О сайте

Всем доброго времени суток! Я, Вячеслав Юрьевич, или просто В.Ю. приглашаю Вас в свой блог. Почему блог так называется? Я дедушка и, как все деды, люблю поговорить о былом и поучить молодёжь. Читайте мои посты с советами обо всём, а особенно о здоровье.
До новых встреч!

воскресенье, 2 марта 2014 г.

Малошумящий микрофонный усилитель.


 Помню, как  когда-то  делал самодельный микрофонный усилитель для отца, с возрастом у него ухудшился слух, и мне просто захотелось сделать ему подарок. Усилитель делал, как для себя, поэтому большое внимание уделил получению минимального уровня собственных шумов путём простых технических решений. Сам усилитель, а скорее слуховой аппарат, получился размером со спичечный коробок, почти всё место в нём занимали батарейки. Правда, потом у него появилась целая коллекция покупных слуховых аппаратов, но самодельный оказался лучшим.

                                                     Вот его схема.
Рис. 1.
 Вы найдёте в ней ретро стиль 70-х годов. Именно тогда в журнале Радио появились статьи об усилителях с динамической нагрузкой, а полевой транзистор во входном каскаде – чем не радиолампа.  С использованием этой схемы любой электретный копеечный микрофон зазвучит песней.
  Микрофон электретный, конструктивно в его корпусе уже стоит полевой транзистор, усиливающий поверхностные заряды конденсатора, образующиеся под воздействием звуковых волн. В качестве нагрузки электретного микрофона я вместо резистора использовал полевой транзистор Т1, подсознательно думая, что шумят они меньше, чем биполярные, и в совокупности с транзистором самого микрофона, получилась схема с динамической нагрузкой. Такие схемы обладают просто бешеным усилением. С аналогичных схем включения двух транзисторов я получал  коэффициент усиления Кус = 85, но это при питании 12 вольт и большом входном сопротивлении следующего каскада, но данная схема в отличие от обычной резистивной будет иметь преимущество в усилении только на 4 дБ.  Микрофонный каскад с транзистором  Т1 загружается на почти такой же каскад (Т2, Т3), имеющий большое входное сопротивление, и его Кус = 15. Такое включение транзисторов обеспечивает компрессию звука, где слабые, отдалённые сигналы с микрофона усиливаются сильнее, чем громкие вблизи. Всё благодаря транзистору Т3, чем громче звук, тем сильнее он открывается, а его сопротивление, являющееся нагрузкой Т2, уменьшается, и в результате уменьшается коэффициент усиления каскада.
  Чем больше усиление каскадов, тем сильнее  его собственный шум. От этого шума я избавляюсь ФНЧ на DD1. Это операционный усилитель с коррекцией, он включён повторителем и обеспечивает завал частотной характеристики после 6 кГц, и таким образом, уменьшает уровень высокочастотных составляющих шума, похожих на звук закипающего чайника.  На микросхеме  DD2 выполнен усилитель для наушников.  Он тоже с коррекцией, которую можно изменить в случае необходимости. Чтобы речь слушалась более комфортно, без бубнения, обеспечивается завал частотной характеристики в области нижних частот, за счёт конденсатора С3, спад сильнее, чем меньше ёмкость конденсатора. Конденсатор С3 ёмкостью менее 0,022 мкФ ставить не рекомендуется.
 Этому усилителю не нужен шумоподавитель, при отсутствии микрофона придётся прислушиваться, чтобы заметить звуковое шипение в наушниках. Эта особенность существенно  отличает данную схему от современных усилителей с использованием микросхем с компрессионными свойствами, которые при отсутствии сигнала начинают усиливать свои собственные шумы.
 В схеме не нужна автоматическая регулировка усиления АРУ, динамическая нагрузка вполне справляется с громким разговором, нелинейные искажения будут отсутствовать, вплоть до 0,7 вольта среднеквадратичного сигнала на выходе микросхемы DD1, при 5 вольтах питания.
 Вовсе не обязательно потерять слух, чтобы начать делать этот усилитель. В быту можно найти массу применений  этого устройства.
 А чтобы не потерять слух, обязательно прочтите «Лимонник китайский 3, улучшение слуха проверено опытным путём». После написания этой статьи я дополнительно выиграл у жизни ещё 1 кГц вопреки всем прогнозам статистики.
 Применение.

