Малошумящий УНЧ, эффективная АРУ и S-metr + микр. усилитель

Усилитель для электретного микрофона с АРУ

При изучении схем подключения электретных микрофонов [1] вызывает глубокое удивление их однообразность. Точка соединения микрофона и нагрузочного резистора подключается к собственно усилителю через разделительный конденсатор (Рис. 1) в 100% изученных схем.

Рис. 1

Возможно, существуют и другие схемы подключения, но автору они не встречались. В то же время любой, кто плотно и долго связан со звуковоспроизведением, видимо, не будет резко возражать против того факта, что любой конденсатор на пути звукового сигнала, является нежелательным компонентом. Особенно это касается электролитических конденсаторов, поневоле применяемых в случае достаточно низкого входного сопротивления усилительного каскада.

Прикидочное исследование режимов работы электретных микрофонов [2] показало, что, во-первых, они представляют собой источники тока и, во-вторых, максимальная амплитуда их выходного сигнала наблюдается, когда падения напряжения на микрофоне и нагрузочном резисторе одинаковы.

Рассмотрим одну из известных [3] схем микрофонного усилителя с системой АРУ, выполненного на ОУ (Рис. 2).

Рис. 2

Схема состоит из собственно неинвертирующего усилителя на ОУ DA1, на неинвертирующий вход которого поступает искусственная средняя точка с делителя R3R4, а также входной сигнал через разделительный конденсатор С2; управляемый делитель сигнала ООС (резистор R5, конденсатор С1 и сопротивление канала полевого транзистора с P-N переходом VT1); детектора выходного усиленного сигнала (конденсаторы С3,С4 и диоды VD1, VD2 ). Продетектированный выходной сигнал отрицательной полярности управляет проводимостью канала VT1, увеличивая его, за счет чего снижается коэффициент усиления ОУ.

Учитывая наличие постоянной составляющей делителя, образованного электретным микрофоном и его нагрузочным резистором, можно сделать вывод, что компоненты C2R3R4 — совершенно лишние. Роль R4 прекрасно выполняет сам микрофон, а R3 — его нагрузочный резистор. Конденсатор же С2 — вообще лишний, как класс.

В итоге получилась схема, приведенная на рис. 3.

Рис. 3

RC-фильтра R3C1 обеспечивает дополнительную фильтрацию напряжения питания электретного микрофона. В принципе, он опциональный (необязательный), но вообще-то, довольно полезен. Номинал резистора R1 подбирается такой величины, чтобы в точке его соединения с микрофоном была примерно половина напряжения питания. Резисторы R4R6 линеаризируют передаточную функцию управляемого резистора на полевом транзисторе VT1.

Вместо резистора R5 в цепи ООС может быть включен двойной Т-образный фильтр (справа), поднимающий полосу частот, соответствующую диапазону голоса. Его АЧХ показана на плоттере Боде из измерительных приборов Мультисима (внизу)

Естественно, любые теоретические разглагольствования могут быть приняты во внимание только в случае их подтверждения практикой. Поэтому схема, показанная на рис. 3, была исследована на макете.

Использованы имевшиеся в наличии микромощный ОУ на МОП-транзисторах TLC271 и TL081. Результаты были идентичными. В принципе, в качестве ОУ можно использовать любой «звуковой» ОУ (к которым категорически НЕ относятся LM358/324 и их клоны!!!). Электретный микрофон для этих экспериментов был использован типа J60. Повторять эксперименты с другими микрофонами было сочтено нецелесообразным по затратам времени. Эпюры сигналов с выхода ОУ регистрировались цифровым осциллографом «RIGOL DS1052E». «Тестовой фразой», проговариваемой в микрофон с примерно одинаковой громкостью, была: «Раз-два-три-четыре-пять, вышел зайчик погулять». Конечно, для чистоты эксперимента было бы желательно использовать запись, воспроизводимую через динамик, но уж что получилось, то получилось.

