Э схемы электретного микрофона на микросхеме: Схема микрофонного усилителя для электретного микрофона

Схема микрофонного усилителя на микросхеме К140УД6

Людям со слабым слухом будут полезны две электрические схемы, рассматриваемые далее. Если у вас есть родные или просто знакомые люди, которые в силу обстоятельств плохо слышат, помогите им, собрав одно из предлагаемых устройств.

Схемы чувствительных усилителей слабых звуковых сигналов мне приходилось встречать в публикациях, кроме того, отечественная промышленность выпускает эффективные слуховые аппараты для инвалидов, однако стоимость их достаточно высока.

Принципиальная схема

Рассмотрим устройство, показанное на рис. 1. Ток, потребляемый схемой от источника питания в рабочем режиме, при использовании указанных на схеме номиналов элементов— 10 мА.

Выходной каскад на комплементарной паре транзисторов обеспечивает большой коэффициент усиления по току. Устройство сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до 3 В и может практически эксплуатироваться в таком режиме минимального питания с двумя пальчиковыми батарейками.

Тогда ток, потребляемый схемой, еще более сократится, а резистор R4 следует вовсе исключить из схемы.

Верхний предел напряжения питания, при котором усилитель работает без перегрузок +12 В, в этом случае сопротивление резистора R4 следует увеличить до 330— 360 Ом.

Рис. 1. Принципиальная схема микрофонного усилителя на микросхеме К140УД6.

Эффективная чувствительность устройства определяющим образом зависит от чувствительности микрофона и режима работы самого усилителя. Микрофон в схеме применен электретный (конденсаторный), какие стоят в современных телефонных аппаратах и старых магнитофонах.

Хорошие результаты получаются при использовании в качестве микрофона В1 микрофона типа МКЭ-84, кроме того, можно применять и МКЭ-3. Возможно имеет смысл попробовать и другие типы электретных микрофонов, тогда, наверное, удастся найти наиболее эффективный вариант.

Эта схема обеспечивает громкую надежную речь в наушнике на расстоянии 7—8 м (при максимальном усилении и минимальном питании). В качестве наушника применен капсюль-наушник ТМ-4, подойдет и ТМ-2М.

Детали и налаживание

Можно использовать ДЭМШ, но его неудобно вставлять в ухо, или другие любые динамические наушники с эквивалентным сопротивлением от 100 Ом.

Операционный усилитель работает в режиме автоматической регулировки усиления, что позволяет максимально усиливать полезный сигнал, не допуская самовозбуждения.

Делитель на R2, R3 обеспечивает заданный режим по постоянному току, резистор R6 регулирует оптимальный уровень усиленного сигнала. Его придется незначительно скорректировать при изменении напряжения питания относительно указанного на схеме. Собственно, на этом вся регулировка и заканчивается. При исправных элементах и правильном монтаже устройство работает сразу.

Схема успешно работает в качестве устройства контроля и поиска скрытой электрической проводки и телефонных проводов. При помещении катушки рядом с проводами телефонной линии можно контролировать ее состояние.

На вход ОУ (вместо микрофона В1) в этом случае можно подключить катушку на ферромагнитном сердечнике типа НМ 1500 диаметром 6—8 мм с намотанными внавал 400 витками провода 0,1—0,15 мм. Одним концом к общему проводу, другим к отрицательному выводу конденсатора С1, резистор R3 в этом случае надо исключить.

Литература: Андрей Кашкаров – Электронные самоделки.

Схема микрофонного усилителя на микросхеме К140УД6

Людям со слабым слухом будут полезны две электрические схемы, рассматриваемые далее. Если у вас есть родные или просто знакомые люди, которые в силу обстоятельств плохо слышат, помогите им, собрав одно из предлагаемых устройств. Схемы чувствительных усилителей слабых звуковых сигналов мне приходилось встречать в публикациях, кроме того, отечественная промышленность выпускает эффективные слуховые аппараты для инвалидов, однако стоимость их достаточно высока. Схемы, показанные на рис. 3.10 и рис. 3.11, имеют низкую себестоимость элементов. Они не требуют настройки, просты и надежны в эксплуатации и весьма доступны для повторения даже начинающим радиолюбителям.

