ОБЗОР МИКРОФОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

ТРАНЗИСТОРНЫЕ МИКРОФОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

     В настоящее время микрофонные усилители выполняются на специализированных интегральных микросхемах, практически недоступных для радиолюбителей. Поэтому предлагается собирать микрофонные усилители караоке из более распространенных деталей, в том числе недорогих кремниевых транзисторов высокой частоты и несложных интегральных микросхем. Описываемые ниже микрофонные усилители отличаются друг от друга как используемыми деталями, так и своими характеристиками.

На рис. 1 представлен микрофонный усилитель на двух транзисторах разной проводимости, включенных по схеме общий эмиттер — общий эмиттер. За счет сочетания транзисторов различного типа проводимости удалось обойтись без переходного конденсатора между каскадами, а также обеспечить стабильность работы усилителя по постоянному току как при снижении напряжения питания, так и при смене транзисторов. Усилитель не требует подбора элементов схемы при использовании транзисторов с коэффициентом передачи тока базы более 50. То есть в данной конструкции могут быть применены практически без подбора транзисторы типов КТ3102 и КТ3107 с любыми буквенными индексами. Допустима также замена КТ3102 на КТ315 и КТ3107 на КТ361, хотя качество работы усилителя в ряде случаев может ухудшиться. Неплохие результаты можно получить, если в качестве первого транзистора использовать ВС307А, ВС307Б, ВС308А, ВС308В зарубежного производства. При всех перечисленных выше вариантах коэффициент усиления был не менее 150-200 в полосе частот от 50 Гц до 20 кГц.

Принципиальная схема транзистороного микрофонного усилителя

     При изготовлении усилителя используются постоянные резисторы МЛТ или С1-4 на 0,25 Вт, оксидные конденсаторы типа К50-6, К50-4, К50-35 либо аналогичные зарубежного производства. В качестве источника питания применяются три элемента 316, энергии которых хватает на 300-400 часов работы усилителя. Монтаж деталей производится на печатной монтажной плате размерами 50x30 мм, выпиленной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,7-1,0 мм. Расположение деталей показано на рис. 2, а плата со стороны фольги — на рис. 3.

Рис. 2 Монтажная схема микрофонного усилителя на двух транзисторах


Рис. 3 Печатная плата микрофонного усилителя на двух транзисторах

     Получить коэффициент усиления не менее 300-400 можно с помощью микрофонного усилителя, который выполнен по принципиальной схеме, приведенной на рис. 4. Здесь используются уже три транзистора, включенные по схеме общий эмиттер — общий эмиттер — общий коллектор. За счет применения транзисторов одного типа проводимости удалось упростить их подбор, а непосредственная связь между каскадами дала возможность стабилизировать режим работы всех транзисторов по постоянному току.
     Особенностью этого усилителя является коррекция частотной характеристики во втором каскаде за счет введения частотно-зависимой отрицательной обратной связи. Это достигается включением параллельно резистору R7 цепочки, состоящей из конденсатора С4 и резистора R5. На низких частотах сопротивление конденсатора C4 велико, и резистор R5 практически не влияет на усиление каскада. На высоких же частотах за счет малого сопротивления того же конденсатора параллельно R7 подключается R5. Сопротивление в цепи эмиттера уменьшается, что приводит к увеличению коэффициента усиления каскада.
     Другая особенность усилителя состоит в том, что сигнал на его выход передается через эмиттерный повторитель на третьем транзисторе. Это позволяет существенно снизить выходное сопротивление и влияние длины соединительного кабеля на работу усилителя. Например, если к выходу предыдущего усилителя может подключаться кабель длиной до 3 м, то к данному усилителю — до 10 м. Выбор деталей данного усилителя аналогичен предыдущему. Расположение деталей на печатной плате приведено на рис. 5, а чертеж печатной платы со стороны фольги — на рис. 6.

