил дело усилитель на транзисторах а собрал на ОУ.
Ну вот решил этот вопрос изучить.
Есть какие-то ОУ для того что бы собрать в миниатюре предусилитель для микрофона.
Для электретного микрофонного капсюля.

Есть какие-то готовые схемы, наработки, может кто-то в этом специалист да конкретно (без воды) подскажет.
В первую очередь интересуют ОУ с малым питанием от 1,5В и выше, так как всё это дело будет запитыватся от фандомного звуковой карты, рекордера и т.д.. где обычно порядка 2-3,5 вольт
И еще интересуют малошумящие ОУ, у которых соотношение сигнал/шум на высоте.
Я вот вижу OPA320 интересная микросхема, с питанием 1,8 — 5,5в. (только не зацикливайтесь на ней, может еще есть какие-то инные, хотя на ней так же интересно было схемку).
Спасибо.

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.

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.

Предусилитель своими руками — рекомендую радиолюбителям схему простого и вместе стем высококачественного предварительного усилителя мощности звука с встроенным тембр блоком. Преамп построен на базе широко известного двухканального операционного аудио усилителя LM833.

Рабочая область микросхемы реализована по схеме не инвертирующего усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, а незадействованная область собрана по схеме повторителя, то есть по просту заглушена. Эффективная полоса пропускания данной схемы находится в пределах от 0.6 Гц до 18 кГц. Приблизительный коэффициент усиления находится в диапазоне от 0.9 до 110 исходя от выставленных значений подстроечного резистора.

Сдвоенный операционный усилитель LM833 изначально разрабатывался для применения в высококачественных звуковых устройствах. Таких, например; как пред усилители и фильтры, которые не могут работать без дву-полярного блока питания. Схема данного аппарата способна работать с питающими напряжениями в диапазоне от ±6v до ±18v, при этом коэффициент нелинейных искажений (КНИ) составляет только лишь 0.002%. Пиковое усиление по напряжению ОУ LM833 достигает 112дБ с номинальным током 6мА.

Схема предварительного усилителя

В качестве операционного усилителя можно применять любой другой двух канальный ОУ.


На снимке печатная плата:


Компоновка элементов на печатной плате.

Номиналы всех установленных в схеме элементов показаны на картинке ниже:


Список компонентов:

Данную модель преампа можно применять как в комплекте усилителя мощности звука, так и как дополнительный модуль предварительного усилителя.

Зачем нужен предварительный усилитель

Основной задачей устройства является выполнения функции усиления звукового сигнала до такого значения, при котором он становится более подходящим для оконечных усилителей мощности. Предусилитель подбирает системный уровень звукового сигнала от разнообразных источников звука. При усилении сигнала, предварительный усилитель несколько изменяет звуковой тембр.

Далее, воспроизводящая аудио система обеспечивает линейность и минимум искажений. Например, чтобы добиться прозрачного звука гитары, без этой особенности устройства, никак не справится во время выстраивания безукоризненного звучания электрогитары. Как известно, электрогитара обладает своим специфическим звуком. Следовательно, дополнительно вносимые тембровые эффекты привносят в первоначальный гитарный звук, знакомое гитарное звучание.

Используя некоторые модели преампов можно извлечь новое, уникальное звучание. Предварительные усилители разделяются на категории их применения, такие как для работы с инструментальным звуком, для работы с микрофоном и есть еще универсальные. Например: на вход инструментального преампа можно напрямую подавать сигнал с гитары. Микрофонные естественно работают с микрофонами. Универсальные имеют возможность, переключаться между микрофонным и инструментальным.

Фото пред усилителя собранного в корпусе.

Усилитель для чувствительного электретного микрофона

Это устройство является простым усилителем для наушников, работающих с чувствительным микрофоном. Делает возможным прослушивание сигналов малой интенсивности. Может служить для прослушивания голосов природы, а лицам с ослабленным слухом может служить как слуховой аппарат.

Схема микрофонного усилителя

Электретный микрофон запитывается через резисторы R1 и R2. Конденсатор С1 фильтрует напряжение, питающее микрофон. Усилитель US1 работает в конфигурации отклоняющего усилителя. Конденсатор С3 ограничивает сверху ширину передаваемой полосы. Сильно усиленный сигнал подается на вход усилителя US1b.

