Инструментальный усилитель для микрофона
Средний 8 мин Блог компании RUVDS.com Схемотехника *DIY или Сделай сам Звук Электроника для начинающих Туториал
Привет, Хабр! В наши дни многие микрофоны для создателей цифрового контента оснащены встроенным аудиоинтерфейсом и предоставляют возможность подключения к компьютеру по USB без необходимости использовать звуковую карту.
С другой стороны, многие ноутбуки имеют ограниченные возможности шины USB. Если необходимо одновременно задействовать несколько внешних устройств, и при этом обрабатывать несколько источников аудиосигнала, то на USB-микрофон просто не хватит ресурсов.
Не хватит их и на аудиоинтерфейс с достаточным числом каналов, поэтому приходится использовать микшер, смешивающий несколько моно- и стереосигналов в один стереосигнал. Чтобы подключить качественный микрофон, микшеру необходим чувствительный балансный аудиовход. Сегодня мы изучим и соберём такой модуль.
Подключить к усилительному тракту проигрыватель, синтезатор или электрогитару очень просто, поскольку они обеспечивают относительно высокое напряжение на выходе — сотни милливольт и выше. Главное, чтобы входное сопротивление усилителя было достаточно высоким.
Чтобы обеспечить приемлемое отношение сигнал-шум, обычно достаточно экранированного аудиокабеля, в котором сигнал идёт по центральному проводу, окружённому оплёткой, соединённой с землёй схемы и массой аппарата.
В современной аудиоаппаратуре такие кабели используются чаще всего с разъёмами типа «джек». Стереоджеки обозначаются как TRS (Tip-Ring-Sleeve), а моноджеки — TS (Tip-Sleeve). Также существуют TRRS джеки для подключения стереофонической гарнитуры с микрофоном.
Джек является очень прочным и надёжным разъёмом, приспособленным к быстрому подключению и отключению, и выдерживающим большое число переключений. Изначально джек предназначался для неавтоматизированных телефонных станций, где оператор вручную соединял вилку вызывающего абонента с розеткой вызываемого.
Джек образца 1880 года был изобретён Чарльзом Скрайбнером в Бостоне, штат Массачусетс, и оканчивался не усечённым конусом, а шариком. Именно такие архаичные джеки встречались в ранних советских магнитофонах на радиолампах с карболитовым октальным цоколем.
Содержание статьи:
▍ Старый добрый разъём
В более поздней аппаратуре советского производства аудиокабели было принято снабжать пятиштырьковыми разъёмами ОНЦ-ВГ-4-5 стандарта DIN 41524, что расшифровывается как Deutsches Institut für Normung (Немецкий институт стандартизации).
Любители старых видеоигр помнят, что такой же разъём, только с восемью, а не пятью штырьками, использовался для подключения к телевизору консоли Sega Mega Drive, она же Genesis. Путём сверления недостающих трёх отверстий и установки штырей из донорского разъёма, дефицитный восьмиконтактный штекер можно было получить из распространённого советского ОНЦ-ВГ-4-5.
А если вы являетесь ценителем старых компьютеров, то наверняка имеете такой переходник, позволяющий подключить штекер клавиатуры PS/2 в гнездо стандарта PC/AT. Это всё тот же пятиштырьковый DIN 41524, или IEC 60130-9 по новой классификации. Такие же клавиатурные разъёмы использовались и в PC/XT, и в ещё более старой PC Type 1, но протоколы обмена данными отличались.
И наконец, разъёмы IEC 60130-9 повсеместно продолжают использоваться для цифрового интерфейса музыкальных инструментов MIDI.
В кабеле MIDI цифровой сигнал передаётся в виде не напряжения, а тока. Благодаря этому, обеспечивается высокая устойчивость к внешним наводкам. Такой тип интерфейса называется «токовая петля».
Кабель стандарта MIDI не только экранирован защитной оплёткой, представляющей собой экран Фарадея против электростатических помех, но и предусматривает пару проводов, в которых ток сигнала идёт в противоположных направлениях. Таким образом, индуктивные наводки взаимно вычитаются, и получается прекрасный защищённый интерфейс.
▍ Дифференциальная пара
По паре сигнальных проводов можно передать в виде двух зеркальных противофазных копий не только ток, но и напряжение. На самом деле, в любом случае передаётся и напряжение, и ток, но в случае токового интерфейса мы имеем значительно более низкое входное сопротивление.
В профессиональной аудиотехнике широко применяется балансный микрофонный кабель, представляющий собой экранированную витую пару. Он особенно необходим в следующих случаях:
- для подключения микрофонов вследствие низкой амплитуды их выходного сигнала;
- для подачи сигнала на входы мощных оконечных усилителей звуковой частоты, где даже маленькая амплитуда помехи способна вызвать громкий шум в акустических системах;
- для прокладки длинного кабеля между будкой звукооператора и сценой или комнатой звукозаписи, особенно с учётом того, что в студии и на концерте работает множество различных электроприборов, создающих электромагнитные помехи.
