Привет, Хабр! Большинство распространённых аудиоинтерфейсов имеют всего два входных канала, которые обычно используются как левая и правая половина стереосигнала или два канала моно. Например, для микрофона и гитары.
Но если синтезатор или гитарный процессор, который нужно подключить к компьютеру вместе с микрофоном, имеет стереофонический выход, то потребуется либо другой аудиоинтерфейс, либо микшер — смеситель аудиосигнала.
В свою очередь, микшеру необходим микрофонный предусилитель с балансным входом, фантомным питанием и фильтром верхних частот, отсекающим низкочастотные шумы, прежде всего, от вентиляторов. Именно такое устройство мы сегодня изучим и соберём.
Схемотехнике инструментального усилителя для балансного микрофонного входа мы посвятили нашу предыдущую статью, где решили использовать схему с регулируемым коэффициентом передачи на двух операционных усилителях (ОУ).
▍ Разновидности микрофонов
Если использовать динамический микрофон наподобие вокального Shure SM-58 или инструментального SM-57, (имеющих одинаковые капсюли и отличающихся только наличием у вокальной модификации ветрозащитного колпачка), то можно просто подать сигнал с разъёма XLR напрямую на вход дифференциального усилителя.
Ведь капсюль динамического микрофона — это просто динамический громкоговоритель наоборот. Подвижная мембрана жёстко связана с подвижной катушкой, находящейся в поле постоянного магнита. В такт колебаниям мембраны под действием звукового давления в катушке наводится переменная электродвижущая сила — ЭДС, которая поступает на микрофонный трансформатор.
При выступлении на сцене вокалисты и дикторы предпочтут именно динамический микрофон, причём как раз в силу его низкой чувствительности. Они будут петь или говорить в непосредственной близости от микрофона, чтобы их голос звучал гораздо громче окружающих шумов.
Также типичный динамический микрофон обладает направленностью, завалом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области низких частот и её подъёмом в области средних частот.
Это просто прекрасно для сценического вокала и записи электрогитарного кабинета или барабана как на сцене, так и в студии. Но для студийной работы вокалисту и диктору, в том числе блоггеру, чаще всего наилучшим образом подойдёт ненаправленный конденсаторный микрофон с большой мембраной. Либо направленный с маленькой мембраной, если в помещении имеются источники нежелательных шумов. Или же крошечная петличка, также являющаяся конденсаторным микрофоном.
Конденсаторный микрофон является более чувствительным и имеет гораздо более линейную амплитудно-частотную характеристику, чем динамический. В результате пользователь не прикован к расположению микрофона и не стеснён в движениях, а запись или трансляция голоса звучит более богато.
Но конденсаторный микрофон — это конденсатор с подвижной обкладкой, и для генерации переменной ЭДС ему требуется постоянное напряжение смещения, чаще всего довольно высокое.
Исключение из правила — электретные микрофоны, в которых мембрана изготовлена из специального материала, способного сохранять электрический заряд в течение длительного времени. Однако и такие микрофоны гораздо лучше работают с внешним напряжением смещения, чем без него.
Далее, в корпус конденсаторного микрофона часто встраивают предусилитель на полевых транзисторах, который без питания работать не может.
Бытовые и «полупрофессиональные» конденсаторные микрофоны, если они не предназначаются исключительно для смартфонов, планшетов и ноутбуков, где 3.5 мм TRRS гнездо предусматривает питание микрофона, обычно имеют батарейный отсек для одного или нескольких элементов питания. Примером может служить петличка BOYA BY-M1.
Однако профессиональные конденсаторные микрофоны, за такими редкими исключениями, как AKG C1000S, начиная со второй половины 1960-х годов разрабатываются для питания по балансному кабелю.
Дело в том, что присутствие сменного химического источника тока, который может отказать и даже протечь, в довольно дорогом, а самое главное, крайне ответственном изделии, снижает надёжность и усложняет эксплуатацию.
Проблемы с батарейкой в микрофоне посередине концерта перед многотысячной публикой или в студии, где собрались высокооплачиваемые музыканты и техники, — это не то, чего хотелось бы артистам и продюсерам, клиентам и владельцам студий.
Индустрия звукозаписи и шоу-бизнес требуют от оборудования максимальной надёжности и защиты от помех. Сейчас мы познакомимся с одним из технических средств достижения этой цели.
