Микрофонный усилитель с фантомным питанием

Усилитель для компьютерного микрофона с фантомным питанием.

Автор: Oleg Galizin, galizin@mail.ru
Опубликовано 26.08.2010.
Создано при помощи КотоРед.

Завел я себе на компьютере такую программку как Skype. Но вот одна незадача: микрофон нужно держать около самого рта, что бы собеседник мог тебя хорошо слышать. Я решил, что не хватает чувствительности микрофона. И решил сделать усилитель усилитель.

Поиск в интернете дал десятки схем усилителей. Но всем им требовался отдельный источник питания. Мне же хотелось сделать усилитель без дополнительного источника, с питанием от самой звуковой карты. Что бы не нужно было менять батарейки или тянуть дополнительные провода.
Прежде чем бороться с врагом, нужно знать его в лицо. Поэтому я накопал информации в интернете об устройстве микрофона: https://oldoctober.com/ru/microphone. Статья рассказывает, как сделать компьютерный микрофон своими руками. Заодно я позаимствовал и саму идею: незачем ломать готовое устройство для своих экспериментов, если можно сделать самому. Краткий пересказ статьи сводится к тому, что компьютерный микрофон – это электретный капсюль. Электретный капсюль – это, с электрической точки зрения, полевой транзистор с открытым истоком. Этот транзистор запитывается от звуковой карты через резистор, который одновременно является и преобразователем сигнального тока в напряжение. Два уточнения к статье. Во-первых, нет в капсюле резистора в стоковой цепи, сам видел, когда разобрал. Во-вторых, соединение резистора и конденсатора выполняется в кабеле, а не в звуковой карте. То есть один вывод служит для питания микрофона, а второй – для приема сигнала. То есть получается примерно вот такая схема

Здесь левая часть рисунка – это электретный капсюль (микрофон), правая – звуковая карта компьютера.
Во многих источниках пишут, что питание микрофона осуществляется от напряжения 5В. Это неверно. В моей звуковой карте это напряжение было 2,65В. При замыкании вывода питания микрофона на землю ток составил около 1,5мА. То есть резистор имеет сопротивление около 1,7кОм. Вот от такого источника и требовалось питать усилитель.
В результате экспериментов с microcap родилась вот такая схема.

Через резисторы R1, R2 осуществляется питание капсюля. Для предотвращения отрицательной обратной связи на частотах сигнала используется конденсатор C1. На капсюль подается напряжение питания равное падению напряжения на p-n переходе. Сигнал с капсюля выделяется на резисторе R1 и подается на базу транзистора VT1 для усиления. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером с нагрузкой на резисторы R2 и резистор в звуковой карте. Отрицательная обратная связь по постоянному току через R1, R2 обеспечивает относительное постоянство тока через транзистор.
Вся конструкция была собрана навесным монтажом прямо на микрофонном капсюле. По сравнению с микрофоном без усилителя сигнал увеличился примерно раз в 10 (22дБ).

Вся конструкция была обмотана сначала бумагой для изоляции, а потом фольгой для экранирования. Фольга имеет контакт с корпусом капсюля.

Upd.

Сделал также 2 транзисторный вариант. Он обладает повышенным коэффициентом усиления (30) и стабильностью. В принципе никто не мешает увеличить коэффициент усиления еще. Задается он отношением R1 к R2.

Вот фото готового изделия:

К файлам добавил печатку 2 транзисторного варианта.

У меня "фирменный" американский преамп, точно такой, как на этой фотографии. Оказалось, что принципиальная схема устройства очень проста для повторения и не содержит малораспространенных компонентов. Поэтому я советую этот мини-преамп для повторения радиолюбителями, которые ищут схему простого но качественного микрофонного предусилителя профессионального качества.

Итак, Rolls MP13 – это малогабаритный микрофонный предусилитель, выполненный в виде отдельного устройства с питанием от сетевого адаптера. В устройстве используется профессиональная балансная схема подключения микрофона (как в микшерных пультах), основанная на схеме прецизионного измерительного усилителя студийного класса. Прекрасное прозрачное звучание звучание ставит этот преамп рядом с дорогими суперпрофессиональными устройствами.

