Малошумящий микрофонный усилитель HaLA3161. Высокочувствительные микрофоны с малошумящими усилителями нч Микрофонный усилитель на ОУ с дифференциальным входом

Всем привет.

При сборке малошумящих микрофонных усилков высокого качества радиолюбители чаще всего применяют схемные решения на основе дискретных биполярных либо полевых транзисторах, или же малошумящих операционных усилителях. Качественные усилки для микрофонов на транзисторах чаще всего довольно сложные и не дают гарантии на стабильную повторяемость параметров, а чтобы собрать усилитель на малошумящих ОУ может не быть под рукой нужных микросхем либо их цены окажутся больше приемлемых.

Усилитель высокого качества для стереомикрофона возможно изготовить не только на специальных малошумящих транзисторах (рис. 1,2), интегральных операционных усилителях (ОУ) либо специализированных ИМС, но и на том, что у радиолюбителей чаще всего лежит в избытке, но мало кто додумывается о потенциале некоторых «нераспространённых» микросхем. Имеются ввиду интегральные микросхемы - специализированные малошумящие усилители воспроизведения для кассетных, а также катушечных магнитофонов аналоговой записи звука. Бытовая магнитная запись звука быстро уходит в прошлое, уже отработали своё время множество импортных магнитол и автомагнитол, и при разборке их на запчасти микросхемы интегральных усилителей воспроизведения чаще всего остаются ненужными.

На основе одной из таких микросхем LA3161

вы можете изготовить простой стереоусилитель для микрофона с однополярным питанием, который не требует настройки, всего за два часа. Принципиальная схема этого усилка представлена ниже.

Данное устройство представляет собой малошумящий стереофонический усилок, который имеет коэффициент передачи по напряжению примерно 100. Номинальное напряжение для питания этого усилителя 9 Вольт, ток в покое приблизительно 6 мА, номинальное напряжение на входе 5 мВ, а номинальное напряжение на выходе 500 мВ при коэффициенте гармонических искажений 0,05%. Сопротивление на выходе примерно 100 кОм. Микросхема может работать при питании 2,5 - 16 Вольт. Но при питании меньше 7 Вольт её главные характеристики ухудшаются.

Микросхема питается от источника стабильного напряжения проходя через LC - фильтр C1L1C2C3. В частном случае в роли источника питания можно применить гальваническую батарею «Крона» либо её аналог.

Коэффициент передачи усилка зависит от соотношения сопротивления резисторов R5/R3 и R6/R4. Если есть необходимость в большом усилении по напряжению сопротивление резисторов R3 и R4 можете понизить в 10 - 20 раз. В роли микрофонов ВМ1 и ВМ2 можете использовать как динамические, так и конденсаторные микрофоны. Если отсутствует в конденсаторном либо электретном микрофоне истоковый повторитель, его можете ввести в усилитель, к примеру, поставив в каждом канале по микросхеме К513УЕ1. Конденсаторы С4 и С5 не дают проникать на вход различным радиопомехам. Резисторы R9 и R10 устраняют возможное появление «щелчка», когда происходит подключение микрофонного усилителя к аппаратуре звуковоспроизведения, а также нужны для правильной поляризации обкладок оксидных конденсаторов С10 и С11. Функциональная схема микросхемы LA3161 представлена на рисунке ниже. Если использовать только один из двух усилителей микросхемы соответствующий неинвертирующий вход (вывод 1 либо 8) нужно соединять с общим проводом.

Усилок можете собрать на плате размерами 70?27 мм (смотрите фото). В левой части платы нужно оставить свободное место, чтобы можно было установить дополнительные элементы, которые возможно потребуются, для того чтобы согласовать некоторые динамические микрофоны с входом усилителя.

Резисторы можете применить типа МЛТ, С2-23 либо их аналоги. При этом лучше учесть, то что чем выше мощность резисторов одного и того же типа, тем ниже будет их уровень собственных шумов. Если коэффициент усиления больше 500 резисторы R1 - R6 лучше поставить с мощностью 0,5 - 1 Ватт. Неполярные конденсаторы - импортные малогабаритные плёночные либо керамические. Оксидные конденсаторы С6, С7 должны иметь наименьший ток утечки. В случае если среди обыкновенных алюминиевых не удаётся найти высококачественные конденсаторы, то можете применить керамические либо плёночные конденсаторы с ёмкостью 4,7 мкФ. Дроссель L1 может быть любой малогабаритный маломощный с индуктивностью больше 100 мкГн. Если напряжение питания 12 Вольт и больше, то последовательно с ним лучше будет подключить резистор сопротивлением 1 кОм. Микросхему LA3161 можете поменять на LA3160.

Эти две микросхемы выпускает фирма Sanyo в корпусе SIP-8, у них одинаковые цоколевки выводов и похожие параметры.Микросхемы малошумящих усилков воспроизведения магнитной звукозаписи с отключенными цепями коррекции можете применять не только в роли микрофонных усилителей, но и также в узлах предварительных нормирующих усилителей, пассивных регуляторов тембра, громкости или в качестве усилителей сигналов с пьезодатчиков и пиродетекторов.

Всего вам доброго.

Рассмотрены схемы и конструкции высокочувствительных микрофонов в комплексе с самодельными малошумящими усилителями низкой частоты (УНЧ).

Конструирование чувствительного и малошумящего усилителя (УНЧ) имеет свои особенности. Наибольшее влияние на качество воспроизведения звуков и разборчивость речи оказывают амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя, уровень его шумов, параметры микрофона (АЧХ, диаграмма направленности, чувствительность и т.д.) или заменяющих его датчиков, а также их взаимная согласованность с усилителем. Усилитель должен иметь достаточное усиление.

