Схема усилителя микрофона

---

Схема усилителя микрофона для использования в проектах микроконтроллеров. Большинство микроконтроллеров имеют вход аналого-цифрового преобразователя, который может дискретизировать аналоговый сигнал, включая звук. Даже используя Arduino, вы можете делать много крутых проектов, используя аудио информацию.

Электретный конденсаторный микрофонный усилитель для применения в микроконтроллерах

Например, вы можете сделать устройства с голосовым управлением, такие как аудио магнитофон, переключатель с голосовой активацией и другие интересные проекты, связанные со звуком. В этом посте я хочу немного рассказать, что представляет собой схема усилителя микрофона встроенная в цепь между электретным конденсаторным микрофоном и входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера.

Вообще говоря, у вас не получится подключить электретный микрофон напрямую к выводу аналого-цифрового преобразователя и ожидать, что он будет работать. Поэтому, наиболее значимой здесь деталью является схема усилителя конденсаторного микрофона.

Предусилитель и схема усилителя электретного микрофона

Для конденсаторных микрофонов требуется питание от батареи или внешнего источника. Результирующий аудио сигнал выходит более сильный по сравнению с динамическим микрофоном. Во-первых, электретный микрофон — это не только конденсатор внутри, в нем уже есть предусилитель, обычно собранный на полевом FET-транзисторе, который подключается в общей конфигурации источника:

Во-первых, на электретный микрофон необходимо подавать напряжение через подтягивающий резистор стока. Его величина зависит от напряжения питания. Практическое правило — добавляйте 1 кОм на +1 вольт напряжения питания, то есть, нужно устанавливать 10 кОм на 10 вольт.

Для отключения полевого транзистора микрофона требуется отрицательное напряжение на затворе. Таким образом, когда напряжение подается через резистор, то небольшой тока (0,2 мА) проходит через транзистор, который является в некотором роде сопротивлением. Таким образом, он действует как делитель напряжения — поэтому, вы получаете предсказуемое смещение постоянного напряжения, которое изменяется в зависимости от температуры и выбранного резистора нагрузки.

В такой ситуации микрофон похож на источник тока, колеблющегося в пределах определенного уровня. Конденсатор на выходе микрофона устраняет смещение постоянного напряжения, и вы получаете низковольтный сигнал переменного тока с низким значением(10-50 мВ), который необходимо усилить еще больше.

Для микроконтроллера с источником питания +3,3v нам потребуется смещение постоянного напряжения VCC/2 и сигнал максимальной амплитуды VCC/2 для входа в канал аналого-цифрового процессора. Если мы не стремимся к очень высокому качеству звукового сигнала, то подойдут простые схемы микрофонного усилителя. Давайте рассмотрим несколько схем усилителя и посмотрим, что лучше всего использовать.

Транзисторный микрофонный усилитель с самосмещением

Это, наверное, самая простая схема усилителя, которая работает довольно хорошо. Самосмещающийся транзисторный микрофонный усилитель можно быстро собрать, используя несколько дискретных компонентов и печатную или макетную плату, но есть некоторые моменты, которые следует учитывать перед его выбором.

Несмотря на самостабилизирующийся ток смещения, этот транзисторный усилитель будет не так эффективен там, где температура окружающей среды сильно меняется. Но все таки, несмотря на некоторые недостатки, мне нравится эта схема, потому что она надежна и проста.

Комбинированный микрофонный усилитель смещения делителя напряжения

Так называемая схема микрофонного усилителя с делителем напряжения имеет гораздо лучшую термостабильность. Единственный недостаток заключается в том, что для этого требуется еще несколько пассивных компонентов, хотя еще одна пара резисторов не имеет большого значения, если вы получите значительное улучшение. Давайте посмотрим на эту схему более глубоко, чтобы понять, как она работает и как рассчитать значения ее компонентов. Эта схема имеет делитель напряжения R1 и R2, который выдает фиксированное напряжение на базе транзистора.

