Меню

Схемы микрофонных усилителей с регуляторами

Схемотехника микрофонных усилителей

Схемотехника микрофонных усилителей и их моделирование в LTspice

Больной вопрос для многих — запись звука с микрофона в компьютер и общение через скайп.

В продаже нет нормальных микрофонов. Все купленные с этой целью микрофоны приходилось засовывать в рот и кричать что есть силы, чтобы запихнуть в компьютер пару слов.

Но проблему решать как-то надо, поэтому спаял пяток разных схем на транзисторах для подключения микрофонов. Во всех схемах электретный микрофон запитывается через резистор сопротивлением от 1 до 20 кОм. Пробовал разного номинала . и вдруг подумал: А что если запитать микрофон не через резистор, а от источника тока.

Запитал. Обнаружил, что сигнал сразу стал громче раз в 10.

Решил смоделировать работу такого каскада при токах: 10мА; 1 мА; 0,1 мА с резистором в цепи коллектора (на схеме — R8) и источником тока (Q2). Схему нарисовал такую:

Здесь электретный микрофон имитируется цепочкой V2, С4, R10. Нагрузочный резистор усилительного каскада R8 ставил номиналом = 0,3К / 3К / 30К.

Подбирая R5/R2 и R3/R7, добивался 1/2 Uпит на коллекторе Q1.

Резистор R9 имитирует сопротивления нагрузки.

Получил такое усиление по напряжению Кu в схеме для разных нагрузочных резисторов R8 при R9=1M:

А с источником тока на Q2 получилось усиление таким: 250, 1000, 1300

То есть, при увеличении номинала резистора, усиление увеличивается в 5 раз с 25 до 130.

А при замене резистора на источник тока, оно вырастает еще в 10 раз — до 1300.

То есть источник тока в усилительном каскаде дает прирост усиления в 10 раз или 20 дБ.

Ниже приведен сигнал на выходе схемы (С3) при входном сигнале в 1 мВ (С2).

На выходе видим размах 1,3 Вольта

Далее смотрим как схема реагирует на нагрузку.

Нагружаем каскад сопротивлением R9=20К, и наши 1,3В сразу превращаются в 45 мВ. Печально.

Продолжаем нагружать. На нагрузке в 1 кОм мы получаем уже 2мВ: синяя кривая — входной сигнал на С2, зеленая — выходной на С3.

Как получилось, что в усилительный каскад из 2-х транзисторов дал усиление по напряжению всего = 2?

Из за высокого выходного сопротивления такого каскада. Чтобы сохранить достигнутое усиление, необходимо согласовать его с сопротивлением нагрузки. Делаем такое согласование. Для чего пробуем использовать эмиттерный повторитель, нагруженный на резистор в цепи эмиттера.

На эмуляторе обнаруживаем, что выходное сопротивление эмиттерного повторителя для переменного напряжения несиметрично! И чем ниже сопротивление нагрузки, тем больше несиметрия выходного сигнала, определяемая параметром h21 транзистора. Поэтому на низкоомной нагрузке, искажения сигнала (гармоники) могут достигать 90%, а синусоида превратиться в пилу и пики.

Поскольку эмиттерный повторитель совершенно непригоден для низкоомной нагрузки, пробуем снять сигнал с коллектора, добавив в его цепь резистор и уменьшив номинал резистора в цепи эмиттера. Получилось так:

Как Снимаем его с R1. Как и следовало ожидать, на коллекторе получаем неискаженный сигнал амплитудой почти в 1 вольт на нагрузке 20К при токе через транзистор 3мА. К-усиления=1000.

Ставим нагрузку 500 Ом — получаем 0,5В. Тоже неплохо.

И даже на 50 Ом имеем достойные 0,1 В (Кус=100) при отсутствии каких-либо видимых искажений.

Меняем источник тока снова на резистор, чтобы проверить как он будет работать с согласующим каскадом. И на тех же самых токах и сопротивлениях нагрузки получаем: 0,1В / 0,05В / 0,01 мВ (на 50 Ом). Т.е. как и было — в 10 раз меньше.

Меняя номинал резистора R3 в разумных пределах, можно увидеть, что чем он выше — тем больше коэффициент усиления. Сам транзистор работает как источник тока и без этого резистора (подбирать только нужно смещение), но с ним характеристики источника тока сразу улучшаются.

Выводы:

1. Следует вместо нагрузочных резисторов ставить источники тока (рост усиления в 10 раз).