                                      Усилитель для динамического микрофона.
Рис 2. Предварительный усилитель динамического микрофона.

Фото 1. Динамический микрофон
из головных телефонов.
 В качестве динамического микрофона я использовал диффузорный электродинамический громкоговоритель  от старых наушников с сопротивлением звуковой катушки 33 Ом. Чувствительность такого микрофона и его частотная характеристика напрямую зависят от размера мембраны и конструкции корпуса.  Полевой транзистор Т1 включён с общим затвором, чем обеспечивает низкое входное сопротивление первого каскада и его согласование с микрофоном. Из-за высокой чувствительности всего тракта усиления, часть схемы или всю её необходимо разместить в корпусе микрофона (динамического громкоговорителя).  Отсутствие соединительных проводов во входных цепях усилителя обеспечивает  помехозащищенность устройства. 

                         Микрофонный усилитель, работающий на длинную линию.
 Сама двухпроводная линия может составлять несколько сотен метров, а благодаря низкому выходному сопротивлению, ей не страшен фон и помехи.
                                                         Модулятор передатчика.
 Данную схему можно использовать в качестве модулятора передатчика АМ, а поменяв микросхему DD2 на DD1 и изменив её схему включения, получится модулятор для ЧМ передатчика. «Простые и стабильные ВЧ генераторы  (передатчики)на 10,7 МГц с ЧМ и на 455 кГц с АМ».
                                                      Направленный микрофон.
Фото 2.

 На фото 2 фрагмент из книжки моего детства «Электро- и радиотехника для всех»
авторов У. Ф. Стейнберг и У. Б. Форд. Издательство «Советское радио».
.
                                                Детская музыкальная игрушка.
 Если подсоединить  вместо динамического микрофона (рис.2)  стрелочный микровольтметр, то удар пальцем по корпусу прибора напоминает  затухающий звук ударника, за счёт микрофонного эффекта и механического колебания стрелки, изменяющей поле магнитоэлектрической системы.  

                                Предварительный усилитель для электрогитары.
  Очень хочется узнать, как это зазвучит. Вместо динамического микрофона (схема рис. 2) необходимо поставить магнитный звукосниматель, изменить коррекцию в микросхеме DD1, уменьшив номиналы конденсаторов С1 и С2. Предварительный усилитель установить в самой гитаре, а усилитель  мощности на радиолампах  выполнить отдельным блоком.

 Смотрите продолжение статьи.

Микрофонный усилитель с компрессией на микросхеме SSM2167.

Рисунки к комментариям.

Рис. 3. Вариант исполнения оконечного усилителя.
 Необходимые изменения (2.2 к - 5,1 к, 1000 - 560 пФ, 300 - 51 к).
     Листая старые страницы....
                                     «Лампа в качестве анодной нагрузки». 
«Лампа в качестве анодной нагрузки». Так называется статья в журнале «Радиолюбитель» за 1930 (05) год.  «В нашей практике этот усилитель вытеснил все существовавшие до него, так давал большую чистоту и музыкальность», - утверждает автор А. Одинцов.