Изначально мы знаем, что:

Рекомендуется, чтобы ток, протекающий через эти резисторы, должен быть в десять раз больше, чем ток базы. Поэтому руководствуемся формулой: R2 = Vb/(10*Ib); и R1=(VCC — Vb)/(10*Ib).

Падение напряжения база-эмиттер составляет около 0,6v.

• То есть = Ib+Ic
• Ve = 10%*VCC;
• Re = Ve/Ie;
• Vb = Ve+0,6;

Имея в виду эти начальные параметры и условия, мы можем легко рассчитать значения схемы для усилителя электретного микрофона. Если мы собираемся подавать сигнал на АЦП микроконтроллера с питанием 3.3 VCC, то наш VCC = 3.3V. Тогда давайте воспользуемся транзистором общего назначения BC547C с коэффициентом усиления постоянного тока hfe = 520 и выберем ток коллектора Ic=1 мА.

1. Нам нужно выходное напряжение смещения = 3,3v/2= 1,65v;
2. Мы рассчитываем коллекторный резистор Rc = 1,65/1 мА=1650 Ом;
3. Затем выберите стандартное сопротивление резистора 1,6 кОм;
4. Напряжение эмиттера Ve = 10%*3,3v = 0,33v;

Поскольку Ic >>Ic, то вычисляем:

• Re = Ve/Ie = 0,33/1 мА = 330 Ом
• Базовое напряжение: Vb = Ve + 0,6v = 0,33+0,6 = 0,93v;
• Требуемый базовый ток Ib = Ic/hfe = 1 мА/420 = 2 мкА;

Значения резисторного делителя:

• R2 = Vb/(10*Ib) = 0,93/20 мкА = 46,5 кОм

Стандартное значение R2 = 47кОм;

• R1 = (VCC-Vb)/(10*Ib) = (3,3-0,93)/20 мкА = 118,5 кОм

Стандартное сопротивление резистора R1 = 120кОм; Давайте построим эту схему в симуляторе LTSpice, чтобы увидеть, как она работает:

Его выход при амплитуде микрофонного сигнала 20 мВ:

Как видите, смещение постоянного тока на выходе слишком велико. Возможно, вам придется немного изменить значения резисторного делителя, чтобы получить его на уровне 3,3/2 VCC. В любом случае, более популярны недискретные транзисторные решения, в которых используются операционные усилители. Они более стабильны, производят меньше шума и компактны.

Последняя схема, которую мы собираемся рассмотреть, представляет собой простую схему микрофонного усилителя на базе операционного усилителя.

Электретный микрофонный предусилитель на базе ОУ

В данном случае мы будем использовать стандартный маломощный прецизионный операционный усилитель LT1215 IC. Из его таблицы данных мы можем узнать, что он может питаться от однополярного источника 3,3v. Построим инвертирующий усилитель со смещением средней точки по постоянному току.

Схема выглядит следующим образом:

Здесь показан выходной сигнал:

С операционным усилителем вычисления становятся более простыми. Делаем делитель напряжения с R1-R2 на точку VCC. Значит, оба резистора равны. Затем рассчитываем резисторы усиления по формуле:

• Усиление = R3/R4

Если мы выберем Gain = 100 то берем R3 = 100k, тогда R4 будет иметь значение 1 кОм.

Важность входного конденсатора перед усилителем

Мы не упомянули важность входного конденсатора, который стоит перед усилителем. Во-первых, это фильтр смещения постоянного тока. Если есть смещение постоянного напряжения от микрофона, оно отфильтровывается, и проходит только сигнал переменного тока. Кроме того, он работает как фильтр высоких частот вместе с входным сопротивлением усилителя. Если вы хотите улавливать низкочастотные звуки, выбирайте конденсаторы более высокой емкости — 1u, 10, 100u.

Скачать файлы LTspice для моделирования: micpreamp.zip