![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/qp/hn/g_/qphng_t2jnuzhpswqqmxkr2i6ei.jpeg)
Привет, Хабр! В наши дни многие микрофоны для создателей цифрового контента оснащены встроенным аудиоинтерфейсом и предоставляют возможность подключения к компьютеру по USB без необходимости использовать звуковую карту.
С другой стороны, многие ноутбуки имеют ограниченные возможности шины USB. Если необходимо одновременно задействовать несколько внешних устройств, и при этом обрабатывать несколько источников аудиосигнала, то на USB-микрофон просто не хватит ресурсов.
Не хватит их и на аудиоинтерфейс с достаточным числом каналов, поэтому приходится использовать микшер, смешивающий несколько моно- и стереосигналов в один стереосигнал. Чтобы подключить качественный микрофон, микшеру необходим чувствительный балансный аудиовход. Сегодня мы изучим и соберём такой модуль.
Подключить к усилительному тракту проигрыватель, синтезатор или электрогитару очень просто, поскольку они обеспечивают относительно высокое напряжение на выходе — сотни милливольт и выше. Главное, чтобы входное сопротивление усилителя было достаточно высоким.
Чтобы обеспечить приемлемое отношение сигнал-шум, обычно достаточно экранированного аудиокабеля, в котором сигнал идёт по центральному проводу, окружённому оплёткой, соединённой с землёй схемы и массой аппарата.
В современной аудиоаппаратуре такие кабели используются чаще всего с разъёмами типа «джек». Стереоджеки обозначаются как TRS (Tip-Ring-Sleeve), а моноджеки — TS (Tip-Sleeve). Также существуют TRRS джеки для подключения стереофонической гарнитуры с микрофоном.
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/mi/rs/3j/mirs3japxufmu7kuijhtqxcutqo.jpeg)
Джек является очень прочным и надёжным разъёмом, приспособленным к быстрому подключению и отключению, и выдерживающим большое число переключений. Изначально джек предназначался для неавтоматизированных телефонных станций, где оператор вручную соединял вилку вызывающего абонента с розеткой вызываемого.
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/4v/4q/xs/4v4qxsww4s4-wpmo8vbary4syw8.png)
Джек образца 1880 года был изобретён Чарльзом Скрайбнером в Бостоне, штат Массачусетс, и оканчивался не усечённым конусом, а шариком. Именно такие архаичные джеки встречались в ранних советских магнитофонах на радиолампах с карболитовым октальным цоколем.
▍ Старый добрый разъём
В более поздней аппаратуре советского производства аудиокабели было принято снабжать пятиштырьковыми разъёмами ОНЦ-ВГ-4-5 стандарта DIN 41524, что расшифровывается как Deutsches Institut für Normung (Немецкий институт стандартизации).
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/_8/gv/gl/_8gvglkes5frsnix9214twwsskw.jpeg)
Любители старых видеоигр помнят, что такой же разъём, только с восемью, а не пятью штырьками, использовался для подключения к телевизору консоли Sega Mega Drive, она же Genesis. Путём сверления недостающих трёх отверстий и установки штырей из донорского разъёма, дефицитный восьмиконтактный штекер можно было получить из распространённого советского ОНЦ-ВГ-4-5.
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/rl/8y/wz/rl8ywz4o91hdpy1jovp_4lh9qcs.jpeg)
А если вы являетесь ценителем старых компьютеров, то наверняка имеете такой переходник, позволяющий подключить штекер клавиатуры PS/2 в гнездо стандарта PC/AT. Это всё тот же пятиштырьковый DIN 41524, или IEC 60130-9 по новой классификации. Такие же клавиатурные разъёмы использовались и в PC/XT, и в ещё более старой PC Type 1, но протоколы обмена данными отличались.
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/6r/1v/2a/6r1v2afq84xhnj9ntenpnlmeu78.jpeg)
И наконец, разъёмы IEC 60130-9 повсеместно продолжают использоваться для цифрового интерфейса музыкальных инструментов MIDI.
