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.

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 СЗ, 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.

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, СЗ=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.

Улучшенные 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).

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, СЗ=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.

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.