При использовании микрофона - это 60дб-80дб, т.е. 1000-10000 раз. Учитывая особенности приема полезного сигнала и его низкую величину в условиях сравнительно значительного уровня помех, которые существуют всегда, целесообразно в конструкции усилителя предусмотреть возможность коррекции АХЧ, те. частотной селекции обрабатываемого сигнала.

При этом необходимо учитывать, что наиболее информативный участок звукового диапазона сосредоточен в полосе от 300 Гц до 3-3.5 кГц. Правда, иногда с целью уменьшения помех эту полосу сокращают еще больше. Использование полосового фильтра в составе усилителя позволяет значительно увеличить дальность прослушивания (в 2 и более раз).

Еще большей дальности можно достичь использованием в составе УНЧ селективных фильтров с высокой добротностью, позволяющих выделять или подавлять сигнал на определенных частотах. Это дает возможность значительно повысить соотношение сигнал/шум.

Элементарная база

Современная элементная база позволяет создавать качественные УНЧ на основе малошумящих операционных усилителей (ОУ), например, К548УН1, К548УН2, К548УНЗ, КР140УД12, КР140УД20 и т.д.

Однако, несмотря широкую номенклатуру специализированных микросхем и ОУ, и их высокие параметры, УНЧ на транзисторах в настоящее время не потеряли своего значения. Использование современных, малошумящих транзисторов, особенно в первом каскаде, позволяет создать оптимальные по параметрам и сложности усилители: малошумящие, компактные, экономичные, рассчитанные на низковольтное питание. Поэтому транзисторные УНЧ часто оказываются хорошей альтернативой усилителям на интегральных микросхемах.

Для минимизации уровня шумов в усилителях, особенно в первых каскадах, целесообразно использовать высококачественные элементы. К таким элементам относятся малошумящие биполярные транзисторы с высоким коэффициентом усиления, например, КТ3102, КТ3107. Однако в зависимости от назначения УНЧ используются и полевые транзисторы.

Большое значение играют и параметры остальных элементов. В малошумящих каскадах электронных схем используют оксидные конденсаторы К53-1, К53-14, К50-35 и т. п., неполярные - КМ6, МБМ и т. п., резисторы - не хуже традиционных 5% МЛТ-0.25 и МЛ Т-0.125, лучший вариант резисторов - проволочные, безиндуктивные резисторы.

Входное сопротивление УНЧ должно соответствовать сопротивлению источника сигнала - микрофона или заменяющего его датчика. Обычно входное сопротивление УНЧ стараются сделать равным (или немного больше) сопротивлению источника-преобразователя сигнала на основных частотах.

Для минимизации электрических помех целесообразно для подключения микрофона к УНЧ использовать экранированные провода минимальной длины. Электретный микрофон МЭК-3 рекомендуется монтировать непосредственно на плате первого каскада микрофонного усилителя.

При необходимости значительного удаления микрофона от УНЧ следует использовать усилитель с дифференциальным входом, а подключение осуществлять витой парой проводов в экране. Экран подключается к схеме в одной точке общего провода максимально близко к первому ОУ. Это обеспечивает минимизацию уровня наведенных в проводах электрических помех.

Малошумящий УНЧ для микрофона на К548УН1А

На рисунке 1 представлен пример УНЧ на основе специализированной микросхемы - ИС К548УН1А, содержащей 2 малошумящих ОУ. ОУ и УНЧ, созданный на базе этих ОУ (ИС К548УН1А), рассчитаны на однополярное напряжение питания 9В - ЗОВ. В приведенной схеме УНЧ первый ОУ включен в варианте, который обеспечивает минимальный уровень шумов ОУ.

Рис. 1. Схема УНЧ на ОУ К548УН1А и варианты подключения микрофонов: а - УНЧ на ОУ К548УН1А, б - подключение динамического микрофона, в - подключение электретного микрофона, г - подключение удаленного микрофона.

Элементы для схемы на рисунке 1:

• R1 =240-510, R2=2.4к, R3=24к-51к (подстройка усиления),
• R4=3к-10к, R5=1к-3к, R6=240к, R7=20к-100к (подстройка усиления), R8=10; R9=820-1.6к (для 9В);
• С1 =0.2-0.47, С2=10мкФ-50мкФ, С3=0.1, С4=4.7мкФ-50мкФ,
• С5=4.7мкФ-50мкФ, С6=10мкФ-50мкФ, С7=10мкФ-50мкФ, С8=0.1-0.47, С9=100мкФ-500мкФ;
• ОУ 1 и 2 - ОУ ИС К548УН1А (Б), два ОУ в одном корпусе ИС;
• Т1, Т2 - КТ315, КТ361 или КТ3102, КТ3107 или аналогичные;
• Т - ТМ-2А.

Выходные транзисторы данной схемы УНЧ работают без начального смещения (с Iпокоя=0). Искажения типа “ступенька" практически отсутствуют благодаря глубокой отрицательной обратной связи, охватывающей второй ОУ микросхемы и выходные транзисторы. При необходимости изменения режима выходных транзисторов (Iпокоя=0) схему необходимо соответствующим образом откорректировать: включить в схему резистор или диоды между базами Т1 и Т2, два резистора по 3-5к с баз транзисторов на общий провод и провод питания.

Кстати, в УНЧ в двухтактных выходных каскадах без начального смещения хорошо работают уже устаревшие германиевые транзисторы. Это позволяет использовать с такой структурой выходного каскада ОУ с относительно низкой скоростью нарастания выходного напряжения без опасности возникновения искажений, связанных с нулевым током покоя. Для исключения опасности возбуждения усилителя на высоких частотах используется конденсатор СЗ, подключенный рядом с ОУ, и цепочка R8С8 на выходе УНЧ (достаточно часто RC на выходе усилителя можно исключить).

