Wzmacniacze mikrofonowe
W artykule tym przedstawiamy trzy proste układy wzmacniaczy mikrofonowych umożliwiających wstępne wzmocnienie sygnału z różnego rodzaju mikrofonów pojemnościowych, dynamicznych, i telefonicznych wkładek węglowych. Szeroki zakres zastosowań opublikowanych układów sprawia, że każdy z czytelników będzie mógł wybrać coś dla siebie.
Opis układów
Przegląd prezentowanych konstrukcji rozpoczniemy od przedstawionego na schemacie z rys.1. wzmacniacza na tranzystorze BC550. Jest to najprostszy układ jaki można zastosować w celu wzmocnienia słabych sygnałów z mikrofonów pojemnościowych. Charakteryzuje się on stosunkowo dużą dynamiką dzięki zastosowaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego realizowanego przez rezystor R1 spełniający w tym układzie kilka funkcji: polaryzacji bazy tranzystora, ustalenia punktu pracy tranzystora dzięki silnemu ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu, i zasilania mikrofonu pojemnościowego. Warto zauważyć, że R1 zamyka pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego zarówno dla prądów stałych jak i zmiennych. Ujemne sprzężenie zwrotne wyłącznie dla prądów stałych jest realizowane dzięki rezystancji R3. Kondensator C2 zapobiega zmniejszeniu wzmocnienia układu dla prądów zmiennych. Wzmocniony sygnał wyjściowy jest odbierany z kolektora tranzystora T1. Składową stałą oddziela kondensator C1, natomiast rezystor R4 umożliwia naładowanie się kondensatora C1 oraz stanowi wstępne obciążenie wzmacniacza. Jeżeli zechcemy podłączyć do układu mikrofon dynamiczny to należy szeregowo z cewką mikrofonu połączyć kondensator o pojemności 100 - 500 nF w celu oddzielenia składowej stałej napięcia występującej na bazie T1. Kolejna konstrukcja, której schemat przedstawiono na rys.3. wykorzystuje tranzystor polowy BF966. Układ ten ma lepsze parametry dynamiczne i pracuje bardziej liniowo od poprzedniego. Dzięki temu uzyskujemy mniejsze zniekształcenia sygnału i jego lepszą jakość. Niestety jest to okupione znacznie większą podatnością na przesterowanie, ze względu na brak silnych ujemnych sprzężeń zwrotnych, takich jak w poprzednim układzie. Rezystor R1 służy do zasilania mikrofonu pojemnościowego, i do ustalenia potencjału bramki G1 tranzystora T1. Punkt pracy tranzystora T1 jest ustalony za pomocą potencjometru R2, który początkowo ustawiamy w środkowym położeniu. Rezystor R3 wprowadza niewielkie ujemne sprzężenie zwrotne dla prądów stałych, natomiast kondensator C3 zapobiega przed zmniejszeniem wzmocnienia układu dla prądów zmiennych. Sygnał wyjściowy jest pobierany z drenu tranzystora T1. Składową stałą oddziela kondensator C2, natomiast rezystor R5 umożliwia naładowanie się kondensatora C2 i stanowi jednocześnie wstępne obciążenie wzmacniacza. Układ ten może współpracować z mikrofonami pojemnościowym włączonymi do pracy jak na schemacie z rys.3, lub z mikrofonami dynamicznymi dołączonymi równolegle do rezystora R1. W tym drugim przypadku rezygnujemy oczywiście z montażu mikrofonu pojemnościowego MK1. Schemat trzeciego z prezentowanych wzmacniaczy widzimy na rys.3. Układ jest zbudowany w oparciu o wzmacniacz operacyjny μA741, i umożliwia współpracę z mikrofonami pojemnościowymi, dynamicznymi lub węglowymi. Rezystor R1 służy do zasilania mikrofonu, które to zasilanie jest zrealizowane poprzez filtr dolnoprzepustowy złożony z elementów R2, C1, C2. Sygnał z mikrofonu jest podawany przez kondensator C4 oddzielający składową stałą napięcia do wzmacniacza operacyjnego US1. Wzmocnienie US1 jest kształtowane za pośrednictwem pętli sprzężenia zwrotnego złożonej z elementów D1, D2, R6, R7, C5. Kilka słów należy poświęcić sposobowi zaprojektowania pętli sprzężenia zwrotnego. Powszechnie wiadomo, że natężenie fali dźwiękowej, tak jak każdej fali kulistej maleje w funkcji trzeciej potęgo odległości od źródła, a więc bardzo szybko. W konsekwencji niewielkie zmiany odległości źródła dźwięku od mikrofonu powodują znaczne różnice w poziomie sygnału wzmocnionego. Aby choć częściowo zniwelować ten niekorzystny efekt należy włączyć w pętlę sprzężenia zwrotnego elementy o nieliniowej charakterystyce, takie jak np. diody. W przedstawionym rozwiązaniu technicznym można stosować diody detekcyjne ostrzowe lub diody Schottky'ego. Inne rodzaje diod niestety nie nadają się ze względu na wprowadzanie do wzmocnionego sygnału akustycznego zbyt dużych zniekształceń. W konsekwencji zastosowania takiego rozwiązania technicznego sygnały słabe są wzmacniane bardziej niż silne pochodzące z niewielkiej odległości. Jeżeli przy odwzorowaniu układu zechcemy zrezygnować z tej właściwości konstrukcji to należy w miejsce D1 wlutować zworę a rezystancję R6 zwiększyć do 22kΩ. Układ będzie wtedy wzmacniał liniowo wszystkie sygnały zarówno słabe jak i silne. Składową stałą napięcia oddziela na wyjściu kondensator C6. Poziom sygnału wyjściowego można regulować za pomocą potencjometru R8.