Рассмотрим устройство, показанное на рис. 1. Ток, потребляемый схемой от источника питания в рабочем режиме, при использовании указанных на схеме номиналов элементов— 10 мА. Выходной каскад на комплементарной паре транзисторов обеспечивает большой коэффициент усиления по току. Устройство сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до 3 В и может практически эксплуатироваться в таком режиме минимального питания с двумя пальчиковыми батарейками. Тогда ток, потребляемый схемой, еще более сократится, а резистор R4 следует вовсе исключить из схемы. Верхний предел напряжения питания, при котором усилитель работает без перегрузок +12 В, в этом случае сопротивление резистора R4 следует увеличить до 330— 360 Ом.

 

 

Рис. 1. Электрическая схема микрофонного датчика

Эффективная чувствительность устройства определяющим образом зависит от чувствительности микрофона и режима работы самого усилителя. Микрофон в схеме применен электретный (конденсаторный), какие стоят в современных телефонных аппаратах и старых магнитофонах. Хорошие результаты получаются при использовании в качестве микрофона В1 микрофона типа МКЭ-84, кроме того, можно применять и МКЭ-3. Возможно имеет смысл попробовать и другие типы электретных микрофонов, тогда, наверное, удастся найти наиболее эффективный вариант.

Эта схема обеспечивает громкую надежную речь в наушнике на расстоянии 7—8 м (при максимальном усилении и минимальном питании). В качестве наушника применен капсюль-наушник ТМ-4, подойдет и ТМ-2М. Можно использовать ДЭМШ, но его неудобно вставлять в ухо, или другие любые динамические наушники с эквивалентным сопротивлением от 100 Ом.

Операционный усилитель работает в режиме автоматической регулировки усиления, что позволяет максимально усиливать полезный сигнал, не допуская самовозбуждения. Делитель на R2, R3 обеспечивает заданный режим по постоянному току, резистор R6 регулирует оптимальный уровень усиленного сигнала. Его придется незначительно скорректировать при изменении напряжения питания относительно указанного на схеме. Собственно, на этом вся регулировка и заканчивается. При исправных элементах и правильном монтаже устройство работает сразу.

Схема успешно работает в качестве устройства контроля и поиска скрытой электрической проводки и телефонных проводов. При помещении катушки рядом с проводами телефонной линии можно контролировать ее состояние. На вход ОУ (вместо микрофона В1) в этом случае можно подключить катушку на ферромагнитном сердечнике типа НМ 1500 диаметром 6—8 мм с намотанными внавал 400 витками провода 0,1—0,15 мм. Одним концом к общему проводу, другим к отрицательному выводу конденсатора С1, резистор R3 в этом случае надо исключить.

Литература: Андрей Кашкаров – Электронные самоделки

Копаем глубже в схему электретного микрофона

Еще одна интересная статья из архива Радио Мира

Джон Кин

Опубликовано: 28 сентября 2021 г. ⋅ Обновлено: 17 февраля 2022 г.

Рис. 1: Neewer NW-700 обеспечивает превосходную производительность и стоит менее 15 долларов.

Эта статья впервые появилась в выпуске Radio World Engineering Extra от 8 февраля 2017 г. и была размещена на этом веб-сайте 9 февраля., 2017. Если вам нравится этот контент, вы должны подписаться на Radio World Engineering Extra.

В двух статьях (RW Engineering Extra, 10 августа и 19 октября 2016 г.) мы проследили происхождение электретных конденсаторных микрофонов до их предка с внешней поляризацией, запатентованного в 1916 г.

Спустя сто лет современные материалы и технологии производства сделали электретные конденсаторные микрофоны дешевыми и широко распространенными, а при тщательном проектировании электретные микрофоны могут соперничать с лучшими звуками своих активных собратьев. В этой главе мы рассмотрим анатомию схемы, следующей за электретами, и то, как они влияют на вывод звука.

Для нашего исследования я выбрал модель Neewer NW-700 «Профессиональный студийный конденсаторный микрофон для вещания и записи», который на момент написания этой статьи был указан производителем всего за 14,70 долларов США, включая крепление для защиты от паутины и кабель, показанные на рис. 1. Neewer любезно разрешил нам поделиться некоторыми схемами NW-700, которые мы рассмотрим ниже.