27 комментариев:

  1. Здравствуйте! Очень интересная и полезная статья! А можно с вами как-то связаться, например через почту? Давно маяюсь идеей сделать хороший усилитель для динамического микрофона или электретного. Цель: бюджетный, нешумящий источник записи речи с приличным усилением. Но познаний в области электроники нет, кроме паяльника и радиорынка. Вот, хочу найти какую-то схему хорошуу, чтобы показать человеку и он всё спаял мне... Посоветуйте пожалуйста petr_avdeev93@mail.ru

    ОтветитьУдалить
  2. Прекрасная схема. Спасибо.
    Только я не очень понял, почему "благодаря транзистору Т3, чем громче звук, тем сильнее он открывается, а его сопротивление, являющееся нагрузкой Т2, уменьшается"? Подскажите, пожалуйста, а то сообразить не могу. "Громче" значит "больше амплитуда". Вы имеете в виду, эта схема "плавно" срезает пики амплитуды?
    Компрессия мне тоже нужна. Буду очень благодарен за пояснения. Можно писать на еиейл: lbenkev@gmail.com.

    Спасибо!

    ОтветитьУдалить
  3. Под выражением «громче звук» подразумевается, что собеседники находятся в 0,5-и метра от микрофона. Максимальная амплитуда разговора (о крике речь не идёт) не ограничивается, следовательно, нелинейные искажения отсутствуют. В тоже время разговор будет услышан на расстоянии до 10 метров.
    Ки = S х Rн
    Ки – коэффициент усиления транзистора по напряжению;
    S – крутизна характеристики транзистора;
    Rн – сопротивление нагрузки транзистора Т2. В конкретном случае - это полупроводниковый переход транзистора Т3. Сопротивление перехода этого транзистора меняется под воздействием входного сигнала. С увеличением амплитуды входного сигнала, увеличивается ток (I и-с) через транзистор Т2 и ток перехода транзистора Т3. Сопротивление перехода последнего транзистора уменьшается, следовательно уменьшается нагрузочное Rн сопротивление и коэффициент усиления каскада Т2, Т3 уменьшается. С уменьшением амплитуды на входе каскада - всё наоборот. Таким образом, осуществляется компрессия сигнала, заметная на слух. По крайней мере, независимые эксперты её почувствовали.

    ОтветитьУдалить
  4. Спасибо за ответ. Обдумываю.
    Я из Вашей схемуы собрал первые каскады на полевых транзисторах -

    действительно, это просто песня! Пока не на слух, осциллографом.

    Действительно, схема обладает свойством компрессии, то, что надо.И

    сигнал от микрофона такой чистый!

    Теперь про ФНЧ на LMV821. Расписал его передаточную функцию - это

    фильтр второго порядка, то есть в принципе от него можно ожидать -

    40dB/dec, Чтобы не считать самому, построил spice-модель, используя

    бесплатный симулятор LTSpice от Linear Technology

    (http://www.linear.com/designtools/software/#LTSpice). И вот тут-то

    я чего-то опять "не догоняю". Каким считать сопротивление на входе,

    т.е.10к + 27к (R1*). Правильно? Ведь параллельное R1* выходное

    сопротивление каскада на полевиках должно быть большим, это же два

    источника тока, там по меньшей мере десятки килоом. Значит,

    получаем 30-37к.
    Но с таким сопротивлением симуляция даёт частотную характеристику с

    небольшим 3дБ-пиком около 2.5кГц, после чего идёт спад -40дБ/дек.

    Сигнал теряет 3дБ на частоте 4кГц, то есть это - частота среза ФНЧ.

    Вы пишете, что должно быть 6кГц.
    Я подобрал входной резистор, при котором -3дБ-спад начинается на

    6кГц: это 14к. Но там сопротивление в несколько раз больше.
    Можно Вас попросить это прокомментировать?

    В любом случае, схема - блеск!

    Спасибо.

    PS И спасибо, что не промолчали по поводу украинских событий.
    Поддерживаю.