Малошумящий микрофонный УНЧ на транзисторах

На рисунке 2 представлен пример схемы УНЧ на транзисторах . В первых каскадах транзисторы работают в режиме микротоков, что обеспечивает минимизацию внутренних шумов УНЧ. Здесь целесообразно использовать транзисторы с большим коэффициентом усиления, но малым обратным током.

Это могут быть, например, 159НТ1В (Iк0=20нА) или КТ3102 (Iк0=50нА), или аналогичные.

Рис. 2. Схема УНЧ на транзисторах и варианты подключения микрофонов: а УНЧ на транзисторах, б - подключение динамического микрофона, в - подключение электретного микрофона, г - подключение удаленного микрофона.

Элементы для схемы на рисунке 2:

• R3=5.6к-6.8к (регулятор громкости), R4=3к, R5=750,
• R6=150к, R7=150к, R8=33к; R9=820-1.2к, R10=200-330,
• R11=100к (подстройка, Uэт5=Uэт6=1.5В),
• R12=1 к (подстройка тока покоя Т5 и Т6, 1-2 мА);
• С1=10мкФ-50мкФ, С2=0.15мкФ-1мкФ, С3=1800,
• С4=10мкФ-20мкФ, С5=1мкФ, С6=10мкФ-50мкФ, С7=100мкФ-500мкФ;
• Т1, Т2, Т3 -159НТ1 В, КТ3102Е или аналогичные,
• Т4, Т5 - КТ315 или аналогичные, но можно и МП38А,
• Т6 - КТ361 или аналогичные, но можно и МП42Б;
• М - МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в),
• Т - ТМ-2А.

Использование подобных транзисторов позволяет обеспечить не только устойчивую работу транзисторов при малых коллекторных токах, но и достичь хороших усилительных характеристик при низком уровне шумов.

Выходные транзисторы могут использоваться как кремниевые (КТ315 и КТ361, КТ3102 и КТ3107, и т.п.), так и германиевые (МП38А и МП42Б и т.п.). Настройка схемы сводится к установке резистором R2 и резистором RЗ соответствующих напряжений на транзисторах: 1,5В - на коллекторе Т2 и 1,5В - на эмиттерах Т5 и Т6.

Микрофонный усилитель на ОУ с дифференциальным входом

На рисунке 3 представлен пример УНЧ на ОУ с дифференциальным входом . Правильно собранный и настроенный УНЧ обеспечивает значительное подавление синфазной помехи (60 дб и более). Это обеспечивает выделение полезного сигнала при значительном уровне синфазных помех.

Следует напомнить, что синфазная помеха - помеха, поступающая в равных фазах на оба входа ОУ УНЧ, например, помеха, наведенная на оба сигнальных провода от микрофона. Для обеспечения корректной работы дифференциального каскада необходимо точно выполнить условие: R1 =R2, R3=R4.

Рис.3. Схема УНЧ на ОУ с дифференциальным входом и варианты подключения микрофонов: а - УНЧ с дифференциальным входом, б - подключение динамического микрофона, в - подключение электретного микрофона, г - подключение удаленного микрофона.

Элементы для схемы на рисунке 3:

• R7=47к-300к (подстройка усиления, К=1+R7/R6), R8=10, R9=1,2к-2.4к;
• C1=0.1-0.22, C2=0.1-0.22, СЗ=4.7мкФ-20мкФ, C4=0.1;
• ОУ - КР1407УД2, КР140УД20, КР1401УД2Б, К140УД8 или другие ОУ в типовом включении, желательно с внутренней коррекцией;
• D1 - стабилитрон, например, КС133, можно использовать светодиод в обычном включении, например, АЛ307;
• М - МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в),
• Т - ТМ-2А.

Резисторы целесообразно подобрать с помощью омметра среди 1%-резисторов с хорошей температурной стабильностью. Для обеспечения необходимого баланса рекомендуется один из четырех резисторов (например, R2 или R4) выполнить переменным. Это может быть высокоточный переменный резистор-подстроечник с внутренним редуктором.

Для минимизации шумов входное сопротивление УНЧ (значения резисторов R1 и R2) должно соответствовать сопротивлению микрофона или заменяющего его датчика. Выходные транзисторы УНЧ работают без начального смещения (с 1покоя=0). Искажения типа "ступенька” практически отсутствуют благодаря глубокой отрицательной обратной связи, охватывающей второй ОУ и выходные транзисторы. При необходимости схему включения транзисторов можно изменить.

Настройка дифференциального каскада: подать синусоидальный сигнал 50 Гц на оба входа дифференциального канала одновременно, подбором величины RЗ или R4 обеспечить на выходе ОУ 1 нулевой уровень сигнала 50 Гц. Для настройки используется сигнал 50 Гц, т.к. электросеть частотой 50 Гц дает максимальный вклад в суммарную величину напряжения помехи. Хорошие резисторы и тщательная настройка позволяют достичь подавления синфазной помехи 60дб-80дб и более.

Для повышения устойчивости работы УНЧ целесообразно зашунтировать выводы питания ОУ конденсаторами и на выходе усилителя включить RC-целочку (как в схеме усилителя на рисунке 1). Для этой цели можно использовать конденсаторы КМ6.

Для подключения микрофона использована витая пара проводов в экране. Экран подключается к УНЧ (только в одной точке!!) максимально близко от входа ОУ.

Улучшеные усилители для чувствительных микрофонов

Применение в выходных каскадах УНЧ низкоскоростных ОУ и эксплуатация кремниевых транзисторов в усилителях мощности в режиме без начального смещения (ток покоя равен нулю - режим В) может, как это уже отмечалось выше, привести к переходным искажениям типа “ступенька”. В этом случае для исключения данных искажений целесообразно изменить структуру выходного каскада таким образом, чтобы выходные транзисторы работали с небольшим начальным током (режим АВ).