Рис. 2: Внутри Neewer NW-700.

Как обсуждалось ранее, все конденсаторные микрофоны генерируют небольшое напряжение, поскольку их диафрагма изменяет емкость в электрическом поле под воздействием волн звукового давления.

Микрофоны с внешней поляризацией заряжают конденсаторную диафрагму/заднюю пластину через резистор от источника от 40 до 200 вольт, как показано слева на рис. 3.

Поскольку емкость очень мала (около 50 пикофарад, ±30 пФ), резистор образует R/C-цепь, спадающую на низких частотах. Резистор должен быть номиналом в сотни мегаом, чтобы избежать среза в басовом диапазоне.

Одним из преимуществ электрета является его собственный заряд, который устраняет необходимость в зарядном резисторе, как показано на рис. 3. В любом случае на конденсаторе поддерживается фиксированный заряд.

Для заряда Q выражение: = C ₀ × E ₀

C ₀ — емкость капсюля, а E ₀ — емкость капсюля.

Изменение выходного напряжения конденсаторного микрофона выражается как фиксированное напряжение, умноженное на относительное изменение мощности:

   

, где C _t — изменение мощности из-за звукового давления.

Нередко электретные микрофоны имеют номинальную выходную мощность –40 дБ относительно 1 вольта, измеренного при звуковом давлении 1 Паскаль (Па), что составляет 94 дБ SPL. Уровень сигнала, производимого электретным элементом в этих условиях, рассчитывается как:

   

Оркестр может создавать уровень звукового давления более 105 дБ, но громкие музыкальные инструменты, такие как валторны и барабаны, могут легко создавать локальный уровень звукового давления в 115 дБ при близком расположении микрофона. Это на 21 дБ выше эталонного значения 1 Паскаль, что умножает выходной сигнал на:

   

Это напряжение представляет собой среднее значение огибающей сигнала, но пики сигнала больше. Предполагая, что отношение между пиками сигнала и средним значением равно 10 дБ, пиковый уровень сигнала может достигать:

   

Возможно, это большой сигнал для трансимпедансного усилителя!

Рис. 3: Основные части конденсаторного микрофона. Слева — внешний источник питания, справа — самозаряжающийся электрет с преобразователем импеданса. (Нажмите здесь, чтобы увеличить.)

Давайте посмотрим, что может произойти, начиная с электретного микрофона, как показано на правой схеме рис. 3. Почти все капсюли электретных микрофонов имеют внутри корпуса полевой транзистор (JFET) для преобразования чрезвычайно высоких импеданс электретного элемента до полезного значения для следующей схемы.

Электрические заряды в полевых транзисторах JFET проходят через полупроводниковый канал между выводами истока и стока, который управляется исключительно напряжением. В отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы JFET не требуют тока смещения (хотя, как мы увидим, они выигрывают от оптимального напряжения на клеммах). JFET также имеет потенциально более высокий коэффициент усиления (крутизна), чем MOSFET, а также более низкий мерцающий шум, что делает их хорошо подходящими для слабого сигнала элемента микрофона.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦЕПИ
Чтобы оценить трансимпедансный усилитель микрофона и последующие каскады, я использовал программное обеспечение симулятора схемы. Это может быть немного нетрадиционно проводить это исследование в программном обеспечении, а не с помощью тестового оборудования, но это произошло потому, что я вручную рисовал внутренние схемы нескольких микрофонов, а симулятор позволил мне проверить конфигурацию некоторых немаркированных частей. (В одном случае это помогло мне определить, что эмиттер и коллектор транзистора нужно поменять местами и заменить NPN на PNP.)

Симулятор, который я выбрал, — это Qucs, «довольно универсальный симулятор схем», программное обеспечение для моделирования электронных схем с открытым исходным кодом, доступное в Интернете по адресу http://qucs.sourceforge.net под лицензией GPL. Qucs поддерживает большой список аналоговых и цифровых компонентов со значениями параметров, которые можно применять к цепям для изучения напряжений постоянного тока, характеристик переменного тока, включая анализ шума и переходных процессов и многое другое.