    ОтветитьУдалить
  5. Мне проще без программы, возможно потому, что у меня её нет. Но R1, не надо в неё заводить. Водное сопротивление определяется двумя последовательно включёнными резисторами + входное сопротивление ОУ, которое при его таком включении (повторителя) принято считать бесконечно большим, остановимся на 1 мОм. Но это всё реально на 1 кГц. Выше этой частоты действует частотно зависимая обратная связь. Частоту среза лучше менять изменением ёмкости конденсатора С2. Попробуйте в программе поставить
    С2 = 6н8 (6800 пФ), 8200 пФ, 9100 пФ. Наиболее заметно изменение ёмкости конденсатора С2 на слух. С его уменьшением возрастает частота среза, но увеличивается уровень шума.
    В тоже время у Вас неплохо получилось в программе. Не бойтесь подъёма частотной характеристики в интервале 2,5 – 4.5 кГц (такой широкий интервал скорее всему присущ возрасту и с его ростом уменьшается). Это упрощённая реализация фильтра присутствия, который допускает подъём на этой частота вплоть до 10 дБ. Ухо устроено таким образом, что на этих частотах обладает наибольшей чувствительностью, и речь лучше выделяется и более разборчива на фоне мешающих звуков.
    Срез частотной характеристики принято считать от измеренного уровня на 1 кГц до – 3 дБ относительно этого уровня. Думаю, что Вы также поступили.
    Готовая к употреблению схема компрессора на микросхеме SSM2167. Однако для заметного на слух уровня её шума на входе желательно поставить дополнительный УНЧ на малошумящем транзисторе с усилением не более 10 дБ. Усиление транзистора я уменьшаю введением ООС.

    ОтветитьУдалить
  6. Здравствуйте, Вячеслав Юрьевич!
    Я собрал прототип Вашего слухового аппарата с первым попавшимся "компьютерным" электретным микрофоном. Действительно, звучит он хорошо. Попросил знакомого, пользующегося слуховым аппаратом, проверить на себе - сказал, что это может служить слуховым аппаратом. Теперь надо сделать микроминиатюрный вариант, с SMD-компонентами на тонкой печатной плате. Причём поскорее, делаю для мамы.
    Но Вы меня заинтриговали, упомянув микросхему SSM2167. Я их несколько купил недорого на eBay.com и хочу попробовать. Внимательно почитал документацию на SSM2167-1. Как я понял, её диапазон входных напряжений, "предназначенных для слуха", настраивается от [1.4mV .. 63mV] до [10mV .. 63mV], конечно, всё это в rms. Компрессия осуществляется в этом диапазоне. На меньших уровнях усиление резко падает, а более высокие, чем 63 mV rms, уровни подвергаются сильной компрессии более 10:1 или 15:1, фактически, ограничиваются, и максимальный выходной уровень не превышает 0.5Vrms. То есть, микрофон с предусилителем обязаны выдавать сигнал ровно в этих пределах, причём нижний уровень должен быть "шумовым", чтобы микросхема его "обрезала". Боюсь, что сразу собрать хороший усилитель не удастся - требуется экспериментирование. Можно Вас попросить поделиться опытом, чтобы не тратить много времени на собственные ошибки?
    У меня к Вам несколько вопросов.
    1. Действительно ли эта микросхема обеспечивает лучшее (субъективно) качество по сравнению с Вашей схемой на этой странице? Пробовали ли Вы её?
    Если да, то
    2. Я не очень понял Ваш текст: "для заметного на слух УРОВНЯ ЕЁ ШУМА (???) на входе желательно поставить дополнительный УНЧ на малошумящем транзисторе с усилением не более 10 дБ. Усиление транзистора я уменьшаю введением ООС." Что Вы имели в виду под "УРОВНЕМ ЕЁ ШУМА"?
    2.1 И какая ООС?
    3. Говоря о "дополнительном УНЧ на малошумящем транзисторе с усилением не более 10 дБ", можно ли использовать Ваши первые два каскада на BFT46 (первый - микрофон с динамической нагрузкой)?
    4. Если у Вас есть опыт использования SSM2167-1, не могли бы Вы сказать,
    4.1 Какой уровень компрессии Вы устанавливали резистором Rcomp (8я нога - к шине питания)? Я лично просто не представляю, как уловить компрессию на слух, какой уровень звучит "приемлемо", а какой - "отвратительно"?
    4.2 Если использовать Ваши каскады как предусилитель, какой "Noise Gate" Вы бы выставили (от -40dBV (10mV rms) до -55dBV (1.8mV rms)) резистором Rgate (7я нога - к шине питания)?
    --------------------------------------
    В.Ю., спасибо Вам заранее!