На рисунке 4 представлен пример подобной модернизации приведенной схемы усилителя с дифференциальным входом (рисунок 3).

Рис.4. Схема УНЧ на ОУ с дифференциальным входом и с низким уровнем искажений выходного каскада.

Элементы для схемы на рисунка 4:

• R1=R2=20к (равно или немного выше максимального сопротивления источника в рабочем диапазоне частот),
• RЗ=R4=1м-2м; R5=2к-10к, R6=1к-Зк,
• R7=47к-300к (подстройка усиления, К=1+R7/R6),
• R8=10, R10=10к-20к,R11=10к-20к;
• С1 =0.1-0.22, С2=0.1-0.22, СЗ=4.7мкФ-20мкФ, C4=0.1;
• ОУ - К140УД8, КР1407УД2, КР140УД12, КР140УД20, КР1401УД2Б или другие ОУ в типовом включении и желательно с внутренней коррекцией;
• Т1, Т2 - КТ3102, КТ3107 или КТ315, КТ361, или аналогичные;
• D2, D3 - КД523 или аналогичные;
• М - МД64, МД200, МЭК-3 или аналогичный (в),
• Т - ТМ-2А.

На рисунке 5 представлен пример УНЧ на транзисторах . В первых каскадах транзисторы работают в режиме микротоков, что обеспечивает минимизацию шумов УНЧ. Схема во многом аналогична схеме на рисунке 2. Для увеличения доли полезного сигнала низкого уровня на фоне неизбежных помех в схему УНЧ включен полосовой фильтр, обеспечивающий выделение частот в полосе 300 Гц -3.5 кГц.

Рис.5. Схема УНЧ на транзисторах с полосовым фильтром и варианты подключения микрофонов: а - УНЧ с полосовым фильтром, б - подключение динамического микрофона, в - подключение электретного микрофона.

Элементы для схемы на рисунке 5:

• R1=43к-51к, R2=510к (подстройка, Uкт2=1.2В-1,8В),
• R3=5.6к-6.8к (регулятор громкости), R4=3к, R5=8.2к,
• R6=8.2к, R7=180, R8=750; R9=150к, R10=150к, R11=33к,
• R12=620, R13=820-1,2к, R14=200-330,
• R15=100к (подстройка, Uэт5=Uэт6=1.5В), R16=1 к (подстройка тока покоя Т5 и Т6, 1-2мА);
• С1=10мкФ-50мкФ, С2=0.15-0.33, С3=1800,
• С4=10мкФ-20мкФ, С5=0.022, С6=0.022,
• С7=0.022, С8=1мкФ, С9=10мкФ-20мкФ, С10=100мкФ-500мкФ;
• Т1, Т2, Т3 -159НТ1 В, КТ3102Е или аналогичные;
• Т4, Т5 - КТ3102, КТ315 или аналогичные, но можно и устаревшие, германиевые транзисторы, например, МП38А,
• Т6 - КТ3107 (если Т5 - КТ3102), КТ361 (если Т5 - КТ315) или аналогичные, но можно и устаревшие, германиевые транзисторы, например, МП42Б (если Т5 - МП38А);
• М - МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в),
• Т - ТМ-2А.

В данной схеме также целесообразно использовать транзисторы с большим коэффициентом усиления, но малым обратным током коллектора (Iк0), например, 159НТ1В (Iк0=20нА) или КТ3102 (Iк0=50нА), или аналогичные. Выходные транзисторы могут использоваться как кремниевые (КТ315 и КТ361, КТ3102 и КТ3107, и т.п.), так и германиевые (устаревшие транзисторы МП38А и МП42Б и т.п.).

Настройка схемы, как и в случае схемы УНЧ на рис.11.2, сводится к установке резистором R2 и резистором RЗ соответствующих напряжений на транзисторах Т2 и Т5, Т6: 1,5В - на коллекторе Т2 и 1,5В - на эмиттерах Т5 и Т6.

Конструкция микрофона

Из большого листа плотной бумаги с ворсом, под бархат, изготавливается труба диаметром 10-15 см и длиной 1.5-2 м. Ворс, как можно догадаться, конечно, должен быть не снаружи, а внутри. В один конец этой трубы вставляется чувствительный микрофон. Лучше если это будет хороший динамический или конденсаторный микрофон.

Однако можно воспользоваться и обычным, бытовым, микрофоном. Это может быть, например, динамический микрофон типа МД64, МД200 или даже миниатюрный МКЭ-3.

Правда, с бытовым микрофоном результат будет несколько хуже. Конечно, микрофон необходимо подключить с помощью экранированного кабеля к чувствительному усилителю с малым уровнем собственных шумов (рис.1 и 2). Если длина кабеля превышает 0.5 м, то лучше воспользоваться микрофонным усилителем, имеющим дифференциальный вход, например, УНЧ на ОУ (рис.

Это позволит уменьшить синфазную составляющую помех - различного рода наводки от ближайших электромагнитных устройств, фон 50 Гц от сети 220 В и т. д. Теперь о втором конце данной бумажной трубы. Если этот свободный конец трубы направить на источник звука, например, на группу разговаривающих людей, то можно услышать речь. Казалось бы ничего особенного.

Именно для этого и существуют микрофоны. И труба для этого совершенно не нужна. Однако удивительно то, что расстояние до разговаривающих может быть значительным, например, 100 и более метров. И усилитель, и микрофон, снабженный такой трубой, позволяют все достаточно хорошо слышать на таком значительном удалении.

Расстояние может быть даже увеличено при использовании специальных селективных фильтров, позволяющих выделять или подавлять сигнал в узких полосах частот.

