МИКРОФОННЫЙ  ПРЕДУСИЛИТЕЛЬ

Обновление: 09.05.2009

(с) Eugene A. Petroff, 1999 - 2007.

Для подключения студийного конденсаторного микрофона к звуковой карте требуется микрофонный предусилитель с фантомным питанием. Стоимость профессиональных предусилителей весьма велика - до нескольких тысяч долларов - и не каждому владельцу бюджетной студии такой монстр оказывается по карману. Потому простейший услилитель на недорогих микросхемах, да еще собранный своими руками, может оказаться для многих начинающих сам-себе-режиссеров удачным выходом из положения. Схема такого предусилителя предлагается ниже...

Но прежде, чем рассматривать собственно схемотехнику микрофонного усилителя, необходимо поговорить о том, как возникают помехи и какими способами современная электроника их побеждает. Основной проблемой являются электромагнитные наводки от разнообразных электроприборов, имеющихся в помещении, где производится звукозапись. По виду действия принято различать мультипликативные и аддитивные помехи. Мультипликативные помехи - это, как правило, помехи модуляционного типа, и возникают они внутри электронных схем или на нелинейных элементах линий связи. Аддитивные помехи - это просто суперпозиция (сумма) полезного сигнала и сигнала помех. Именно такие помехи чаще всего возникают в линиях связи между микрофоном и устройством звукозаписи. В то же время, аддитивная помеха способна в электронной схеме превратиться в мультипликативную, которую простыми средствавми отфильтровать не удастся. Поэтому защита от аддитивных помех очень важна.

Рассмотрим, каким способом помеха может воздействовать на линию связи. Первый путь проникновения помехи - электростатический. Между любыми электропроводящими предметами всегда существует электрическая емкость и микрофонная линия через подобный паразитный конденсатор связана с проводами питания, на которых присутствует переменное напряжение промышленной частоты (50 Гц). Через такую связь, называемую емкостной, помеха и может проникнуть в звукоусилительный тракт.

Емкостная связь проста для понимания и обычно неспециалисты считают, что это главная беда и пытаются бороться именно и только с ней. В то же время, существует другой путь проникновения помехи - индуктивный. Здесь источником помехи является переменное магнитное поле, пронизывающее пространство внутри помещения звукозаписи. Для того, что бы понять принцип появления помех такого рода, следует поднапрячься и вспомнить школьный учебник физики - правило какой-то там руки (простите - сам не помню, левой или правой; с детства их путаю:) Короче, на замкнутом контуре, помещенном в переменное магнитное поле, наводится некоторая э.д.с. Источниками магнитных полей могут быть как фидеры питания, так и (главное) трансформаторы, причем, не только питающие, но и звуковые (например, в ламповых усилителях!!!). Некоторая часть магнитных полей в силу неидеальности конструкции трансформаторов излучается в окружающее пространство. Гитаристы это хорошо знают, когда с гитарой подходят к какому-нибудь включенному усилку :))))

Помимо помех промышленной частоты, пространство в студии пронизано более высокочастотными полями. Во первых - это гармоники 50 Гц, которые могут проникать достаточно глубоко в звуковой диапазон... Во вторых - это излучение от импульсных преобразователей в блоке питания компьютера, дисплея, а так же - от строчной развертки дисплея, да и от импульсных сигналов на шинах компьютера. В третьих - это радиопомехи от многочисленных радиопередатчиков (как радио- и телевещательных, так и расплодившихся радиотелефонов). Несмотря на то, что эти помехи лежат намного выше частот звукового диапазона, опасность от них не меньшая, так как мощности этих помех значительно выше, чем в низкочастотном диапазоне в силу законов распространения электромагнитных волн. Как уже говорилось - эти помехи могут элементарно перейти в звуковой диапазон, где от них избавиться будет почти невозможно. Положение усугубляется тем, что отрезки кабеля, проводники печатной платы, элементы экранировки корпуса могут выступать в роли достаточно эффективных приемных антенн, настроенных на тот или иной радиоканал.

