Предварительный усилитель для микрофона своими руками

Можно ли сделать простой и бюджетный микрофонный усилитель с непростой, небюжетной и желательно ламповой передачей звука?
Схема транзисторного микрофонного преампа для профессиональ­но­го применения и использования в домашних студиях

Микрофонный предусилитель, он же преамп (mic preamp) – это некое электронное устройство, усиливающее низкоуровневый микрофонный сигнал до стандартного для большинства звукового оборудования линейного уровня. Единого стандарта на величину линейного уровня аппаратуры не существует, но в среднем она составляет плюс-минус ~1 вольт амплитудного значения.

Требования, предъявлямые к микрофонному усилителю, весьма противоречивы. С одной стороны, от него требуется усилить сигнал с минимальными искажениями, с другой, зачастую профессионалы предпочитают устройства, которые придают звуку окрас в виде мягкости и насыщенности, добавляя в него строго определённый набор гармоник.

К первому типу разного рода «стерильно» звучащих преампов относятся встроенные предусилители аудиомикшеров, звуковых карт, а также любые внешние устройства, выполненные на операционных усилителях. Несмотря на то, что современные ОУ (в том числе специализированные для звука) имеют крайне высокие характеристики и порой совсем не детский ценник, меломаны, музыканты и прочие звукорежиссёры, знающие толк в звукотехнике, стараются избегать их в своём оборудовании, справедливо считая звук таких примочек скучным, а сами устройства – бюджетными.
К тому же практически каждый "слухач" знает, что любой усилитель с глубокими общими ООС несколько отдаляет сцену от слушателя, в то время как безОСник, наоборот, приближает исполнителя и выделяет его из общего микса.
Склепать подобные устройства в домашних условиях можно, что называется "на коленке", и не отходя от кассы. И нужно для этого не так уж и много, а именно – паяльник с припоем, руки парные из правильного места и хорошие микросхемы с низким уровнем искажений и шумов.

На другом полюсе преампостроения находятся ламповые схемы, дающие на выходе тёплую и мягкую звуковую окраску, что делает их очень востребованными как для живого исполнения, так и для студийной записи вокала. Так как лампы (впрочем, как и полевые транзисторы) не являются приборами, оптимально работающими с низкоомными источниками, дорогие и "правильно" звучащие ламповые усилители, в большинстве случаев содержат входной трансформатор, который преобразует довольно низкое сопротивление микрофонного капсюля в относительно высокое.
Пытаться самостоятельно изготовить хороший ламповый предусилитель – дело непростое и неблагодарное, так как совокупная себестоимость всех качественных компонентов для него будет соизмерима с ценой покупного изделия.

Другое дело – транзисторная конструкция. Если на какое-то время забыть про схемотехнику ОУ, дифкаскады, межкаскадные отрицательные обратные связи и прочие нехорошие для звука излишества, то вполне можно разработать устройство, которое не только сможет достойно конкурировать с лампой по звуку, но по некоторым аспектам и превзойти её. Ясен пень, что для получения приемлемых искажений в безОСном транзисторном усилителе, придётся применить весь спектр знаний, накопленных прогрессивным инженерным сообществом, а также кропотливо подобрать питание и "правильные" режимы работы полупроводников.

Однако, прежде чем перейти к конкретике, озадачимся резонным вопросом – а в чём же состоит особенность звучания лампового усилителя? А особенность, собственно говоря, состоит, прежде всего, в спектральном составе генерируемых гармоник (THD), в котором имеет место явное доминирование второй гармоники и быстрый спад всех остальных гармоник более высоких порядков. Чем быстрее затухает этот гармонический «хвост», тем в лучше! В идеале нам нужна только вторая гармоника, но на практике спектральный состав ламповых усилителей дополнительно содержит ещё две-три гармоники, то есть 3, 4 и иногда 5-ю. Для примера на Рис.1 приведена диаграмма распределения спектра THD, снятая с приличного буржуйского усилителя PP1C.



Рис.1 THD спектр лампового усилителя PP1C (Allen Wright)

Так, с этим, надеюсь, всё понятно, поэтому хватит рассусоливать, пора переходить к делу!
На Рис.2 изображена схема микрофонного предусилителя на транзисторах, которая может быть рекомендована как для использования в домашних студиях, так и для профессионального применения. Несмотря на относительную простоту, устройство обладает высокими характеристиками и обеспечивает мягкое и тёплое звучание, обусловленное "ламповым" спектральным составом генерируемых гармоник.

Так как большинство профессиональных микрофонов имеет балансный выход, то и микрофонный преамп также обязан, с точки зрения минимизации шумов и наводок, иметь такой же балансный (он же дифференциальный) вход.

Рис.2 Схема транзисторного микрофонного предусилителя

Для этой цели использован каскад (на комплементарных транзисторах Т1 и Т2), который не просто усиливает входное напряжение, а осуществляет усиление разности между двумя сигналами, поступающими с балансных выходов микрофона. В отличие от классического дифкаскада, такое построение не требует введения генератора тока, но самое главное – не служит источником нечётных (и прежде всего третьей) гармоник.
Нагрузкой каскада является резистор R8.