Это дает возможность повысить уровень полезного сигнала в условиях неизбежно существующих помех. В упрощенном варианте вместо спецфильтров можно применить полосовой фильтр в УНЧ (рис. 4) или воспользоваться обычным эквалайзером - многополосным регулятором тембра, в крайнем случае - традиционным, т.с. обычным, двухполосным, регулятором тембра НЧ и ВЧ.

Литература: Рудомедов Е.А., Рудометов В.Е - Электроника и шпионские страсти-3.

На любые приемные устройства аппаратуры связи воздействуют шумы, которые можно разделить на две большие группы:

• внешние
• внутренние.

У систем связи с космическими объектами основная доля суммарных шумов приходится на внутренние шумы приемника. При создании таких систем учитывают два важных фактора:

• Возможности повышения мощности передатчиков и параметров антенн ограниченны (определяются энергетикой ретрансляторов: вес, мобильность).
• Уровень принимаемых сигналов сопоставим с уровнем внутренних шумов приемных устройств.

Поэтому, для увеличения дальности и качества связи в технике связи, работающей в области СВЧ, применяют малошумящие усилители (МШУ), т.е. устройства с малым уровнем собственных шумов.

В качестве МШУ используются:

• Параметрические усилители (ПУ);
• Усилители на туннельном диоде (УТД);
• Транзисторные усилители;
• Молекулярные усилители (квантовые парамагнитные усилители - КПУ).

В военной технике связи широкое распространение получили ПУ, УТД, Транзисторные МШУ.

Как и все усилители МШУ характеризуются рядом параметров:

• Коэффициент шума (Кш);
• Ширина полосы рабочих частот (D F);
• Средняя рабочая частота (Fраб);
• Коэффициент усиления (Ку).

Особое значение в характеристике МШУ имеет Кш. Кш (шум-фактор) определяет уровень шума, генерируемого в усилителе и показывает, во сколько раз он ухудшает соотношение сигнал/шум по мощности, по сравнению с идеальным МШУ

Малошумящий усилитель (LNA) - электронный усилитель, используемый, чтобы усилить возможно очень слабые сигналы (например, захваченный антенной). Это обычно располагается очень близко к устройству обнаружения, чтобы уменьшить потери в feedline. Эта активная договоренность антенны часто используется в микроволновых системах как GPS, потому что коаксиальный кабель feedline очень с потерями в микроволновых частотах, например, потеря 10%, прибывающих из немногих метров кабеля, вызвала бы 10%-е ухудшение отношения сигнал-шум (SNR). LNA - ключевой компонент, который помещен во фронтенд схемы радиоприемника. За формулу Фрииса полное шумовое число (NF) фронтенда управляющего во власти первых нескольких стадий (или даже только первая стадия). Используя LNA, эффект шума от последующих стадий получить цепи уменьшен выгодой LNA, в то время как шум самого LNA введен непосредственно в полученный сигнал. Таким образом необходимо для LNA повысить желаемую власть сигнала, добавляя как можно меньше шум и искажение, так, чтобы поиск этого сигнала был возможен на более поздних стадиях в системе. У хорошего LNA есть низкий NF (например)., достаточно большая выгода (например). и должен иметь достаточно большой пункт межмодуляции и сжатия (IP3 и P1dB). Дальнейшие критерии управляют полосой пропускания, прямотой выгоды, стабильностью и напряжением постоянным отношением волны (VSWR) входа и выхода. Для низкого шума у усилителя должно быть высокое увеличение в его первой стадии. Поэтому JFETs и HEMTs часто используются. Их ведут в режиме тока высокого напряжения, который не является энергосберегающим, но уменьшает относительную сумму шума выстрела. Схемы соответствия входа и выхода для узкополосных схем увеличивают выгоду (см. продукт Полосы пропускания выгоды).
Дизайн LNA Низкие шумовые усилители - стандартные блоки любой системы связи. Четыре самых важных параметра в дизайне LNA: выгода, шумовое число, и нелинейность и соответствие импеданса. Дизайн для LNA базируется, главным образом, на S-параметрах транзистора. Шаги, требуемые в проектировании LNA, следующие Есть два широко используемых типа устройств S-параметр и нормальное устройство. S-параметр - встроенное устройство, которое не требует никакого типа внешнего смещения, потому что это фиксировало S-параметры. Нормальные устройства походят на другие транзисторы, к которым может быть применен внешний уклон. В проектировании LNA дизайн S-параметра наиболее используется.
Преобразователь Одна из решающих стадий в проектировании Низкого Шумового Усилителя является надлежащим выбором преобразователя. У отобранного преобразователя должны быть максимальная выгода и минимальное шумовое число (NF). Проверка стабильности Проектируя любой усилитель, важно проверить стабильность устройства, выбранного, или усилитель может функционировать как генератор. Для определения стабильности вычислите фактор Стабильности Роллета, (представленный как переменная K) использование S-параметров в данной частоте. Для транзистора, чтобы быть стабильными, параметры должны удовлетворить K> 1 и | ∆ | ЗаявленияLNAs используются в различных заявлениях как Радио ИЗМА, Клеточные Телефонные трубки / Телефонные трубки PC, Приемники GPS, Беспроводные телефоны, Беспроводная LAN, Беспроводные Данные, Автомобильный RKE и спутниковая связь.

