В этой статье мы рассмотрим и соберём очень простой усилитель для электретных и динамических микрофонов. Схема построена на сдвоенном интегральном операционном усилителе NE5532 для аудиотехники, который является популярным и проверенным временем решением за счёт оптимального соотношения цены и качества (низкие уровни шумов и нелинейных искажений, сопоставимые с «аудиофильскими» моделями).
Описанное в статье решение не претендует на звание «высококачественного студийного оборудования», но она поможет начинающим радиолюбителям лучше понять основы звуковой аналоговой схемотехники. В перспективе это пригодится для сборки цифрового диктофона на базе ESP32.
Эксперимент подразумевает, что в будущем аналоговый сигнал будет преобразовываться в цифровой посредством специализированного 24-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) PCM1808. Данную микросхему можно подключить по I2S-интерфейсу к микроконтроллеру ESP32. Это открывает широкие возможности для цифровой обработки аудио (запись на microSD-карту памяти, программные фильтры, распознавание отдельных слов, частотный корректор (эквалайзер)).
Если Вы хотите получить полностью цифровой аудиотракт без аналогового предусилителя и внешнего АЦП, обратите внимание на цифровые MEMS-микрофоны, такие как INMP441. Эта микросхема объединяет чувствительный элемент, усилитель и АЦП в одном корпусе и выдаёт готовый цифровой сигнал по I2S-интерфейсу. Подробнее можно прочитать в статье про диктофон на базе INMP441 и ESP32 с записью на microSD-карту памяти.
Содержание
- Обоснование выбора элементной базы
- Усилители на специализированных микросхемах
- Схема усилителя для электретного микрофона на NE5532
- Тестирование
- Заключение
Обоснование выбора элементной базы
Электретный микрофон EM-6050
В качестве аудиодатчика выбран популярный и доступный всенаправленный электретный микрофон EM-6050, предназначенный для разборчивой регистрации речи. Он работает от низкого напряжения 1…10 В (иногда можно встретить рекомендованное значение 4,5 В) и потребляет в среднем 0,5 мА, что очень удобно при работе от батареек.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) имеет целенаправленный подъём в зоне 3…5 кГц для выделения согласных звуков и шипящих. Также явно выражен естественный спад ниже 100 Гц, что помогает отсекать низкочастотный гул и вибрации. Максимальное звуковое давление без искажений составляет 110 дБ SPL (Sound Pressure Level), что даёт запас до возникновения перегрузки по входу при записи громких звуков.
Оптимальным расстоянием для работы считается от 15…50 см.
Данный капсюль можно считать одним из самых сбалансированных бюджетных вариантов для сборки диктофона или переговорного модуля.
Заявленный производителем рабочий диапазон частот находится в пределах от 100 до 12000 Гц, что соответствует полосе пропускания по уровню -3 дБ. При настройке устройства нужно будет ориентироваться на этот частотный диапазон.
Ниже представлен график амплитудно-частотной характеристики из официальной документации:
Это стандартная полоса пропускания для миниатюрных электретных капсюлей, что вполне достаточно для записи речи, поскольку отсекает фоновый гул в помещении и охватывает речевой диапазон (3…8 кГц).
EM-6050 имеет оптимальную чувствительность для диктофона: -42 децибел (дБ). Данный параметр показывает, насколько эффективно чувствительный элемент преобразует звуковые волны в электрические колебания. Значение -42 дБ означает, что при опорном звуковом давлении 1 Паскаль (что соответствует 94 дБ SPL) капсюль выдаёт уровень колебаний на 42 децибела ниже опорного значения 1 Вольт.
94 дБ SPL – это величина звукового давления, при котором эффективное значение переменного акустического давления составляет ровно 1 Паскаль (Па).
Уровень 94 дБ SPL был выбран как стандартная опорная точка для измерения чувствительности. Для удобства расчётов решили, что на расстоянии 1 метр от источника звука (очень громкий, но не травмирующий человеческое ухо звук) чувствительный элемент будет подвергаться воздействию звукового давления величиной ровно 1 Па.
