Предварительный усилитель на к157уд2 с темброблоком. Микрофонный усилитель на микросхеме

02.11.2023

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта . Понадобился микрофонный усилитель для записи песен под гитару с двух микрофонов, чтобы можно было корректировать отдельно голос и отдельно гитару.

После поисков на просторах интернета свой выбор остановил на отечественной микросхеме К157УД2, которая была в наличии. Микросхема является малошумящим двухканальным операционным усилителем, который используется в разнообразных устройствах стереофонической аппаратуры. Операционный усилитель К157УД2 работает в большом диапазоне входных дифференциальных напряжений и имеет защиту от коротких замыканий на выходе.

В микрофонном усилителе реализовано типовое включение микросхемы К157УД2. В скобках указана нумерация выводов для реализации 2-го канала.

После нескольких проб убедился, что не хватает микшера для регулировки усиления обеих каналов. Схему микшера на транзисторах также нашел в интернете. И когда собрал усилитель на макетной плате, то его чувствительность и бесшумность работы превзошла все мои ожидания.

И вот после рисования платы в LAY родилась на свет схема сего девайса.

Оба выхода усилителя приходят на вход микшера через переменные резисторы. Выход с микшера на компьютер моно, так как мне так удобнее производить настройки и обработку записанного. Для устранения возможных помех и наводок микрофоны к усилителю подключаются через экранированный провод, а сами микрофоны куплены на сайте Aliexpress. Все транзисторы в микшере заменены на КТ315Г. Схема питается от батарейки КРОНА.

Для записи с микрофона пользуюсь бесплатной программой AUDACITY, так как у нее понятный русскоязычный интерфейс и большой выбор инструментов для обработки записанного материала.

Все детали микрофонного усилителя кроме батареи, переменных резисторов и микрофонов расположены на двух печатных платах (плата усилителя и микшера), выполненных из одностороннего текстолита толщиной 1 мм.

Корпус для усилителя взят от блока питания сканера-принтера. Питание усилителя возможно и от внешнего источника напряжения, для этого на корпусе необходимо предусмотреть гнездо и расположить, например, рядом с тумблером или в торце.

На момент написания статьи усилитель проработал 5 часов в «боевой» обстановке и проблем с питанием пока не наблюдалось. Также можно посмотреть ролик, в котором показываются возможности этого микрофонного усилителя и объясняются некоторые моменты работы с ним.

Архив с печатными платами в формате lay можно скачать по ссылке.

Желаю успеха в повторении конструкции!
До встречи на страницах сайта!
Анатолий Тихомиров (picdiod ), г. Рига

"Справочник" - информация по различным электронным компонентам : транзисторам , микросхемам , трансформаторам , конденсаторам , светодиодам и т.д. Информация содержит все, необходимые для подбора компонентов и проведения инженерных расчетов, параметры, а также цоколевку корпусов, типовые схемы включения и рекомендации по использованию радиоэлементов .

К157УД2 – популярная отечественная интегральная микросхема, реализующая функционал двуканального операционного усилителя с низким уровнем собственного шума. Назначение ОУ чётко не прописано, ИМС может применяться в любых схемах, но наибольшее распространение она нашла в устройствах, работающих со звуковыми колебаниями (частоты 20-20000 Гц).

Класс точности операционного усилителя – средний.

Выходы ИМС имеют встроенную защиту от коротких замыканий.

Микросхема была разработана ещё в 80-х годах XX века, но это не значит, что она утратила свою актуальность в настоящее время. Она по-прежнему может стать основой хорошего звукового усилителя.

Внешний вид

Рис. 1. Внешний вид К157УД2

Тип корпуса, который можно найти на рынке – DIP 14. В другом виде ИМС не производится. Существует модификация КБ157УД2-4, эта ИМС безкорпусная.

Как и для других микросхем в данном корпусе, для К157УД2 актуальны следующие габариты (в мм) и нумерация ножек (смотри расположение ключа).

Рис. 2. Габариты К157УД2

А цоколевка (назначение контактов) – выглядит так.

Рис. 3. Цоколевка К157УД2

Типовые схемы включения К157УД2

Как и любой другой современный операционный усилитель, К157УД2 может быть включена в схему с однополярным или двуполярным питанием. В последнем случае качество усиления заметно лучше.