Спутник В системе спутниковой связи антенна получения наземной станции соединится с LNA. LNA необходим, потому что полученный сигнал слаб. Полученный сигнал обычно немного выше фонового шума. Спутники ограничили власть, таким образом, они используют низкие передатчики власти. Спутники также отдаленны и несут потерю пути; низкие спутники земной орбиты могли бы находиться далеко; геосинхронный спутник находится далеко. Большая измельченная антенна дала бы более сильный сигнал, но создание большей антенны может быть более дорогим, чем добавление LNA. LNA повышает сигнал антенны дать компенсацию за feedline потери, идущие с (наружной) антенны на (внутренний) приемник. Во многих спутниковых системах приема LNA включает блок частоты downconverter, который перемещает спутниковую частоту передачи информации из космоса (например,), у которого были бы большие feedline потери для более низкой частоты (например,) с ниже feedline потери. LNA с downconverter называют малошумящим блоком downconverter (LNB). Спутниковая связь обычно делается в частотном диапазоне (например, метеорологические спутники Новичков) к десяткам GHz (например, спутниковое телевидение).
Работа напряжением поставки Обычно LNA требуют менее операционного напряжения в диапазоне.
Работа током поставки LNA требуют тока поставки в диапазоне мамы, ток поставки требует для LNA, зависит от его дизайна и применения, для которого это должно использоваться.
Операционная частота Частотный диапазон операции LNA очень широк. Они могут работать от.
Диапазон рабочей температуры LNA, как другие устройства полупроводника, определен для операции в определенном диапазоне температуры. Диапазон температуры, где LNA работает лучше всего, обычно.
Шумовое число - также один из важных факторов, который определяет эффективность особого LNA. Следовательно, мы можем решить, какой LNA подходит для особого применения. Низкое шумовое число приводит к лучшему приему сигнала.
Высокая выгода С низким шумовым числом у LNA должна быть высокая выгода для обработки сигнала в почтовую схему. Согласно требованию высоко извлекают пользу, LNA разработаны для применения изготовителя. Если у LNA не будет высокой выгоды тогда, то сигнал будет затронут в шумом в самой схеме LNA и возможно уменьшен, таким образом, высокая выгода LNA будет важным параметром LNA. Как выгода NF LNA также меняется в зависимости от операционной частоты.

В. П. Матюшкин, г. Дрогобыч

Сравниваются особенности спектра нелинейных искажений в усилителях с различной частотой среза АЧХ. Показано, что устройства на операционных усилителях обогащают звуковой сигнал высшими гармониками, поэтому их применение в аудиокомплексах особо высокого качества нежелательно. Представлена конструкция малошумящего высоколинейного предварительного усилителя с большой частотой среза и блоками регулировок громкости и тембра.

При использовании пассивных регуляторов тембра (РТ) и достаточной чувствительности УМЗЧ назначением предварительного усилителя ЗЧ (ПУЗЧ) остается компенсация вносимого РТ ослабления усиливаемого сигнала и согласования входных и выходных сопротивлений различных звеньев тракта между собой. Эта функция принадлежит линейным малошумящим каскадам усиления с высоким (десятки-сотни кОм) входным и низким (не более 600 Ом) выходным сопротивлением. Такие значения необходимы, чтобы не вносились погрешности в характеристики регулирования РТ и регулятора громкости (РГ) и не оказывалось влияние на характеристики источников сигнала.

Известные автору конструкции ПУЗЧ не удовлетворяют возросшим к ним требованиям. Если ранее при воспроизведении граммофонной или магнитофонной записи было вполне достаточно, чтобы относительный уровень шума ПУЗЧ был около -80...-85 дБ, что не хуже, чем у источников сигнала, то при прослушивании компакт-дисков, когда "мертвая тишина" в паузах наполняется досадным шипением, такой шум уже становится назойливой помехой. Оставляют желать лучшего и другие параметры, особенно у ПУЗЧ, выполненных с использованием операционных усилителей (ОУ).

Низкая (десятки-сотни герц) собственная частота среза ОУ fc обусловливает не самую лучшую переходную характеристику, определяющую верность передачи фронта импульсных сигналов. Такая fc заставляет считаться с возможностью возникновения динамических искажений, а также приводит к уменьшению глубины ООС с ростом частоты, т.е. к росту нелинейных искажений (НИ). Ухудшение подавления искажений сигнала начинается в ОУ, охваченном ООС, с частоты его среза to и происходит приблизительно прямо пропорционально частоте. Например, если fc<500 Гц и при усилении сигнала с частотой fA=1 кГц получен уровень второй гармоники (на частоте 2 кГц) 0, 001%, то при усилении равного по амплитуде сигнала с частотой fB=8 кГц уровень второй гармоники (на частоте 16 кГц) будет примерно в fB/fA=8 раз больше, что дает уже не такие благополучные искажения (0, 008%). Однако это еще только полбеды.

Еще хуже то, что вместе с этим изменяется соотношение между гармониками одного и того же сигнала в пользу гармоник более высокого порядка. Это касается НИ, генерируемых теми каскадами ОУ (прежде всего, выходными, из-за значительности их вклада в общий уровень НИ), которые следуют за каскадом, формирующим излом АЧХ на частоте fc. Искажения этих каскадов и будем иметь в виду далее (в первых каскадах ОУ процессы имеют свои особенности).

На рис.1 показаны частотные зависимости отношения коэффициента НИ по гармонике n>2 Qn к коэффициенту НИ по второй гармонике Q2, приведенных к такому же отношению для ОУ без ООС Qn/Q2. Прямая 1 соответствует ОУ без ООС, прямая 2 - ОУ с замкнутой петлей ООС. Прямая 1 соответствует также усилителю, имеющему высокую частоту среза fc">>20 кГц, причем безразлично, включена ООС или нет. Как видно, УЗЧ на ОУ обогащает спектр НИ гармониками высших порядков. Наблюдаемую реально картину сглаживает лишь то, что исходные (без ООС) амплитуды гармоник сами обычно уменьшаются с ростом их номера n, поэтому регистрируемые при измерениях продукты искажений зависят не так сильно от частоты. Понятно, что картина, аналогичная рис.1, имеет место и для компонентов интермодуляционных искажений различных порядков.