Рис. 4: Моделирование схемы Qucs преобразователя импеданса. (Нажмите здесь, чтобы увеличить.)

Начиная с трансимпедансного преобразователя, Qucs демонстрирует мощный анализ. На рис. 4 показана схема с источником переменного напряжения вместо электретного конденсатора. Обратите внимание, что конденсатор емкостью 100 пикофарад включен последовательно, чтобы представить реальную емкость элемента. Переменный ток настроен на синусоиду 1 кГц с пиковым напряжением 0,25 В. Значок индикатора показывает последовательный ток 1,6 мА через резистор 2,2 кОм, подключенный к стоку 2N3685 JFET, при подаче 5 вольт.

На диаграмме Qucs справа показаны две контрольные точки: «in» и «D_out». (Это измерение переходного процесса с постоянным напряжением, поэтому имитация переменного тока отключена.) Входной сигнал показан красным цветом, создавая синусоиду 0,25 В. Выход на стоке JFET показан синим цветом, с некоторым усилением, но также с большим искажением формы волны. Форма сигнала инвертирована, а отрицательная половина искажена, потому что входное напряжение сигнала приводит к положительному затвору JFET, а N-канальный JFET является линейным только для отрицательного диапазона напряжений сигнала относительно клеммы истока.

Рис. 5: Добавлены компоненты для работы затвора JFET при более подходящем напряжении; расчетная форма волны показывает уменьшенное искажение. (Щелкните здесь, чтобы увеличить.)

Одним из самых простых способов исправить проблему с напряжением сигнала является самосмещение, то есть повышение напряжения источника через последовательный резистор к земле, как показано на рис. 5. Резистор R5 повышает напряжение на клемме источника до 0,86 В в этом примере, в то время как очень большой резистор на 1 гигаом удерживает напряжение затвора на уровне 8,4 мВ. Шунтирующий конденсатор C3 удерживает напряжение на резисторе R5 постоянным во всем звуковом диапазоне. (Эти значения компонентов приведены для иллюстрации и не оптимизированы.)

Самосмещение снижает искажения JFET и приблизительно удваивает усиление в этом примере, но за счет большего количества компонентов. Учитывая, что капсюли электретных микрофонов часто должны быть как можно меньше, а также иметь низкую стоимость, дизайнеры часто отказываются от этих компонентов.

Это иллюстрирует компромисс для дизайнеров, но, к счастью, высокие акустические уровни, вероятно, не являются проблемой в потребительских приложениях, таких как телефоны, и их можно в некоторой степени избежать в студийных записях путем размещения микрофона.

Рис. 6: Участок аудиотракта NW-700 с имитацией сигнала электретного микрофона, подаваемого на преобразователь импеданса и источник фантомного питания. (Нажмите здесь, чтобы увеличить.)

На рис. 6 показана часть микрофона Neewer NW-700 (как я ее обвел, за вычетом секции регулятора напряжения). Подобные схемы используются во многих недорогих «студийных» микрофонах, представленных на рынке. В этом случае полевой транзистор J1 электретного капсюля подтягивается к регулируемой линии постоянного тока (приблизительно 8,5 В) и подключается через высокочастотную цепь R/C к транзисторному каскаду T1 с двухфазным выходом. Это обеспечивает сбалансированный дифференциальный выход для внешних студийных предусилителей.

Справа NW-700 обеспечивает симметричный выход через разъем XLR в основании микрофона. Для «питания» нашего примера предполагается батарея постоянного тока на 48 вольт, которая подключена через резисторы к контактам 2 и 3 разъема XLR. Сопротивление резистора 6,8 кОм является стандартным значением для 48-вольтовых «фантомных» систем, хотя многие предусилители обеспечивают более низкое напряжение и могут использовать резисторы с меньшим значением.

Фантомное питание подается через цепь шунтирования R/C на пару транзисторов эмиттерного повторителя, T3 и T4, которые обеспечивают примерно единичное усиление и имеют низкий импеданс истока по отношению к линиям. Общая точка двух транзисторов подключена к регулятору напряжения, который обеспечивает регулируемый и отфильтрованный постоянный ток для входных каскадов.