Усилитель с однополярным питанием

Схема включения при однополярном питании, в соответствии с рекомендациями производителя, выглядит следующим образом.

Рис. 4. Схема включения при однополярном питании

Усилитель с двухполярным питанием

Типовое включение при двуполярном питании может выглядеть так.

Рис. 5. Типовое включение при двуполярном питании

Приёмник СВ, ДВ

В качестве примера применения К157УД2 можно привести схему радиоприёмника средневолнового диапазона и длинных волн.

Рис. 6. Схема радиоприёмника средневолнового диапазона и длинных волн

Питание здесь однополярное. Используются оба ОУ, размещённые в корпусе К157УД2.
Первая катушка отвечает за приём средних волн – должна содержать около 80-100 витков.

А вторая – для длинных, 5-8 витков.

Ещё один вариант - усилитель для мостового включения.

Рис. 7. Усилитель для мостового включения

Подойдёт для эксплуатации с маломощными приборами (например, с наушниками, сопротивление / импеданс которых от 32 Ом).

Генераторы импульсов

ИМС позволяет относительно просто собрать генератор синусоидального сигнала.

Рис. 8. Генератор синусоидального сигнала

Данная схема имеет встроенный стабилизатор амплитуды.

А ниже вариант сборки генератора сигнала прямоугольной формы (меандра).

Рис. 9. Вариант сборки генератора сигнала прямоугольной формы

Обе схемы базируются на колебательных контурах R-C. Номинал сопротивления и ёмкости определяет задающую частоту.

Для первого случая (синус), частота рассчитывается по формуле ƒ = ½ π·R·C.
Для второго (меандр) - ƒ = ½ R·C·1n·(1 + 2·R2 / R1).

Усилители для магнитофонов

Как и говорилось выше, с применением К157УД2 часто изготавливали начинку для аудиоаппаратуры и стереомагнитофонов.

Например, усилитель для портативной версии выглядел следующим образом.

Рис. 10. Усилитель для портативной версии

А для классической магнитолы – так (с двуполярным питанием).

Рис. 11. Усилитель для классической магнитолы

Технические параметры

Напряжение питания может быть в диапазоне 3-18 В (плюс и минус). В предельном режиме работы допускается до 20В.

ИМС может эксплуатироваться при температуре окружающей среды -25 - +70°С.

Выходное напряжение (при питающем 15 В) – более 13 В.

Ток потребления составляет менее 7 мА.

Коэффициент усиления на частотах менее 50 Гц – свыше 50*103.

В диапазоне до 20 кГц – более 300.

U смещения нуля – 5 мВ (при питании 15В и выходном напряжении менее 1,2В).
Коэф. уменьшения синфазных вх. напряжений – более 70 дБ (при питании 15В и частоте ниже 50 Гц).

Коэф. взаимного проникания сигналов (из одного канала в другой) – менее -80 дБ (при питании 15В, частоте 1 кГц и Uвых – 7 В).

Рассеиваемая мощность – менее 500 мВт (показатель актуален для температуры окружающей среды свыше 25°С).

Сопротивление подключаемой нагрузки должно быть более 2кОм.

Ток короткого замыкания – менее 45 мА (при Uпит 15 В и Uвх – 20-180мВ).

Скорость нарастания вых. напряжения (макс.) – 0,5В / мкс.

Аналоги

Полной заменой К157УД2 может выступать отечественная ИМС КР1434УД1А (тип корпуса, распиновка и другие параметры совпадают, это УО средней точности, но напряжение питания – до 22В).

У того же производителя имеется усовершенствованная модель - К157УД3. Она тоже полностью совместима с исходной, но имеет ещё меньший уровень шумов.
Ещё одной альтернативой может выступать сдвоенный ОУ КР140УД20Б.
Из зарубежных аналогов замену можно подобрать только по функционалу (например, два одинарных ОУ LM301 и т.п.).