Одно из достоинств этого преампа – наличие разнообразных гнезд для подключения внешних устройств (микрофонов, микшерных пультов, усилителей, компрессоров и т.д.)

Конечно же, имеется стандартный сбалансированный XLR-F разъем для подключения микрофона и стандартный XLR-M разъем на выходе преампа. Кроме того есть обычный мультимедийный разъем 3.5 мм который можно использовать для подключения "компьютерных" электретных микрофонов. В случае с компьютерными микрофонами я бы сделал небольшую доработку узла 3.5 мм джека, чтобы уменьшить чувствительность и снизить питающее напряжение, подаваемое на такой микрофон. Как это сделать я расскажу позже.

Кроме XLR разъема, на выходе преампа имеется еще и стандартное гнездо под четвертьдюймовый джек.

Фантомное питание микрофонов, которое обеспечивает схема этого предусилителя меньше стандартного +48 вольт. Оно составляет +24 вольта. Но все микрофоны прекрасно работают с таким уровнем напряжения фантомного питания.

Принципиальная схема преампа Rolls MP13. Кликните на схеме чтобы её увеличить (откроется в новом окне браузера)

На втором сдвоенном ОУ собраны инвертор выходного сигнала и преобразователь напряжения +24в для фантомного питания. Инвертор необходим для получения противофазного напряжения для создания симметричного (сбалансированного) выходного сигнала. Это – обыкновенный инвертирующий усилитель на ОУ с коэффициентом усиления, равным единице.

На ножку 2 выходного XLR разъема сигнал подается непосредственно с выхода микрофонного усилителя (на первой микросхеме), а на ножку 3 разъема – через это самый инвертирующий повторитель. Таким образом на выходе мы имеем стандартный сбалансированный (симметричный) сигнал. Кроме того, симметричный выходной сигнал дополнительно подается и на гнездо четверть дюймового джека J3.

На другой половинке второй микросхемы собран преобразователь напряжения 24в для фантомного питания. Это обычный генератор на ОУ, на выходе которого включен выпрямитель с удвоением напряжения на диодах D4 и D5. На конденсаторе C12 получается удвоенное напряжение питания. Включать и отключать фантом можно выключателем SW1.

Это – узел индикации перегрузки Clip. Он собран на транзисторе Q1. При превышении некоего порога напряжения на входе транзистор открывается и включает светодиод D3. Порог можно подобрать резистором R20.

Это – узел питания устройства. В качестве стабилизатора использован распространенный регулятор напряжения типа 7812 на напряжение 12 вольт, на вход узла питания можно подавать постоянное напряжение от 14 до 24 вольт от сетевого адаптера. На выходе микросхемы 7812 включен делитель напряжения R22, R23, C14, который создает "искусственную среднюю точку", необходимую для правильной работы операционных усилителей. Светодиод D7 индицирует наличие напряжения питания.

И в заключении о подключении компьютерного (предназначенного для входов звуковых карт) электретного микрофона к этому преампу. В принципе, я подключал такой микрофон напрямую в разъем 3.4 мм, и микрофон работает, однако напряжение питания слишком велико для такого микрофона, который рассчитан на работу от питания 3 – 3 вольта, которое присутствует на микрофонных входах звуковых карт компьютеров. Кроме того в таком прямом включении с электретного микрофона сигнал был слишком велик, даже в минимальном положении регулятора чувствительности присутствовали искажения на громких звуках. Для того, чтобы заставит микрофон работать в нормальном режиме подключать его нужно через простой делитель напряжения, собранный по этой схеме:

Я сделал такой делитель в виде внешнего переходника. мне понадобилось гнездо, штекер на 3.5 мм и пара резисторов. С таким переходником электретный компьютерный микрофон работает превосходно. Если собирать преамп самостоятельно, имеет смысл добавить эти резисторы в схему самого преампа и избавиться от лишних проводов и переходников, так как профессиональных микрофонов, рассчитанных на подключение через 3.5 мм джек и требующих высокого напряжения питания, вы вряд ли сейчас найдете, за исключением некоторых измерительных микрофонов. Как вариант можно посоветовать в самодельной конструкции установку двух 3.5 мм гнезд одно из которых подключено к схеме через такой делитель напряжения.