Как известно, качество звучания зависит не только от амплитуд гармоник различного порядка, но и от соотношения между ними: желательно, чтобы с ростом номера гармоники ее амплитуда достаточно быстро убывала, в противном случае звучание становится жестким, приобретает неприятный металлический оттенок. Из рис.1 видно, что УЗЧ на ОУ действует в прямо противоположном направлении, причем практически во всем звуковом диапазоне, исключая лишь самые низкие частоты (и это касается, конечно, не только ПУЗЧ, но и усилителей мощности). И если регулятор тембра НЧ, поднимая АЧХ тракта на частотах, ниже 1 кГц, в какой-то степени восстанавливает соотношение между гармониками в диапазоне наклона участка своей АЧХ, то подъем высоких частот регулятором тембра ВЧ еще более усугубляет нарушение соотношения между ними на частотах более 1 кГц.

Таким образом, пресловутое "транзисторное звучание" начинает зарождаться еще в ПУЗЧ, выполненных на ОУ. Поэтому увлечение такими схемами, несмотря на все удобства и упрощения при использовании ОУ, идет в ущерб качеству звуковоспроизведения. И нет ничего удивительного в том, что они звучат хуже ламповых усилителей, имеющих, как правило, достаточно высокую fc (что возможно благодаря относительно неглубокой ООС) и к тому же благоприятный спектр генерируемых лампами гармоник (не выше пятого порядка).

Для получения благоприятного спектра НИ транзисторный усилитель до охвата ООС должен иметь частоту среза fc">20 кГц (рис.2, кривая 1). Это требование удачно согласуется и с условием отсутствия динамических искажений. Любопытной вместе с этим выглядит возможность дополнительного улучшения спектра гармоник и приближения его характера к ламповому путем специфической коррекции, заключающейся в подъеме исходной (без ООС) АЧХ с ростом частоты в звуковом диапазоне или хотя бы на некотором его участке (рис.2, ломаная 3). Кривая 2 соответствует случаю 2 рис.1. Благодаря уменьшению относительной доли ВЧ компонентов в НИ, это позволило бы получить спектр искажений на рис.1, кривая 3, что должно, по-видимому, делать звучание более мягким. Однако этот вопрос требует еще своего изучения.

Особенно заметными недостатки известных ПУЗЧ становятся при совместной работе с современными высококачественными УМЗЧ, например .

При разработке предлагаемого ПУЗЧ учтены перечисленные соображения, вместе с этим желательно достичь максимальной простоты схемы.

Параметры усилителя (рис.3):
Частота среза fc 300 кГц
Коэффициент интермодуляционных НИ при 11вых < 5 В и Rh > 1 кОм в диапазоне 0, 02-20 кГц < 0, 001 %
Номинальное Iвх 0, 25 В
Максимальное I вых 9В
Уровень шума (R^0) -103 дБ
Взвешенное значение -109 дБА
Выходное сопротивление < 0, 1Ом
Фазовый угол при f=0, 1 ...200 кГц < 0, 1°
Минимальное сопротивление нагрузки R 300 Ом

Усилитель выполнен по симметричной схеме на комплементарных парах транзисторов, такая структура значительно повышает его исходную линейность еще до охвата ООС. Все транзисторы, включая выходные, работают в режиме класса "А", причем коллекторный ток покоя VT7, VT8 около 10 мА и позволяет им сохранять этот режим при сопротивлениях нагрузки Rh не менее 300 Ом.

Несмотря на то, что VT5 и VT6 включены по схеме с общим эмиттером, их передаточные характеристики достаточно линеаризированы значительными сопротивлениями в эмиттерных цепях (R15, R16).

Уровень НИ оказался настолько мал, что решено было не применять предусматривавшиеся петли ЕПОС , которые значительно усложнили бы схему.

Входной каскад с целью получения низкого уровня шума выполнен на полевых транзисторах с р-п-переходом. Входное сопротивление усилителя, равное около 350 кОм, определяется только сопротивлениями резисторов R3, R6 (при этом следует не забыть о соответствующем изменении емкостей С1, С2, чтобы постоянные времени ФВЧ R3C1 и R6C2 оставались прежними). Делители напряжения R1R2 и R4R5R7 задают рабочие точки VT1 и VT2, резистор R4 служит для начальной установки нулевого напряжения на выходе усилителя и после настройки его можно заменить постоянным резистором нужного сопротивления, причем значение постоянной составляющей на выходе усилителя не столь критично и может находиться в пределах ±200 мВ.

Для получения большого коэффициента усиления входного каскада и малого шума применена динамическая нагрузка на полевых транзисторах VT3, VT4. Поскольку оба плеча входного каскада (VT1-VT3 и VT2-VT4) в конечном итоге работают на общую нагрузку, это дает выигрыш в уровне шума 3 дБ. В результате шум усилителя оказался примерно втрое (на 10 дБ) меньше, чем у усилителей, входной каскад которых выполнен на ОУ К157УД2.

Сигнал ООС с выхода подается в точку соединения R13R14. Коэффициент передачи цепи ООС определяется цепочками R10R13C3 и R11R1404 вместе с регулятором усиления R12, которым устанавливают коэффициент усиления устройства в пределах 2-5. При желании диапазон регулировки усиления можно расширить уменьшением R10 и R11.

Конденсаторы С5-С7 корректируют АЧХ усилителя с целью получения наилучшей переходной характеристики, но его работоспособность сохраняется и без них, однако фронт прямоугольного импульса в их отсутствие приобретает небольшой выброс, а на "полке" появляется рябь.

Резисторы R19, R20 предохраняют VT7, VT8 от перегрузки при коротком замыкании на выходе.