А вот 0 дБ SPL – это минимальный порог слышимости, то есть минимальный звук, который человеческое ухо способно услышать. Такой минимальный порог соответствует величине 20 мкПа, что в 50 тысяч раз меньше, чем 1 Па. Такая разница в децибелах и равна уровню 94:
В даташите к EM-6050 указано, что чувствительность определяется по опорному уровню 0 дБ = 1 В/Па при 1 кГц. Это значит, что если на аудиодатчик подать звуковое давление ровно 1 Паскаль (94 дБ SPL), то на его выходе появится ровно 1 Вольт.
Таким образом, вся выше указанная теоретическая подоплёка подводит нас к тому, что чувствительность -42 дБ означает, что на при давлении в 1 Па аудиодатчик выдаст не 1 В, а напряжение на 42 дБ ниже, то есть примерно 0,008 В:
Что нам даёт это значение 8 мВ? В теории, эта величина соответствует напряжению на выходе капсюля, если на расстоянии примерно 1 метр от него будут сверлить стену при помощи перфоратора.
В реальности при записи речи мы имеем дело с гораздо более низкими давлениями:
Учитывая определённый диапазон выходного напряжения капсюля (0…5 мВ), а также максимальную величину входного сигнала аналого-цифрового преобразователь PCM1808 (по даташиту размах (пик-пик) равен 3 В, что соответствует амплитуде 1,5 В или среднеквадратичному значению примерно 1,06 В), схему предусилителя нужно проектировать так, чтобы коэффициент усиления (передачи – Кп) составлял приблизительно 200:
При обычной речи (0,5 мВ) на входе АЦП будет 0,1 В RMS (достаточно для чёткой записи).
При громкой речи (1,6 мВ) на входе будет 0,32 В (запас до перегрузки сохраняется).
При громкой речи вплотную (5 мВ) ко входу будет приложено примерно 1 В, что очень близко к перегрузке.
Такой подход обеспечивает разборчивую запись речи в нормальных условиях и достаточный запас по усилению.
Операционный усилитель NE5532
Для усиления слабых колебаний с электретного капсюля (единицы милливольт) требуется малошумящий усилитель с высоким Кп. Собрать такую схему на дискретных элементах (транзисторах) с хорошими параметрами достаточно сложно. Поэтому мы прибегнем к простому, но надёжному и оптимальному с точки зрения соотношения цена/качество решению: воспользуемся специализированной микросхемой операционного усилителя (ОУ).
Очень часто в Интернете можно найти примеры аудиоприложений на базе сдвоенного ОУ NE5532. Это весьма популярная и проверенная временем микросхема, которая уже несколько десятилетий является своеобразным «золотым стандартом» в звуковой схемотехнике.
Данный чип был разработан компанией Signetics в конце 1970-х годов для профессионального аудиооборудования. Однако и сегодня он не теряет актуальности в тех применениях, где важны не цифровые интерфейсы, а качество аналогового тракта. Ниже представлена краткая таблица с основными параметрами и характеристиками NE5532:
Опираясь на приведённую выше таблицу параметров, можно достаточно уверенно обосновать выбор NE5532 в качестве базового элемента микрофонного предусилителя:
1) очень низкий собственный уровень шумов (5 нВ/√Гц). Это намного ниже, чем напряжение с выхода капсюля (0…5 мВ), а потому схемотехника усилителя не будет существенно влиять на отношение сигнал/шум (насколько полезный сигнал больше по амплитуде, чем собственные шумы устройства), что позволяет чётко улавливать шорохи и шёпот;
2) высокая частота единичного усиления (10 МГц). На практике это значит, что при Кп = 1 (повторитель) полоса пропускания составляет примерно 10 МГц. При повышении коэффициента полоса сужается. Так как у нас Кп ожидается примерно 200, то частота среза по уровню -3 дБ будет приблизительно 50 кГц. А это как раз более чем в 2 раза перекрывает весь слышимый диапазон (20…20000 Гц). За счёт этого чип даёт возможность исключить спад АЧХ на верхних частотах, а также уменьшить фазовые искажения на всём рабочем диапазоне;
3) высокая скорость нарастания выходного напряжения (9 В/мкс), благодаря чему микросхема успевает реагировать на быстрые перепады входных колебаний. За счёт этого выходной сигнал намного меньше подвержен нелинейным искажениям, что крайне важно для качественной аудиозаписи;
4) большой коэффициент ослабления синфазного сигнала (100 дБ), который определяет, во сколько раз дифференциальный усилитель подавляет колебания, одновременно и в одинаковой фазе присутствующий на обоих входах. Этот параметр особенно критичен, когда капсюль соединяется с предусилителем длинным кабелем, работающим как антенна для электромагнитных помех и наводок.