▍ Фантомное питание
Фантомными принято называть электрические цепи, в которых одни и те же проводники служат нескольким целям. Например, передают и переменное напряжение аудиосигнала, и постоянное напряжение питания для микрофона или иного устройства.
Как нетрудно догадаться, чаще всего разделение постоянного и переменного токов при фантомном питании осуществляется посредством блокировочных конденсаторов или разделительных трансформаторов. Впервые в истории оно получило широкое применение с началом внедрения проводных телефонов с дисковыми номеронабирателями в 1910 годах.
Поворот диска заводил пружину, приводившую в действие механизм. Скорость вращения, а, соответственно, и частота импульсов, ограничивалась центробежным регулятором Уатта. (На фотографии это узел в нижней части, напоминающий шаговый двигатель привода головок трёхдюймового дисковода).
Чёрная пластинка-обтюратор в форме знака радиации размыкала нижнюю группу пружинистых контактов определённое число раз, заданное углом поворота диска, тем самым, разрывая телефонную линию и посылая на автоматическую телефонную станцию (АТС) серию импульсов, обрабатываемых декадными шаговыми искателями.
Верхняя группа контактов при этом замыкалась и шунтировала телефонный капсюль до тех пор, пока диск не вернётся в исходное положение. Это делалось затем, чтобы в телефонной трубке не было громких щелчков.
Для того, чтобы можно было осуществить такой импульсный набор номера, телефонная станция подавала на абонентскую линию постоянное напряжение, без которого не работал бы и угольный микрофон, сопротивление которого изменяется в такт колебаниям мембраны.
В детстве мной была предпринята попытка приведения в действие некомплектного телефонного аппарата, который родители где-то нашли и принесли домой. Принципы работы и назначение звонка, трубки и номеронабирателя были мне известны, в отличие от того, зачем нужны конденсаторы, трансформатор, и самое главное — встречно-параллельные диоды, шунтирующие телефонный капсюль подобно защите измерительной головки стрелочного мультиметра.
Насколько помню, внутренностей, кроме звонка и, возможно, номеронабирателя, в корпусе телефона не было, поэтому для переключения между звонком и трубкой был приспособлен тумблер. «Отремонтированный» телефон заработал, и с его помощью удалось один раз поговорить. Но уже во второй раз при переключении тумблера во время входящего вызова сгорел телефонный капсюль. Запасного у меня не было.
Возможно, именно по причине этого горького опыта начиная со старших классов школы и по сей день я увлекаюсь сборкой гитарных перегрузов на встречно-параллельных диодах. Каждый раз исправляю свою детскую ошибку снова и снова. (На самом деле нет. Я просто люблю электрогитару и электронику).
Капсюль сгорел потому, что переменное напряжение входящего вызова, от которого срабатывал электромеханический звонок, могло достигать 120 вольт эффективного значения, тогда как постоянное напряжение ожидания импульсного набора — 60 вольт, а постоянное напряжение разговора — от 12 до 24 вольт.
Разумеется, напряжение ожидания подавалось на абонентскую линию через резистор, чтобы ограничить ток короткого замыкания. Точно таким же образом осуществляется и фантомное питание микрофонов.
Документ IEC 61938 предусматривает три стандарта — самый распространённый с напряжением 48 вольт, а также 12- и 24-вольтовый. Последний рекомендуется для новых разработок.
Основа стандарта фантомного питания состоит в том, что резисторы R1 и R2, соединяющие сигнальные входы InA и InB c источником напряжения, ограничивают ток короткого замыкания на безопасном уровне. Для 12 В это 680 Ом и 35 мА, для 24 В — 1.2 кОм и 40 мА, а для 48 В — 15 мА и 6.81 кОм.
Точность абсолютного значения сопротивления резистора здесь некритична, но фактические сопротивления R1 и R2 должны отличаться друг от друга не более, чем на 0.1%, иначе пострадает подавление синфазных помех, ради которого, собственно, и организовано балансное подключение микрофона.
Керамический конденсатор C3 и электролитический C4 шунтируют на землю пульсации и помехи с шины питания 48 В, которые не должны попадать в аудиосигнал.
Конденсаторы C1 и С2 изолируют входы дифференциального усилителя OutA и OutB от постоянного напряжения фантомного питания, стабилитроны D1-D4 осуществляют защиту от перенапряжений по входу, а резисторы R3 и R4 ограничивают рабочий ток стабилитронов. R5 и R6 задают входное сопротивление микрофонного усилителя.