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/bk/pe/ng/bkpengys5hv1oolwe0gefuephm0.jpeg)
В кабеле MIDI цифровой сигнал передаётся в виде не напряжения, а тока. Благодаря этому, обеспечивается высокая устойчивость к внешним наводкам. Такой тип интерфейса называется «токовая петля».
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/mb/ka/ek/mbkaekx2ql6levvrgwupapdqjla.png)
Кабель стандарта MIDI не только экранирован защитной оплёткой, представляющей собой экран Фарадея против электростатических помех, но и предусматривает пару проводов, в которых ток сигнала идёт в противоположных направлениях. Таким образом, индуктивные наводки взаимно вычитаются, и получается прекрасный защищённый интерфейс.
▍ Дифференциальная пара
По паре сигнальных проводов можно передать в виде двух зеркальных противофазных копий не только ток, но и напряжение. На самом деле, в любом случае передаётся и напряжение, и ток, но в случае токового интерфейса мы имеем значительно более низкое входное сопротивление.
В профессиональной аудиотехнике широко применяется балансный микрофонный кабель, представляющий собой экранированную витую пару. Он особенно необходим в следующих случаях:
- для подключения микрофонов вследствие низкой амплитуды их выходного сигнала;
- для подачи сигнала на входы мощных оконечных усилителей звуковой частоты, где даже маленькая амплитуда помехи способна вызвать громкий шум в акустических системах;
- для прокладки длинного кабеля между будкой звукооператора и сценой или комнатой звукозаписи, особенно с учётом того, что в студии и на концерте работает множество различных электроприборов, создающих электромагнитные помехи.
Из числа других применений витой пары можно упомянуть полевой телефонный кабель, шнуры для универсальной последовательной шины USB, UTP и STP кабели сетей Ethernet.
В профессиональной аудиоаппаратуре балансные шнуры используются с разъёмами XLR, часто называемыми «пушками» («сannon»). Это крупногабаритные, прочные, массивные разъёмы.
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/qp/hn/g_/qphng_t2jnuzhpswqqmxkr2i6ei.jpeg)
В отличие от быстросъёмных джеков, штекеры и гнёзда XLR-мама часто снабжены защёлками. Последние предусмотрены, прежде всего, затем, чтобы предотвратить выпадение штекера из микрофона.
▍ Предусилитель с балансным входом
Для того, чтобы усилить сигнал профессионального микрофона, в простейшем случае достаточно обычного дифференциального усилителя на одном операционном усилителе (ОУ).
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/l9/e-/cz/l9e-czat27kcvnt13lwhxfk-kg0.gif)
Чтобы понять, как работает эта схема, вспомним характеристики идеального операционного усилителя.
- Входное сопротивление ОУ стремится к бесконечности, и соответственно, через его входы практически не идёт ток.
- В схеме с замкнутой петлёй отрицательной обратной связи (ООС) напряжение на выходе ОУ будет таким, чтобы обеспечить равенство напряжений на двух входах — инвертирующем и неинвертирующем.
Итак, на обоих входах ОУ будет одно и то же напряжение V, и токи в данной идеализированной схеме протекают только через резисторы: I1 через R3 и R1, и I2 через R2 и R4.
Вышесказанное позволяет нам записать уравнения закона Ома для расчёта падения напряжения на резисторах.
I2 = (V2 - V) / R2 = V / R4;
R4 (V2 - V) = V * R2;
V (R4 + R2) = R4 * V2;
V = V2 * R4 / (R4 + R2);
I1 = (Vout - V) / R3 = (V - V1) / R1;
R1 (Vout - V) = R3 (V - V1);
R1 * Vout = V (R1 + R3) - V1 * R3;
Vout = V (R1 + R3) / R1 - V1 * R3 / R1;
Vout = V2 * R4 (R1 + R3) / (R1 (R2 + R4)) - V1 * R3 / R1.
