Ламповый преамп для микрофона своими руками

Ламповый микрофон из МК-319

Более 85 % микрофонов, которые сейчас используют в студиях звукозаписи, на радиостанциях и сценических площадках, — конденсаторные. Профессиональный микрофон, как известно. состоит “из электроакустического преобразователя (далее — капсюля) и согласующего устройства. Блок питания, предварительный усилитель и соединительные кабели входят в комплект микрофона, если они являются его неотъемлемой частью.

Схема лампового микрофона

Качество звучания, полученного с использованием конкретного микрофона, зависит от исполнения всех его составных частей. В статье автора (3) по результатам измерения объективных характеристик и проведения субъективных экспертиз показано влияние материала мембраны микрофона на его качественные показатели. В частности, традиционно используемая позолоченная лавсановая (майларовая) мембрана может быть заменена никелевой или титановой фольгой (толщиной 5 и 2 мкм соответственно), которая обеспечивает долговременную стабильность характеристик микрофона при сохранении субъективных показателей.

Кстати, в микрофоне Neumann M150 применена именно титановая мембрана диаметром 12 мм (4). В качестве согласующего устройства в студийных конденсаторных микрофонах традиционно используются катодные (истоковые) повторители с трансформатором на выходе. Повторитель напряжения должен иметь низкое выходное (десятки — сотни ом для согласования с линией) и очень высокое (до 1 ГОм) входное сопротивление. Высокое входное сопротивление нужно для получения нижней граничной частоты микрофона 16…30 Гц при емкости капсюля 10 пФ

В профессиональных конденсаторных микрофонах конца прошлого века в качестве преобразователя импеданса использовались малошумящие полевые транзисторы как с р-n переходом, так и с изолированным затвором. Однако в начале нынешнего века у музыкантов и студий звукозаписи опять возник интерес к ламповым предусилителям, размещаемым в корпусе конденсаторных микрофонов. Видимо, ценители звука ламповых микрофонов слышат нечто, не описываемое несколькими десятками объективных показателей, задаваемых действующими стандартами (2).

Мировой рынок микрофонов чутко реагирует на эту тенденцию. Цена отдельных моделей зарубежных брендов (Noiman, AKG, Rode и др.) достигает 500 тыс. руб. Российское ПАО “Октава” также выпускает несколько моделей студийных ламповых микрофонов, правда, ценой на порядок ниже [4]. В настоящей статье представлен простой ламповый предусилитель (ПУ). размещаемый в корпусе конденсаторного микрофона МК-319 Разработанный микрофон можно подключать к микшерным пультам и компьютерным интерфейсам, имеющим фантомное’1 питание 48 В, что позволит музыкантам без больших материальных затрат оценить достоинства усиливаемого звука. Для питания подогревателя катода применен дополнительный источник постоянного напряжения 6…6.3 В.

О выходном трансформаторе. 8 статье автора [5] на примере исследования и модернизации конденсаторного микрофона МК-220 было показано, что выходной трансформатор — основной источник нелинейных искажений на низких частотах при больших уровнях сигналов. Кто-то может заметить, что именно гармонические искажения трансформатора создают уникальный тембр записываемого инструмента. Это иногда полезно, если записывается одноголосый инструмент и гармонические искажения действительно обогащают его тембр. Однако положение радикально изменяется, если на входе микрофона присутствуют сигналы разных частот.

Нелинейность трансформатора приведет к появлению интермодуляционных искажений с суммарными и разностными частотами, что резко ухудшит прозрачность звучания. Поэтому разработанный предусилитель не содержит выходного трансформатора, что соответствует мировой тенденции создания микрофонов TLM (TransformLess Microphones). ПАО “Октава” выпускает ряд недорогих студийных конденсаторных микрофонов с встроенными предусилителями на полевых транзисторах. Среди них конденсаторный кардиоидный микрофон МК-319 с выходным трансформатором.

В таком микрофоне заводской предусилитель был заменён автором на ламповый бестрансформаторный предусилитель, описываемый ниже. Модернизированный микрофон с 2012 г. эксплуатируется в учебной студии звукозаписи Ростовской государственной консерватории им. С. В. Рахманинова, в основном для записи вокала, и востребован музыкантами. О выборе лампы В легендарном микрофоне Telefunken U47/U48 (создан в 1946 г.) использована лампа VF-14M — октальный пентод, включённый триодом (экранирующая и защитная сетки соединены с анодом), которую теперь невозможно найти [6). В некоторых микрофонах применены лампы 12АХ7, в других — нувисторы 7586 (AKG С-12А, Neumann U63).