Рассматриваемый чип подавляет синфазную помех в 100000 раз (100 дБ) по сравнению с дифференциальным полезным сигналом. На практике в нашем случае это означает, что можно обойтись без дополнительных технических средств (дроссели, витая пара);
5) низкое выходное сопротивление и большая нагрузочная способность. Максимальный выходной ток микросхемы лежит в диапазоне от 10 до 60 мА, что в сочетании с выходным сопротивлением менее 0,3 Ом обеспечивает отличное согласование с нагрузкой без дополнительного буферного каскада. Это будет особенно важно в будущем при работе с АЦП PCM1808, у которого входное сопротивление составляет десятки килоом.
Существенными минусами является два параметра:
1) для работы минимум нужно +10 В (однополярное), что в случае использования аккумуляторов потребуется прибегнуть либо к повышающему DC-DC преобразователю (а это дополнительный фон), либо применить последовательное включение (3S). Можно применить последовательное включение нескольких элементов типа AA/AAA, или одну батарейку типоразмера 23А на 12 Вольт. А чтобы получить двухполярное питание, придётся применять либо специализированные DC/DC преобразователи типа AM1DE-0505DZ с двухполярным выходом ±5 В, либо формировать отдельно отрицательное напряжение при помощи ICL7660, но это всё вносит дополнительные помехи. Лучше всего две батарейки, подключенные последовательно для формирования двухполярного питания. Но нужно учитывать, что максимальный ток потребления NE5532 составляет приблизительно 12…16 мА. И при работе от двух (для двухполярного питания) 9-вольтовых алкалиновых батареек типа «Крона» (1604A) с типичной ёмкостью 550 мА/ч время работы составит 35…45 часов;
2) большой ток смещения по входу, который течёт через капсюль и резисторы подтяжки. В зависимости от схемотехники входной цепи, на входе может быть паразитное смещение величиной вплоть до нескольких милливольт постоянного напряжения. Это вносит дополнительные искажения в выходной сигнал и может уменьшить динамический диапазон (отношение между самым громким и самым тихим звуками, которые устройство может усилить без искажений и различить на фоне собственных шумов соответственно).
Резюмируя, можно сказать, что NE5532 является хорошим вариантом среди бюджетных решений для построения микрофонных предусилителей за счёт низкой амплитуды фоновых помех, широкой полосы пропускания, большого запаса по скорости нарастания выходного сигнала и высокой нагрузочной способности. Важно отметить, что данная микросхема не является аудиофильским компонентом с рекордными характеристиками, а скорее добротным и надёжным элементом, который обеспечивает предсказуемую обработку низкочастотных колебаний в звуковом диапазоне.
Ниже представлена цоколёвка микросхемы NE5532:
В качестве более современных аналогов с улучшенными параметрами в том же корпусе DIP-8 выделяется LM4562 (или LME49720): вдвое ниже шум (2,7 нВ/√Гц), на порядок меньше искажения, шире полоса. Однако при высоком сопротивлении источника указанное преимущество теряется. Как вариант можно рассмотреть OPA2134 с полевыми транзисторами (JFET) на входе. В рамках нашего эксперимента NE5532 остаётся оптимальным по соотношению цена/качество и доступности.
Когда усилитель на стандартном ОУ предпочтительнее решения на специализированной микросхеме
Прежде чем перейти к рассмотрению схемы, предварительно стоит уделить внимание специализированным чипам микрофонных предусилителей с точки зрения их позиционирования.
Существует линейка довольно популярных чипов и готовых на их базе модулей:
– MAX9814 отличается встроенной системой автоматической регулировки усиления (АРУ) и генератором смещения для электретного аудиодатчика. Чип сам определяет интенсивность входных колебаний и автоматически настраивает Кп. Это очень удобно в тех случаях, когда заранее неизвестна громкость записываемого звука;
– SSM2167 тоже имеет АРУ, а ещё дополнительно обладает функциями шумоподавления и настройки компрессии (уменьшение динамического диапазона);
– MAX4466 и MAX9812 являются просто усилителями без дополнительной обработки регистрируемых колебаний. Причём MAX4466 имеет только два варианта фиксированного коэффициента (125 и 25), что может внести сильные ограничения в Ваш проект.
