RU2768203C1

RU2768203C1 - Microphone amplifier

Info

Publication number: RU2768203C1
Application number: RU2021123580A
Authority: RU
Inventors: Руслан Владимирович Садовников
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ОКТАВА ДИЗАЙН И МАРКЕТИНГ"
Priority date: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2022-03-23

Abstract

FIELD: acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to acoustics. The microphone amplifier contains a high-resistance resistor, a polarizing voltage filter, a switchable voltage divider, a voltage multiplier, an input coupling capacitor, a repeater, an inverter, output coupling capacitors, an alternating voltage generator, a linear voltage regulator, an input power filter, power supply resistors, an EMC filter. The input repeater is made on the basis of an operational amplifier with a high-resistance input, the signal to which is supplied from the microphone capsule through an isolation capacitor, and the polarizing voltage to the microphone capsule is supplied through intermediate elements from a voltage multiplier, to which an alternating voltage is supplied from the generator, operational amplifiers are powered from a linear stabilizer and a generator, from the output of the repeater, the signal is fed to one output of the amplifier and to the input of the inverter, made on the operational amplifier, from the output of which the signal is fed to another output of the amplifier, to the input of which the signal from the output of the repeater is supplied.

EFFECT: reduction of distortions, as well as reduction of weight and size characteristics.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике. The invention relates to radio engineering.

Известен микрофонный усилитель по патентному документу SU 1490702 А1, опубл. 30.06.1989, который содержит трансформаторы, дифференциальный каскад, конденсаторы, операционные усилители, резисторы и переменный резистор. При регулировании усиления одновременно и одинаково изменяются параметры параллельной и последовательной отрицательных обратных связей. Сигнал с выхода операционного усилителя (далее – ОУ) подается одновременно на оба входа ОУ (методом вычитания). Максимальному усилению микрофонного усилителя соответствует минимальный коэффициент передачи по напряжению с одного выхода ОУ на другой выход ОУ. При максимальном усилении устраняется влияние шумов ОУ на выходной уровень шума микрофонного усилителя.Known microphone amplifier according to patent document SU 1490702 A1, publ. 06/30/1989, which contains transformers, a differential stage, capacitors, operational amplifiers, resistors and a variable resistor. When adjusting the gain, the parameters of the parallel and serial negative feedbacks change simultaneously and equally. The signal from the output of the operational amplifier (hereinafter referred to as the op-amp) is fed simultaneously to both inputs of the op-amp (by subtraction). The maximum gain of the microphone amplifier corresponds to the minimum voltage transfer coefficient from one output of the op-amp to the other output of the op-amp. At maximum gain, the influence of op-amp noise on the output noise level of the microphone amplifier is eliminated.

Недостатком известно микрофонного усилителя является сложность его конструкции, высокое энергопотребление, что влечёт за собой высокие экономические траты при его изготовлении и использовании, при этом из-за сложности его конструкции и количества деталей в нём высока вероятность выхода из строя, что вызывает сомнение в его высокой надежности и продолжительности использования.The disadvantage of a well-known microphone amplifier is the complexity of its design, high power consumption, which entails high economic costs in its manufacture and use, while due to the complexity of its design and the number of parts in it, there is a high probability of failure, which raises doubts about its high reliability and duration of use.

Задачами изобретения является устранение недостатков известного микрофонного усилителя и расширение арсенала технических средств в области микрофонных усилителей.The objectives of the invention is to eliminate the shortcomings of the known microphone amplifier and expand the arsenal of technical means in the field of microphone amplifiers.

Техническим результатом является снижение искажений, а также уменьшение массогабаритных характеристик и стоимости в усилителе из-за отсутствия трансформаторов связи.The technical result is a reduction in distortion, as well as a reduction in weight and size characteristics and cost in the amplifier due to the absence of coupling transformers.

