Добрый день, уважаемые радиолюбители.
Продолжая разговор о конструкциях для начинающих, сегодня мы поговорим с вами о шестнадцатой конструкции – микрофонном усилителе с компрессором. Данная конструкция относится к конструкциям средней сложности.
Итак, схема электрическая принципиальная рассматриваемого усилителя приведена на рисунке ниже. Рассмотрим кратко принцип её работы [1,2].
Сигнал с выхода микрофона BA1 через разделительный конденсатор С5 поступает на вход первого каскада усиления (вывод 3 микросхемы DA2), выполненного на операционном усилителе DA2.1. Данный каскад представляет из себя классический неинвертирующий усилитель, но с модифицированной цепью отрицательной обратной связи (ООС).
С выхода данного усилителя сигнал одновременно поступает на двухзвенный RC-фильтр нижних частот и дополнительную цепь отрицательной обратной связи через конденсатор С10. Фактически конденсаторы С9 и С10, диоды VD2 и VD3, резистор R8 образуют пиковый детектор с удвоением. Подробно о принципе работы такого детектора мы говорили в статье Логарифмический индикатор уровня (шестая конструкция для начинающих) [3].
С выхода пикового детектора, через резистор R7 напряжение отрицательной полярности поступает на затвор полевого транзистора VT1. Сток полевого транзистора через конденсатор С7 подключён к инвертирующему входу операционного усилителя DA2.1. Исток полевого транзистора через резистор R6 подключён к общему проводу усилителя.
Фактически в данной схеме полевой транзистор VT1 работает как управляемый напряжением переменный резистор. Происходит это следующим образом: при увеличении напряжения на входе операционного усилителя DA2.1 увеличивается и напряжение на выходе операционного усилителя. Вслед за ним увеличивается отрицательное напряжение на выходе пикового детектора, а значит и отрицательное напряжение на затворе полевого транзистора VT1 – транзистор закрывается сильнее т.е. его сопротивление между стоком и истоком возрастает. Это приводит к увеличению суммарного сопротивления между инвертирующим входом усилителя и общим проводом усилителя (данное сопротивление равно сумме сопротивлений между стоком и истоком транзистора VT1 и резистора R6). Коэффициент усиления усилителя уменьшается т.к. он равен отношению сопротивления резистора R5 к суммарному сопротивлению между инвертирующим входом и общим проводом.
При уменьшении входного напряжения всё происходит в обратном порядке: уменьшается выходное напряжение операционного усилителя DA2.1, уменьшается отрицательное напряжение на выходе пикового детектора, уменьшается отрицательное напряжение на затворе полевого транзистора VT1 – транзистор открывается сильнее т.е. его сопротивление между стоком и истоком уменьшается. Коэффициент усиления усилителя DA2.1 возрастает.
Таким образом осуществляется автоматическая регулировка усиления в зависимости от величины входного напряжения сигнала. Следует заметить, что характеристика регулировки усиления не является линейной – она достаточно близка к логарифмической выше порога срабатывания.
Это приводит к тому, что слабые сигналы усиливаются значительно сильнее, чем сильные сигналы. А это в свою очередь приводит к тому, что разница между амплитудой слабых сигналов и сильных на выходе усилителя уменьшается – происходит сжатие динамического диапазона т.е. его компрессия.
На графике ниже представлена амплитудная характеристика описываемого микрофонного усилителя с компрессором, снятая при проведении испытаний на частоте 1 кГц.
По представленной амплитудной характеристике хорошо видно, что сигналы, лежащие по входному напряжению ниже порога срабатывания компрессора, усиливаются равномерно – область амплитудной характеристики от 1 до 5 мВ представляет из себя отрезок прямой. Порог срабатывания – это один из основных параметров компрессора сигнала [1,2].
Другим важным параметром компрессора является коэффициент компрессии (коэффициент сжатия). Обычно коэффициент компрессии выражается в дБ и записывается парой чисел через двоеточие – например, 1:1, 2:1, 4:1, 8:1 и пр. Так, например, коэффициент компрессии 4:1 означает, что при увеличении напряжения входного сигнала на 4 дБ выше порога срабатывания выходное напряжение сигнала увеличится только на 1 дБ выше порога срабатывания.
По представленной амплитудной характеристике хорошо видно, что сигналы с напряжением, лежащим выше порога срабатывания усиливаются неравномерно т.е. коэффициент компрессии не является в данном случае величиной постоянной и плавно изменяется. В среднем же на интервале входных напряжений от 5 до 25 мВ выходное напряжение изменяется примерно от 800 до 1640 мВ т.е. при изменении входного напряжения в 5 раз (на 14 дБ) выходное напряжение изменяется примерно в 2 раза (на 6дБ). Таким образом коэффициент компрессии в среднем равен 2.3:1.
При необходимости увеличения коэффициента компрессии необходимо увеличить максимально достижимый коэффициент усиления усилителя. Для этого необходимо уменьшить сопротивление резистора R6 либо увеличить сопротивление резистора R5. Кроме того, увеличить коэффициент компрессии позволит установка в качестве диодов детектора VD2, VD3 диодов с низким падением напряжения (например, диодов Шоттки), а также замена полевого транзистора VT1 на транзистор с более высокой крутизной характеристики. При этом увеличение коэффициента усиления и установка диодов с меньшим падением напряжения параллельно приведёт и к снижению порога срабатывания компрессора.
