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:  

25, 100, 130

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:

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.

Теги:

• Микрофон
• Предусилитель