Если сопротивления всех резисторов равны, то:
Vout = V2 * 1 * 2 / (1 * 2) - V1 * 1 / 1 = V2 - V1.
Таким образом из балансного сигнала получился небалансный с сохранением исходной амплитуды.
Если R3 = 2R1 и R4 = 2R2, то:
Vout = V2 * 2 * 3 / (1 * 3) - V1 * 2 / 1 = 2 (V2 - V1).
Мы получили не только преобразование сигнала в небалансный, но и усиление его амплитуды с коэффициентом передачи 2.
В общем случае, R3 = XR1 и R4 = XR2 даёт коэффициент усиления X.
▍ Как регулировать громкость?
Чтобы управлять уровнем сигнала, снимаемого с микрофона, после такого простейшего дифференциального усилителя на одном ОУ можно включить потенциометр в качестве аттенюатора.
Но сигнал микрофона слабый, поэтому в таком случае нам придётся установить очень высокий коэффициент усиления, и соответственно, получить повышенные искажения, шумы и вероятность самовозбуждения.
К вышесказанному добавляются и другие сложности: разные микрофоны имеют разную чувствительность и разный уровень сигнала на выходе. Одни микрофоны снабжены встроенным или выносным предусилителем, другие — нет.
А ещё, один и тот же микрофон, например, Shure SM-57 или его клон T-Bone MB-75, может использоваться как диктором или певцом, так и в непосредственной близости от гитарного кабинета или барабана ударной установки, где звуковое давление экстремально высоко.
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/kv/tl/ip/kvtlipcmyo9fyexszgyvigu1ugg.jpeg)
В двух последних случаях нашему дифференциальному усилителю может не хватить динамического диапазона, и произойдёт клиппинг — обрезание сигнала. Для перегруженного звучания электрогитары это хорошо, и называется эффектом дисторшн, а в большинстве других контекстов — плохо, если не сказать, недопустимо.
Поэтому регулируемый аттенюатор пригодится не на выходе, а на входе микрофонного предусилителя. А ещё лучше не ослаблять сигнал до или после усилителя, а сделать коэффициент усиления регулируемым.
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/l9/e-/cz/l9e-czat27kcvnt13lwhxfk-kg0.gif)
Для этого нужен двухсекционный переменный резистор вместо R3 и R4. Такие потенциометры не являются редкостью и дефицитом, поскольку повсеместно применяются в стереофонических регуляторах громкости и тембра. Но применение сдвоенного переменного резистора создаёт ещё одну проблему.
▍ Постоянство входного сопротивления
Входное сопротивление инвертирующего канала V1 нашего дифференциального усилителя равно R1+R3, а неинвертирующего канала V2 — соответственно, R2+R4. То есть, при регулировке коэффициента усиления входное сопротивление будет изменяться, причём для более слабого сигнала оно будет становиться ниже.
Эту проблему можно решить, добавив на входы V1 и V2 буферные повторители с высоким и неизменным входным сопротивлением. Получится дифференциальный усилитель на трёх ОУ.
▍ Инструментальный усилитель
Но на тех же трёх ОУ можно построить инструментальный усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, называемый также измерительным усилителем, или электрометрическим вычитателем. Для регулировки коэффициента передачи такому усилителю достаточно одинарного потенциометра. Последний обозначен на схеме как Rg.
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/sh/no/yg/shnoyggiy7uj5adu-fvyzrvm-t0.png)
Зная, что напряжения на входах операционного усилителя равны, мы можем рассчитать силу тока через резистор Rg.
Ig = (V2 - V1) / Rg.
Зная, что через входы ОУ практически не течёт ток, можно рассчитать падение напряжения на трёх резисторах между выходами двух левых ОУ.
V = Ig (R1 + Rg + R1) = (V2 - V1) (2R1 + Rg) / Rg;
V = (V2 - V1) (1 + 2R1/Rg).
Эта разность потенциалов поступает на вход дифференциального усилителя на правом ОУ. Рассчитывать его коэффициент усиления мы уже умеем.