Также следует отметить, что компрессор не мгновенно реагирует на изменение входного напряжения, а с некоторой задержкой, определяемой постоянными времени пикового детектора. Постоянная времени заряда конденсатора C9 определяет так называемое время атаки компрессора т.е. время до срабатывания компрессора при превышении порога. А постоянная времени разряда конденсатора С9 – время спада т.е. время, которое сигнал будет продолжать сжиматься при понижении входного напряжения ниже порога срабатывания. В данной конструкции компрессора эти 2 параметра тесно связаны между собой.
Но вернёмся вновь к схеме электрической принципиальной. Итак, с выхода усилителя на микросхеме DA2.1 сигнал поступает на двухзвенный RC-фильтр низких частот, состоящий из резисторов R9 и R10, конденсаторов С13 и С14. Данный фильтр ограничивает полосу усиливаемых частот сверху. С выхода фильтра сигнал поступает на вход буферного усилителя, выполненного на операционном усилителе DA2.2 (вывод 5 микросхемы DA2). Усилитель выполнен по схеме повторителя сигнала и необходим для согласования выходного сопротивления усилителя с входным сопротивлением подключаемых внешних устройств.
Конденсаторы С11, С12, С15 – дополнительный фильтр питания микрофонного усилителя.
На микросхеме DA1 по типовой схеме включения реализован стабилизатор с выходным напряжением 5 вольт для питания микрофона.
Конденсаторы С1, С2, С4 – дополнительный фильтр напряжения питания микрофона.
Конденсатор С8 в совокупности с резистором ООС R5 также образуют ФНЧ, ограничивающий полосу пропускания усилителя сверху. Туже роль выполняет и конденсатор С6 в совокупности со входным сопротивлением усилителя.
Следует отметить, что последние 2 ФНЧ необходимы для обеспечения устойчивости усилителя в рабочей полосе частот при высоких коэффициентах усиления каскада на микросхеме DA2.1.
Резисторы R2-R4, конденсатор С3 – цепи сдвига уровня по постоянному току на неинвертирующем входе операционного усилителя. Их назначение и принцип работы мы подробно рассматривали в статье Термодатчик с интервальной шкалой [4].
В подборке рисунков ниже представлен сборочный чертёж печатного узла описываемого усилителя с обеих сторон (на первом рисунке – с проводящим рисунком, на остальных рисунках указано только расположение компонентов схемы).
Тут следует отметить, что выводные компоненты устанавливаются с обратной стороны от проводящего рисунка, а поверхностно-монтируемые – со стороны проводящего рисунка. При этом сборочный чертеж выполнен так, если бы мы смотрели на печатный узел как раз со стороны проводящего рисунка. Это необходимо учитывать при установке транзисторов, диодов, микросхемы, а также полярных конденсаторов.
А на следующем фото представлена изготовленная печатная плата описываемого микрофонного усилителя.
А на фото ниже представлен полностью собранный усилитель во время проведения испытаний.
В файле mic-comp.zip представлен сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6, а также схема электрическая принципиальная в формате SPlan для возможности самостоятельного изготовления печатной платы устройства.
В завершении данной статьи рассмотрим некоторые особенности работы описанного микрофонного усилителя, а также соображения по его улучшению и практическому использованию.
Во-первых, исходя из описанной логики регулировки усиления становится понятным, что чем ниже уровень сигнала с микрофона – тем выше усиление усилителя. К чему это приводит? При отсутствии относительно громких звуков микрофон будет улавливать достаточно тихие звуки окружающего пространства: шум работы компьютерных вентиляторов, всевозможные шорохи, скрипы, посторонние небольшие вибрации печатной платы устройства и пр. Для ряда применений такое поведение может быть неприемлемым.
Решение данной «проблемы» в лоб – установка порогового шумоподавителя, отключающего усилитель при выходных напряжениях ниже заданного порога. Частично решить «проблему» позволит увеличение коэффициента компрессии до 4:1-8:1 с одновременным уменьшением порога компрессии.
Во-вторых, если планируется использовать данный микрофонный усилитель с компрессором в радиопередающем устройстве для телефонной речевой связи, то полосу пропускания усилителя рекомендуется ограничить в диапазоне от 300 Гц до 3400 Гц (VF), либо от 300 Гц до 7000 Гц (HD Voice). При этом ФНЧ, состоящий из резисторов R9 и R10, конденсаторов С13 и С14 из схемы необходимо исключить, а на микросхеме DA2.2 вместо повторителя сигнала лучше реализовать активный полосовой фильтр 2-3 порядка.
Кроме того, микрофон BA1 лучше заменить на более качественный (например, BEM9767G), применить виброразвязку микрофона от остальных частей конструкции, а также соответствующее акустическое оформление.
В-третьих, при практическом испытании микрофонного усилителя с компрессором выяснилось, что при превышении входного напряжения выше 10-12 мВ при применении микросхемы TL062 наблюдается небольшое ограничение отрицательной полуволны выходного напряжения. При этом степень ограничения практически постоянна вплоть до входного напряжения, равного 25 мВ. Увеличение напряжения питания с 9 до 12-15 вольт не приводит к уменьшению степени ограничения.
Выход из данной ситуации прост – для высококачественного применения операционный усилитель типа TL062 лучше заменить на другой, например, NE5532, не имеющий подобной проблемы в работе. Расположение выводов операционного усилителя NE5532 полностью идентично усилителю TL062 – никаких изменений в схему при замене вносить не нужно!
А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.
Список использованной литературы:
- Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах/ Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова и др. — Изд. 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Мир, 1993
- Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.
- Логарифмический индикатор уровня
- Термодатчик с интервальной шкалой