Если помехи от радиовещания, связных радиостанций или радиотелефонов проявляются в виде "потусторонних голосов" и этим могут быть легко классифицированы, то помеха от телевизионной передачи как правило квалифицируется, как фон с частотой 50 Гц! Связано это с тем, что телевизионный сигнал промодулирован частотами строчной и кадровой развертки. Кадровая развертка имеет частоту, совпадающую с частотой сети (50 Гц). При этом, мощность этой компоненты в спектре телепередачи наибольшая. В результате детектирования телесигнала, в низкочастотном усилителе будет слышен классический "сетевой" гул. Однако, его можно отличить даже на слух от истинно сетевой помехи - тембр этого гула меняется со временем, причем это изменение связано с изменением сюжета телевизионной картинки - если включить телевизор, то можно будет установить, что изменения тембра синхронны с одной из телепрограмм...

По моим наблюдениям, этой бедой - приемом телевидения - страдает очень большой процент аппаратуры, причем, не только любительского, но и вполне профессионального изготовления. Так что, будьте особенно внимательны при разработке ваших приборов и принимайте специальные меры защиты от радиопомех.

Рассмотрим теперь основные меры борьбы с помехами. Для статической (емкостной) помехи главным средством в звуковом диапазоне является электростатический экран - именно для этого любой звуковой кабель одет в экранирующий чулок. Дополнительным (схемотехническим) средством борьбы является уменьшение входных импедансов. Емкость связи невелика - доли пикофарад. Вместе с входной емкостью устройства и емкостью кабеля (сотни или тысячи пикофарад) образуется делитель напряжения, в результате чего на вход устройства попадает небольшая часть помехи. Характерно, что в этом случае помеху очень эффективно подавляет низкое выходное сопротивление источника. Для микрофона с его согласующим трансформатором оно может составлять десятки или сотни ом. Стандартной величиной считается 600 Ом, под которую и оптимизируются шумовые характеристики усилителя. Низкая величина сопротивления позволяет иметь достаточно большую емкость кабеля, что и позволяет подключать микрофон кабелем длинной 50...100 метров без потери высоких частот.

Несколько сложнее обстоит дело с подавлением магнитной компоненты поля помех. Напомню, что помеха в этом случае ловится рамочной магнитной антенной - петлей из провода. Низкое выходное сопротивление источника в этом случае не оказывает никакого влияния на процесс подавления помехи. Для того, что бы уменьшить наводку этого типа, применяется скручивание проводов связи в витую пару. При этом приемная рамка большого размера, и соответственно, эффективно принимающая магнитную компоненту помехи, заменяется множеством мелких рамок, которые включены встречно и при равномерном однонаправленном поле гасят друг друга. Однако поле бывает равномерным только если источник находится где то далеко, а если же он рядом, то поле имеет резкую неоднородность. При этом, если шаг скручивания велик, то эффективность помехоподавления резко уменьшается. Поэтому, в хорошем микрофонном кабеле жилы скручены сильнее и равномернее, чем в недорогом.

Для передачи звукового сигнала нужны два провода. Обычно в бытовой технике один провод используется как сигнальный, другой - как "земляной". (Термин "земляной" произошел от ранних систем телефонной связи, когда в качестве возвратного провода действительно использовалась земля - в целях экономии дефицитных тогда проводов). В качестве кабеля для связи по такому принципу используется экранированный одножильный кабель, называемый несимметричным. Емкостная компонента помехи гасится экраном, а магнитная невелика, так как экран охватывает жилу со всех сторон. Тем не менее, помехоподавляющих свойств такой линии связи достаточно только при большом уровне сигнала, соответствующем "линейному" и на небольшом расстоянии. В случае же с микрофоном сигнал в сотню раз слабей, а линия связи значительно длинней. Это обусловило применение в профессиональной технике так называемых симметричных линий связи. Суть идеи состоит в том, что если отделить оба провода (прямой и возвратный), по которым течет полезный сигнал от "земли", то помеха, наводимая на каждый из проводов будет одинакова, и этим можно воспользоваться для взаимной компенсации помех.