2. Для подачи сигнала на низкоомную нагрузку, его следует снимать ТОЛЬКО с коллектора, а не с эмиттера. Искажения эмиттерного повторителя быстро растут со снижением сопротивления нагрузки и могут достичь 90%. Т.е. питать низкоомную нагрузку от эмиттерного повторителя ни в коем случае нельзя, если только это не повторитель с симетричным выходным каскадом.

Моделируем работу такой схемы с электретным микрофоном и фантомным питанием от ЮСБ (микрофон здесь имитирует R6 и источник сигнала V2, R7, С1). Получаем такую схему:

Кус=25 на нагрузке 4К.

Кус=3 по напряжению на нагрузке 50 Ом

Сопротивление = 4К имеет вход звуковой карты.

Если усиление в 20-25 раз нам не хватает — ставим в схему второй транзистор так:

Читайте также:  Все виды регуляторы роста

Получаем:
— Кус=100-125 на нагрузке 4кОм.
— Кус=30-50 по напряжению на нагрузке 50 Ом

А это — реальная схема для сборки

Деталей минимум. В настройке простая.

При подключении к звуковой плате с входным сопротивлением 4кОм,, сигнал с микрофона усилится в 20-25 раз.

R4 и R5 на ней подбираются так, чтобы на питающей линии было 2,5. 3 В.

Ток через микрофон = 0,15мА

Напряжение на микрофоне = 0,6. 0,7 В

Ток через схему = 0,6-2мА

А если на эту схему подать питание через наушники то получим слуховой аппарат или подслушивающее устройство.

Ток в схеме надо выставить 3-20 мА подбирая R4, R5.

Но на нагрузке 50 Ом (наушники), усиление такой схемы по напряжению будет = всего 3-5.

Поэтому для питания наушников нужен ещё один каскад. С ним получаем Кус по напряжению =30-50 на нагрузке 50 Ом.

Это вариант такой схемы с минимумом деталей:

Спаять её можно за 5-10 минут на выводах самого микрофона. Работает очень даже неплохо. Кроме напряжения, в схеме усиливается ток, поэтому усиление по мощности в ней получается на 2 порядка больше.

При наличии 2-х наушников, их лучше всего соединять НЕ параллельно с получением 15 Ом, последовательно, чтобы получилось в итоге 30+30 = 60 Ом. Такой вариант на слух добавляет громкости вдвое.

В той схеме будут работать любые маломощные транзисторы с малыми токами утечки кт3102, кт3107, BC550, ВC560, кт 315, кт 361 и др. В конечном каскаде можно поставить транзисторы средней мощности (кт605. кт814 и т.д). Вряд ли в ней смогут работать германиевые транзисторы, ГТ, П, МП и транзисторы средней мощности из-за больших утечек. Но попробовать можно.

А почему бы не включить микрофон в цепь эмиттера?

Можно и включить. Деталей станет еще меньше. Работает более чем прилично — громко и четко.

А если вместо динамика (наушников) её подключить ко входу звуковой карты компьютера, то получим усиление сигнала от 20 до 50 раз.

Добавление в схему резисторов может улучшить параметры работы транзисторов. Но и без них она отлично работает.

Знающий Опубликована: 08.07.2016 0

Источник



Схема усилителя микрофона

Схема усилителя микрофона для использования в проектах микроконтроллеров. Большинство микроконтроллеров имеют вход аналого-цифрового преобразователя, который может дискретизировать аналоговый сигнал, включая звук. Даже используя Arduino, вы можете делать много крутых проектов, используя аудио информацию.

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.

Читайте также:  Ремонт регулятора печки опель астра

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.

Источник

Микрофонный усилитель с АРУ на микросхеме MAX9814

Здравствуйте!
В последнее время мне везет на работу с акустикой. Какое то время оцифровывал более менее статичные сигналы, либо было достаточно проводного соединения, но спокойной работе иногда приходит конец. При проектировании очередного проекта тянуть провод от компьютера или телефона иногда вообще не вариант. И вот я зукупился микрофонами, и стал экспериментировать.

Вообще первый раз готовый китайский микрофонный усилитель на микросхемах серии MAX98xx (а точнее MAX9812) был описан здесь Самодельный USB микрофон. и было снято аж 2 видео по микрофонам для подключения к компьютеру. Все бы хорошо, но мне нужна была возможность регулировать усиление, а в идеале шумоподавление и автоматическая регулировка усиления.

Читайте также:  Ремонт реле регулятора уаз

Первый микрофонный усилитель я собрал вот по этой вот схеме.

