Схема усилителя микрофона – усиление микрофонного звука

Усилители сигналов для АЦП и ЦАП микроконтроллера
В статье изложены подходы по построению схемотехники усилителей для микрофона и динамиков в микроконтроллерной технике. Занимаемое элементами…

Электретный конденсаторный микрофонный усилитель для применения в микроконтроллерах

Например, вы можете сделать устройства с голосовым управлением, такие как аудио магнитофон, переключатель с голосовой активацией и другие интересные проекты, связанные со звуком. В этом посте я хочу немного рассказать, что представляет собой схема усилителя микрофона встроенная в цепь между электретным конденсаторным микрофоном и входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера.

Вообще говоря, у вас не получится подключить электретный микрофон напрямую к выводу аналого-цифрового преобразователя и ожидать, что он будет работать. Поэтому, наиболее значимой здесь деталью является схема усилителя конденсаторного микрофона.

Схема усилителя микрофона-1

Предусилитель и схема усилителя электретного микрофона

Для конденсаторных микрофонов требуется питание от батареи или внешнего источника. Результирующий аудио сигнал выходит более сильный по сравнению с динамическим микрофоном. Во-первых, электретный микрофон — это не только конденсатор внутри, в нем уже есть предусилитель, обычно собранный на полевом FET-транзисторе, который подключается в общей конфигурации источника:

Схема усилителя микрофона-2

Во-первых, на электретный микрофон необходимо подавать напряжение через подтягивающий резистор стока. Его величина зависит от напряжения питания. Практическое правило — добавляйте 1 кОм на +1 вольт напряжения питания, то есть, нужно устанавливать 10 кОм на 10 вольт.

Для отключения полевого транзистора микрофона требуется отрицательное напряжение на затворе. Таким образом, когда напряжение подается через резистор, то небольшой тока (0,2 мА) проходит через транзистор, который является в некотором роде сопротивлением. Таким образом, он действует как делитель напряжения — поэтому, вы получаете предсказуемое смещение постоянного напряжения, которое изменяется в зависимости от температуры и выбранного резистора нагрузки.

В такой ситуации микрофон похож на источник тока, колеблющегося в пределах определенного уровня. Конденсатор на выходе микрофона устраняет смещение постоянного напряжения, и вы получаете низковольтный сигнал переменного тока с низким значением(10-50 мВ), который необходимо усилить еще больше.

Для микроконтроллера с источником питания +3,3v нам потребуется смещение постоянного напряжения VCC/2 и сигнал максимальной амплитуды VCC/2 для входа в канал аналого-цифрового процессора. Если мы не стремимся к очень высокому качеству звукового сигнала, то подойдут простые схемы микрофонного усилителя. Давайте рассмотрим несколько схем усилителя и посмотрим, что лучше всего использовать.

Транзисторный микрофонный усилитель с самосмещением

Это, наверное, самая простая схема усилителя, которая работает довольно хорошо. Самосмещающийся транзисторный микрофонный усилитель можно быстро собрать, используя несколько дискретных компонентов и печатную или макетную плату, но есть некоторые моменты, которые следует учитывать перед его выбором.

Схема усилителя микрофона-3

Несмотря на самостабилизирующийся ток смещения, этот транзисторный усилитель будет не так эффективен там, где температура окружающей среды сильно меняется. Но все таки, несмотря на некоторые недостатки, мне нравится эта схема, потому что она надежна и проста.

Комбинированный микрофонный усилитель смещения делителя напряжения

Комбинированный микрофонный усилитель смещения

Так называемая схема микрофонного усилителя с делителем напряжения имеет гораздо лучшую термостабильность. Единственный недостаток заключается в том, что для этого требуется еще несколько пассивных компонентов, хотя еще одна пара резисторов не имеет большого значения, если вы получите значительное улучшение. Давайте посмотрим на эту схему более глубоко, чтобы понять, как она работает и как рассчитать значения ее компонентов. Эта схема имеет делитель напряжения R1 и R2, который выдает фиксированное напряжение на базе транзистора.

Изначально мы знаем, что:

Рекомендуется, чтобы ток, протекающий через эти резисторы, должен быть в десять раз больше, чем ток базы. Поэтому руководствуемся формулой: R2 = Vb/(10*Ib); и R1=(VCC — Vb)/(10*Ib).

Падение напряжения база-эмиттер составляет около 0,6v.