Все выше перечисленные модули хороши тем, что являются широко распространёнными и доступными, имеют очень простую схему включения (а ещё легко настраивается) и низковольтное однополярное питание, а также обладают достаточно приемлемыми характеристиками для простых аудиоприложений. Если Вам нужно быстро подключить в свой проект электретный микрофон – данные чипы отлично подойдут. Разумеется, за простоту приходится платить гибкостью и контролем над параметрами.
Например, из-за АРУ запись тишины неизбежно сопровождается повышенным шипением: усиление поднимается до максимума, и собственный шум микросхемы становится слышен. Кроме того, при резком громком звуке АРУ не успевает среагировать мгновенно, из-за чего первые миллисекунды колебания проходят без ослабления и могут быть искажены (клиппирование). После этого усиление снижается и остаётся заниженным в течение десятков или сотен миллисекунд (зависит от настроек), поэтому следующие за громким звуком тихие звуки временно приглушены.
Также важным недостатком является то, что когда АРУ работает на низкой частоте (например, голос с большим количеством баса), усиление модулируется самой звуковой волной. В результате чего появляются низкочастотные биения, которые воспринимаются как «бульканье» или «захлёбывание». Это сильно заметно на слух
А вот если нужно сделать «шаг в сторону» от стандартного коэффициента или потребуется подключать различные микрофоны, в том числе динамические, а также бороться с помехами, то, несомненно, наилучшим вариантом будет проектировать схему на ОУ с обвязкой на дискретных элементах. Гибкость настройки схемотехники позволяет снизить помехи и добиваться нужных частотных показателей, что несколько затруднительно с готовыми решениями на одной микросхеме.
Самое главное преимущество схем на отдельных элементах перед готовыми интегральными модулями: у Вас полный контроль над параметрами устройства, то есть Вы сами задаёте усиление, частотный диапазон и компромисс между шумом и запасом по перегрузке.
Схема предусилителя на NE5532 для электретного микрофона
На рисунке ниже представлена принципиальная электрическая схема микрофонного предусилителя:
Для удобства рассмотрения схема разделена на следующие основные блоки:
– двухполярный блок питания ±5 В. Для эксперимента был использован линейный блок с большими номиналами фильтрующих электролитических конденсаторов (по 2 штуки с ёмкостью 4700 мкФ на каждую полярность), что минимизировать помехи;
– входная цепь с микрофоном;
– предварительный каскад (на базе первой половины ОУ) с низким Кп, чтобы минимизировать увеличение шумов;
– оконечный каскад (на базе второй половины ОУ), который вносит основной вклад в усиление;
– межкаскадная связь;
– выходная цепь для согласования с последующими устройствами (в нашем случае предполагается использовать АЦП PCM1808).
Рассмотрим подробнее каждый блок по отдельности.
1) Блок питания (БП)
Для экспериментов применён двухполярный блок с большой ёмкостью фильтрующих конденсаторов. Также в непосредственной близости от ножек +VCC и -VCC микросхемы ОУ крайне настоятельно рекомендуется установить электролитические конденсаторы номиналом 10 мкФ и керамические по 0,1 мкФ. Это очень важно для стабильно работы чипа и уменьшения помех.
Двухполярное питание выбрано по трём причинам:
– выход усилителя в покое находится на уровне земли (0 В), что минимизирует влияние возможной постоянной составляющей;
– достигается симметричный и максимальный размах выходных колебаний (около ±3,5 В при работе от ±5 В);
– упрощается подача смещения на аудиодатчик напрямую от положительного плеча +5 В. При однополярном питании с искусственной средней точкой (виртуальной землёй) любая помеха по шине питания напрямую модулирует опорное напряжение и попадает на вход устройства. С двухполярным питанием эта проблема отсутствует: земля настоящая, стабильная и бесшумная.