Как известно, нувисторы обладают высокой вибро- и ударопрочностью, расширенным температурным интервалом эксплуатации (до 300 °С), имеют низкий микрофонный эффект и сниженные шумы Советский аналог нувистора 7586 — металлокерамический триод 6С51Н (7) массой всего три грамма! Следует отметить, что отечественные и импортные нувисторы не дефицитны и не дороги. В СССР был выпущен целый ряд металлокерамических триодов: 6С52Н. 6С53Н, 6С62Н, 6С63Н и 6C6SH, поэтому предусилитель разработан с расчётом на применение и этих ламп.

Принципиальная схема предлагаемого предварительного усилителя (ПУ) приведена сайте на рис. 1. Усилитель состоит из трёх каскадов: во входном применена электронная лампа — триод 6C51H(VL1). второй каскад выполнен на транзисторе структуры р-п-р (VT1), третий — двухтактный повторитель на комплементарных транзисторах (VT2, VT3), работающих в режиме класса АВ. Весь усилитель охвачен 100-процентной ООС по напряжению, которая обеспечивает

Фантомное питание — неотъемлемый атрибут студийных, театральных и концертных микшерных пультов, к которым подключают транзисторные конденсаторные микрофоны. Напряжение питания +48 В на микрофон подается через резисторы симметричной нагрузки (обычно сопротивлением 6.8 кОм или близким к этому) из микшерного пульта через разъем микрофонного входа.

стабильность режимов и малые нелинейные искажения.
Напряжение смещения на управляющую сетку триода VL1 поступает через резистор R2 с резистивного делителя R3R4. Так как переменное напряжение на катоде практически повторяет напряжение на сетке, то падение переменной составляющей на резисторе R2 близко к нулю, что практически исключает этот резистор из входного сопротивления каскада. Конденсатор С1 с помощью переключателя SA1 образует ёмкостный делитель с ёмкостью капсюля ВМ1 (аттенюатор 10 дБ). Цепь C3R1 с помощью переключателя SA2 образует фильтр верхних частот с частотой среза 240 Гц (ФВЧ) для компенсации эффекта ближней зоны микрофона — приёмника градиента давления.

Цепь R5C5 в анодной цепи VL1 исключает самовозбуждение ПУ в ультразвуковой полосе частот, цепи R9C4, R10C7 — фильтры напряжения питания. При выключении питания микрофона конденсатор С8 разряжается через диод VD1, защищая транзистор VT3 от обратного напряжения. Напряжение на диодной сборке VD2 задаёт начальный ток транзисторов VT2, VT3. Падение постоянного напряжения на резисторе R7 уменьшает напряжение коллектор- эмиттер транзистора VT1, снижая рассеиваемую им мощность и уровень вносимого шума.

Стабилизатор напряжения питания + 14 В для двухтактного выходного каскада выполнен на транзисторе VT4 и резисторах R10. R12, R13. При увеличении выходного переменного напряжения, нагруженного ПУ возрастает и потребляемый им ток, при этом ток транзистора VT4 снижается, обеспечивая стабилизацию напряжения. На выходе ПУ включён ФНЧ второго порядка (R11L1C9R9R10 с внешним сопротивлением нагрузки) с частотой среза 160 кГц (на уровне -3 дБ) для подавления интерференции частот работающих радиостанций и внутреннего генератора, создающего напряжение поляризации.

Этот генератор собран по схеме индуктивной трехточки на транзисторе VT5, катушке индуктивности L2 и конденсаторе С14. Рабочая частота — 1,2…2,2 МГц (в зависимости от использованного магнитолровода). Цепи R18C15, R15C10 и R17С18 образуют фильтры по цепи питания. Напряжение генератора поступает на двухполупериодный выпрямитель C16C17VD3C19C20, включенный последовательно с внешним напряжением фантомного питания, поступающим с контакта 3 соединителя ХР1. Полученное напряжение +80 В сглаживается ФНЧ на элементах R16, С12, С13 и поступает на мембрану М капсюля ВМ1.

Сигнал с неподвижного электрода НЭ капсюля через разделительный конденсатор С2 поступает на сетку лампы VL1. Таким образом, получение повышенного напряжения поляризации и питание цепи анода триода VL1 осуществляются за счёт напряжения фантомного питания, поступающего с контактов 2 и 3 соединителя ХР1 (XLR-3). Режимы активных элементов, указанные на схеме, получены путём моделирования ПУ в MicroCAP-7. Так как в этой программе модель триода-нувистора отсутствует, использовалась модель триода 12АХ7. Напряжение анод—катод триода VL1 равно 23…24 В. что вполне достаточно для его нормальной работы.