Рис. 4 Принципиальная схема микрофонного усилителя на трех транзисторах


Рис. 5 Монтажная схема микрофонного усилителя на трех транзисторах


Рис. 6 Печатная плата усилителя на трех транзисторах

     На рис. 7 приведена принципиальная схема микрофонного усилителя на трех транзисторах разного типа проводимости. Такая конструкция дает возможность уменьшить число используемых деталей, а также повысить усиление до 1000. Здесь, как и в предыдущей схеме, применена глубокая отрицательная обратная связь по напряжению сигнала во втором каскаде, что позволяет не только стабилизировать усиление, но также повысить входное сопротивление усилителя. В случае необходимости усиление можно снизить, увеличив сопротивление резистора R3. Например, при использовании сопротивления в 1 кОм удавалось снизить усиление до 100.

Рис. 7 Микрофонный усилитель на транзисторах разной проводимости


Рис. 8 Монтажная схема усилителя на транзисторах разной проводимости


Рис. 9 Печатная плата усилителя на транзисторах разной проводимости

     Особенностью данной схемы является заметная зависимость режимов работы транзисторов по постоянному току от параметров первого и частично второго транзистора. Для нормального функционирования усилителя необходимо, чтобы постоянное напряжение на эмиттере третьего транзистора составляло примерно 1,4 В. Если это не так, то режим корректируется подбором номинала резистора R1.
     При повторении конструкции данного усилителя можно пользоваться рекомендациями, приведенными выше. Расположение деталей на печатной плате представлено на рис. 8, а чертеж платы со стороны фольги дан на рис. 9.
     Конструктивно описанные выше микрофонные усилители на двух и трех транзисторах можно оформить в виде малогабаритного блока, в котором установлены плата усилителя, батарея питания, оба гнезда — входного и выходного сигнала — СГ-3 или СГ-5, а также выключатель питания. На рис. 10 показана примерная компоновка деталей и узлов усилителя на дополнительной плате из текстолита размером 30x110 мм и толщиной 1,0-1,5 мм. Гнезда устанавливаются с торцов. Для обеспечения хорошего контакта элементов питания последние поджимаются к проводникам с помощью прокладки из поролона. Соединение элементов между собой производится посредством латунной или жестяной пластины, вставленной между элементами и поролоновой прокладкой.

     Корпус микрофонного усилителя можно выполнить из органического стекла толщиной 3-4 мм или иной пластмассы, желательно непрозрачной, яркой расцветки, чтобы усилитель легче было найти в случае его потери.

МИКРОФОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ

     Усиление до 2000-3000 можно получить с помощью усилителя на одной микросхеме типа К538УН3Б, собрав его по принципиальной схеме, приведенной на рис. 11. Она настолько проста, что здесь кроме микросхемы имеются только четыре оксидных конденсатора (и ни одного резистора). Для нормальной работы этого усилителя требуется напряжение питания 6 В. Правда, его можно питать от источника напряжением 3 В, но тогда коэффициент усиления снизится до 500-1000, что вполне приемлемо для большинства случаев любительской практики. Расположение деталей показано на рис. 12, а чертеж печатной платы - на рис. 13.

Рис. 11 Микрофонный усилитель на ИМС К538УН3Б


Рис. 12 Монтаж микрофонного усилителя на ИМС К538УН3Б


Рис. 13 Печатная плата усилителя на ИМС К538УН3Б

     Все описанные микрофонные усилители являются одноканальными, то есть рассчитанными на работу только с одним исполнителем — солистом. Для дуэта можно использовать два одинаковых или различных микрофонных усилителя либо собрать отдельный двухканальный, например по принципиальной схеме, приведенной на рис. 14. В данном случае используется одна интегральная микросхема типа TDA 7050 производства Голландии. Микросхема имеет два канала с коэффициентом усиления около 1000 в полосе частот 20 Гц -20 кГц. При этом напряжение питания может находиться в пределах 1,6-6 В.