2) Входная цепь
Электретный микрофонный капсюль имеет полярность. Поэтому стоит обратить внимание на цоколёвку Вашего экземпляра. Отрицательный электрод, который подключается к земле питания, на EM-6050 обозначен тремя черточками:
В соответствии с даташитом, подключение капсюля должно включать в себя подтягивающий резистор R1 номиналом 2,2 кОм. Он необходим для обеспечения питания чувствительного элемента. Далее последовательно установлен разделительный конденсатор номиналом 1 мкФ, чтобы отсекать постоянную составляющую звуковых колебаний (напряжение от БП) и передавать на вход усилителя только переменную составляющую (то есть полезный сигнал). Выбирать конденсатор желательно плёночный, поскольку такой тип элементов обладает более стабильными характеристиками, чем керамический.
После конденсатора устанавливается резистор утечки на землю с номиналом порядка 10 кОм, который совместно с конденсатором образует фильтр верхних частот (ФВЧ) с частотой среза примерно 16 Гц, что ниже слышимого диапазона, а потому подавляет различные низкочастотные помехи (вибрации корпуса).
Для подключения динамического микрофона нужно убрать резистор R1, поскольку динамический аудиодатчик работает как генератор: он создаёт электрические колебания за счёт движения катушки с проводом в магнитном поле постоянного магнита под воздействием звуковых волн. Если всё же по ошибке подать напряжение, то есть риск повредить устройство, поскольку сопротивление обмотки чувствительного элемента (в зависимости от модели) порядка нескольких сотен Ом. При слишком большом напряжении провод может перегреться от возросшего тока, поэтому будьте очень внимательны при подключении.
3) Предварительный каскад
Электрические колебания с капсюля поступают на первый канал ОУ, который включен по схеме неинвертирующего усилителя.
Коэффициент определяется номиналами резисторов R3 (1 кОм) и R4 (6,8 кОм), и он выбран малым (примерно 7) преднамеренно, чтобы минимизировать влияние собственных шумов.
Конденсатор C2 (2,2 мкФ) и включенный последовательно резистор R3 (1 кОм) вместе образуют фильтр верхних частот (ФВЧ) с частотой среза примерно 72 Гц.
Элементы C4 (470 пФ) и R4 (6,8 кОм), включенные параллельно, формируют ФНЧ с частотой среза примерно 50 кГц. Номинал ёмкости подобран экспериментально с целью получения минимально возможной амплитуды шумов и предотвратить самовозбуждение устройства в целом. Проблема была в том, что при ёмкости 1 нФ устройство самовозбуждалось (то есть генерировало высокочастотные колебания), когда Кп превышал значение 80. Установив конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи с указанным номиналом, схема показала стабильную работу на всём частотном диапазоне с максимальным Кп.
4) Межкаскадная связь
Передача полезного сигнала между каскадами осуществляется через разделительный конденсатор, чтобы также убрать постоянную составляющую. Ёмкость плёночного конденсатора составляет 1 мкФ, который вместе с резистором подтяжки R6 (10 кОм) формирует дополнительный ФВЧ. А резистор R5 с номиналом 100 Ом необходим, чтобы изолировать выход предварительного каскада от емкостной нагрузки (разделительного конденсатора).
Подстроечный резистор R6 номиналом 100 кОм работает как аттенюатор, который предназначен не для управления усилением следующего каскада, а для ослабления колебаний перед его входом. Это может пригодиться при настройке всего предусилителя под величину громкости записываемого звука.
5) Оконечный каскад
Второй канал ОУ применяется для основного усиления полезного сигнала. Номиналы резисторов R7 (1 кОм) и R8 (27 кОм) формируют коэффициент 28. Данное значение достаточно невысокое, чтобы сохранить устойчивость устройства от самовозбуждения.
Последовательно включённые ёмкость C7 (2,2 мкФ) и сопротивление R7 (1 кОм) образуют дополнительный ФВЧ. Конденсатор C9 (220 пФ) и параллельные ему резистор R8 (27 кОм) формируют ФНЧ c частотой среза примерно 26 кГц. Причём ёмкость 220 пФ выбрано экспериментально, что позволило значительно стабилизировать работу устройства.
Учитывая предварительный каскад, суммарный расчётный Кп всего устройства составляет порядка 196, что близко к целевому значению 200. Представленная конфигурация подразумевает жестко фиксированное значение Кп. Такой вариант подойдёт для эксперимента. На практике же лучше иметь возможность гибко настраивать значение коэффициента, поэтому вместо резистора R8 предлагается поставить подстроечный резистор на 50 кОм и последовательно включенный с ним постоянный резистор на 2,2 кОм (как показано на схеме).