Рис. 7: Выход на контактах 2 и 3 XLR, как определено Qucs при входном напряжении 100 мВ на частоте 1 кГц. (Щелкните здесь, чтобы увеличить.)

Qucs может выполнить анализ различных систем переменного тока. На рис. 7 сигнал 0,1 В (100 мВ) подается через конденсатор емкостью 50 пФ (имитирующий предполагаемую емкость электретного элемента с малой диафрагмой) на преобразователь импеданса JFET. Выход с контактов 2 и 3 разъема XLR представлен красной и синей волнами. Вертикальная шкала указана в вольтах, а смещение напряжения из-за фантомного питания составляет примерно 24,6 В. В этом моделировании выходной сигнал с контакта 2 немного меньше, чем с контакта 3. Однако это вряд ли повлияет на подавление шума, поскольку оно зависит в первую очередь от подавления синфазного сигнала внешнего предусилителя, а не от разницы сигналов в нормальном режиме. между линиями.

ВПЕЧАТЛЯЮЩАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Рис. 8: Сквозная частотная характеристика контактов 2 и 3; по оси x от 10 Гц до 20 кГц и по оси y в вольтах переменного тока. (Нажмите здесь, чтобы увеличить.)

Qucs поддерживает прогнозируемую частотную характеристику системы, как показано на рис. 8. Как показывают данные «моделирования переменного тока» на рис. 6, симулятор был настроен на логарифмическую развертку от 1 Гц. до 20 кГц с шагом 2001. На рис. 8 показана развертка в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц. Частотная характеристика показана на линейной вертикальной шкале в вольтах, поэтому разница между 0,25 В и 0,5 В составляет ±3 дБ.

Очевидно, что отклик практически плоский от 100 Гц до верхней части диапазона и снижается примерно на 3 дБ при 30 Гц. Конечно, это не включает частотную характеристику электретного микрофона, и мы знаем из предыдущей части этой серии [окт. 18, 2017, выпуск] о том, что направленные капсюли с малой диафрагмой имеют собственный наклон частоты, который, как правило, неустраним ниже 100 Гц из-за ограничений в методах акустических фильтров. Однако этот спад компенсируется эффектом близости на более близких расстояниях, поэтому прием голосов и инструментов примерно в футе или около того является достаточно хорошо сбалансированным в тональном плане.

Записи, сделанные с помощью NW-700, в целом достаточно хороши. На симфонических записях, сделанных на высоких трибунах, заметен низкочастотный спад, но это легко компенсировалось эквалайзером при монтаже после записи. Уровень шума NW-700 не так хорош, как у дорогих микрофонов (которые стоят в 10-100 раз дороже), но приемлем даже для оркестровой записи.

Если вас интересует образец записи с этим микрофоном, перейдите по этой ссылке на SoundCloud: https://soundcloud.com/john-kean-314785812/20160213-rachmaninov-3m26s ​​

Эта 3,5-минутная запись была сделана Вашингтонским столичным филармоническим оркестром в зале масонского храма Джорджа Вашингтона в феврале 2016 года. кГц в Audacity, только с выравниванием НЧ. Акустика не идеальна, так как микрофоны приходилось размещать на низкой подставке перед зоной отдыха, но запись дает представление о том, на что способен NW-700.

[Подпишитесь на Radio World Engineering Extra ]

Джон Кин присоединился к Национальному общественному радио в 1980 году после того, как был главным инженером коммерческой FM-станции в Сан-Диего. В 1986 году он присоединился к Jules Cohen and Associates, а затем к Moffet, Larson and Johnson. Он вернулся в NPR в 2004 году, чтобы помочь основать NPR Labs, и ушел на пенсию в 2015 году. Сегодня он работает с Cavell Mertz and Associates и занимается аудиоконсалтингом в частной практике под названием Kean Consultants LLC.

Подписаться

Чтобы получать больше подобных историй и быть в курсе всех наших ведущих новостей, функций и анализа, подпишитесь на нашу рассылку здесь.

Как работают электретные микрофоны. Полное руководство и схема

Вы здесь: Главная / Электронные компоненты / Как работают электретные микрофоны. Полное руководство и схема Комментарии

Пост объясняет, как работают электретные микрофоны, с помощью соответствующих диаграмм и формул.