Вначале была исследована схема без АРУ. Детектор и полевой транзистор не подключались, а от нижнего вывода конденсатора С2 к общей минусовой шине был подключен резистор 10 кОм. Т.о., коэффициент усиления составил 11. Выходной сигнал при быстрой (10 мс/дел) и медленной (100 мс/дел) развертках на расстоянии 20 см ото рта до микрофона показаны, соответственно, на рис 4.

Рис. 4

Вызвал удивление размах сигнала (пик-пик), составивший более 2 В. А это значит, что сигнал с микрофона составлял около 200 мВ!!!

Далее вместо резистора 10 кОм был подключен полевой транзистор КП303Ж с начальным током стока 0,85 мА и напряжением отсечки 0,7 В. Его затвор был подключен к минусовой шине, благодаря чему обеспечивалось минимальное сопротивление его канала и, соответственно, максимальное усиление. Выходной сигнал такой схемы показан на рис. 5.

Рис. 5

Как видно, сигнал с микрофона усиливается избыточно, аж до клипирования, что свидетельствует о применимости полевого транзистора с таким небольшим начальным током стока при сопротивлении резистора ООС порядка 100 кОм.

Далее исследовалась полная схема, со всеми, показанными на рис. 3 компонентами. Выходные сигналы при проговаривании «тестовой фразы» с расстояния, соответственно, 20 и 60 см (при медленной развертке) показаны на рис. 6, а с расстояния 60 (при быстрой развертке) — на рис. 7.

Рис. 6

Рис. 7

Как видно из этих эпюр, размах сигнала составил около 4 В при удовлетворительной форме, чего вполне достаточно для обычных применений. К сожалению, первоначальный «выброс» амплитуды (пока система АРУ еще не сработала), зарегистрировать не удалось. Суслик был не виден, но на слух он присутствовал…

Наконец, были исследованы еще два полевых транзистора с бОльшим начальным током стока и напряжением отсечки (соответственно, еще один КП303Ж с начальным током стока 1,2 мА и напряжением отсечки 0,9 В, а также КП303В с начальным током стока 2,6 мА и напряжением отсечки 1,2 В). Выходной сигнал с первым из них при расстоянии до микрофона 20 см (при медленной развертке) показан на рис. 8, а выходные сигналы со вторым при расстоянии до микрофона 10 см и 40 см (при медленной развертке) показаны на рис. 9.

Рис. 8

Рис. 9

В первом случае размах сигнала составил почти 5 В, а во втором — почти 7 В!

Из этих экспериментально полученных данных видно, что для практических целей желательно использовать полевые транзисторы с минимально возможным напряжением отсечки. Начальный ток стока существенно не влияет на стабилизируемую амплитуду выходного сигнала при данном сопротивлении резистора ООС.

Наконец, был апробирован режим «мютирования» (заглушения) микрофона путем короткого замыкания инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ. На слух «щелчков» при таком способе мютирования не наблюдалось.

На «закуску» — аналогичная по функции схема, выполненная на транзисторах (может, кому приглянется): Рис. 10. Правда, она не макетировалась «вживую», только симулировалась в Мультисиме. Показала практически такие же результаты, как и схема на ОУ.

Рис. 10

Полевой транзистор Q1 с резистором R1 представляют собой модель электретного микрофона. Номиналом нагрузочного резистора R2 подбирается половина напряжения питания в точке соединения его с микрофоном. Номиналом резистора R4 подбирается равенство коллекторных токов Q2 и Q3. Полевой транзистор Q4 с резистором R5 представляет собой параметрический генератор тока для дифкаскада на транзисторах Q2 и Q3. Аналогичную роль играет и транзистор Q7 с резистором R9. для транзистора Q6. В принципе, эти генераторы тока могут быть заменены на обычные резисторы, но с ними параметры усилителя получше по определению. Наконец, переменный резистор в цепи ООС на транзисторе Q5 и детектор выходного сигнала — такие же, как в схеме на ОУ.