Из числа других применений витой пары можно упомянуть полевой телефонный кабель, шнуры для универсальной последовательной шины USB, UTP и STP кабели сетей Ethernet.
В профессиональной аудиоаппаратуре балансные шнуры используются с разъёмами XLR, часто называемыми «пушками» («сannon»). Это крупногабаритные, прочные, массивные разъёмы.
В отличие от быстросъёмных джеков, штекеры и гнёзда XLR-мама часто снабжены защёлками. Последние предусмотрены, прежде всего, затем, чтобы предотвратить выпадение штекера из микрофона.
▍ Предусилитель с балансным входом
Для того, чтобы усилить сигнал профессионального микрофона, в простейшем случае достаточно обычного дифференциального усилителя на одном операционном усилителе (ОУ).
Чтобы понять, как работает эта схема, вспомним характеристики идеального операционного усилителя.
- Входное сопротивление ОУ стремится к бесконечности, и соответственно, через его входы практически не идёт ток.
- В схеме с замкнутой петлёй отрицательной обратной связи (ООС) напряжение на выходе ОУ будет таким, чтобы обеспечить равенство напряжений на двух входах — инвертирующем и неинвертирующем.
Итак, на обоих входах ОУ будет одно и то же напряжение V, и токи в данной идеализированной схеме протекают только через резисторы: I1 через R3 и R1, и I2 через R2 и R4.
Вышесказанное позволяет нам записать уравнения закона Ома для расчёта падения напряжения на резисторах.
I2 = (V2 — V) / R2 = V / R4;
R4 (V2 — V) = V * R2;
V (R4 + R2) = R4 * V2;
V = V2 * R4 / (R4 + R2);
I1 = (Vout — V) / R3 = (V — V1) / R1;
R1 (Vout — V) = R3 (V — V1);
R1 * Vout = V (R1 + R3) — V1 * R3;
Vout = V (R1 + R3) / R1 — V1 * R3 / R1;
Vout = V2 * R4 (R1 + R3) / (R1 (R2 + R4)) — V1 * R3 / R1.
Если сопротивления всех резисторов равны, то:
Vout = V2 * 1 * 2 / (1 * 2) — V1 * 1 / 1 = V2 — V1.
Таким образом из балансного сигнала получился небалансный с сохранением исходной амплитуды.
Если R3 = 2R1 и R4 = 2R2, то:
Vout = V2 * 2 * 3 / (1 * 3) — V1 * 2 / 1 = 2 (V2 — V1).
Мы получили не только преобразование сигнала в небалансный, но и усиление его амплитуды с коэффициентом передачи 2.
В общем случае, R3 = XR1 и R4 = XR2 даёт коэффициент усиления X.
▍ Как регулировать громкость?
Чтобы управлять уровнем сигнала, снимаемого с микрофона, после такого простейшего дифференциального усилителя на одном ОУ можно включить потенциометр в качестве аттенюатора.
Но сигнал микрофона слабый, поэтому в таком случае нам придётся установить очень высокий коэффициент усиления, и соответственно, получить повышенные искажения, шумы и вероятность самовозбуждения.
К вышесказанному добавляются и другие сложности: разные микрофоны имеют разную чувствительность и разный уровень сигнала на выходе. Одни микрофоны снабжены встроенным или выносным предусилителем, другие — нет.
А ещё, один и тот же микрофон, например, Shure SM-57 или его клон T-Bone MB-75, может использоваться как диктором или певцом, так и в непосредственной близости от гитарного кабинета или барабана ударной установки, где звуковое давление экстремально высоко.
В двух последних случаях нашему дифференциальному усилителю может не хватить динамического диапазона, и произойдёт клиппинг — обрезание сигнала. Для перегруженного звучания электрогитары это хорошо, и называется эффектом дисторшн, а в большинстве других контекстов — плохо, если не сказать, недопустимо.
Поэтому регулируемый аттенюатор пригодится не на выходе, а на входе микрофонного предусилителя. А ещё лучше не ослаблять сигнал до или после усилителя, а сделать коэффициент усиления регулируемым.
Для этого нужен двухсекционный переменный резистор вместо R3 и R4. Такие потенциометры не являются редкостью и дефицитом, поскольку повсеместно применяются в стереофонических регуляторах громкости и тембра. Но применение сдвоенного переменного резистора создаёт ещё одну проблему.
▍ Постоянство входного сопротивления
Входное сопротивление инвертирующего канала V1 нашего дифференциального усилителя равно R1+R3, а неинвертирующего канала V2 — соответственно, R2+R4. То есть, при регулировке коэффициента усиления входное сопротивление будет изменяться, причём для более слабого сигнала оно будет становиться ниже.
Эту проблему можно решить, добавив на входы V1 и V2 буферные повторители с высоким и неизменным входным сопротивлением. Получится дифференциальный усилитель на трёх ОУ.