Постоянное напряжение накала 6 В (относительно корпуса) поступает с контакта 4 соединителя ХР1. Фактически соединитель XLR-3 имеет не три, а четыре контакта; четвёртым является корпус разъёма, который в его обычном применении соединён с контактом 1, обеспечивая соединение корпуса с общим проводом. В описываемом ПУ это соединение по переменному току осуществляется через стабилизатор напряжения накала (СНН), выходное сопротивление которого не превышает доли ома.

Схема блока стабилизатора показана на рис. 2. Он собран в небольшом металлическом корпусе, на котором закреплены соединители ХР1 (вход напряжения 9…12 В), ХР2 (выход на кабель к микшерному пульту) и четырёхпроводный кабель с разъёмом XS1 для подключения к микрофону. Источник напряжения+9… 12 В, обеспечивающий ток не менее 0,2 А, является внешним (покупным) устройством и может быть выполнен с сетевым трансформатором или высокочастотным преобразователем. Напряжение этого источника поступает на микросхему DA1 стабилизатора напряжения +6 В, а затем на контакт 4 соединителя XS1 XLR-3. Конденсатор С1 обеспечивает сглаживание низкочастотных пульсаций напряжения, а конденсатор С2 исключает высокочастотное возбуждение.

В качестве альтернативы вместо блока питания 9… 12 В и микросхемы DA1 в стабилизаторе напряжения накала можно использовать частично потерявшие ёмкость литий-ионные аккумуляторы от ноутбуков (ввиду малого тока накала — 0,15 А). Для получения напряжения 7,2 В достаточно использовать два из батареи аккумуляторов. Избыточное же напряжение легко погасить добавочным резистором сопротивлением 2…8 Ом. В этом случае разъём ХР1 можно использовать для подключения зарядного устройства на основе микросхемы ТР4056. Время работы аккумуляторной батареи зависит от ёмкости и может превышать 20 ч.

Ламповый микрофон и его технические характеристики

На рис. 3 показаны расчётные амплитудно-частотные характеристики ПУ с выключенным и включённым ФВЧ (переключатель SA1). Коэффициент передачи ПУ равен -0.86 дБ на частоте 1 кГц, частота среза ФВЧ — 239 Гц (контакты переключателя SA2 замкнуты), крутизна спада — 6 дБ на октаву. Коэффициент гармонических искажений, опредёленный в программе MicroCAP-7 по шести гармоникам, при подаче на вход ПУ сигнала частотой 1 кГц и амплитудой 5 В составил в сумме 0,69 %. Уменьшение амплитуды входного сигнала до 4,5 В привело к снижению искажений до 0,18%.

Частотная зависимость спектральной плотности шумового напряжения на выходе ПУ для ёмкости капсюля Ск = 62 пФ показана на рис. 4. Увеличение постоянной времени CкR2 снижает спектральную плотность шумов, что соответствует выводам в [8]. Частотная характеристика чувствительности (ЧХЧ) собранного микрофона, показанная на рис. 5, измерена с помощью экспресс-сигнала [9] по методике, описанной в (10], а эквивалентный уровень шума — по методике (11]. Остальные его характеристики экспериментально исследовались по методике из статьи [5] при сопротивлении нагрузки 1,5 кОм, включённой на выход микрофона

(контакт 2 соединителя ХР1) через разделительный конденсатор емкостью 10 мкФ на напряжение 63 В. Основные параметры микрофона МК-319 с ламповым ПУ представлены в таблице вместе с параметрами микрофона Neumann М147 tube singl. Чувствительность микрофона МК-319 с ламповым ПУ повысилась в 2,3 раза (+7,1 дБ), уровень предельного звукового давления увеличился на 10 дБ, динамический диапазон возрос на 9 дБ несмотря на увеличение эквивалентного уровня шума на 1 дБ.

Конструкция и детали. Печатные платы разработаны и изготовлены для предусилителя по схеме на рис. 1 и стабилизатора напряжения накала (схема на рис. 2). ПУ с преобразователем напряжения собран на печатной плате, изготовленной из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и размерами 93×40 мм. На рис. 6 показаны чертежи, на фото рис. 7 — вид платы с двух сторон. Стабилизатор напряжения накала собран на печатной плате из такого же фольгированного стеклотекстолита размерами 67×38 мм. На рис. 8 показаны чертежи, на рис. 9 — фотография монтажа блока стабилизатора.