Рис. 14 Схема микрофонного усилителя на ИМС TDA7050


Рис. 15 Монтаж микрофонного усилителя на ИМС TDA7050


Рис. 16 Печатная плата микрофонного усилителя на ИМС TDA7050

     Особенностью конструкции усилителя является использование на выходах двух неполярных конденсаторов КМ-6Б или аналогичных им. Расположение деталей усилителя показано на рис. 15, а чертеж печатной платы со стороны фольги — на рис. 16. Размеры монтажной платы обоих микрофонных усилителей на интегральных микросхемах позволяют разместить их в корпусе конструкции, приведенной на рис. 1.21. (Можно, конечно, найти другой, более приемлемый вариант.)
     Можно провести интересный эксперимент — использовать стереофонический усилитель карманного аудиоплейера в качестве двухканального микрофонного усилителя. Это легче всего сделать с простейшим и самым недорогим плейером, который уже вышел из употребления.
     Для этого необходимо отключить двигатель лентопротяжного механизма, а входы каналов усилителей отсоединить от магнитной головки, подключив их к гнездам для микрофонов. Плавные регуляторы громкости, тембра, подъема басов очень удобны для применения в караоке.

УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ МИКРОФОНА С ОДНОПРОВОДНЫМ ПИТАНИЕМ

     Микрофоны, с размещенными в их корпусе предусилителями, требуют для подключения к трансиверу проводов питания (помимо экранированного сигнального провода). С конструктивной точки зрения это не очень удобно. Число соединительных проводов можно уменьшить, подавая напряжение питания через тот же провод, по которому передается сигнал, т. е. центральный проводник кабеля. Именно такой способ подачи питания применен в предлагаемом вниманию читателей усилителе.
     Его принципиальная схема приведена на рисунке. Усилитель рассчитан на работу от электретного микрофона любого типа (например, МКЭ-3). Питание на микрофон подается через резистор R1. Звуковой сигнал с микрофона подводится к базе транзистора VТ1 через разделительный конденсатор С1. Необходимое смещение на базе этого транзистора (около 0,5 В) задается делителем напряжения R2R3. Усиленное напряжение звуковой частоты выделяется на нагрузочном резистор R5 и поступает далее на базу транзистора VТ2, входящего в составной эмиттерный повторитель, собранный на транзисторах VТ2 и VТ3. Эмиттер последнего соединен с верхним контактом разъема ХР1 (выходом усилителя), к которому подключен центральный проводник соединительного экранированного кабеля, оплетка которого соединена с общим проводом. Заметим, что наличие на выходе предусилителя эмиттерного повторителя заметно снижает уровень наводок на микрофонный вход трансивера.