Благодаря такой конфигурации диапазон регулировки общего коэффициента составит от 22 до 372, что позволяет адаптировать устройство как к тихой речи, так и к громким источникам звука без риска перегрузки (клиппинга).
6) Выходная цепь
Выходной каскад, в целом, повторяет цепь межкаскадной связи и согласует выход устройства со входом АЦП.
Наш вариант предусилителя построен на двух каскадах одного сдвоенного ОУ NE5532 по трём причинам:
1) устойчивость всей системы
При экспериментах на макетной плате одиночный каскад с Кп выше 80 самовозбуждался на высоких частотах, поскольку длинные провода работали как антенны и паразитные ёмкости. Разделение общего коэффициента передачи (200) между двумя каскадами (К1 = 7, К2 = 28) в сочетании с корректирующими конденсаторами C4 и C9 полностью решило проблему;
2) корректировка полосы пропускания
Частота единичного усиления GBWP (Gain-Bandwidth Product) для NE5532 составляет 10 МГц. Эта величина определяется как произведение коэффициента усиления на полосу пропускания. Один каскад с Кп = 200 дал бы полосу 10 МГц / 200 = 50 кГц. Это лишь в 2,5 раза выше верхней границы слышимого диапазона, что привело бы к заметному спаду АЧХ и фазовым искажениям на высоких частотах.
Два каскада с умеренными значениями коэффициента передачи (К1 = 7, К2 = 28) дают результирующую полосу примерно 350 кГц, что в 17 раз выше верхней границы звукового диапазона. В слышимой области до 20 кГц спад АЧХ отсутствует. Частотная характеристика определяется только намеренно введёнными фильтрами, а не паразитными ограничениями ОУ;
3) снижение уровня шумов
Общий шум многокаскадного усилителя определяется преимущественно первым каскадом, а шум последующих делится на его Кп. Поэтому логичнее было бы сделать первый каскад с большим коэффициентом (например, 20…30), а второй – с меньшим. Однако на макетной плате именно высокое усиление первого каскада провоцировало самовозбуждение из-за чувствительности к наводкам, поэтому выбрано обратное распределение (первый – 7, второй – 28).
Тестирование
Для экспериментов устройство было собрано на макетной плате. Фотография опытного образца представлена ниже:
Для удобства практического подбора номиналов элементов для предварительного и оконечного каскадов использовались штыри типа PLS-2 (как на фото ниже). Очень быстро и легко подпаивать элементы, что намного надежнее, чем использовать беспаечную контактную отладочную плату типа breadboard.
Для ФВЧ и ФНЧ лучше выбирать керамические конденсаторы класса NP0, поскольку они обладают лучшей стабильностью (ёмкость не меняется от приложенного напряжения или температуры окружающей среды), а также не вносят дополнительных искажений. Элементы класса X7R или X5R подойдут для фильтрации по питанию.
Амплитудно-частотная характеристика
После сборки произведём настройку схемы, а заодно построим амплитудно-частотную характеристику усилителя. Отключаем электроды аудиодатчика от входа предусилителя и вместо него подключаем выход лабораторного функционального генератора.
Подадим с генератора минимально возможные по амплитуде колебания в виде синусоиды и будем пошагово поднимать частоту от 50 Гц до 20 кГц. Ниже в качестве примера представлена осциллограмма входного (канал CH1 синего цвета) и выходного (канал CH2 желтого цвета) сигналов на частоте 1 кГц:
По осциллограмме видно, что среднеквадратичное значение входного напряжения равно 12,25 мВ, а выходного – 2,39 В. Соответственно, Кп составляет примерно 195. Но корректнее смотреть на данный показатель на всём частотном диапазоне, поэтому ниже представлена таблица данных и график амплитудно-частотной характеристики:
При анализе графика видно, что более-менее линейным участком является диапазон от 500 до 20000 Гц. А если рассматривать по уровню -3 дБ, что соответствует 70% (если точнее – 0,707) от максимальной величины 2,4 Вольта (что равняется 1,69 В RMS), то нижняя граница определяется как 85 Гц, а верхняя – выше 30 кГц.