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте.
      1. Эта микросхема обеспечивает только компрессию и необходимое усиление для оконечного усилителя наушников.
      2. Здесь подразумевается худшее соотношение сигнал / шум, которое заметно на слух, если использовать данную микросхему как законченный вариант для подключения микрофона.
      2.1 Здесь речь идёт о следующей статье, где рассматривается УНЧ на одном транзисторе «Самодельная прослушка из микрофона караоке». Это сопротивление резистора Rэ не заблокированное ёмкостью и сопротивление Rбк в таком включении.
      3. Усилитель, непосредственно подключенный к микрофону, на полевом транзисторе или на биполярном как показано в предыдущем комментарии уменьшает соотношение сигнал/шум, так как первый каскад УНЧ отвечает за шум всего тракта (под шумом подразумевается собственный, тепловой шум транзисторов и микросхем).
      4. Здесь всё сугубо индивидуально и определять придётся самому или маме. В квартире компрессия удобна и позволяет слышать, что творится в другой комнате, на улице – машина, заведённая в соседнем дворе, заставит вздрогнуть, так как будет услышана рядом. Здесь ничем помочь не могу, поскольку я не доктор. Тем не менее, лучшим усилителем окажется тот, который вы выберете и сделаете сами. В предыдущем комментарии я привел проверенный вариант схемы на SSM2167. Попробуйте.
      Желаю удачи!

      Удалить
  7. В.Ю., большое спасибо! Жаль, нет времени сейчас ответить. Напишу попозже.

    ОтветитьУдалить
  8. На днях я оживил макет с компрессией и по последним комментариям на эту тему готовлю статью «Микрофонный усилитель с компрессией на микросхеме SSM2167» с рисунками и пояснениями. Там есть особенности, о которых я забыл. Это питание микросхемы, которое должно быть не более 3-х вольт, а также наличие неполярного конденсатора с ёмкостью 4,7 мкФ (6-й вывод SSM2167). Отправить материал планирую на неделе.

    ОтветитьУдалить
  9. "...питание микросхемы, которое должно быть не более 3-х вольт, а также наличие неполярного конденсатора с ёмкостью 4,7 мкФ (6-й вывод SSM2167)."
    -- надо же. А в её документации это вроде и не упомянуто.
    Про Вашу фотографию схемы с SSM2167: меня удивило, что там установлен предельно большой уровень компрессии, более 10:1. Почему? 3:1, даже 5:1 "не ощущается"?

    ОтветитьУдалить
  10. Если заметили, то схема на SSM2167 в несколько необычном включении. Все уровни и режимы подбирались экспериментально на слух. Пора уже спуститься с облака и перейти на главную страницу.

    ОтветитьУдалить
  11. Здравствуйте, Вячеслав Юрьевич, подскажите, пожалуйста, можно ли заменить указанный в схеме операционный усилитель на NE5532 и можно ли схему без изменений в номиналах элементов питать от 12 в?
    Заранее спасибо)

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте. Можно использовать данную микросхему и всю схему без изменения номиналов запитать от 12 вольт. Единственно следует позаботиться о питании микрофона, как правило, большинство предпочитают низковольтный интервал напряжений.

      Удалить
    2. Микрофон у меня динамический с сопротивлением катушки около 600 Ом - норм будет для него?
      И забыл спросить насчет полевых транзисторов - BFT46 у меня нет, но есть 2П303А - их можно применить?