Обратите внимание так же на то, что в линиях связи несимметричного типа любой ток, протекающий по земляному проводу создает на сопротивлении этого провода (хоть и небольшом - доли Ома - но вполне реальном) помеху, складывающуюся с основным сигналом. Для того, что бы оценить величину такой помехи зададимся начальными параметрами, не слишком далекими от реальности: ток помехи - 1 мА, сопротивление 1 Ом. В этом случае напряжение помехи будет 1 мВ. Сравните с полезным сигналом микрофона ~10 мВ !!!! Конечно, во многих случаях эти величины могут быть заметно меньшими, но тем не менее, пример показывает, что при неудачном раскладе, вклад этой помехи будет очень велик. Важный вопрос - откуда могут взяться все эти паразитные токи на земляном проводе ? Дело в том, что практически вся аппаратура питается от сети 220 В. При этом, для уменьшения помех в радиодиапазоне, сетевые провода соединены с корпусом прибора помехоподаляющими конденсаторами (особенно, в устройствах с импульсным питанием - компьютерах, дисплеях). Да и если такого конденсатора в приборе не предусматривается, то емкость между сетевой и вторичными обмотками питающего трансформатора достаточно велика, чтоб создать заметный ток через земляной провод межблочного кабеля. Кстати, именно по этой причине поворот вилки питания в розетке влияет на уровень помех. А фильтры помех (типа "Пилот" или аналогичные) могут вовсе не улучшить положение с фонами и помехами, а заметно его ухудшить !

Все это показывает, что основной задачей при создании любой студии, насыщенной разнообразными приборами, является выбор правильной схемы "земли", то есть соединения приборов между собой. Вообще то эта тема достаточно объемна и выходит за рамки вопроса о микрофонном усилителе, поэтому пока придется удовлетвориться вышесказанным.

Именно "проблема земли" предопределила применение в профессиональной технике симметричных линий связи. Ведь в вашей студии число приборов вряд ли перевалит за десяток и с ними рано или поздно можно разобраться и при несимметричной схеме. А что делать техникам и инженерам в профессиональной студии, если число приборов переваливает за несколько сотен? Только симметричная линия способна резко уменьшить все эти проблемы. Суть ее в том, что сигнал отделен от земляного провода и не передается по нему. Соответственно, помехи от уравнивающих токов тоже не сказываются. Разумеется, можно использовать отделение сигнала от земли и при несимметричной схеме входных и выходных устройств. Но уж коль все равно использован кабель с дополнительным проводом (то есть - витая пара в экране), то глупо не воспользоваться дополнительным преимуществом, которое дает именно симметричная линия связи - дополнительное помехоподавление за счет симметрирования как кабеля, так и входных и выходных сопротивлений на аудиоприборах.

Теперь несколько слов о проблеме высокочастотной помехи. Она усугублена тем, что симметрирование здесь помогает мало - ведь провод длинной в полметра имеет заметную индуктивность, не говоря уж о скрученной паре. Таким образом, индуктивность проводов отсекает дальний от входа конец линии и на все процессы влияет только ближний конец кабеля, который элементарно превращается в настроенную приемную антенну. Причем, это зависит от геометрической конфигурации - вы наверняка возились с суррогатными антеннами, то есть куском провода, вставленным в антенное гнездо на телевизоре или тюнере и знаете, что все зависит от того, под каким углом провод изогнут, в каком направлении протянут и так далее. Можно настроиться на один канал, а можно и на другой - но редко на все сразу :) А чем, с этой точки зрения, отрезок аудиокабеля лучше ? Да ничем ! И что поступает на вход вашего усилителя в радиодиапазоне - неведомо никому. Так что все зависит от того, насколько он защищен от перевода аддитивной помехи в мультипликативную - то есть, от детектирования радиосигналов. Кроме того, особенности процессов в области радиочастот таковы, что элементарно происходит переизлучение принятого ВЧ сигнала на пассивных антеннах. То есть, вы можете хорошо заэкранировать вашу конструкцию, успешно защитить ее по входу, но совершенно позабыть о выходе. В результате, ВЫХОДНОЙ кабель примет помеху и переизлучит ее во внутреннее пространство под экраном вашего прибора. Все! Что называется - приехали... Эффект тот же - фон от кадровой развертки телеканала. Что характерно - ночью телеканалы не работают и уровень помех меньше... Знакомо? :)))

Ну что ж... После такого внушительного вступления можно перейти к рассмотрению конкретной схемы микрофонного усилителя.

Скажу сразу - этот усилитель разработан не для получения максимальных параметров, а для того, что б мог быть легко повторен. Тем не менее, его звучание вполне удовлетворительно с профессиональной точки зрения.