Выше 20 кГц график выглядит несколько «ломанным»: начинает сказываться действие частотной коррекции оконечного каскада (ФНЧ с частотой среза примерно 26 кГц), а также небольшая нестабильность выходного напряжения генератора (бюджетная модель) на разных частотах, хотя уровень входных колебаний постоянно контролировался и поддерживался на отметке 12,2 мВ на всех частотах.
Проверка реакции на звуковые воздействие
Для начала проверим уровень шумов на выходе предусилителя при закороченном входе. То есть вместо микрофона просто перемычка, резистор R1 отключён:
Размах (пик-пик) равен примерно 3 мВ при максимальном Кп (приблизительно 195). Для случайного широкополосного шума это соответствует среднеквадратичному значению примерно 0,5 мВ (если производить пересчёт с коэффициентом 6 для нормального распределения).
Если привести это среднеквадратичное значение ко входу, то есть разделить на коэффициент передачи, то получим 0,5 / 200 = 0,0025 мВ = 2,5 мкВ. Это в несколько раз выше собственного шума NE5532 (0,7 мкВ). Такая разница объясняется неидеальностью сборки цепей на макетной плате, где длинные провода работают как маленькие антенны, собирающие электромагнитный фон. На практике такой уровень соответствует лёгкому шипению, что на фоне голоса будет слегка заметно.
В процессе экспериментов было замечено, что если БП для нашего устройства работает от той же сетевой розетки 220 В, к которой подключен блок питания ноутбука, то размах помех заметно выше (размах до 8…10 мВ). То есть импульсный преобразователь вносит в общую сеть 220 В существенные помехи, которые частично проходят через линейный трансформатор двухполярного блока питания. Представленная выше осциллограмма фоновых помех сохранена при отключенном БП для ноутбука и отсутствии других потребителей.
Теперь проверим то, как реагирует собранное изделие непосредственно на голос человека:
– обычным тоном сказано слово «один» на расстоянии примерно 30 сантиметров
– в 30 сантиметрах слово «два»
Как видим, при предполагаемых базовых условиях работы капсюля (то есть диктофон будет записывать нормальную негромкую речь человека на расстоянии около 30 сантиметров от лица) амплитуда полезного сигнала составляет приблизительно 200…300 мВ.
Продолжим:
– вблизи от капсюля сказано слово «один»
Тут стоит немного напомнить про уровень помех на выходе при закороченном входе (ранее мы определили, что он равен 0,5 мВ RMS). На представленной осциллограмме мы видим, что пиковая амплитуда составляет почти 400 мВ. Если считать, что пик-фактор для речи имеет величину 4 (отношение пикового значения к RMS), то данное пиковое значение будет равно приблизительно 100 мВ RMS. Соответственно, отношение сигнал/шум составляет примерно 46 дБ:
20 × log10(100 / 0,5) ≈ 46 дБ.
Этого достаточно, чтобы голос был разборчив, а шипение не мешало восприятию, что является типичным показателем для бытового диктофона. После переноса схемы на печатную плату с правильной трассировкой земли ожидается снижение фона на 6…12 дБ, что приблизит отношение сигнал/шум к величине 55…60 дБ.
Кашель на расстоянии 1 метр:
Заключение
В данной статье мы рассмотрели пример схемы простого микрофонного предусилителя на базе микросхемы ОУ NE5532. Коэффициент передачи составил около 195 (46 дБ) при полосе пропускания от 85 Гц до 30 кГц, а уровень собственных шумов (3 мВ пик-пик при максимальном усилении) даёт отношение сигнал/шум от 45…50 дБ в зависимости от громкости речи – этого достаточно, чтобы голос был разборчив, а лёгкое шипение в паузах не раздражало.
Ключевой проблемой при настройке оказалось самовозбуждение на высоких частотах, устранённое добавлением корректирующих конденсаторов (470 пФ и 220 пФ) параллельно резисторам обратной связи. Это стандартный приём для ОУ с большим запасом по усилению, и он не повлиял на работу в звуковом диапазоне.
Дальнейшим шагом станет подключение предусилителя к АЦП PCM1808 через I2S-интерфейс к ESP32 для реализации цифрового диктофона с записью на microSD-карту. Перенос схемы на печатную плату и добавление экранировки должны снизить фон ещё на 10 дБ, что приблизит устройство к уровню качественной бытовой аудиотехники.