Моя самоделка питается от 9 вольт постоянного тока, поэтому для получения напряжения фантомного питания я воспользуюсь готовой платой повышающего преобразователя на микросхеме MT3608.
Микросхема работает на частоте 1.2 МГц, что находится далеко за пределами диапазона слышимых звуков. Поэтому MT3608 можно смело применять в аудиоаппаратуре, не боясь появления помех.
Повышающий преобразователь напряжения знаменитого гитарного овердрайва Klon Centaur построен на микросхеме зарядового насоса TC1044, работающей на гораздо более низкой частоте 45 кГц, и при этом не наблюдается каких-либо посторонних призвуков даже в гитарных трактах с высоким коэффициентом усиления сигнала.
▍ Практическая схема
Максимальное выходное напряжение преобразователя на микросхеме MT3608 составляет 28 вольт, поэтому для сопротивлений R1 и R2 выбран номинал 3.9 кОм.
Питание схемы однополярное, поэтому вместо встречно-последовательных стабилитронов для защиты входов операционных усилителей применено упрощённое решение — диоды D1 и D2 анодом на +9В.
Постоянная времени входных RC-цепей С4R6 и С5R7 составляет 940 микросекунд, что соответствует частоте среза 169 герц. Это означает, что на этой частоте амплитуда сигнала снизится на 30%, или 3 децибела.
Инструментальный усилитель на ОУ U1A и U1B с регулировкой коэффициента усиления от +4 до +38 дБ переменным резистором R13 собран по схеме из предыдущей статьи.
Я использую недорогие малошумящие ОУ NE5532, являющиеся общепризнанным стандартом для бытовой и профессиональной аудиотехники всех уровней цены и качества. Для прекрасного воспроизведения речи, вокала и сигнала электрогитары этим ОУ вполне достаточно девяти вольт однополярного питания.
Виртуальная земля, то есть искусственная средняя точка VCOM, образована делителем из двух одинаковых резисторов R14 и R15 сопротивлением по 2 килоома каждый и заземлена по переменному току конденсаторами C10 и С11.
На ОУ U3A и U3B собраны суммирующие усилители левого и правого каналов с коэффициентом передачи 1.65, или +4.35 дБ. Они позволяют подключить, кроме микрофона, два добавочных стереовхода Left1 Right1 и Left2 Right2.
ОУ U2A служит буфером-повторителем усиленного сигнала микрофона для левого канала. Эти буферы нужны затем, чтобы сигналы левого и правого каналов каждого стереовхода не смешивались между собой.
Подобно универсальному диоду, пропускающему ток только в направлении стрелки от анода к катоду, буфер пропускает сигнал только от входа к выходу, а не наоборот. Данное свойство повторителя является очень ценным и широко применимым на практике.
Вход смесителя правого канала подключён к средней точке делителя R20R21, соединённой с инвертирующим входом U2B. Таким образом, по отношению к смесителю U2B cлужит буфером, точно так же как и U2A.
Зато на верхнем по схеме выводе R20 мы имеем напряжение с неинвертирующего входа, усиленное в 1.55 раза. Это создаёт положительную обратную связь, обеспечивающую активному фильтру Баттерворта добротность 0.7. Частотнозависимыми элементами этого фильтра верхних частот являются конденсаторы C13-C14 и резисторы R17 и R19.
В верхнем положении переключателя SW1 усиленный сигнал микрофона поступает на входы смесителей через активный фильтр Баттерворта с частотой среза 169 герц. В нижнем положении SW1 микрофонный сигнал подаётся на смеситель в обход фильтра, а в среднем положении микрофон отключён.
Также предусмотрены тумблер отключения фантомного питания и светодиод, индицирующий его работу. Эти элементы не изображены на схеме.
▍ Результаты работы
Видео демонстрирует работу получившегося прибора и процесс монтажа деталей на самодельную печатную плату.
Получилась маленькая коробочка, позволяющая работать с нужными мне источниками звука без пересоединения разъёмов. Можно было просто приобрести готовый микшерный пульт. Но он был бы более громоздким и более дорогим. К тому же мне интереснее работать с оборудованием, собранным своими руками.
Скидки, итоги розыгрышей и новости о спутнике RUVDS — в нашем Telegram-канале ?