  • То есть = Ib+Ic
  • Ve = 10%*VCC;
  • Re = Ve/Ie;
  • Vb = Ve+0,6;

Имея в виду эти начальные параметры и условия, мы можем легко рассчитать значения схемы для усилителя электретного микрофона. Если мы собираемся подавать сигнал на АЦП микроконтроллера с питанием 3.3 VCC, то наш VCC = 3.3V. Тогда давайте воспользуемся транзистором общего назначения BC547C с коэффициентом усиления постоянного тока hfe = 520 и выберем ток коллектора Ic=1 мА.

  1. Нам нужно выходное напряжение смещения = 3,3v/2= 1,65v;
  2. Мы рассчитываем коллекторный резистор Rc = 1,65/1 мА=1650 Ом;
  3. Затем выберите стандартное сопротивление резистора 1,6 кОм;
  4. Напряжение эмиттера Ve = 10%*3,3v = 0,33v;

Поскольку Ic >>Ic, то вычисляем:

  • Re = Ve/Ie = 0,33/1 мА = 330 Ом
  • Базовое напряжение: Vb = Ve + 0,6v = 0,33+0,6 = 0,93v;
  • Требуемый базовый ток Ib = Ic/hfe = 1 мА/420 = 2 мкА;

Значения резисторного делителя:

  • R2 = Vb/(10*Ib) = 0,93/20 мкА = 46,5 кОм

Стандартное значение R2 = 47кОм;

  • R1 = (VCC-Vb)/(10*Ib) = (3,3-0,93)/20 мкА = 118,5 кОм

Стандартное сопротивление резистора R1 = 120кОм; Давайте построим эту схему в симуляторе LTSpice, чтобы увидеть, как она работает:

Схема стандартного сопротивления резистора

Его выход при амплитуде микрофонного сигнала 20 мВ:

Амплитуда микрофонного сигнала

Как видите, смещение постоянного тока на выходе слишком велико. Возможно, вам придется немного изменить значения резисторного делителя, чтобы получить его на уровне 3,3/2 VCC. В любом случае, более популярны недискретные транзисторные решения, в которых используются операционные усилители. Они более стабильны, производят меньше шума и компактны.

Последняя схема, которую мы собираемся рассмотреть, представляет собой простую схему микрофонного усилителя на базе операционного усилителя.

Электретный микрофонный предусилитель на базе ОУ

Схема предусилителя на базе ОУ

В данном случае мы будем использовать стандартный маломощный прецизионный операционный усилитель LT1215 IC. Из его таблицы данных мы можем узнать, что он может питаться от однополярного источника 3,3v. Построим инвертирующий усилитель со смещением средней точки по постоянному току.

Схема выглядит следующим образом:

Прецизионный операционный усилитель LT1215

Здесь показан выходной сигнал:

Выходной сигнал

С операционным усилителем вычисления становятся более простыми. Делаем делитель напряжения с R1-R2 на точку VCC. Значит, оба резистора равны. Затем рассчитываем резисторы усиления по формуле:

  • Усиление = R3/R4

Если мы выберем Gain = 100 то берем R3 = 100k, тогда R4 будет иметь значение 1 кОм.

Важность входного конденсатора перед усилителем

Мы не упомянули важность входного конденсатора, который стоит перед усилителем. Во-первых, это фильтр смещения постоянного тока. Если есть смещение постоянного напряжения от микрофона, оно отфильтровывается, и проходит только сигнал переменного тока. Кроме того, он работает как фильтр высоких частот вместе с входным сопротивлением усилителя. Если вы хотите улавливать низкочастотные звуки, выбирайте конденсаторы более высокой емкости — 1u, 10, 100u.

Скачать файлы LTspice для моделирования: micpreamp.zip

Предусилитель для микрофона

Уже больше года я веду свою деятельность не только на этом сайте, но и на YouTube. Если вы там еще не были – советую заглянуть, сейчас я чаще бываю там, чем тут.
По мере улучшения качества своих роликов я пришел к необходимости улучшения качества записи звука. Исходно я записывал звук на петличку Maono AU101(покупал в этом магазине ). Вполне удобная петля, но для меня возник ряд пользовательских неудобств.

петличка Maono

Так я и пришел к мысли собрать предусилитель для микрофона.Перед сборкой от предусилителя хотелось примерное следующего

  • питание от литий ионного аккумулятора
  • использование схемы на операционном усилителе.
  • создание печатной платы.

Описывать получившийся звук словами – странное занятие, да и дублировать содержимое ролика в статье не вижу смысла. Поэтому советую для начала посмотреть мой ролик, а уже потом продолжить чтение статьи. Они дополняют друг друга. Да и так будет понятнее надо ли оно вам.