Для входа Vin- сигнал до нагрузки проходит через каскад с общим коллектором (Т1) и каскад с общей базой (Т2).
Для входа Vin+ сигнал до нагрузки проходит только через транзистор Т2, который для него является каскадом с общим эмиттером.
Коэффициенты усиления для каждого из входов имеют разные знаки, но их модули равны и составляют: Ku = R6/R4 при разомкнутом S1 и Ku = R6/(R4∥R8) – при замкнутом.
В замкнутом положении переключателя S1 предполагается работа предусилителя с низкоуровневыми микрофонами с чувствительностью 0,3...1 мВ/Па (-70...-60 дБ).
В остальных случаях переключатель следует установить в разомкнутое состояние.

Входное сопротивление преампа практически полностью определяется номиналами резисторов R3 и R5. При номиналах, приведённых на схеме, дифференциальное входное сопротивление составляет Rвх = R3 + R5 = 6 кОм.
При пропорциональном увеличении или уменьшении значений этих резисторов точно так же пропорционально изменится и входное сопротивление.

Диоды D1...D4 выполняют защитную функцию при подключении конденсаторных микрофонов с 48-вольтовым фантомным питанием, а D5...D7 совместно с Р1 задают смещение для транзисторов входного каскада.

Далее следуют ещё один усилительный каскад на транзисторе Т3, и эмиттерный повторитель на Т4, осуществляющий развязку усилителя от подключённых к нему устройств, а также уменьшающий выходное сопротивление преампа. Коэффициент усиления этой связки регулируется переменным резистором Р2 в диапазоне от 5 до 32 дБ (1,8... 40 раз).

Транзисторный усилительный каскад (ОЭ) запитан достаточно высоким напряжением и нагружен на относительно высокоомную нагрузку. Это обеспечивает уровень искажений на уровне лампы во включении с общим катодом (ОК), но главное состоит в том, что их гармонические спектры THD практически полностью совпадают и представляют собой картинки с явным доминированием 2-ой гармоники.
Однако не стоит большого труда снизить общий уровень нелинейных искажений. И тут на помощь приходит изрядно подзабытая цепочка ПОС (С9, R14), идущая с выхода усилителя в коллекторную нагрузку. Эта цепочка не только повышает коэффициент усиления, но и выступает в качестве источника вольтодобавки питания усилительного каскада, что позволяет увеличить максимальную выходную амплитуду и в несколько раз уменьшить КНИ.
Однако есть во всей этой идиллии и ложка дёгтя, заключающаяся в том, что такое улучшения линейности затрагивает в большей степени 2-ую гармонику, снижение уровня которой близко к величине уменьшения КНИ. И хотя её амплитуда всё равно остаётся на порядок выше всех остальных гармоник, даже вместе взятых, я рассудил, что наличие тумблера включающего-отключающего эту ПОС будет нелишним. Во включённом положении S2 мы получаем ярко выраженное "винтажное" (в хорошем смысле этого слова) звучание, в выключенном – более стерильное, но достаточно тёплое и мягкое с лёгким налётом ламповости.

Для иллюстрации сказанного приведём THD спектры транзисторного предусилителя на частоте 1 кГц при размахе выходного напряжения Uвых = ±1В.
Сначала диаграммы с выключенным тумблером S2:





Рис.3 THD спектры предусилителя при Uвх = ±1мВ (сверху) и Uвх = ±30мВ
(снизу) при выключенном тумблере S2

Уровнями 4-ой гармоники, которые составляют -113 дБ и ниже, можно пренебречь – они по-любому утонут в шумах самого микрофона и соединительного кабеля. Таким образом, мы имеем всего две гармоники, причём третья примерно на 30 дБ (в 30 раз) ниже второй. А это говорит о том, что даже с величиной Кг = 0,133% (при низкой чувствительности микрофона) хорошее, а вернее, ламповое звучание микрофонного тракта не может вызывать никаких сомнений.

Теперь всё то же самое, но с включённым тумблером S2:





Рис.4 THD спектры предусилителя при Uвх = ±1мВ (сверху) и Uвх = ±30мВ
(снизу) при включённом тумблере S2

В данном случае налицо уменьшение общего уровня THD и радикальное снижение зависимости нелинейности от уровня входного напряжения. Разница между уровнями второй и третьей гармоник приблизительно равна 20 дБ, что тоже очень хорошо, но расслышать этот букет будет уже значительно сложнее из-за из его более низкого (чем в предыдущем случае) уровня.

Однако, в каком бы положении не находился переключатель, какой бы уровень не поступал с выхода микрофона – разница в звучании между безОСным усилителем и усилителем на ОУ будет всегда заметна и, в большинстве случаев, явно не в пользу последнего.

И в довершение – характеристики представленного транзисторного предусилителя, исключая уровни нелинейных искажений, которые мы подробно рассмотрели ранее:

Все приведённые параметры предусилителя могут быть получены только в случае строгого соблюдения режимов по постоянному току, указанных на схеме. Любое их отклонение более чем на ±5% может привести к ухудшению характеристик. Поэтому настройка схемы – это очень важный, но при этом совсем не сложный этап при изготовлении преампа, который заключается всего в одной процедуре:
Посредством подстроечного резистора Р1 необходимо установить ровно 10 вольт на коллекторе транзистора Т2. Все остальные транзисторы гальванически связаны с этой точкой и охвачены 100% местной ООС по постоянному току, поэтому их режимы выставятся автоматически.

Перещёлкивая тумблер S2, надо иметь в виду, что амплитуда выходного сигнала при его замыкании увеличивается примерно в два раза.