Усилителем здесь служит ОУ TL082.
Аналоги у нее: AD712, OP275, CA082E, XR082CN, OPA2131PJ, AN1082, HA170282, NJM082

Усиление этого каскада регулируется потенциометром Р1. Транзисторы Т1 и Т2 работают в схеме эмиттерного повторителя, делая возможным подключение низкоомных наушников.

Читайте также  Масло в компрессор

Резисторы R7 и R8 образуют делитель напряжения для поляризации неинвертирующих входов операционных усилителей.

Плата спроектирована для корпуса КМ22. Если будет использоваться этот корпус, тогда следует обрезать два уголка платы.

Монтаж устройства прост и не должен представлять сложностей. Начинается монтаж с пассивных элементов. Для микросхемы TL082 следует впаять панельку.

В последнюю очередь монтируются потенциометр и выключатель питания.

Подключая микрофон, следует обратить внимание на его поляризацию. Минус питания соединен с его корпусом. Микрофон соединяется с платой при помощи коротких отрезков проволоки.

Со схемой могут работать любые дешевые наушники, соединенные последовательно.

После проверки правильности монтажа потенциометр Р1 устанавливается на самое маленькое сопротивление, и подключается питание. В наушниках мы должны услышать усиленные звуки ближайшего окружения. Уровень усиления регулируется потенциометром Р1.

Может случиться, что схема будет возбуждаться даже при усилении, установленном на минимум. В таком случае следует откорректировать величину резистора R4. Эксперименты с наибольшим усилением лучше всего произвести на открытой местности, где грозят напряжения, возникшие в результате отражения звуков от стен помещения.

Для питания устройства следует применить батарею 9 В (6F22).

Разборка

Фото 1. Микрофон Одеон SD-200 в полностью разобранном виде

Сразу шок : для веса в рукоятку вставлен кусок бетона (или алебастра, или может гипса). Никакого экранирования внутри (провод от микрофона с оплёткой и одной центральной жилой), рукоятка пластмассовая.

Выключатель замыкает катушку накоротко и это как бы правильно: после такого микрофона должен быть усилитель на транзисторе и замыкание эмиттерного перехода должно его выключить, а если бы выключатель размыкал один контакт, то транзистор продолжал бы работать и усиливал бы сигнал с провода как с радио-антенны.

Голова неразборная, но можно расщепить на 3 части:

Фото 2. Расщепление головки на три части

Задняя часть — обрезиненная пустотелая бочка. Смысл у неё такой же, как у ящика акустического динамика — нужно заглушить звуковую вибрацию позади мембраны, но при этом должно быть достаточно объёма воздуха, чтобы не было сопротивления колебанию мембраны.

Будем называть перепонку с катушкой в центральной детали-капсуле мембраной, а третью (крайнюю справа на Фото 2 защитную крышку с дырками) диафрагмой. Хотя в микрофонном деле мембрану называют диафрагмой… но это режет слух человеку, воспитанному на фотографии.

Центральная капсула с магнитом и катушкой очень лёгкая, мембрана приклеена прямо к пластмассовой оболочке, так что дальше это не разбирается.

Вообще говоря, качество изготовления устройства очень высокое: никаких разводов флюса, кривой пайки, дефектов… Но уж больно примитивное тут всё, пластмассовое, как бы и устройства-то никакого нет — бетонный груз внутри. Странно, что вообще работает.

Схема усилителя

Есть очень много способов собрать усилитель, но эта схема отличается свое простотой и она основывается на классическом транзисторном каскаде, где устанавливается общий эмитер. Также для ее сборки не требуется приобретать дорогостоящие детали. На ее изготовление потребуется лишь один час свободного времени. Схема в работе потребляет – 9 мА тока, а в состоянии покоя – 3 мА.

Она имеет два конденсатора и два резистора, один штекер, транзистор и электретный микрофон. Плата усилителя получается очень маленьких размеров, которую можно прикрепить к штекеру, если она имеет чуть большие размеры, то тогда нужно взять какую-либо пластмассовую деталь для изготовления корпуса.