Montaż układów i ich uruchomienie
Jeżeli zdecydujemy się wykonać któryś z przedstawionych wzmacniaczy mikrofonowych to należy najpierw wykonać jedną lub dwie płytki drukowane - jeżeli zamierzamy wykonać wzmacniacz mikrofonowy w wersji stereofonicznej. Płytki są tak małe i proste, że najlepszym sposobem ich wykonania będzie ręczne namalowanie mozaiki ścieżek na laminacie za pomocą pisaka "do druku". Rysunki płytek są przedstawione na rys.4, rys.5, i rys.6. Przy ich odwzorowaniu należy do każdej z nich dodać niewielki margines, który potem umożliwi wygodne zainstalowanie płytki wewnątrz urządzenia, lub w osobnej przewidzianej w tym celu obudowie. Wszystkie elementy montujemy zgodnie z ich rozmieszczeniem przedstawionym na schematach montażowych na rys.7, rys.8, i rys.9. Montaż rozpoczynamy od wlutowania w pierwszej kolejności zwór oznaczonych jako ZW. Tranzystor polowy BF 966 lutujemy jako ostatni po zamontowaniu wszystkich elementów. Układy z rys.1 i rys.3 nie wymagają uruchomienia i powinny działać od razu po włączeniu napięcia zasilającego. Natomiast w układzie z tranzystorem BF966 przedstawionym na rys.2 należy dokonać korekcji punktu pracy tranzystora za pomocą potencjometru R2 tak aby uzyskać maksymalne wzmocnienie. W trakcie regulacji należy posłużyć się oscyloskopem, lub sondą do pomiaru napięć w.cz. W sprawnym układzie korekcja R2 nie powinna być duża. Ślizgacz potencjometru powinien znaleźć się w okolicach położenia środkowego. Jeżeli nie mamy możliwości wykonania tej regulacji (brak oscyloskopu lub sondy) to pozostawiamy R2 w środkowym położeniu i nie korygujemy tego. Oczywiście wszystkich tych regulacji należy dokonywać w warunkach odbioru przez podłączony mikrofon sygnału dźwiękowego. Z kolei w układzie z rys.3 trzeba będzie jedynie ustawić poziom sygnału wyjściowego za pomocą R8. Podobnie jak w poprzednim przypadku musi być podłączony do układu mikrofon do którego dociera sygnał dźwiękowy. W układzie z rys.1 jako T1 należy zastosować tranzystor niskoszumowy BC550. W przypadku zastosowania innego typu tranzystora n-p-n np. BC547 należy liczyć się z nieco większym poziomem szumów w tle sygnału użytecznego. Proszę również pamiętać, że szumy pierwszego stopnia są wzmacniane przez wszystkie następne stopnie wzmacniające i z tego powodu są szczególnie groźne w zastosowaniach w których wartość szumów jest parametrem krytycznym. Jeżeli w układzie z rys.3 zajdzie konieczność uzyskania minimalnego współczynnika szumów to jako US1 należy zastosować układ NE5534. Wszystkie wzmacniacze powinny być zasilane ze źródła napięcia o dobrych parametrach, dobrze stabilizowanego i odfiltrowanego, lub z baterii alkalicznej. Każdy z układów może być również zaekranowany w celu minimalizacji zakłóceń przedostających się do układu z zewnątrz.
Mariusz Janikowski