Технический результат достигается за счёт, микрофонного усилителя, который содержит высокоомный резистор, фильтр поляризующего напряжения, переключаемый делитель напряжения, умножитель напряжения, входной разделительный конденсатор, повторитель, инвертор, выходные разделительные конденсаторы, генератор переменного напряжения, линейный стабилизатор напряжения, фильтр входного питания, резисторы подачи питающего напряжения, ЭМС фильтр. Входной повторитель выполнен на основе операционного усилителя с высокоомным входом, сигнал на который подаётся с микрофонного капсюля через разделительный конденсатор. Поляризующие напряжение на микрофонный капсюль подаётся через промежуточные элементы с умножителя напряжения, на который поступает переменное напряжение с генератора, который запитан от линейного стабилизатора. С выхода повторителя через разделительный конденсатор и ЭМС фильтр сигнал подаётся на прямой выход усилителя, а также на вход инвертора, выполненного на операционном усилителе. С выхода инвертора сигнал поступает на инверсный выход усилителя через разделительный конденсатор и ЭМС фильтр. The technical result is achieved due to the microphone amplifier, which contains a high-resistance resistor, a polarizing voltage filter, a switchable voltage divider, a voltage multiplier, an input isolation capacitor, a repeater, an inverter, output isolation capacitors, an alternating voltage generator, a linear voltage regulator, an input power filter, resistors power supply, EMC filter. The input repeater is made on the basis of an operational amplifier with a high-impedance input, the signal to which is fed from a microphone capsule through a coupling capacitor. The polarizing voltage to the microphone capsule is supplied through intermediate elements from a voltage multiplier, which receives an alternating voltage from a generator, which is powered by a linear stabilizer. From the output of the repeater, through an isolation capacitor and an EMC filter, the signal is fed to the direct output of the amplifier, as well as to the input of the inverter, made on the operational amplifier. From the output of the inverter, the signal is fed to the inverse output of the amplifier through a coupling capacitor and an EMC filter.

На фигуре 1 изображена блок-схема микрофонного усилителя.Figure 1 shows a block diagram of a microphone amplifier.

Микрофонный усилитель предназначен для использования совместно с конденсаторным микрофонным капсюлем с внешней поляризацией 1 и устройством, имеющим дифференциальный микрофонный вход с возможностью подачи фантомного питания. The microphone amplifier is designed to be used with an externally polarized 1 condenser microphone capsule and a device that has a differential microphone input with phantom power.

Микрофонный усилитель содержит высокоомный резистор 2, фильтр поляризующего напряжения 3, переключаемый делитель напряжения 4, умножитель напряжения 5, входной разделительный конденсатор 6, повторитель на специализированном операционном усилителе (ОУ) 7, инвертор на ОУ 8, выходные разделительные конденсаторы 9 и 10, генератор переменного напряжения 11, линейный стабилизатор напряжения 12, фильтр входного питания 13, резисторы подачи питающего напряжения 14 и 15, ЭМС фильтр 16.The microphone amplifier contains a high-resistance resistor 2, a polarizing voltage filter 3, a switchable voltage divider 4, a voltage multiplier 5, an input coupling capacitor 6, a follower on a specialized operational amplifier (op-amp) 7, an op-amp inverter 8, output coupling capacitors 9 and 10, an alternator voltage regulator 11, linear voltage regulator 12, input power filter 13, power supply resistors 14 and 15, EMC filter 16.