Даташит

Оригинальной документации разработчика уже не найти. В качестве альтернативы можно использовать описание специального справочника для ДОСААФ 1986 года. Скачать его можно

Дата публикации: 07.05.2018

Мнения читателей

Дмитрий / 21.10.2018 - 07:26
Что за n в формуле для меандра. Спасибо.

Описываемый усилитель, возможно, использовать с любыми источниками сигнала. Предназначен усилитель для работы с колонками, или динамическими головками мощностью 1 – 1,5 Вт. Его можно также использовать как усилитель для наушников. Собран усилитель на широкодоступных компонентах, которые можно извлечь из неисправной бытовой аппаратуры советского производства.

Первый вариант (К157УД2)

Характеристики:
Чувствительность 600 мВ.
THD % на частоте 1000 Гц не более 0,7%
Максимальная выходная мощность не более 0,7 – 1 Вт.

Собран усилитель на микросхеме К157УД2 и восьми транзисторах. Отличительной особенностью данного усилителя является наличие малого количества пассивных компонентов. Всего 4 резистора и 4 конденсатора на канал.

Электрическая принципиальная схема усилителя:

Принцип работы:

Сигнал усиленный микросхемой поступает на выходной каскад собранный на транзисторах. Каждое плечо этого каскада усиливает свою полуволну сигнала. В точке соединения эммитеров транзисторов сигнал оьединяется и подаётся в нагрузку. Напряжение равное половине напряжения источника питания устанавливается резисторами R2 и R3 (левый канал), также R5 и R6 (правый канал). В цепи отрицательной обратной связи стоит резистор R4 (левый канал) и R8 (правый канал).

DA1 (к157уд2) можно заменить на любой сдвоенный операционный усилитель

Выходные транзисторы можно заменить на:
VT1, VT5 кт315 с любым буквенным индексом, также можно применить кт3102 с любым буквенным индексом.
VT3, VT7 кт361 с любым буквенным индексом, также можно применить кт3107 с любым буквенным индексом. Очень важно чтобы коэффициенты усиления транзисторов VT1 и VT3, также VT5 и VT7 были равны.

Мощные транзисторы можно заменить на кт814 и кт815 с любыми буквенными индексами, но с равными коэффициентами усиления.

2 вариант (К157УД1)

Чувствительность 500 мВ.
THD % на частоте 1000 Гц не более 0,8%
Максимальная выходная мощность не более 0,7 – 1,5 Вт.

Схема второго варианта (показан 1 канал, второй собирается по аналогичной схеме).

В связи с применением более мощной микросхемы К157УД1, отпала необходимость использования транзисторов VT1, VT3, VT5, VT7, как в первом варианте. На выходе микросхемы во время работы присутствует сигнал достаточной амплитуды и мощности, чтобы подать на базы мощных транзисторов.

Применяемые детали и возможная замена:
Вместо микросхемы DA1 (к157уд1) можно применить любой одинарный операционный усилитель серий кр574, К140, К153. Но в плане экономии компонентов предпочтительнее первый вариант усилителя.
Вместо выходных транзисторов кт814в и кт815в можно применить транзисторы подобного типа с любыми буквенными индексами, но (обязательное условие) с равными коэффициентами усиления.
На видео показана работа первого варианта усилителя, второй вариант собрал но видео с ним не стал снимать.

Печатную плату можно скачать

Описанный в УМЗЧ высокой верности разрабатывался для субъективной экспертизы звучания цифровых лазерных проигрывателей компакт-дисков (ПКД).

При проведении экспертизы к выходу УМЗЧ подключались мощные высококачественные акустические системы (АС), а его вход соединялся С выходом ПКД с целью обеспечения минимальных фазовых и нелинейных искажений, а также снижения уровня шумов посредством простейшего резистивного делителя напряжения, в качестве которого использовался проволочный переменный резистор СП5-21-А-2 сопротивлением 15 кОм.

Этим делителем можно установить громкость 90—94 фон, необходимую для проведения субъективной экспертизы, поскольку при такой громкости обеспечивается нормальный баланс спектра и нет необходимости в дополнительной частотной коррекции. В дальнейшем регулировка осуществлялась только при смене типа АС или отличии номинального выходного напряжения испытуемого ПКД от стандартного (2 В эфф).