Рис. 17 Схема микрофонного усилителя с питанием по одному проводу

     Около входного разъема устройства, к которому подключается микрофон, смонтированы еще две детали: нагрузочный резистор R6, через который подается питание, и разделительный конденсатор С3, служащий для отделения звукового сигнала от постоянной составляющей напряжения питания.
     Примененное в данном усилителе схемотехническое решение обеспечивает автоматическую установку и стабилизацию режима его работы. Рассмотрим, как это происходит. После включения питания напряжение на верхнем выводе разъема ХР1 возрастает примерно до 6 В. При этом напряжение на базе транзистора VT1 достигает порога его открывания 0,5 В и через транзистор начинает протекать ток. Падение напряжения, возникающее в этом случае на резисторе R5, заставляет открыться транзисторfv составного эмиттерного повторителя. В результате общий ток усилителя возрастает, а вместе с ним увеличивается и падение напряжения на резисторе R6, после чего режим стабилизируется.
     Поскольку коэффициент усиления составного эмиттерного повторителя по току (он равен произведению коэффициентов усиления по току транзисторов VТ2 и VТ3) может достигать нескольких тысяч, стабилизация режима получается очень жесткой. Усилитель в целом работает подобно стабилитрону, фиксирующему выходное напряжение на уровне 6 В независимо от напряжения питания. Тем не менее при использовании источника питания с другим напряжением надо подобрать резисторы делителя R2R3 так, чтобы напряжение на верхнем контакте разъема ХР1 было равно половине напряжения питания. Любопытно, что режим практически нельзя изменить, регулируя сопротивление нагрузочного резистора R5. Падение напряжения на нем всегда равно суммарному напряжению открывания транзисторов составного эмиттерного повторителя (около 1 В), а изменения его сопротивления приводят только к изменению тока через транзистор VT1. То же относится и к резистору R6.
     Еще интереснее работа усилителя в режиме усиления переменного тока. Напряжение звуковой частоты с нижнего вывода резистора R5 передается эмиттерным повторителем с очень небольшим ослаблением на верхний вывод - выход усилителя. При этом ток через резистор постоянен и почти не подвержен колебаниям со звуковой частотой. Иными словами, единственный усилительный каскад оказывается нагруженным на генератор тока, т.е. на очень большое сопротивление. Входное сопротивление повторителя тоже очень велико, и в результате коэффициент усиления оказывается очень большим. При негромком разговоре перед микрофоном амплитуда выходного напряжения может достигать нескольких вольт. Цепочка R4С2 не пропускает переменную составляющую сигнала звуковой частоты к цепи питания микрофона и делителя напряжения.
     Однокаскадный усилитель совершенно не склонен к самовозбуждению, поэтому и расположение деталей на плате особого значения не имеет, желательно только вход и выход разместить с разных концов платы.
     Налаживание сводится к подбору резисторов делителя R2R3 до получения на выходе половины напряжения питания. Полезно еще подобрать и резистор R1, ориентируясь по наилучшему звучанию сигнала, снимаемого с микрофона. Если входное сопротивление радиоаппарата, с которым используется данный усилитель, менее 100 кОм, емкость конденсатора С3 следует соответственно увеличить.

МИКРОФОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ УРОВНЯ (АРУ)

     Схема микрофонного усилителя отличается от аналогичных, опубликованных в литературе, малыми габаритами и глубокой автоматической регулировкой усиления (АРУ). Это позволяет использовать ее в составе радиостанции или кассетного магнитофона. Все устройство выполнено на одной микросхеме, имеющей в своем корпусе четыре универсальных операционных усилителя.
     На элементе микросхемы DA1.1 собран неинвертирующий предварительный усилитель сигнала с микрофона. Это необходимо для эффективной работы автоматической регулировки усиления и снижения уровня шумов. Регулировка коэффициента передачи сигнала между каскадами осуществляется за счет изменения внутреннего сопротивления открытого транзистора VT1, включенного в делитель напряжения, образованный совместно с резистором R5. В исходном состоянии (при низком уровне входного сигнала) VT1 заперт и на прохождение сигнала влияния не оказывает.

     Второй каскад усилителя собран на элементе DA1.2. Полоса усиливаемых частот от 50 Гц до 50 кГц. Номинальное выходное напряжение 200 мВ. Элемент DA1.3 является повторителем сигнала, что улучшает согласование схемы с нагрузкой.
     Для работы системы АРУ используется усилитель на DA1.3 и детектор уровня сигнала на транзисторах VT2, VT3. Время восстановления схемы (инерционность) задается конденсатором С12. При изменении входного напряжения на 50 дБ — выходное меняется не более чем в 2 раза. В схеме применены полярные конденсаторы типа К50-16, остальные К10-17; резисторы МЛТ.
     При правильной сборке схема будет работать сразу, но элементы, отмеченные звездочкой "*", могут потребовать подбора. Так, изменением величины резистора R10 необходимо добиться в точке делителя, указанной на схеме, напряжения 1,15 В. Это напряжение подается на входы усилителей и обеспечивает начальное смещение для работы микросхем на линейном участке характеристики. В этом случае, при перегрузке, ограничение сигнала будет симметричным. От номиналов резисторов R3 и R7 зависит коэффициент усиления каскадов.

    
          Все сказанное в этой статье отражает только точку зрения автора на поставленные решения, и является результатом моих испытаний некоторые из которых я основывал на догадках, т.е. у меня не было возможности испытать усилитель на других платах кроме как на CREATIVE SB AUDIGY, по этому я не могу утверждать, что данная схема будет удовлетворительно работать на других микрофонах и звуковых платах, и возможно придется искать другие методы по уменьшению возможных помех.