Принцип ее работы таков, что через резисторы R1 и R2 идет питание элементов, для того чтобы предотвратить обратную связь в частотах подаваемого сигнала применяется конденсатор С1, резистор же нужен для устранения посторонних щелчков при подключении в работу микрофона. Сигнал исходит от резистора и идет для его усиления на транзистор. Благодаря этой схемы сигнал динамического микрофона может увеличиться в два раза.

Что называют предусилителем?

По другому его ещё называют предварительным усилителем. Итак, предусилитель — это специальное микрофонное устройство, действия которого направлены на усиление слабых сигналов до конкретного предела (этот предел называется линейный уровень). Предусилитель улучшает качество звучания микрофона.

Теперь давайте ближе познакомимся со схемой, которая специально разработана для микрофонного устройства

Особенности схемы микрофонного устройства

Современные усилители для микрофонов в большинстве случаев оснащены микросхемой INA 217. У этого вида схемы есть свои преимущества и особенности.

Преимущества микросхемы:

  • Низкий уровень искажений.
  • Возможность использовать усилитель даже для высококачественных студийных микрофонов Существует также предусилитель для динамического микрофона.
  • Малошумный входной тракт.
  • Идеально подходит для низкоомных микрофонов. У таких устройств, как правило, слабый источник сигнала.
  • Наличие широкой полосы пропускания.

Некоторые из упомянутых достоинств позволяют использовать устройства для микрофона с этой схемой не только для микрофонов, но и для медицинских, промышленных и измерительных приборов. Такая микросхема обладает поистине уникальной способностью. Она способна уменьшить искажение сигнала, даже если коэффициент усиления слишком высок.

Вот некоторые особенности или детали схемы INA 217:

  • Дифференциальный входной сигнал. Эта составляющая часть позволяет обеспечить хорошую производительность в профессиональных микрофонах. Практически отсутствует вероятность возникновения разбаланса, то есть неравномерности усиления. Также отсутствует фантомное питание. Стоимость описанной микросхемы составляет 5 долларов.
  • Регулятор PR1. Помогает регулировать процесс усиления звука. В том случае коэффициент усиления напрямую зависит от коэффициента сопротивления.
  • У микросхемы двухполярное питание. Ток всегда поступает беспрерывно.

Благодаря такой мощной микросхеме рассматриваемого усилителя звука, выбранным микрофоном легко и удобно пользоваться.

На сегодняшний день также известны несколько видов этого устройства для микрофона. Рассмотрим некоторые из них.

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера

В статье изложены подходы по построению схемотехники усилителей для микрофона и динамиков в микроконтроллерной технике. Занимаемое элементами усилителей пространство не превышает

Усилитель на одном транзисторе для микрофона

Первое и самое простое это каскад с общим эмиттером. В качестве микрофона будем использовать электретный микрофон. В нем использован предуселитель на полевом транзисторе. Для его питания нужен источник питания

Мне нравится схема с использованием Collector-Feedback Bias. Во первых в ней на один резистор меньше по сравнению с классической схемой на делителе и за счет отрицательной обратной связи компенсирует разброс в коэффициенте усиления транзистора.

Для примера зададимся резистором коллектора 18 KOm для усиления в 50 раз резистор в эмиттере будет (упрощенно, т.к. мы не учитываем внутреннее сопротивление эмиттера) 18000 / 50 = 360 Om

Поскольку входное сопротивление АЦП обычно составляет сотни KOm можно немного увеличить сопротивление коллектора и достичь большего усиления. Важно чтобы сопротивление следующего каскада (в нашем случае вход АЦП) имело большое входное сопротивление, что бы наш усилитель мог «раскачать» сигнал. Иначе придется увеличивать ток через коллектор уменьшая резистор в коллекторе, а это приведет к уменьшению усиления в целом

Сопротивление в эмиттере используется для стабилизации режима транзистора за счет отрицательной обратной связи. Если подключить параллельно этому резистору конденсатор, то отрицательная обратная связь по переменному напряжению исключается и каскад имеет коэффициент усиление как у самого транзистора «по документации».