Предисловие

Предложенный мной метод не бесплатен, зато он работает. Улучшение не подойдёт всем и каждому, потому что придётся потратить 2-3 тысячи рублей либо научиться читать электронные схемы и паять. Зато качество будет хорошим, позволит с комфортом говорить даже в паре метров от микрофона.

Проблема

У большинства дешёвых микрофонов чувствительность по умолчанию недостаточна для того, чтобы вас отчётливо слышали. Приходится кричать, но на постоянной основе так делать нельзя, оранье — занятие утомительное и вредное.

Внимательно изучив вопрос, я пришёл к выводу, что в ситуации виноваты производители, чрезмерно упрощающие конструкцию устройства. Отдав свои кровно заработанные 100-500 рублей, покупатель по сути получает модуль (капсюль) электретного микрофона без какой-либо электронной «обвязки».

Электретный микрофон и стандартный штекер 3,5 мм jack. Такая конструкция не позволяет микрофону быть чувствительным, но записать звук можно

Всякие гибкие ножки, прищепки — это опциональная мишура. Формально такие микрофоны работают, но их чувствительность и качество записи невысоки (слышен шум). Ничто не мешает добавить в схему несколько электронных компонентов, улучшив способность микрофона улавливать тихие звуки.

Типичный представитель электретных микрофонов

Также я не рассматриваю вопрос покупки отдельной звуковой карты. Это уже было в статье «Как настроить микрофон, записать и обработать звук – инструкция для начинающих».

В динамические микрофоны уже встроен усилитель

Схемы усилителей довольно просты, поэтому умеющие пользоваться паяльником люди переделывают микрофоны и наслаждаются жизнью.

Электронщики успешно дорабатывают микрофоны (источник)

Кстати, даже в дешёвых петличках за 100 рублей ставят неплохие электретные модули. Например, у меня есть микрофончик-прищепка Genius десятилетней давности, работает шикарно. После доработки, разумеется.

Кроме низкой чувствительности, на записях можно услышать негромкое шипение. Его можно подавить фильтрами в аудиоредакторе, но когда помехи слишком сильны, очистка от шума исказит полезную часть записи и голос зазвучит глухо, словно из бочки.

Шум (в 99% случаев это помехи от электромагнитных полей) появляется на нескольких этапах доставки звука:

1. В электретном капсюле микрофона.
2. В микрофонном предусилителе, если он имеется.
3. При передаче сигнала по не экранированному от помех соединительному кабелю.
4. В усилителе звуковой карты.

Наиболее больное место — звуковая карта компьютера. Замена на более качественную и/или вынос за пределы корпуса компьютера может избавить от шума, но не у всех есть деньги на подобный апгрейд.

Чаще всего пользователь остаётся один на один с дешёвым микрофоном, воткнутом в фоняще-шипящую звуковую карту, распаянную на материнской плате компьютера. Можно попытаться сделать звук громче программно.

Как программно усилить звук

Может оказаться, что звуковая карта в компьютере установлена хорошая. Тогда включение усиления микрофона поможет.

Жмите правой кнопкой по значку динамика

Правой кнопкой по подключённому микрофону — Свойства

В свойствах найдите вкладку «Уровни», там будут настройки усиления звука.

Усиление микрофона на вкладке «Уровни». Не забудьте нажать ОК

В зависимости от драйвера звуковой карты вместо ползунков может быть опция «Mic boost» или вовсе ничего.

К сожалению, с полезным звуком усиливается шум.

Если не засовывать микрофон в рот и не включать усиление, тихая запись в аудиоредакторе выглядит так:

Те, кто работал в Audacity, сразу поймут: запись недостаточно громкая. Включаем усиление и… увы, вместе с голосом усилится шум:

Для общения по Скайпу это приемлемо. А если в драйвере можно включить фильтр шумоподавления, жизнь прекрасна. Пускай голос звучит словно из бочки — слова разобрать можно и ладно.