Если R3 = R2, то получается дифференциальный повторитель:
Vout = (V2 - V1) (1 + 2R1/Rg).
Также мы можем получить дополнительное усиление:
Vout = (V2 - V1) (1 + 2R1/Rg) R3/R2.
Если вместо земли 0 подключить правый вывод правого нижнего резистора к источнику напряжения смещения Vo, получим:
Vout = (V2 - V1) (1 + 2R1/Rg) R3/R2 + Vo.
Более того, к постоянному смещению мы можем подмешать переменное напряжение, например, аудиосигнал с линейного входа. Это никак не нарушит работу схемы и может помочь сэкономить компоненты, отказавшись от отдельного узла смесителя (микшера).
▍ Можно сделать проще
Также существует ещё более экономная схема дифференциального усилителя на двух ОУ, в которой тоже можно регулировать коэффициент передачи одним переменным резистором.
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/pe/gh/pr/peghpranw9b9tamglrmoeveigci.png)
Для простоты представим, что сопротивления всех четырёх постоянных резисторов одинаковы:
R1 = R2 = R3 = R4 = R.
Нижний операционный усилитель будет поддерживать падение напряжения на резисторе R4 равным входному напряжению U1. Таким образом, ток через этот резистор будет равен:
Ir4 = U1 / R.
Согласно первому правилу Кирхгофа:
Ir4 = Ir3 + Irgain.
Напряжение на инвертирующем входе верхнего ОУ равно U2, поэтому:
Irgain = (U2 - U1) / Rgain;
U1 / R = Ir3 + (U2 - U1) / Rgain;
Ir3 = (U1 / R) + (U1 - U2) / Rgain;
Отсюда можно рассчитать напряжение на выходе нижнего операционного усилителя:
Ir3 = (U - U1) / R = (U1 / R) + (U1 - U2) / Rgain;
U - U1 = U1 + (U1 - U2) R/Rgain;
U = 2U1 + (U1 - U2) R/Rgain.
Тогда ток через резистор R2 равен:
Ir2 = (U2 - U) / R = (U2 - 2U1 - (U1 - U2) R/Rgain) / R.
Ir2 = (U2 - 2U1)/R + (U2 - U1)/Rgain.
Наконец, мы можем рассчитать ток через R1 и падение напряжения на нём:
Ir1 = Ir2 + Irgain;
Ir1 = (U2 - 2U1)/R + (U2 - U1)/Rgain + (U2 - U1)/Rgain;
Ir1 = (U2 - 2U1)/R + 2(U2 - U1)/Rgain;
Ur1 = U2 - 2U1 + 2(U2 - U1)R/Rgain.
Теперь, чтобы получить выходное напряжение нашего инструментального усилителя, достаточно сложить U2 c падением на R1:
Ur1 = U2 + U2 - 2U1 + 2(U2 - U1)R/Rgain;
Ur1 = 2U2 - 2U1 + 2(U2 - U1)R/Rgain;
Ur1 = (U2 - U1) (2 + 2R/Rgain).
Итак, коэффициент передачи данного усилителя составляет 2(1 + R/Rgain). Его выходное сопротивление низкое, а входное — высокое и неизменное. Получается прекрасный вариант микрофонного предусилителя.
▍ Продолжение следует
На видео представлен процесс изготовления печатной платы мини-микшера, содержащего, кроме описанного сегодня инструментального усилителя на двух ОУ, схему фантомного питания и фильтр верхних частот.
Изучить принципы работы этих узлов и увидеть готовое устройство мы сможем в следующей статье. Напишите в комментариях, какие схемы с дифференциальными усилителями встречались в вашей практике.
Скидки, итоги розыгрышей и новости о спутнике RUVDS — в нашем Telegram-канале 🚀
![](https://webcf.waybackmachine.org/web/20240306110536/https://habrastorage.org/webt/4g/dr/oa/4gdroaajo7o0zzvwwx5__rlzhwi.png)