Читайте также  Магнит на электросчётчик

Еще один момент. надо задать выходное напряжение на коллекторе, равное половине полной рабочей шкалы напряжения АЦП. Шкала ESP32 без аттенюаторов 1.1V. Смещением базы R10 выставляем на коллекторе 0.5V… 0.6V

  • 0 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_0) gives full-scale voltage 1.1 V
  • 2.5 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_2_5) gives full-scale voltage 1.5 V
  • 6 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_6) gives full-scale voltage 2.2 V
  • 11 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_11) gives full-scale voltage 3.9 V

Можно сделать смещение на коллекторе близкое к половине напряжения питания и увеличить коэффициент усиления каскада, но добавив аттенюатор. Однако, вносить ослабление не рекомендуется, поскольку нам понадобится большее усиление

Схема и расположение на плате

Усилитель на трех транзисторах для динамика

Для усилителя применим схему на трех транзисторах с выходным каскадом в режима AB. Зададим ток покоя порядка 5 — 10 mA. Ток покоя устанавливается резистором R4. R15 устанавливает половину напряжения питания на эмиттерах

Схема и расположение на плате

Усилитель на операционном усилителе для микрофона

Ниже ссылка на наиболее распространенные решения с расчетами для микрофонного усилителя

Хорошая статья по предотвращению помех по питанию в схемах op amp
Операционный усилитель с однополярным питанием

Схема и расположение на плате усилитель для микрофона и динамика

» />

Расчеты конденсаторов

C2 = 0.33nF $» title=»Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера — 10″ />

C5 = 2.2mF $» title=»Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера — 11″ />

C14 = 0.1mF $» title=»Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера — 12″ />

Можно использовать любой операционный усилитель, даже LM358 или LM322 (LM324 четыре усилителя в одном корпусе). Рекомендуется выбирать усилитель с выходом Rail-to-Rail для достижения большей амлитуды на выходе

Усилитель на операционном усилителе для динамика. Параллельное включение

Поиски использования параллельного включения операционного усилителя для раскачки более менее приемлемой мощности привели на интересные решения.
Один человек взял аж 60! усилителей и сделал себе подарок на юбилей. Вот это я понимаю.

Микросхема семейства TS922 способна отдавать 80 мА на нагрузку 32 Ом

Комбинированная схема с операционным усилителем и каскадом класса B, AB
Small audio amplifiers

Что бы хотелось попробовать в будущем

Добавить возможность автоматической регулировки усиления. Например на основе такого решения Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов


Для «сжатия» уровня входного сигнала, чтобы уровень выходного сигнала не зависел от громкости говорящего в микрофон применяют SSM2167. Это предусилитель микрофона с регулируемой компрессией. Но выходное напряжения ограничен 0.7V и смещение на выходе 1.4V. Для согласование со входом АЦП потребуется каскад с небольшим усилением.

Заключение

Использование транзисторных усилителей в современной электронике оправдано когда нет возможности купить специализированные микросхемы такие как stereo — PAM8403, PAM8406 или mono PAM8302A, PAM8304, NS4150. Где PAM8406 — Абсолютный фаворит если нужен стерео усилитель с однополярным питанием. Его цена стремится к 2$ за 10 штук. Есть возможность включения режима усиления выходного каскада в режим AB

В качестве микрофонного усилителя можно использовать mems микрофоны с SPI интерфейсом, такие как INMP441. В этом случае использование усилителя отпадает и микрофон подключается непосредственно через интерфейс SPI к контроллеру

Разводка одного из вариантов платы с усилителями на транзисторах сделанная в Autodesk EAGLE

С чего все началось

Плата была изготовлена на фабрике JLCPCB.
Качество мне понравилось, но мне не с чем сравнивать, разве что с травлением в хлорном железе.