Что такое микрофон

Микрофон — это устройство, предназначенное для преобразования слабых звуковых колебаний в крошечные электрические импульсы, которые затем могут быть усилены усилителем мощности через громкоговоритель для получения более громкого воспроизведения звука.

Наиболее распространенной и универсальной формой микрофонных устройств, используемых в электронных схемах, являются электретные микрофоны.

Эти микрофоны миниатюрны по размеру, чрезвычайно чувствительны и способны улавливать или реагировать на звуковые колебания со всех углов, то есть со всех 360 градусов.

Как работают электретные микрофоны

1. Электретный микрофон в основном состоит из диафрагмы, пары электродов и встроенного полевого транзистора.
2. Диафрагма изготовлена ​​из тонкого тефлона и также называется «электретной», отсюда и название «электретный микрофон».
3. Этот электрет имеет фиксированный заряд (C ) и встроен между двумя электродами.
4. Электрет вместе с двумя электродами представляет собой чувствительный переменный конденсатор, внешняя поверхность которого реагирует на звуковые колебания, что приводит к изменению емкости двух электродов.
5. Звуковые волны в виде давления воздуха перемещают один из электродов, обращенный к открытой стороне микрофона, вызывая эффективные колебания на емкостных пластинах.
6. Мгновенное значение переменной емкости микрофона становится прямо пропорциональным звуковому давлению, воздействующему на электрет в этот момент.

Расчет емкости MIC

Как упоминалось ранее, поскольку значение заряда на тефлоновом материале фиксировано, разность потенциалов, развиваемая на конденсаторе MIC, становится эквивалентной величине, которая может быть выражена следующей формулой:

Q = C.V

Где Q – заряд (фиксированный для электрета)

C указывает на емкость, а V обозначает развиваемый уровень напряжения или разность потенциалов на электродах.

Приведенное выше обсуждение подразумевает, что внутренняя конструкция электретного микрофона ведет себя как источник напряжения со связью по переменному току.

Большинство электретных микрофонов имеют встроенный JFET, затвор которого соединен с электретным конденсатором, образующим буфер для конденсатора микрофона.

Поскольку заряд конденсатора фиксирован, этот буфер должен иметь очень высокий импеданс, и именно поэтому используется JFET.

На следующей схеме показана базовая схема внутренней проводки типичного электретного микрофона.

Звуковые колебания, воздействующие на электретный конденсатор, изменяют его емкость, создавая модулирующее напряжение для затвора JFET, обозначенное как Vg .

Эта модуляция изменяет схему тока через сток/исток JFET, представленную как Имик .

Также можно увидеть стабилизирующий резистор RG , подключенный внутри через затвор и исток JFET. Это гарантирует, что этот резистор имеет чрезвычайно высокое значение, чтобы избежать шунтирования электретного выхода для затвора JFET.

Вид в разрезе внутренней конструкции электретного микрофона

На следующем изображении показан вид в разрезе примера электретного микрофона.

Один из электродов сформирован металлизацией его слоя поверх заряженной полимерной пленки.

Этот металлизированный слой соединяется с корпусом ВПК через металлическую шайбу.

Корпус MIC, в свою очередь, соединяется с выводом истока внутреннего JFET.

Другая пластина конденсатора или второй электрод изготовлены с использованием задней металлической пластины, которая отделена от металлизированного слоя пленки пластиковой шайбой. Эта пластина затем соединяется с клеммой затвора полевого транзистора JFET

. Звуковые волны, ударяясь об эту пластину, создают на ней уровень деформации, тем самым изменяя расстояние между емкостными электродами и вызывая на них развитие эквивалентной разности потенциалов.

Это переменное напряжение на стоке полевого транзистора JFET используется в качестве выхода для последующего каскада схемы предварительного усилителя, который дополнительно усиливает его до уровня, который можно воспроизвести через громкоговоритель, и можно услышать усиленную версию звуковых волн.

Внутреннее устройство электретного микрофона

На следующих изображениях показаны фактические детали, используемые внутри типичного электретного микрофона

Если у вас есть дополнительные вопросы о том, как работают электретные микрофоны, не стесняйтесь задавать их в комментариях.