Но для записи подкастов, видеуроков и тем более вокала нужен хороший источник звука. Никто не захочет слушать постоянное «шшш» на фоне даже самого приятного голоса в мире.

Помните!

Усиление чувствительности микрофона не всегда способствует качественной записи: чем лучше слышны окружающие звуки, тем сильнее они зазвучат на записи. И если вы записываете подкаст в комнате с чирикающим попугайчиком, сильное усиление сигнала будет только мешать. Нужно поймать баланс между чувствительностью, шумом помех и фоновыми звуками так, чтобы при обработке от лишних элементов можно было избавиться.

Как правильно подключить микрофон

Чтобы добиться качественного звучания, нужно знать, как подключить микрофон к компьютеру. Не все понимают, что за разноцветные входы расположены на задней панели настольного компьютера. С ноутбуками проще: возле разъёмов всегда найдутся поясняющие значки, на настольных ПК это роскошь.

(Могут наличествовать разъемы для подключения дополнительных колонок, что отлично подходит для создания домашнего кинотеатра, они нам не нужны.)

Основных разъёма три: выход на колонки (наушники), микрофонный и линейный входы, каждому присвоен определённый цвет.

Зачем нужны микрофонный вход и выход на динамики/наушники, понятно из названия. А с линейным (Line in) ситуация интереснее. Он тоже предназначен для записи звука, но устроен проще.

На устройство, подключённое к микрофонному разъёму, подаётся напряжение (так называемое «фантомное питание»), а обратный сигнал проходит через усилитель. Отсюда и возникает шум на записи: во-первых, подаваемое питание имеет свою частоту, во-вторых, электронные компоненты звуковой карты ловят и делают громче все помехи и сигналы с микрофона и окружающих устройств.

Линейный вход фантомного питания не имеет, да и усилителя как такового нет. Сигнал нужен мощный, но зато при оцифровке сигнала примешивается минимум постороннего шума. Например, можно взять старый кассетный плеер и подключить к Line in его выход на наушники — так получится оцифровать аудиокассеты.

Электретные и конденсаторные микрофоны нельзя просто взять и подключить к линейному входу. Точнее, электретный заработает, но без питания он, будучи генератором очень слабого тока, выдаст слишком тихий звук, практически неслышимый.

Что же делать? К чему знать эту заумь? А к тому, что существует два вида усилителей, способные повысить громкость звука, подключаемые либо к микрофонному, либо к линейному входам. И нужно понимать, какой вариант вам подходит.

1. Встроенные в микрофон, питающиеся от идущего по микрофонному кабелю напряжения. Усиливают сигнал до 10 раз (в децибелах точно не могу сказать), сильно уязвимы для помех.
2. Со внешним питанием от батареек или отдельного блока. Могут усиливать сигнал в 10-1000 раз и подключаются к линейному входу. Шум никуда не исчезает, но относительно полезного сигнала он в сотню раз тише, поэтому, подключив даже дешёвую сторублёвую петличку через усилитель, можно получить качественный звук.

То есть в идеале микрофон нужно подключить через усилитель к линейному входу и всё будет ОК.

Готовые усилители

Дорогие варианты рассматривать не буду, извините. Предполагается, что бюджет предельно ограничен.

На Алиэкспресс устройства нужно искать запросами «микрофонный предусилитель» и «предусилитель микрофона». Самые дешёвые варианты стоят полторы-две тысячи рублей. Предназначены для караоке, но, если не выкручивать на полную громкость, можно подключить к линейному входу.

За три тысячи рублей можно найти полноценный предусилитель, к которому еще и музыкальный инструмент подключается. Например, гитара со звукоснимателем.

Для подключения дешёвого компьютерного микрофона понадобится переходник 3.5 мм джек > 6.3 мм джек. У компьютера должен быть линейный вход.