К157УД2 — двухканальный операционный усилитель универсального назначения

Микросхема К157УД2 — двухканальный операционный усилитель универсального назначения, обладающий низким уровнем собственных шумов (типовое шачение напряжения шумов, приведенных ко входу ОУ, составляет 1,6 мкВ в полосе частот 20. 20 000 Гц при нулевом сопротивлении источника сигнала). Операционный усилитель К157УД2 допускает большой диапазон входных дифференциальных напряжений, имеет защиту от коротких замыканий на выходе. Его можно использовать в самых разнообразных устройствах низкочастотной стереофонической аппаратуры.

Входной каскад выполнен по дифференциальной схеме на транзисторах I Го, VT15 (VT7, VT16) с горизонтальной p-n-р структурой. Для получения максимального усиления использована динамическая нагрузка в виде отражателя тка на транзисторах VT8, VT13

Прочежутчный каскад — усилитель напряжения ? выполнен на транзисторах VF19 и VT21 (VT20 и VT22), включенных соответственно по схеме с ОК и ОЭ Здесь также используется динамическая нагрузка, образованная транзистором VT23 (VT24). Режим эмиттерного повторителя — транзистора VT19 (VT20) — выбран таким, чтобы нагрузка обоих плеч дифференциального усилителя была примерно одинаковой.

Усилитель мощности — двухтактный. Сигнал положительной полярности по-счупает на выход ОУ через транзисторы VT26 и VT37 (VT31 и VT40), отрицательный — через транзисторы VT27 и VT38 (VT29 и VT39), включенные составными эмиттерными повторителями. Начальное напряжение смещения, необходимое для уменьшения переходных искажений, выделяется на переходах база-эмит-гер транзисторов VT26 (VT31) и VT27,(VT30).

В усилителе предусмотрена защита от короткого замыкания по выходу как при положительной, так и при отрицательной полярности выходного сигнала Ограничение тока происходит благодаря шунтированию выхода усилителя напряжения — коллектора транзистора VT21 (VT22) — низким сопротивле- нием открытых транзисторов VT34 (VT35) для сигнала положительной полярности и.,и VT33 (VT36) для сигнала отрицательной полярности при увеличении пагения напряжения на резисторах R8 (R11) и R9 (R10).

Транзистор VT17 (VT18) предотвращает перегрузку транзисторов VT19 VT21, VТ27, VT28 (VT20, VT22, VT29, VT30) при большом уровне входного сигнала Этот транзистор открывается при увеличении падения напряжения на резисторе R6 (R7) и шунтирует вход транзистора VT19 (VT20). Диод VD1 (1 D2) устраняет насыщение транзистора VT21 (VT22) и улучшает работу каскада на высоких частотах при максимальном выходном напряжении (особенно в начальной области режима ограничения)

Режим ОУ по постоянному току определяется генераторами тока на транзисторах VT11, VT23, VT25 (VT12, VT24, VT32) управляемых через транзистор VT4 (VT5) в диодном включении током транзистора VT2 (VT3), который, в свою очередь, возбуждается от общего для обоих каналов устройства стабилизации режима, выполненного на транзисторах VT1, VT10 и резисторе R1,

Устойчивая работа каждого из операционных усилителей с замкнутой петлей отрицательной обратной связи обеспечивается подключением корректирующих конденсаторов к соответствующим выводам (1, 14 или 7, 8) микросхемы. Необходимая емкость конденсатора определяется в каждом конкретном случае глубиной обратной связи. Возможно подключение корректирующих конденсаторов также и между другими выводами, например, между выводами 1, 13 (7, 9) или выводами 1 (7) и общим проводом источников питания.

При значительной длине проводов, подводящих напряжение питания к выводам 11 и 4, следует подключать дополнительный блокирующий конденсатор.

Назначение выводов К157УД2

Внешний вид и корпус К157УД2

Электрические параметры К157УД2

Основные электрические параметры микросхемы К157УД2

Читайте также  Как пользоваться осциллографом

Предельно допустимые режимы эксплуатации

  • Диапазон питающих напряжений.±3. ±18
  • Синфазное напряжение, В, не более ±18
  • Выходной ток, мА, не более 300
  • Рассеиваемая мощность (в диапазоне температур — 25 + 25 ±С), Вт, не более 0,5
  • Диапазон рабочих температур, °С , — 25 + 70