И он даже работал, но небыло АРУ и шумоподавления, последнее меня не сильно беспокоило, так как планировалось эту схему использовать в связке микроконтроллером, и сильное качество не нужно было, но минусом этой схемы оказалось то, что мне не удалось подобрать достаточное усиление! Для записи звука достаточно, для подключения к микроконтроллеру – нет! Уровень выходного сигнала оказался слишком низким, сколько не увеличивал я усиление.

Причина оказалась проста – микрофон – он не выдавал достаточный уровень сигнала, и до определенного уровня усиления не происходило, то есть все тихие звуки вырезались, а усиливалось только с приличной громкости. Повозившись с усилителем, поподбирая разные коэффициенты усиления и операционные усилителя, я забросил это дело, и решил собрать усилитель с АРУ (автоматическая регулировка усиления).

Работают такие схемы достаточно просто – усиленный сигнал подается на полевой транзистор, который меняя свое сопротивление “изменяет” коэффициент делителя, задающего коэффициент усиления операционного усилителя.

Если уровень сигнала слабый, на выходе низкое напряжение, на затворе полевого транзистора так же напряжение падает, полевой транзистор увеличивает свое сопротивление, тем самым поднимая усиление. И наоборот, всплеск напряжения на выходе гасит усиление, тем самым выравнивая громкость звука на выходе. Если занимались когда нибудь обработкой звука, то программный “компрессор” вам знаком – это аппаратная версия компрессора, который выравнивает громкость.

Вторую схему я брал здесь

Сама схема вот такая

В итоге могу сказать – схема рабочая, и АРУ работает, и для подключения к компьютеру эта схема очень хорошо подходит, но главный недостаток ее как и предыдущей схемы – она отказалась усиливать “тихие” звуки. Я бы хотел, что бы, например цветомузыка уже работала от громкой речи в комнате. Но усилитель реагировал только на нормальную речь возле микрофона, и напрочь отказывалась усиливать даже громкую речь с расстояния – метра. Вернее усиливал, но осциллограф это усиление замечал слабо, не говоря уже о АЦП, у котором эти значения были чуть выше шумов в младших разрядах. Это и плюс и минус. Минус понятен, а вот плюс в том, что этот усилитель косвенно гасил посторонние шумы. Если записывать голос на микрофон, то это плюс, меньше эхо ловится и посторонние шумы.
Вот такая вот компактная печатная плата у меня получилась

И вот поиски меня привели к вот такому вот модулю на микросхеме MAX9814.
С усилителем на подобной микросхеме я был знаком, и тут еще и регулировка усиления и скорость реакции АРУ! И цена около 100 р. всего.

Ссылки на модуль, привожу только тех продавцов, с которыми у меня не было проблем.
Ссылок даю несколько, так как иногда продавцы задирают стоимость доставки, или цену. Ну или лот может пропасть чрез неделю.
В любом случае посмотрите, что за модуль, что бы ориентироваться что брать. Есть похожие модули, они короче, на другой микросхеме но стоят дешевле. Их я в работе не проверял, рекомендовать не могу. Поэтому, смотрите внимательнее.

Данный модуль может: Усиливать сигнал с микрофона на 40, 50 или 60 дб. Регулировать скорость атаки своего АРУ 1:4000ms, 1:2000ms или 1:500ms.

Вот, что пишут о модуле китайцы:
Напряжение от 2,7 до 5,5 v, ток потребления 3mA
Частотная характеристика от 20Гц до 20000Гц
Программируемое соотношение атак и усиления
Автоматическое усиление, между 40 дБ, 50 дБ или 60 дБ
Низкая входная плотность шума 30NV
Низкий THD: 0.04% (typ)

Даташит на микросхему MAX9814 я оставлю здесь. Datasheet MAX9814

И вот этот вот с этим вот модулем цветомузыка заработала как и задумывалось.
Для цветомузыки оказались достаточные параметры: усиление 50db (громко музыку не слушаю, слышимость с соседями большая) и скорость АРУ 1:500.
В моем случае это оптимальные показатели.

Теперь про подключение данного модуля и настройки.
Всег у него 5 выводов.

GND и VDD это питание модуля, Out это выход усиленного и выравненного сигнала с микрофона, а вот про оставшиеся 2 вывода поподробнее.

Вывод Gain – усиление. Если вывод Gain ни куда не подключать, усиление будет 60dB. Если его соединить с землей (посадить на минус питания GND) усиление составит 50dB, а вот если подсоединить к VDD усиление составит 40dB.

Вывод AR – Attack/Release (скорость срабатывания/скорость восстановления автоматического регулятора усиления). Если ни куда не подключать A/R = 1:4000ms, если подсоединить на VDD A/R = 1:2000ms. Если его соединить с землей A/R = 1:500ms

Источник