Фантомное напряжение питания подаётся через ЭМС фильтр 16, резисторы 14 и 15 и фильтр 13 на вход линейного стабилизатора 12. С выхода линейного стабилизатора стабилизированное напряжение Uп на питание операционных усилителей 7, 8 и генератора прямоугольного напряжения 11. Использование стабилизатора 12 и фильтра 13 позволяет добиться практически полной независимости характеристик усилителя от качества входного фантомного напряжения питания. С выхода генератора переменного напряжения 11 напряжение поступает на умножитель 5. Применение умножителя 5 позволяет получить поляризующие напряжение на капсюле 1 отличным от напряжения фантомного питания, и при этом значение поляризующего напряжения не зависит от входного фантомного напряжения питания за счёт применения линейного стабилизатора 12. Увеличение и стабилизация входного поляризующего напряжения позволяет повысить чувствительность капсюля и уменьшить нестабильность чувствительности. При повышении чувствительности снижается уровень приведённых ко входу шумов. Переключаемый делитель напряжения позволяет регулировать поляризующие напряжение на входе капсюля подбирая тем самым оптимальный динамический диапазон для конкретной ситуации. Фильтр поляризующего напряжения 3 позволяет избавится от шумов, возникающих в поляризующем напряжении после умножителя и тем самым снизить уровень шумов микрофона. Через резистор 2 поляризующие напряжение подаётся на вход капсюля. Использование в качестве резистора 2 высокоомного резистора позволяет увеличить чувствительность микрофона на низких частотах. Разделительный конденсатор 6 препятствует попаданию поляризующего напряжения на вход повторителя на ОУ 7. Повторитель на ОУ является конвертером импеданса с коэффициентом усиления 1. В повторителе 7 используется малошумящий ОУ с высокоомным входом и малым коэффициентом нелинейных искажений, что позволяет добиться уровня шумов менее 5,5 нВ/√Гц, уровня нелинейных искажений менее 0.0005%, входного сопротивления 10¹³ Ом. Также применение ОУ 7 позволяет работать с входным сигналом вплоть до амплитуд Uп/2 без внесения существенных искажений. Использование инвертора на ОУ 8 позволяет добиться высокого качества согласования выходных импедансов линий прямого и инверсного выхода во всём диапазоне частот. Это позволяет добиться повышения устойчивости к синфазным помехам без использования выходного трансформатора, имеющего существенные габариты, массу и вносящего существенные искажения в сигнал. Применение двухканального ОУ для реализации каскадов 7 и 8 позволяет термокомпенсировать температурный дрейф выходного сопротивления усилителей. Выходной сигнал через разделительные конденсаторы 9 и 10 и фильтр ЭМС 16 подаётся на прямой и инверсный выходы микрофона. Применение фильтра ЭМС позволяет снизить восприимчивость системы к высокочастотным индустриальным наводкам и снизить паразитное электромагнитное излучение, создаваемое генератором прямоугольных импульсов 11 и умножителем 5. The phantom supply voltage is supplied through the EMC filter 16, resistors 14 and 15 and filter 13 to the input of the linear stabilizer 12. From the output of the linear stabilizer, the stabilized voltage Up is fed to the operational amplifiers 7, 8 and the square-wave generator 11. The use of the stabilizer 12 and filter 13 makes it possible to achieve almost complete independence of the characteristics of the amplifier from the quality of the input phantom supply voltage. From the output of the alternating voltage generator 11, the voltage is supplied to the multiplier 5. The use of the multiplier 5 makes it possible to obtain the polarizing voltage on the capsule 1 different from the phantom power voltage, and at the same time, the value of the polarizing voltage does not depend on the input phantom supply voltage due to the use of a linear stabilizer 12. Increase and stabilization of the input polarizing voltage allows you to increase the sensitivity of the capsule and reduce sensitivity instability. Increasing the sensitivity reduces the level of noise brought to the input. A switchable voltage divider allows you to adjust the polarizing voltage at the capsule input, thus selecting the optimal dynamic range for a particular situation. The polarizing voltage filter 3 allows you to get rid of the noise that occurs in the polarizing voltage after the multiplier and thereby reduce the noise level of the microphone. Through the resistor 2, the polarizing voltage is applied to the input of the capsule. Using a high-resistance resistor 2 as a resistor allows you to increase the sensitivity of the microphone at low frequencies. Coupling capacitor 6 prevents polarizing voltage from entering the follower input to op-amp 7. The follower to op-amp is an impedance converter with a gain of 1. Follower 7 uses a low-noise op-amp with a high-resistance input and low harmonic distortion, which makes it possible to achieve a noise level of less than 5.5 nV /√Hz, the level of non-linear distortion is less than 0.0005%, the input impedance is 10 ¹³ Ohm. Also, the use of OU 7 allows you to work with the input signal up to amplitudes Up/2 without introducing significant distortion. The use of an inverter on the op-amp 8 makes it possible to achieve high quality matching of the output impedances of the direct and inverse output lines over the entire frequency range. This makes it possible to achieve an increase in immunity to common-mode noise without using an output transformer, which has significant dimensions, weight and introduces significant distortions into the signal. The use of a two-channel op amp for the implementation of stages 7 and 8 makes it possible to thermally compensate for the temperature drift of the output impedance of the amplifiers. The output signal through coupling capacitors 9 and 10 and EMC filter 16 is fed to the direct and inverse microphone outputs. The use of an EMC filter makes it possible to reduce the susceptibility of the system to high-frequency industrial pickups and to reduce parasitic electromagnetic radiation generated by the rectangular pulse generator 11 and multiplier 5.