В предусилителе использованы элементы для поверхностного монтажа типоразмера 0805. Постоянный резистор R16 — С2-ЗЗН или МЛТ-0,125, резистор R1 — Р1-32-0.125 или КИМ (можно использовать высокоомный резистор из заменяемого предусилителя). Конденсаторы С1— СЗ, С14 малогабаритные керамические, оксидные конденсаторы К50-35 или импортные, остальные для поверхностного монтажа (конденсатор С10 —танталовый).

Транзисторы VT2 и VT3 нужно подобрать с одинаковым коэффициентом передачи тока с разбросом не более 5 %. Вместо указанных на схеме можно использовать транзисторы с другими буквенными индексами. Катушку индуктивности L2 наматывают проводом ПЭЛШО-0,12 на ферритовом кольце М600НМ с внешним 7 мм и внутренним диаметром 4 мм и высотой 2 мм. Секция обмотки 1—2 имеет 21 виток, а 2—3 — 33 витка.

Монтажные точки 1 и 2 ПУ (см. С2 на рис. 1) не должны иметь контакта со стеклотекстолитом. Для этого в плате в этих точках сверлят два отверстия диаметром 2…2,5 мм. В них вставляют отрезки фторопластовых трубок такого же диаметра длиной 2…2,5 мм, в которые вставляют вывод НЭ капсюля, конденсаторы С1 и С2 (точка 1), а также выводы конденсаторов С2 и СЗ, резистора R2 и сетки лампы VL1 (точка 2), после чего внутренность трубок заливают припоем. Оксидный конденсатор С8 установлен со стороны печатных проводников (см. рис. 7,6). При травлении печатной платы ПУ нежелательно использовать хлорное железо, невымытые остатки которого в высокоомных цепях приводят к шорохам и нежелательным шумам.

В Интернете [12] предложен недорогой состав одноразового травящего раствора, мало загрязняющего плату: 100 мл аптечной перекиси водорода (трёхпроцентный раствор), 30 г лимонной кислоты и 5 г поваренной соли (на 1 дм2 платы с фольгой толщиной 35 мкм). Травящий раствор желательно нагреть в водяной бане до 50…60 °С; готовую плату нужно промыть слабым раствором уксусной кислоты и затем дистиллированной водой. Для подключения собранного блока СНН к микрофону следует изготовить из кабеля КММ-4 четырёхпроводный шнур длиной 2…2,5 м.

Провода с одного конца кабеля распаивают на соединитель XS1 типа XLR-3 (розетка), с другого конца распаять провода на плату стабилизатора накала в соответствии со схемой рис. 2. К соединителю ХР1 стабилизатора (см. рис. 2) подключить внешний сетевой источник напряжения +9… 12 В, на контакты 2 и 3 соединителя ХР2 (вилка XLR-3) подключить через резисторы сопротивлением 6,8 кОм напряжение +48 В. Измерить напряжения на контактах соединителя XS1 относительно контакта 1: на контактах 2, 3 — +48 В, на контакте 4 — +6 В.

При налаживании смонтированного ПУ контактные площадки 1 —4 его платы следует подключить к соединителю ХР1 (вилка XLR-3, см. рис. 1). На вход ПУ (точка 1, рис. 1) припаивают керамический конденсатор ёмкостью 62 пФ как эквивалент капсюля. Контакты переключателей SA1 и SA2 — в разомкнутом положении. Между выходом ПУ (контакт 2 соединителя ХР1) и общим проводом через конденсатор ёмкостью 10 мкФ на 63 В подключают нагрузку в виде резистора сопротивлением 1,5 кОм. Плату ПУ следует поместить в закрываемую металлическую коробку (экран), которую соединяют с общим проводом.

Розетку XS1 шнура стабилизатора напряжения накала соединяют с вилкой ХР1 предусилителя. Сначала проверяют режимы ПУ по постоянному току. Напряжение в точках соединения коллекторов выходных транзисторов VT2, VT3 должно быть +6,5±0,5 В. При выходе за указанные пределы следует подобрать резистор R4. Постоянное напряжение поляризации следует измерять электростатическим вольтметром или электронным вольтметром с входным сопротивлением не менее 30 МОм. К свободному выводу конденсатора ёмкостью 62 пф и общему проводу подключают звуковой генератор, на котором устанавливают частоту колебаний 1 кГц и напряжение 1 В. Затем измеряют напряжение на выходе ПУ и определяют коэффициент его передачи, который должен быть в пределах 0,85…0,95.