Режимы усилителя по постоянному току стабилизированы как местной (R13, R14, R8, R9, R15, R16), так и глубокой (около 66 дБ) общей ООС, благодаря чему температурные колебания и дрейф параметров элементов мало сказываются на его работе.

Полевые транзисторы следует подобрать в пары по начальному току стока. У транзисторов VT1, VT2 он должен быть около 0, 8-1, 8 мА, у VT3, VT4 - не менее 5-6 мА. VT1 можно взять с индексами Б, А, VT2 - с индексами И, Е, Ж, К, VT3, VT4 - с индексами Д, Г, Е, КТ3107 - с индексами Б или И, КТ3102 - соответственно А или Б, В, Д, VT5-VT8 можно не подбирать

Конденсаторы С5, С7 - типов КТ, КД, С1-С4 - К73-16, К73-17, К71-4, К76-5 и т.п. В качестве С3, С4 можно использовать электролитические конденсаторы, например, К50-16, К50-6 либо импортные.

Питание усилителя - от любого стабилизированного двуполярного источника напряжения ±15 В.

Налаживание собранного из исправных деталей усилителя несложно. Подбором R8 и R9 устанавливают указанные на схеме напряжения на стоках VT1 и VT2 (12± 0, 5 В), а подбором R17, R18 - напряжения на эмиттерах VT7, VT8 (0, 8-1, 2 В). Параллельно этому подстройкой R4 устанавливают близким к нулю выходное напряжение.

Если же нужные режимы транзисторов сразу установить не удается, следует вначале наладить отдельно входной каскад. Для этого выход усилителя соединяют с общим проводом (чтобы отключить общую ООС) и отключают базы VT5 и VT6 от стоков VT1 и VT2, закорачивая затем эти базы со своими эмиттерами. После этого добиваются во входном каскаде режимов, как указано выше. Если это удается, то восстанавливают соединения схемы и окончательно подбирают R17, R18 и R4.

Схема регулятора громкости и тембра с использованием показанного на рис.3 усилителя представлена на рис.4, где А1, А2 - два таких усилителя; ФРТ - физиологический регулятор тембра ; ТКРГ -тонкомпенсированный регулятор громкости, выход которого подключается к УМЗЧ. Инфразвуковые частоты срезаются в каждом из усилителей А1 и А2 как на входе (ФВЧ R1-R3C1 и R4-R5-R6-C2, рис.3), так и в цепи ООС (R10-R13-C3 и R11-R14-C4), что дает в итоге ФВЧ 4-го порядка (а вместе с входным ФВЧ УМЗЧ - 5-го порядка), этого достаточно для эффективного подавления низкочастотных помех с частотой меньше 20 Гц, таких, например, как от коробленных грампластинок.

В обходе ФРТ нет острой необходимости, так как его органами регулировки легко получить строго горизонтальную АЧХ. Однако эту функцию несложно осуществить, как показано на рис.4, с помощью переключателя S1 и делителя R1R2.

В качестве R12 (рис.3) использован сдвоенный переменный резистор, "половинки" которого включают в разные каналы стереотракта. В каскадах А1 они включены "синфазно" (сопротивление реостата R12 в обоих каналах изменяется в одну сторону при перемещении движка регулятора) и выполняют роль дополнительного регулятора уровня, повышая тем самым перегрузочную способность ПУЗЧ до 26 дБ и обеспечивая согласование АЧХ ТКРГ с уровнем сигнала. В каскадах А2 они включены "противофазно" (сопротивление R12 в одном канале увеличивается, в другом уменьшается) и играют роль регулятора стереобаланса.

На рис.5 изображена принципиальная схема ТКРГ, выполненного на сдвоенном переменном резисторе с двумя отводами типа СП3-30В. Часто в схемах ТКРГ применяется подключение цепей частотной коррекции к движку потенциометра. Движущиеся контакты движка не могут быть идеальными, и при регулировании громкости их сопротивления изменяются от почти нулевого до весьма заметного, особенно после продолжительной эксплуатации. В простом (не тонкомпенсированном) регуляторе это почти не ощущается, особенно если последующий каскад имеет достаточно большое входное сопротивление, и может проявляться незначительными шорохами при регулировании.

В ТКРГ с подключением цепей коррекции к движку дела обстоят значительно хуже, АЧХ при ухудшениях контакта может искажаться очень сильно и становиться полностью неприемлемой, временами оглушая слушателя резким звуком неестественной окраски. Искажениями АЧХ страдают и ТКРГ, цепи коррекции которых подключают как к отводам, так и к движку. В таких ТКРГ даже при идеальном постоянном контакте движка хорошо заметны на слух раздражающие изменения АЧХ при проходе движка мимо отвода.

Предлагаемый ТКРГ лишен этих недостатков, так как в нем к движку потенциометра цепи частотной коррекции не подключаются. Его АЧХ представлены на рис.6. Они являются хорошим приближением к требуемым, благодаря детальной проработке частотно-зависимых звеньев.

В схеме ТКРГ (и в ФРТ) нельзя использовать электролитические конденсаторы, так как постоянная составляющая напряжения на их обкладках при работе данных схем равна нулю. Следует использовать те же типы неэлектролитических конденсаторов, какие указаны в схеме усилителя. Описанный предварительный усилитель и блок регулировки громкости и тембра при работе вместе с УМЗЧ , укомплектованым хорошими акустическими системами, обеспечивают превосходное звучание.

Литература

1. Матюшкин В.П. Сверхлинейный УМЗЧ класса Hgh-End на транзисторах//Радюаматор.-1998.-№8.-С.10-11; №9.-С. 10-11.

2. Матюшкин В.П. Параллельные петли обратной связи и их применение в УЗЧ//Рад1оаматор.-2000.-№12.-2001; №1-3.®