Принципиальная схема двухканального микрофонного усилителя на К548УН1

     Примечания:     
     Два сопротивления по 47 КОм служат для установки напряжения питания для электретного (конденсаторного) микрофона и подбираются в соответствии с маркой подключаемого микрофона. Сопротивление резисторов может составлять не меньше 5 КОм. Рекомендую обязательно поставить в схему данные сопротивления т.к. отсутствие их, нарушит балансировку схемы и может вызвать искажение звука.
     Конденсаторы по 10 nF служат для подавления помех улавливаемых от внешних источников, и возможно могут не устанавливаться при отсутствии данных помех.
     Сопротивления по 270 Ом служат для установки коэффициента усиления, который составляет 25. Для повышения коэффициента усиления до 75 необходимо установить сопротивления по 68 Ом. Не рекомендую устанавливать высокий коэффициента усиления т.к. это может ухудшить качество звука, хотя это зависит и от микрофона и входа звуковой карты.
     Конденсатор 4700 mF служит для подавления низкочастотных помех по питанию, а конденсатор 0,1 mF для подавления высокочастотных.
     Неправильное подключение источника питания может привести к выходу из строя микросхемы.
     Желательно использовать элементы импортного производства.
     Рекомендации по сборке и установки схемы в системный блок компьютера.
    Схема была собрана на плате взятой от сломанного радио, куда я припаял микросхему на место где стояла микросхема с большим количеством ножек чем К548УН1. Для монтажа элементов частично были использованы имеющиеся дорожки на плате, но сначала я отпилил часть платы для уменьшения габаритов рассчитав, примерно, необходимое место под элементы.
     Схема помещена в металлический корпус, взятый из испорченного отечественного магнитофона в блоке радио, который идеально подошел под мою плату. Купленный ранее кабель для соединения звуковой платы с сидиромом одним концом я припаял к выходу усилителя, другой подсоединил к зв. плате на аудио вход под CD ROM. От испорченного вентилятора охлаждения процессора был отрезан провод со штекером для подключения питания к плате. На вход платы экранированным проводом я припаял гнездо с гайкой который закрепил на передней панели системного блока. Гнездо было выбрано стерео т.к. при таком варианте можно использовать одновременно 2 микрофона. При использовании одного микрофона используется провод микрофона со стерео штекером, у которого оба канала соединены перемычкой. Устройство закрепил в пустом отсеке, под сидиромом. Желательно использовать минимальную длину экранированного провода, особенно на входе устройства, чтоб уменьшить влияние помех.
     Рекомендую подключить выходы схемы на линейный или CD вход звуковой платы т.к. например на плате CREATIVE SB AUDIGY существующий дополнительный вход TAD не защищен от помех.
     Микрофон желательно подключать (включать) при выключенном входе зв. платы, для избежания больших всплесков.
     При максимальной установке громкости входа зв. платы, куда подключен микрофонный усилитель (на вход СD), в микшере компьютера, возможно появление помехи, по этому рекомендую установить необходимый коэффициент усиления достаточный для того, чтоб громкость в микшере не повышать до максимального уровня. Хотя это возможно связанно с особенностью моей звуковой платы или микрофона.
     Заключение:
     Изготовленное устройство двухканального микрофонного предварительного усилителя успешно использовалось на протяжении длительного времени, и отличается низким уровнем шумов, надежностью, компактностью, не требует дополнительного источника питания при использовании совместно с компьютером, низкой стоимостью.
     Все сказанное в этой статье отражает только мою точку зрения на поставленные решения, и является результатом моих испытаний некоторые из которых я основывал на догадках, т.е. у меня не было возможности испытать усилитель на других платах кроме как на CREATIVE SB AUDIGY, по этому я не могу утверждать, что данная схема будет удовлетворительно работать на других микрофонах и звуковых платах, и возможно придется искать другие методы по уменьшению возможных помех.