Проверяют АЧХ предусилителя в полосе частот 20…20000 Гц; неравномерность не должна превышать ±0,5 дБ. Увеличивая напряжение генератора до 3 В, убеждаются в симметрии ограничения выходного напряжения на выходе. Размах неискажённого сигнала на выходе ПУ — не менее 6 В. На этом налаживание заканчивается. После этого плату ПУ следует вновь тщательно промыть спиртобензиновой смесью с обеих сторон, чтобы исключить всякие утечки по поверхности платы.

Налаженную плату предусилителя устанавливают в корпус микрофона МК-319 вместо заводской. Нужно помнить, что разборка и последующая модификация микрофона влекут потерю права на его бесплатный ремонт в течение гарантийного срока. Работы с микрофоном нужно выполнять предельно аккуратно и осторожно, так как при обрыве мембраны ремонт капсюля в домашних условиях выполнить невозможно. Разборку конденсаторного микрофона МК-319 проводят в следующем порядке.

1. Отвинчивают четыре винта по углам платы переключателей.
2. Поднимают плату переключателей, вывинчивают два винта (снизу) и отделяют лицевую панель переключателей от печатной платы.
3. Снимают защитную сетку микрофона, отвинтив четыре винта крепления.
4. Хотя мембраны капсюлей микрофона имеют защитные пластмассовые крышки, следует усилить защиту мембран от попадания пыли и мелкого мусора во время работы с микрофоном. Проще всего изготовить защитный чехол из плотной бумаги или материи и плотно надеть его на крышки капсюлей.
5. Далее следует отвернуть накидную гайку снизу микрофона и снять кронштейн крепления микрофона к стойке.
6. Вывёртывают винт (внизу на корпусе микрофона) и, прижав плату переключателей к печатной плате предусилителя, осторожно вытаскивают (в сторону капсюлей) все внутреннее устройство из корпуса микрофона.
7. Определив выводы мембраны и неподвижного электрода капсюля, помечают их и отпаивают.
8. Три проводника, идущих к разъёму XLR, отпаивают от заменяемой печатной платы.
9. Отвинчивают два винта снизу и два винта сверху крепления заменяемой платы предусилителя к разъёму и узлу крепления капсюлей.
   После установки печатной платы нового ПУ в конденсаторный микрофон МК-319 проводят сборку микрофона в последующем порядке.
10. Печатную плату лампового ПУ закрепляют четырьмя винтами к разъёму XLR-3 и узлу крепления капсюлей.
11. Припаивают четыре проводника от разъёма XLR к точкам 1—4 новой платы, учитывая цоколёвку разъёма (см. рис. 1, рис. 7, а).
12. Припаивают проводники от капсюля к точкам 1 и 2 платы лампового ПУ.
13. Соединение элементов C1, СЗ, R1, SA1 и SA2 выполняют в соответствии со схемой рис. 1.

Далее для сборки микрофона выполняют пункты 1—6 в обратном порядке.
Окончательная проверка состоит в подключении микрофона через блок СИИ к разъёму симметричного входа микшерного пульта или компьютерного интерфейса с фантомным питанием 48 В и в испытании микрофона совместно со звукоусилительным оборудованием или звукозаписывающей аппаратурой. Качество звукопередачи двух микрофонов (один выбран за эталон) проще всего сравнивать, разделив процессы записи и прослушивания.

Записывать сигналы с микрофонов следует с использованием высококачественной аппаратуры звукозаписи (частота дискретизации — записи (частота дискретизации — 96 или 192 кГц, число разрядов — 20/24 бит, формат записи — без компрессии, например wav). Оба микрофона устанавливают рядом на минимальном расстоянии и записывают звучания различных музыкальных инструментов (аккордеон, скрипка, фортепиано, труба и т. п.) и вокалистов. Записи могут быть короткими — по 30…45 с. За неимением экспертов для сравнительных прослушиваний важно выбрать пять-шесть человек с хорошим слухом в возрасте 16…35 лет (музыкальное образование желательно, но не обязательно).

Аппаратура воспроизведения должна быть высококачественной и одинаковой для обоих микрофонов. Эксперты прослушивают фонограммы, чередуя случайным образом записи с образцового и испытуемого микрофонов, и делают оценки каждой фонограммы по пятибалльной системе. Полученные оценки по каждому из микрофонов усредняют, определив математическое ожидание (среднее значение) и среднеквадратическое отклонение (разброс оценок) [3]. При такой методике субъективные оценки выбранных слушателей становятся условно-объективными.

Источник