Персональные Студии^®

© Eugene A. Petroff, 1999.
Без разрешения автора копирование этого документа и его частей недопустимо. 
При цитировании ссылка обязательна.

Если вы нуждаетесь в микрофонном усилителе, но не хотите заниматься его самостоятельным изготовлением, то нажмите здесь.

В других разделах моего сайта вы найдете обоснование тезиса о том, что современная Персональная Студия на базе компьютера IBM PC вполне способна обойтись без дополнительных внешнего аудиоприборов. Исключением является тракт записи от микрофона. На доступных и вполне удовлетворительных по качеству аудиокартах нормальное качество записи достигается только при записи через линейный вход. Микрофонные входы, в обязательном порядке присутствующие на всех мультимедийных картах, для наших целей не годятся. На профессональных же картах микрофонный вход отсутствует в принципе. С другой стороны, профессиональные микрофоны, через которые только и имеет смысл записывать вокал и акустические инструменты, расчитаны на симметричный микрофонный кабель и соответствующий симметричный вход на предварительном усилителе.

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 - это 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 эту 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 радиосигнала, 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 радипомех.

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 экранирующим чулком. 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 усилитиля. 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 компонеты 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 субтрактивную - 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 внутренне 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 ? :)))

Маленькое лирическое отступление - мой приятель, дома у котрого много лет назад мы собирались для своих первых записей, жил в ту пору на Октябрьском Поле (речь о Москве, разумеется:). То есть, всего в нескольких сотнях метров от мощнейшей радиостанции (антенное поле хорошо видно со стороны). А надо сказать, что в те годы эта штука активно использовалась для глушения "вражьих голосов" и основным сигналом, излучаемым в эфир был отнюдь не дикторский голос, а мощный рев, который лез во все наши гитары и микрофоны. Так что, если у вас какие то серьезные проблемы с помехами при записи, поинтересуйтесь - нет ли рядом передатчика. Про Останкино говорить нечего - тот же самый мой приятель теперь живет в сотне метров от Башни ("везет" же ему:) и проблем с записью тоже предостаточно. Впрочем, правильно сделанные приборы (моего производства) там вполне успешно функционируют - полигон для тестирования моей аппаратуры он предоставил отменный :))).

Ну что ж... После такого внушительного вступления можно перейти к расмотрению 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. Честно говоря, в моем варианте исполнения вообще использован мини-джек :) Интересный вариант разъема выпускается фирмой Neutric - в одной конструкции совмещены Canon и Jack ! Приобрести такое чудо можно в фирме I.S.P.A.

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). Я работаю в основном с конденсаторником Октава МК-219, под которую и оптимизирован этот усилитель. Но с динамическим AKG 3900 или тем же Shure он работает ничуть не хуже...

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 плечей. 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 професиональными конденсаторными микрофонами. В данном случае использована класическая 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 неизбежны забросы на входе 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.

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. Что касается первичного источника питания, то в конструкции моего исполнения - это напряжение +12В от блока питания компьютера. Для получения нестабилизированных напряжений +18В, -18В и +55В я использовал импульсный преобразователь на транзисторах КТ815Б, однако схему преобразователя я не привожу по следующим соображениям - схема отработана и вполне пригодна для повторения, но... Но по моему опыту я знаю, что повторить схему удается немногим - уж не знаю почему. Она очень проста, но требует весьма глубоких знаний в магнитно-импульсной технике и даже элементарный перерасчет сердечника у неподготовленного радиолюбителя вызывает затруднения. С другой стороны - если вы недостаточно подготовлены, то не сможете решить проблему подавления помех от собственного импульсного преобразователя, даже если вам удастся его успешно запустить. В то же время, если ваши знания позволяют вам решать задачи таким способом, то моя схема вам и не нужна - вы должны уметь самостоятельно проектировать подобные устройства. Так что лучше возьмите обычный трансформаторный блок питания и решайте задачу с его помощью - это более близкий путь к успеху... 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 конденсатры 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 успешого блокирования высокочастотных сигналов наиболее подходят керамические конденсаторы, особенно клиновидной конструкции. Однако, "клинышки" вовсе не обязательно применять - вполне успешно работают обычные КМ4, КМ5 и КМ6. Разумеется, радиоэлементы должны размещаться компактно ! Помните, что длиный провод - это радиоантенна, которая совершенно недопустима во входных цепях. Полезно так же надеть на входные и выходные провода ферритовые бусинки - они являются эквивалентом дроселя в цепях дециметрового диапазона.

В моем варианте исполнения конструкция собрана на "слепыше" без разработки печатной платы. Тут же, на "слепыше" собран упомянутый выше импульсный преобразователь - расстояние от усилителя до преобразователя около 1 см. Тем не менее, мой опыт позволил избежать помех без всяких экранов - только рациональным размещением элементов. Получится ли это у вас - не знаю. Вам решать - но должен предостеречь от опрометчивых шагов - знаю многих профессиональных разработчиков, у которых ТАК не получается. 

Платка с усилителем имеет небольшие размеры - я использовал мини-джеки, несмотря на то, что многие музыканты их презирают :). Вся конструкция размещена на задней стенке компьютера - я воспользовался пустующим отверстием (закрытым просечкой) для интерфейсных разъемов (под принтерный порт). Ведь все нужные интерфейсные коммуникации сосредоточены в материнской плате формата АТХ, так что этим отверстием можно воспользоваться по полному праву. Выход усилителя подключен прямо на плату SBLive! через один из свободных внутренних коннекторов звуковой карты. Переменный резистор (R13) я заменил набором постоянных, коммутируемых при помощи джамперов, а уровень записи в пределах 6 дБ я устанавливаю фейдером на микшере Живого. Мне представляется, что это наиболее удобно - так как нет всяких коробочек, болтающихся снаружи компьютера, а управление оказалось достаточно удобным и оперативным. Сообщаю я об этом потому, что бытует мнение, что нельзя получить низкий уровень помех на устройствах, встроенных в компьютер. Моя практика подтверждает обратное !

Должен сознаться, что усилитель описанный выше я использую только как вспомогательный - когда возникает необходимость записи через два микрофона одновременно. В качестве основного я использую более профессиональный усилитель на специальных микросхемах. Однако, этот тоже не плох и поэтому я рискнул предложить его вашему вниманию.

возврат на основную страницу

возврат к Музыкальным Технологиям