Микрофонный усилитель с компрессией при прослушивании звуков, например, в детской комнате, нам необходимо четко воспроизводить как слабые звуки, такие как дыхание, так и сильные звуки, к примеру плач, крик и т.д. При записи слабого звука выход наиболее распространенных на сегодня электретных микрофонах небольшой, так что усилитель, с помощью которого этот сигнал должен быть усилен до линейного уровня, должен иметь коэффициент усиления по напряжению порядка тысяч. Однако при получении сильного звука выходной сигнал такого усилителя будет перегружен.
Таким образом, для четкого мониторинга было бы целесообразно, чтобы слабые сигналы усиливались больше, а сильные — меньше, чтобы сигнал на выходе усилителя во всех случаях имел приблизительно постоянный достаточно высокий уровень. Этому требованию в значительной степени отвечает простой микрофонный усилитель с динамической компрессией, принципиальная схема микрофонный усилитель с компрессией показана на рисунке.
Микрофонный усилитель с компрессией предназначен для передачи речевых сигналов, улавливаемых микрофоном. Частотный диапазон усилителя — минимум от 300 Гц до 10 кГц. Следующие ниже измеренные значения применимы к синусоидальному сигналу с частотой 1 кГц. При межпиковой амплитуде входного сигнала 400 мкВ выходной сигнал имеет амплитуду 500 мВ, поэтому коэффициент усиления по напряжению составляет около 1250. По мере увеличения амплитуды входного сигнала коэффициент усиления уменьшается.
Например, при межпиковой амплитуде входного сигнала 4 мВ выходной сигнал имеет межпиковую амплитуду 1,1 В (коэффициент усиления по напряжению составляет около 275), а при межпиковой амплитуде входного сигнала 40 мВ выходной сигнал имеет амплитуду 1,2В (коэффициент усиления по напряжению около 30). По мере дальнейшего увеличения межпиковой амплитуды входного сигнала выходной сигнал уже имеет слегка усеченные отрицательные полуволны, а от межпиковой амплитуды 400 мВ выходной сигнал сильно искажается.
Первый каскад усилителя на транзисторе Т1, каскад ослабления на Т5, второй, каскад усиления Т2, третий каскад усилителя Т3 и компаратор выходного сигнала на транзистореТ4 соединены последовательно в усилителе. Низкочастотный сигнал с электретного микрофона MI1, подаваемый через резистор R1, поступает на усилитель. Микрофон припаян к печатной плате усилителя, конечно можно разместить его вне платы и подключить к входу усилителя экранированным кабелем длиной до нескольких метров.
Сигнал с микрофона усиливается перед ослаблением, чтобы минимизировать общий шум усилителя. T1 включен по схеме с общим эмиттером, а его рабочая точка определяется резистором R2. Транзистор T1 нагружен сопротивлением, образованным параллельной комбинацией сопротивления резистора R3 и входного сопротивления второго каскада усилителя. Эмиттерные резисторы R4 и R5 создают отрицательную обратную связь, которая определяет коэффициент усиления по напряжению около 10. R4 соединен с R5 проволочной перемычкой над печатной платой. Когда, например, если микрофон более чувствителен, нам нужно уменьшить общее усиление усилителя, мы убираем перемычку и таким образом уменьшаем усиление напряжения каскада примерно в 3 раза.
Конденсатор C2 повышает устойчивость каскада (устойчивость к возбуждению). Было измерено, что при напряжении питания усилителя 12В на эмиттере Т1 (на землю) имеется напряжение 0,2В, на базе Т1 — 0,8В, на коллекторе Т1 — 2,7 В и на плюсе конденсатора C9, 4В. Каскад регулировки усиления включен как резистивный делитель напряжения, часть которого образована последовательной комбинацией R3 и C3, и внутренним сопротивлением транзистора T5.
Внутреннее сопротивление T5 зависит от тока, на базе T5 — при нулевом оно почти бесконечно, при увеличении оно уменьшается и, например, при токе 100 мкА оно составляет около 100 ом. Таким образом, по величине тока можно регулировать усиление каскада от 1,6 до 1000 раз. Хотя внутреннее сопротивление транзистора T1 является нелинейным, мы можем считать его линейным для сигнала низкой частоты с максимальной амплитудой 10 мВ. Таким образом, сигнал низкой частоты не искажается транзистором T5.
Второй каскад усилителя T2 также включен с общим эмиттером, и его рабочая точка определяется резистором R6. В каскаде не вводится отрицательная обратная связь, так что каскад усиливается примерно в 200 раз. С коллектора T2 усиленный низкочастотный сигнал поступает на третий каскад усилителя, на транзисторе T3 включенный как эмиттерный повторитель с коэффициентом усиления 1. Задача этого каскада — обеспечить небольшое выходное сопротивление всего усилителя.
Сигнал низкой частоты подается на выход через разделительный конденсатор C5 и резистор R10 на разъем выход. R10 также предотвращает возможное возбуждение. С коллектора транзистора T2 сигнал подается через разделительный конденсатор C6 на T4, который работает как компаратор. Транзистор T4 сравнивает амплитуду отрицательных полуволн низкочастотного сигнала с T3 и его напряжением открытия. Для кремниевых транзисторов обычно считается напряжение открытия от 0,55 до 0,65В, которое необходимо приложить между базой и эмиттером, чтобы транзистор был открыт.
Если сигнал от микрофона настолько слаб, что амплитуда отрицательного полуволнового сигнала низкой частоты на транзисторе T3 меньше примерно 0,5В, то есть напряжения открытия, T4 полностью закрыт. Когда сигнал от микрофона достигает уровня, при котором колебания отрицательных полуволн низкочастотного сигнала на транзисторе T3 превышают величину напряжения открытия, импульсы тока начинают течь через коллектор T4. Когда эти импульсы сглаживаются фильтрующим элементом R11 и C7, транзистор Т5 начинает слегка открываться, и его внутреннее сопротивление начинает уменьшаться. Это действие начинает уменьшать усиление микрофонного сигнала.
По мере дальнейшего увеличения уровня сигнала с микрофона T5 открывается все больше и больше, так что амплитуда низкочастотного сигнала на транзисторе T3 остается примерно постоянной и составляет от 0,55 до 0,65В. Поскольку положительные полуволны низкочастотного сигнала имеют ту же амплитуду на выходе микрофонный усилитель с компрессией, что и отрицательные полуволны, сигнал на выходе усилителя имеет, как уже упоминалось, максимальную межпиковую амплитуду около 1,2В.
Микрофонный усилитель с компрессией питается от внешнего источника стабилизированным постоянным напряжением 12В, которое подается на клеммы. Потребляемый ток около 3 мА.