Входной сигнал поступает на X1 (разъем типа стерео-джек). Джек выбран в качестве входного гнезда в связи с тем, что он имеет меньшие габариты и стоимость, чем стандартный разъем Canon, применяемый в профессиональной практике для подключения микрофонов, так что, вам придется озаботиться перепайкой микрофонного кабеля. Впрочем, вы можете поставить и классический Canon, если сочтете это необходимым - на параметрах это не скажется никоим образом.

Основное звено усиления выполнено в виде симметричного усилителя на микросхеме LM833 (DA1). Величина усиления задается соотношением резисторов R8, R17 и R13. Максимальное усиление - около 40 дБ. Больше при нормальном микрофоне не потребуется, а "левый" микрофон я вам применять не советую. Потеряете время, но все равно придете к приобретению нормальной вещи (как минимум Shure SM-58, но лучше Октава МК-319 или МК-219).

Основное звено усиливает противофазный сигнал - для синфазной помехи коэффициент передачи равен единице. Дальнейшее подавление синфазной составляющей и переход к несимметричной схеме осуществляется узлом на DA2. Для лучшего подавления очень желательно все элементы подобрать попарно-симметрично. Я не стал устанавливать дорогостоящие резисторы высокой точности и ограничился разбраковкой при помощи обычного цифрового тестера. Здесь важны не абсолютные значения, а одинаковость плеч. То же самое относится к R9/R16 и R10/R2. Электролитические конденсаторы можно не подбирать - они выбраны с запасом и не повлияют на подавление помех. Главное - это шумовые качества этих конденсаторов. Категорически не рекомендую применять "совок", особенно залежалый... Вместе с тем, компоненты купленные в Чип-энд-Дипе или на Митинском рынке работают вполне успешно. Впрочем, повозиться с подбором и убедиться в отсутствии фликкера (низкочастотные шумы - своеобразное "топтание слонов") не помешает.

Помимо микрофонного усилителя, в схеме имеется узел "мягкого" ограничения... Возможно, что вам понравится работать с ним. Если нет, то его можно отключить или вовсе не собирать.

Один из важных узлов - это фантомное питание, которое совершенно необходимо для работы с профессиональными конденсаторными микрофонами. В данном случае использована классическая схема - резисторы R3 и R4 и разделительные конденсаторы C3 и C7. Источник фантомного питания должен иметь напряжение 48 В и максимальный ток 10 мА. Этого вполне достаточно, но обратите внимание на качество фильтрации - все же это напряжение напрямую соединено с сигнальными цепями.

Особое внимание обратите на защиту от перегрузок - диоды VD1, VD2, VD9 и VD10 и резисторы R6, R19. При подключении и отключении микрофона на входе микросхемы неизбежны забросы  выше или ниже напряжения питания вследствие перезаряда разделительных емкостей "фантомным" напряжением. Вряд ли это пришлось бы по вкусу нежной звуковой малошумящей микросхеме и она обязательно обидится на вас и выйдет из строя в самый неподходящий момент, если вы не обеспечите ей правильную защиту. И обязательно учтите, что шины питания, к которым подключены защитные диоды, следует блокировать конденсаторами, емкостью не меньше, чем 220...470 мкф.

Для питания микрофонного усилителя вполне подойдут стабилизаторы на микросхемах 78L12, 79L12. Они обеспечивают хорошее качество стабилизации при токе до 100 мА и защиту от замыканий. Ну, а уж если вы не знаете, как собрать подобный блок питания, то я вам советую повременить со сборкой этого усилителя - пока это преждевременно и вы все равно не получите нужного для нормальной звукозаписи результата.

Несколько слов о защите от высокочастотных помех. Все конденсаторы малой емкости, имеющиеся на принципиальной схеме, предназначены именно для этой цели. Главное - это защитить непосредственно вход, но и не пустить помеху в остальных участках, если она все же проникнет - это тоже учтено в схеме. Для успешного блокирования высокочастотных сигналов наиболее подходят керамические конденсаторы. Разумеется, радиоэлементы должны размещаться компактно! Помните, что длинный провод - это радиоантенна, которая совершенно недопустима во входных цепях. Полезно так же надеть на входные и выходные провода ферритовые бусинки - они являются эквивалентом дросселя в цепях дециметрового диапазона.

В начальном  варианте исполнения конструкция была собрана на "слепыше" - без разработки печатной платы.

Для желающих повторить описанную выше схему микрофонного усилителя, Денис Фет (mailto:fet@t50.ru) предлагает свой вариант печатной платы.