Микрофонный усилитель содержит входной повторитель на основе операционного усилителя (7) с высокоомный входом, сигнал на который подаётся с микрофонного капсюля (1) через разделительный конденсатор (6). А поляризующие напряжение на микрофонный капсюль подаётся через промежуточные элементы (2,3,4) с умножителя напряжения (5), на который поступает переменное напряжение с генератора (11) стабильность амплитуды которого обеспечивает линейный стабилизатор напряжения (12). От него также запитаны усилители (7 и 8). Для обеспечения симметричности выходного дифференциального сигнала по импедансу используется инвертор на операционном усилителе (8), на вход которого подаётся сигнал с выхода усилителя (7).The microphone amplifier contains an input follower based on an operational amplifier (7) with a high-impedance input, the signal to which is fed from the microphone capsule (1) through an isolation capacitor (6). And the polarizing voltage to the microphone capsule is supplied through intermediate elements (2,3,4) from the voltage multiplier (5), which receives an alternating voltage from the generator (11), the amplitude stability of which is ensured by a linear voltage stabilizer (12). Amplifiers (7 and 8) are also powered from it. To ensure the symmetry of the output differential signal in terms of impedance, an inverter on an operational amplifier (8) is used, the input of which is fed with a signal from the output of the amplifier (7).

С целью снижения искажений, а также уменьшения массогабаритных характеристик и стоимости, в усилителе отсутствуют трансформаторы связи, а входной каскад усиления выполнен на операционном усилителе (7) с высоким входным импедансом, что обеспечивает минимальные нелинейные искажения и большой динамический диапазон. In order to reduce distortion, as well as reduce weight and size characteristics and cost, there are no coupling transformers in the amplifier, and the input amplification stage is made on an operational amplifier (7) with a high input impedance, which ensures minimal non-linear distortion and a large dynamic range.

Изобретение призвано уменьшить искажение и шумы, обеспечить регулировки динамического диапазона, повысить помехоустойчивость, снизить зависимости характеристик от нестабильности напряжения питания.The invention is intended to reduce distortion and noise, provide dynamic range adjustment, increase noise immunity, and reduce the dependence of characteristics on supply voltage instability.

Claims

Microphone amplifier containing high-resistance resistor, polarizing voltage filter, switchable voltage divider, voltage multiplier, input coupling capacitor, repeater, inverter, output coupling capacitors, AC voltage generator, linear voltage regulator, input power filter, power supply resistors, EMC filter (EMS), characterized in that the input follower is made on the basis of an operational amplifier with a high-resistance input, the signal to which is supplied from the microphone capsule through an isolation capacitor, and the polarizing voltage to the microphone capsule is supplied through intermediate elements from a voltage multiplier, to which an alternating voltage is supplied with generator, the operational amplifiers and the generator are powered from the linear stabilizer, from the output of the follower through the coupling capacitor and the EMC filter, the signal is fed to the direct output of the amplifier and to the input of the inverter, made on operational amplifier, from the output of which the signal through a coupling capacitor and an EMC filter is fed to the inverse output of the amplifier.