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.

Схема однотактной модификации

Однотактные микрофонные усилители (схема показана ниже) производятся на базе проводных конденсаторов. В данном случае триггер подбирается с высокой проводимостью сигнала. У многих моделей используется два резистора. Если рассматривать маломощный усилитель, то у него устанавливается один фильтр.

Непосредственно тиристоры применяются без проводника. Трансиверы у моделей устанавливаются за расширителями. Показатель выходной чувствительности колеблется в районе 4.5 мВ. В данном случае пороговое напряжение не превышает 10 В. Показатель перегрузки тока зависит от проводимости расширителя.

микрофонные усилители схема

Питание электретного микрофона

Почему-то в интернетах очень мало информации о том, как правильно включать электретные микрофоны. Обычно используется стандартный вариант, при котором напряжение подается через токоограничивающий резистор, а далее для отсечения постоянного напряжения устанавливается конденсатор.

схема питания электретного микрофона

При этом в большинстве схем ни слова не говорится о подборе этого резистора и просто указывается конкретное значение. Хотя в целом это не совсем верно. Величину этого резистора следует выбирать не с потолка, а подбирать для каждого конкретного микрофонного капсуля.

Но как же его подобрать?

К счастью была найдена очень интересная статья, в которой автор провел ряд измерений и сделал очень полезное, с практической точки зрения, заключение.

Итак, при подборе токоограничивающего резистора необходимо, чтобы в точке соединения резистора и микрофоном получалась ровно половина питающего напряжения.

правильное питание электретного микрофона

Помимо оптимального режима работы микрофона эта фишка удобна еще и тем, что бонусом мы получаем смещение для операционного усилителя при питании от однополярного источника. Это означает, что можно выкинуть из схемы лишний конденсатор и два резистора.

Однополярное питание усилителя

Важным моментом этих схем является необходимость в некоторых дополнительных манипуляциях, связанных с однополярностью питания.

Напряжение смещения (1/2 питания) у нас уже создается на входе схемы и два резистора мы уже сэкономили. Но для того, чтобы это постоянное напряжение не пошло на выход там требуется конденсатор. Для этого нужен С3.

Так же стоит помнить — любой ОУ одинаково хорошо усиливает и переменное и постоянное напряжение. Поэтому необходимо превратить усилитель в усилитель переменного напряжения.

Для этой цели служит конденсатор С1. Благодаря нему коэффициент усиления по постоянному напряжению становится равным единице. А вот переменное напряжение усиливается в соответствии с заданным резисторами коэффициентом.

Частотная коррекция

Конденсатор С1 выполняет еще одну функцию. Вместе с резистором R1 они образуют RC-цепь, которая срезает низкие частоты. Т.е. работает как фильтр высоких частот.

Это очень удобный момент. Задав частоту среза порядка 30-80 Гц, мы избавимся от лишней низкочастотной составляющей на записи.

Расчет таких фильтров с упрощенными формулами был описан в статье RC-цепи, 5 самых ходовых схем фильтров и их простой рассчет.

фильтр высоких частот

Практически все нормальные микрофоны имеют в своем составе такие фильтры. На более дорогих моделях даже можно выбрать срезать на частоте 75 либо же 150 Гц.

В любом случае стоит сначала определиться с величиной резистора, а затем рассчитать под него конденсатор на желаемую частоту.

Для исключения самовозбуждения ОУ и ограничения звуковой полосы с верхней стороны используется конденсатор С2.

Принято считать, что человеческая речь лежит в диапазоне частот от 100Гц до 10кГц. Однако при редактировании записей, я неоднократно замечал, что хоть выше 10 кГц голоса и нет, но эти частоты все равно влияют на восприятие голоса. Поэтому частоту среза, на мой взгляд, лучше задать порядка 15кГц.

С его расчетом ситуация аналогичная. Сначала выбирается резистор, задающий коэффициент усиления (R2), а затем, по той же формуле, что С1 рассчитывается величина конденсатора С2.

Схема предварительного усилителя для динамического микрофона.

06.png

Схему можно значительно упростить, если рассчитывать только на использование динамического микрофона. Нужно только иметь в виду, что при использовании пассивного динамического микрофона с малой чувствительностью, может понадобиться увеличить коэффициент усиления, что приведёт к некоторому повышению уровня шумов микрофонного усилителя.