      Удалить
    3. Динамический микрофон следует подключить согласно рисунку 2. В этом случае заботиться о его напряжении питания не надо. Попробуйте собрать на отечественных транзисторах, не должны подкачать.

      Удалить
  12. здравствуйте Вячеслав Юрьевич
    попытался собрать ваш усилитель выписал BFT 46 но их не смог спаять
    (из за крохотных размеров) видимо и схема не заработала
    по сему просьба указать современные зарубежние аналоги этих транзисторов в корпусе ТО 92
    если конечно щни имеются Для меня раэмер усилителя не имеет большого значения
    к стать я тоже дед и хочется с вами проконтактироваться
    отзавитесь пожалуйсто 223038@mail.ru Давид

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте. Я так думаю, что сам корпус ТО92 уже устарел, так как все радиокомпоненты в настоящее время подстроены под авто монтаж. Два вечера изучал datasheet (характеристики, параметры). Вот похожие по параметрам аналоги: 2N5457, 2N5458, 2SK241, 2N3819. Но опять это всё надо проверять, собирать, пробовать, а это уже будет другая схема, и работать будет, может хуже, а может лучше.
      Ну не заработала схема. Со мной такое часто бывало в молодости, продолжается и до сих пор, а значит я ещё не старик.
      На всякий случай напомню об опыте работы с полевыми транзисторами. Дело в том, что они, имея большие сопротивления переходов, боятся статического электричества, точнее боятся высокого напряжения фона. Перечислю основные рекомендации.
      1. Транзисторы распаиваются после распайки всех радиокомпонентов.
      2. Паяльник должен быть рассчитан на напряжение не выше 36 вольт и развязан от сети трансформатором. Сопротивление изоляции нагретого паяльника должно стремиться к бесконечности (более 1 МОм). Жало паяльника гибким проводом необходимо соединить с минусом монтажной платы, таким образом, обеспечив электрический контакт с ней.
      3. Пинцет или рука посредством провода тоже должны иметь электрический контакт с минусом платы.
      Конечно это не цикл технологического процесса, а чисто домашний подход к делу.
      Для маленьких транзисторов удобно сделать платформу (самодельную плату с ножками), это увеличит его размеры. Такой подход удобен для работы с мелкими деталями. При распайке транзистора на платформу, её выводы электрически соединяют вместе во избежание выхода транзистора из строя.
      В мои правила входит не контактироваться по почте, на то есть причины.
      Желаю удачи.

      Удалить
  13. Здравствуйте. Спасбо за хороший материал. А не могли бы вы поделиться печаткой этой схемы и ее разновидностей. Спасибо.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте. Перед написанием статьи я воспроизвёл схему на макете, используя монтажные слепыши (печатная плата с проводящими квадратиками), а поэтому как таковой схемы монтажа у меня нет. Тем не менее, я дополняю статьи фотографиями и рисунками в программе Photoshop. Пример рисунка (рис.3) выходного усилителя в самом конце поста. Не знаю, насколько вас устроят такие рисунки и если устроят, то я приму к сведению. Но мне нужно время для рисования.

      Удалить
  14. А как 1-ю схему(микр и полевики)подключить к компу?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. В смысле можно ли подключить к компу без доп.питания?

      Удалить
    2. Через разделительный конденсатор номиналом 0,05 - 0,22 мкФ. Конденсатор ставится вместо резистора 10 кОм от сток-исток транзисторов Т2, Т3. Правая часть схемы в этом случае должна быть отключена.

      Удалить
    3. Думаю, что можно распаять средний вывод стерео-джека через резистор 330 Ом плюсовой шины,чтобы включить без дополнительного питания.

      Удалить
  15. Можно ли схему переделать под полевики p-типа?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Теоретически, в случае использования динамического микрофона, можно. При использовании электретного микрофона (рис. 1), необходимо помнить, что в нём уже встроен полевой транзистор аналогичной структуры, что на рисунке 1, а поэтому это уже будет совсем другая схема.

      Удалить