Выводы:

1. На суд представлен еще один усилитель для электретного микрофона, не претендующий на исключительность, но несколько более простой, чем известные. За счет исключения одного разделительного конденсатора в тракте прохождения звукового сигнала — более качественный по определению.
2. Учитывая достаточно высокое значение коэффициента усиления, обеспечиваемого этим усилителем, ОУ для него, для обеспечения достаточной полосы пропускания, должны иметь граничную частоту хотя бы 5…10 мГц.
3. Данный усилитель без системы АРУ может быть использован для высокочувствительного усиления сигналов с электретного микрофона.

Литература:

1. https://forum.cxem.net/uploads/monthly_04_2011/post-57852-0-96201600-1301791430.gif2.
2. https://forum.cxem.net/index.php?/blogs/entry/429-танцы-с-бубном-вокруг-электретного-микрофона/
3. https://nauchebe.net/2014/06/vysokochastotnye-vxodnye-usiliteli-i-aru-dlya-novichkov-v-radiodele/

Теги:

• АРУ

Записки программиста

Некоторое время назад мы узнали, как сделать АРУ на основе фоторезистора. Схема работает, но имеет недостатки. Во-первых, не всякий радиолюбитель держит в запасах фоторезисторы, что при прочих равных снижает повторяемость. Во-вторых, схема требует манипуляций с термоусадками и термоклеем. Это затрудняет ее применение в массовом производстве. Оказывается, что есть схема, лишенная названных недостатков, и работающая ничем не хуже.

Схема впервые встретилась мне в статье «A Simple 20M QRP SSB Transceiver», написанной Robert Seiler, HB9TSE, и опубликованной в журнале SPRAT за лето 2006-го года. Статья вошла в книгу «The Low Power SPRAT Book». Идея приписывается David Forsman, WA7JHZ:

Полную модель для LTspice вы можете скачать здесь.

Перед нами копия схемы УНЧ из статьи о супергетеродинном приемнике, только в нижней части были добавлены пять компонентов, реализующих АРУ. Чем выше уровень сигнала, выходящего с УНЧ на динамик, тем выше напряжение на затворе BS170 (даташит [PDF]). Зависимость можно подстроить потенциометром R8-R9. При достижении Vgs(th) транзистор открывается, ток начинает течь со стока на исток. В результате уровень сигнала, входящего на УНЧ, падает, и, как результат, падает уровень выходного сигнала. Номиналы C8 и R10 определяют время срабатывания АРУ.

Фактически, BS170 здесь работает, как переменный резистор, управляемый напряжением на затворе:

Зависимость Vds от Id для токов порядка 10-100 мА практически линейная, как у резистора. Чем больше Vgs, тем круче график. Это означает меньшее отношение Vds/Id, то есть, меньшее сопротивление.

Вместо BS170 может быть использован 2N7000. В его даташите [PDF] вы найдете график, аналогичный приведенному выше. Смотри также комментарии в полной версии модели для LTspice.

Схема была опробована в самодельном SSB-трансивере. В ходе экспериментов были получены такие графики:

По оси OX — уровень сигнала, подаваемого в трансивер (S9 = -73 dBm), по оси OY — размах сигнала на выходе УНЧ при максимальной громкости. Красный и синий графики соответствуют выключенному и включенному АРУ соответственно. Сигнал с размахом 1 Vpp — это хороший, разборчивый сигнал, при котором уже хочется немного убавить громкость. Размах 2 Vpp — это очень громко, но еще без негативных последствий для ушей. Таким образом, схема успешно защищает оператора от оглушения.

Работа схемы зависит от напряжения питания. Если вы планируете использовать трансивер в полевых условиях и питать его от аккумулятора, требуется добавить регулятор напряжения. LM7805 вполне подойдет. Схема чувствительна и к температуре. При нагреве BS170 размах выходного сигнала становится на ~30% ниже, а при охлаждении — на ~30% выше. С практической точки зрения это не проблема, если только вы не планируете использовать схему в экстремальных условиях. Еще будет неплохой идеей компенсировать потерю чувствительности. Для этого в приемном тракте нужно добавить ступень усиления на 10-20 dB.

Дополнение: В продолжение темы об АРУ и различиях АРУ по НЧ от АРУ по ВЧ см статью AYN/A: аналоговый CW QRP трансивер на 20/40 метров.

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.