Усилитель для микрофона готовая схема

Но меня все подмывал тот факт, что практически все ОУ которые есть у меня в наличии – сдвоенные, а я не люблю, когда половина операционника висит в воздухе. Как-то это не кошерно…

Поэтому недолго думая я перешел к своей любимой схеме — схеме усилителя для наушников. Она по сути такой же неинвертирующий усилитель, однако дополненная хитро включенным повторителем.

Причина перехода не только в желании задействовать оба операционных усилителя в корпусе микросхемы.

  • Во-первых мне давно хотелось попробовать эту схему при однополярном питании.
  • Во-вторых эта схема способна выдавать вдвое больший ток, при том же выходном напряжении. Это гарантирует отсутствие просадок и искажений сигнала на пути от предусилителя до записывающего устройства. Кабель то может быть и 5 и 10 метров.

Поэтому оставалось просто добавить в нее входную цепь с микрофоном и изменить номиналы конденсаторов под нашу задачу.
Вот так в итоге выглядит конечная схема.

схема предусилителя для микрофна

Печатная плата

После того, как я определился со схемой и опробовал ее на макете, пришла пора запилить печатную плату. Я уже несколько лет не делал печаток, но на удивление все получилось проще, чем я думал. Платы я развожу в P-CAD, поэтому нарисовал по быстрому схему и спустя несколько часов залипания в комп получил готовую печатку.

Плата была упакована в размеры 20х45мм. Такие размеры получились из-за выбранного корпуса, но они видятся мне удобными практически для любого корпуса. Указанные размеры соответствуют нарисованной по периметру полоске.

печатная плата усилителя для микрофна

Скачать печатную плату предусилителя для микрофона вы можете по одно из ссылок ниже. Плата сохранена в формате ПДФ и готова к печати.

  • Скачать печатную плату
  • Скачать печатную плату (зеркальную)

Я сделал два варианты платы, разница лишь в том, что первая как на рисунке выше, а вторая зеркальная. В случае использования зеркальной платы, после переноса она станет нормальной и детали следует располагать со стороны дорожек.

Самые интересные ролики на Youtube

При отключении режима «Microphone Boost», удалось снизить шумы, но уровень усиления стал таким низким, что записать что-либо стало невозможно.

Я уже было решил купить отдельную аудио карту, но обнаружилось, что хорошая аудио карта стоит очень дорого, а бюджетная за 10$, хотя и имеет более низкий уровень шумов, но также обладает микрофонным усилителем с не очень высоким коэффициентом усиления.

Так что, взялся я за изготовление простенького микрофонного усилителя.

Первые же опыты с макетами микрофонных усилителей показали, что уровень шумов можно снизить, а усиление повысить.

Остаётся только диву даваться тому, как умудряются разработчики компьютерного железа выдавать на гора такие «перлы», тогда как всего несколько копеечных деталей решают проблему шума и усиления.

Читать также: Схема подключения датчика день ночь для освещения

Корпус усилителя для микрофона

Теперь пару слов о корпусе. Для этих целей я использовал корпус от вэйпа. Он уже давно валялся у меня в шкафу и ждал своей участи. Он оказался просто идеальным вариантом, т.к. располагает отсеком для аккумулятора и имеет отверстия, которых мне будет достаточно для счастья.

корпус усилителя для микрофона из вейпа

Для начала я выкинул из него все что напоминает о его происхождении, а так же достал и прочистил контакты для аккумулятора. После этого на место кнопки был установлен выключатель от настольной лампы. Он идеально подошел по размеру, потребовалось только сделать пропил под фиксатор.

Для того чтобы минимизировать уровень шумов от предусилителя я решил экранировать корпус. Для этого в съемные стенки корпуса я вырезал кусочки медной фольги которые приклеил на двусторонний скотч. Впоследствии их я соединю с минусом аккумулятора.

экранировка усилителя для микрофона

Единственное, что меня смущало в этом корпусе, так это отверстие на передней панели. Но оно сыграло мне даже на руку.
Из оргстекла я вырезал вставку, которую приклеил к крышке. Она не только закрывала имеющуюся дырка но так же была призвана демонстрировать синий светодиод намекающий на включенность устройства.

Чтобы как-то разнообразить вставку, а заодно усилить свечение я выгравировал на ней символичное изображение микрофона. Теперь, даже издалека и при ярком свете, я всегда смогу увидеть включен ли мой микрофон.

значек микрофна

Ну а теперь остается продеть провода через отверстие и подпаять их к плате.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...