И не стоит забывать про такое чудо, как конденсаторный микрофон BM 800, завоевавший голосовые связки ютуберов, обозревающих товары из китайшопов:

BM 800 микрофон для компьютера Конденсаторный 3.5 мм Проводной

Уточняю: я не рекомендую его к покупке. Не совсем понятно, при каких условиях он нормально работает, слишком уж противоречивы отзывы. Но иногда ВМ 800 можно найти за 300-500 рублей, что не сильно дороже примитивных электретных, зато с предусилителем. Но подключается он к микрофонному входу, а значит — привет, помехи звуковой карты.

Делаем усилитель сами

Сразу предупреждаю: питать от блока питания самодельные микрофонные предусилители нежелательно — придётся городить отдельную схему для фильтрации питания от помех. А батарей хватит надолго и по части питания проблем не будет.

Готовый микрофонный модуль на микросхеме MAX9812

Самый простой вариант — купить микрофонный модуль для Ардуино на микросхеме MAX9812 (70 рублей), кабель (30 рублей), штекер 3,5 мм (15 рублей) и батарейку-таблетку CR-2032 (от 30 рублей). Компоненты обойдутся рублей в 150.

Платку можно превратить в полноценный микрофон, обладая минимальными навыками пайки или попросив спаять тех, кто умеет.

Штекер втыкается в линейный вход, батарейки хватит надолго.

Усиление в 3-5 раз на фантомном питании

Этого достаточно для общения по Скайпу, глотать микрофон вам больше не придётся.

Если в вашем городе есть нормальные магазины радиодеталей, стоит к ней присмотреться, ибо все компоненты типовые. У меня в Ессентуках нет ни одного нормального магазина радиодеталей, не нашёл даже конденсатора подходящего номинала, пришлось заказывать через интернет. Транзистор не обязательно должен быть BC547, аналогов много, они легко гуглятся.

Подключается к микрофонному входу компьютера или видеокамеры. То есть этот вариант — портативный, можно улучшить запись видео, если камера поддерживает подключение внешних микрофонов.

Доработка дешева и эффективна, но требует экранированного кабеля, иначе шипение слишком заметно, ибо микрофонный вход всё-таки.

Усиление в 3-5 раз с питанием от батарейки

Аналог модуля для Ардуино, вместо микрочипа используется транзистор.

Подключается к линейному входу, шум минимален. Просто, но подходит только для изначально чувствительных микрофонов, т.к. коэффициент усиления маловат.

Усиление в 10-1000 раз, питание от батарей

В своих изысканиях остановился схеме, которую подглядел где-то в теме на форуме РадиоКота. Я перерисовал её в программе Qucs-S, чтобы протестировать и убедиться в правильности номиналов.

P1 и P2 — плюс и земля электретного микрофона соответственно, P3 и P4 подключаются к линейному входу компьютера.

В реальности схема оказалась очень чувствительной, стало слышно дыхание попугая в клетке в двух метрах от меня, пришлось добавить резистор R6 на 10 кОм, чтобы приглушить сигнал от микрофонного капсюля. Также на выходе усилителя может быть слишком большая амплитуда сигнала, поэтому её тоже можно ограничить резистором, поставив его перед выводом P3.

Работает от двух аккумуляторных батарей АА, на сколько их хватит не знаю, за неделю не сели.

Если вы радиолюбитель, сразу увидите возможности по доработке. Или возьмите другие из темы по ссылке выше, их там десятки, одна лучше другой. Также есть схемы усиления на сайте radiomaster, требующие небольшой доработки — для подключения электретного микрофона нужно подать на него напряжение согласно его даташиту. На схеме выше это сделано с помощью резистора R3 на 3 кОм.

Напоследок

Микрофон — простое устройство, которое можно сильно доработать. Если до этого не паяли — не беда, инструкций в интернете полно, а недорогой паяльник, кусочек канифоли и олова можно найти во многих магазинах хозяйственных товаров.

В крайнем случае обратитесь в ближайший сервис-центр по ремонту техники, любая из приведённых схем человеку с опытом покажется примитивной и простой.

Если у вас остались вопросы, мои комментарии всегда открыты для вас.