▍ Инструментальный усилитель
Но на тех же трёх ОУ можно построить инструментальный усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, называемый также измерительным усилителем, или электрометрическим вычитателем. Для регулировки коэффициента передачи такому усилителю достаточно одинарного потенциометра. Последний обозначен на схеме как Rg.
Зная, что напряжения на входах операционного усилителя равны, мы можем рассчитать силу тока через резистор Rg.
Ig = (V2 — V1) / Rg.
Зная, что через входы ОУ практически не течёт ток, можно рассчитать падение напряжения на трёх резисторах между выходами двух левых ОУ.
V = Ig (R1 + Rg + R1) = (V2 — V1) (2R1 + Rg) / Rg;
V = (V2 — V1) (1 + 2R1/Rg).
Эта разность потенциалов поступает на вход дифференциального усилителя на правом ОУ. Рассчитывать его коэффициент усиления мы уже умеем.
Если R3 = R2, то получается дифференциальный повторитель:
Vout = (V2 — V1) (1 + 2R1/Rg).
Также мы можем получить дополнительное усиление:
Vout = (V2 — V1) (1 + 2R1/Rg) R3/R2.
Если вместо земли 0 подключить правый вывод правого нижнего резистора к источнику напряжения смещения Vo, получим:
Vout = (V2 — V1) (1 + 2R1/Rg) R3/R2 + Vo.
Более того, к постоянному смещению мы можем подмешать переменное напряжение, например, аудиосигнал с линейного входа. Это никак не нарушит работу схемы и может помочь сэкономить компоненты, отказавшись от отдельного узла смесителя (микшера).
▍ Можно сделать проще
Также существует ещё более экономная схема дифференциального усилителя на двух ОУ, в которой тоже можно регулировать коэффициент передачи одним переменным резистором.
Для простоты представим, что сопротивления всех четырёх постоянных резисторов одинаковы:
R1 = R2 = R3 = R4 = R.
Нижний операционный усилитель будет поддерживать падение напряжения на резисторе R4 равным входному напряжению U1. Таким образом, ток через этот резистор будет равен:
Ir4 = U1 / R.
Согласно первому правилу Кирхгофа:
Ir4 = Ir3 + Irgain.
Напряжение на инвертирующем входе верхнего ОУ равно U2, поэтому:
Irgain = (U2 — U1) / Rgain;
U1 / R = Ir3 + (U2 — U1) / Rgain;
Ir3 = (U1 / R) + (U1 — U2) / Rgain;
Отсюда можно рассчитать напряжение на выходе нижнего операционного усилителя:
Ir3 = (U — U1) / R = (U1 / R) + (U1 — U2) / Rgain;
U — U1 = U1 + (U1 — U2) R/Rgain;
U = 2U1 + (U1 — U2) R/Rgain.
Тогда ток через резистор R2 равен:
Ir2 = (U2 — U) / R = (U2 — 2U1 — (U1 — U2) R/Rgain) / R.
Ir2 = (U2 — 2U1)/R + (U2 — U1)/Rgain.
Наконец, мы можем рассчитать ток через R1 и падение напряжения на нём:
Ir1 = Ir2 + Irgain;
Ir1 = (U2 — 2U1)/R + (U2 — U1)/Rgain + (U2 — U1)/Rgain;
Ir1 = (U2 — 2U1)/R + 2(U2 — U1)/Rgain;
Ur1 = U2 — 2U1 + 2(U2 — U1)R/Rgain.
Теперь, чтобы получить выходное напряжение нашего инструментального усилителя, достаточно сложить U2 c падением на R1:
Ur1 = U2 + U2 — 2U1 + 2(U2 — U1)R/Rgain;
Ur1 = 2U2 — 2U1 + 2(U2 — U1)R/Rgain;
Ur1 = (U2 — U1) (2 + 2R/Rgain).
Итак, коэффициент передачи данного усилителя составляет 2(1 + R/Rgain). Его выходное сопротивление низкое, а входное — высокое и неизменное. Получается прекрасный вариант микрофонного предусилителя.
▍ Продолжение следует
На видео представлен процесс изготовления печатной платы мини-микшера, содержащего, кроме описанного сегодня инструментального усилителя на двух ОУ, схему фантомного питания и фильтр верхних частот.
Изучить принципы работы этих узлов и увидеть готовое устройство мы сможем в следующей статье. Напишите в комментариях, какие схемы с дифференциальными усилителями встречались в вашей практике.
Скидки, итоги розыгрышей и новости о спутнике RUVDS — в нашем Telegram-канале 🚀
Теги:
- ruvds_статьи
- инструментальные усилители
- операционный усилитель
- операционные усилители
- аналоговая схемотехника
- микрофоны
- дифференциальные пары
- дифференциальные усилители
- слабые сигналы
Хабы:
- Блог компании RUVDS.com
- Схемотехника
- DIY или Сделай сам
- Звук
- Электроника для начинающих