При использовании описанного УМЗЧ в качестве базового усилителя высококачественного звуковоспроизводящего комплекса его необходимо дополнить тонкомпенси-рованным регулятором громкости и регулятором тембра, имеющим чувствительность 150...200 мВ. Описание такого блока регулировки, разработанного автором, и приводится в публикуемой ниже статье.

Основные технические характеристики

Входное сопротивление, кОм - 150
Номинальное входное напряжение, мВ - 150
Номинальное выходное напряжение, м В - 800
Относительный уровень собственных шумов: взвешенное значение - 94дБА, невзвешенное значение - 88дБ
Глубина регулирования громкости, дБ - 36
Глубина регулирования тембра, дБ + 10...—10
Коэффициент гармоник, %, при номинальном уровне ВЫХОДНОГО сигнала.<0,001 %
Перегрузочная способность, дБ 4-18.

Принципиальная схема и принцип работы

Принципиальная схема блока приведена на рис. 1. Первый его каскад собран на ОУ DA1.1 (DA2.1) и выполняет функции регулятора стереобаланса. Резистором R21 коэффициент усиления каждого канала можно изменять в пределах ±4 дБ.

Второй каскад блока собран на ОУ DA1.2 (DA2.2) и представляет собой модификацию активного тонкомпенсирован-ного регулятора громкости, подробно описанного в .

Принцип частотной компенсации этого регулятора в области НЧ основан на изменении при регулировании громкости постоянных времени цепей ООС, охватывающих ОУ — C3R5R7.1 и R7.1R9C6 (C15R26R7.2 и R7.2R30C18), а также изменении АЧХ частотно-зависимого делителя R5R6C4 (R26R27C16) при перемещении движка регулятора громкости R7.1 (R7.2).

Частотную компенсацию в области высших частот обеспечивает цепь C5R8 (C17R28), включенная параллельно части резистора R7.1 (R7.2). В крайнем левом (по схеме) положении движка R7.1 (R7.2) выполняется условие C3R5 = C6(R9+R7.1) (C15R26 = C18(R30+R7.2)).

Принципиальная схема высококачественного регулятор громкости, баланса и тембра ВЧ/НЧ.

Цепь C4R6 (C16R27) зашунтирована согласно принципу виртуального замыкания входов ОУ, а цепь C5R8 (C17R28) шунтирует соответствующая секция резистора R7.1 (R7.2), поэтому каскад имеет единичный и частотнонезависимый (в звуковом диапазоне) коэффициент передачи.

АЧХ, формируемые каскадом в крайних и среднем положениях регулятора громкости R7, показаны на рис. 2 и мало отличаются во всем диапазоне регулирования от идеальных кривых тонкомпен-сации, построенных на основании кривых равной громкости Флетчера — Мансона .

Особенность описанного регулятора громкости — близкая к экспоненциальной зависимость коэффициента передачи на средних частотах при линейной функциональной зависимости сопротивления от угла поворота оси резистора R7.

Это обеспечивает максимальную плавность регулирования, так как повороту оси на один и тот же угол соответствуют равные приращения громкости. Электронные коммутаторы на транзисторах VT1.1. и VT1.2 (VT1.3 и VT1.4) позволяют отключить тонкомпен-сацию.

На ОУ DA3.1 (DA3.2) выполнен активный регулятор тембра низших R13.1 (R13.2) и высших R14.1 (R14.2) частот . На рис. 3 показаны АЧХ, формируемые этим каскадом в разных положениях регуляторов. Как видно из рисунка, максимальная глубина коррекции составляет 10 дБ, что вполне достаточно для звуковоспроизводящего комплекса высокой верности.

В то же время ограничение глубины коррекции позволило уменьшить рассогласование АЧХ и ФЧХ правого и левого каналов до уровней соответственно не более 0,2 дБ и 3 град, в диапазоне частот 20...20 000 Гц в любом положении регуляторов (то же самое относится и к регулятору громкости), что важно для сохранения неизменного положения кажущихся источников звука при натуральном стереозвучании.

Применение активных регуляторов громкости и тембра позволило обеспечить требуемый динамический диапазон устройства в целом достаточно простыми средствами.

Для измерения коэффициента гармоник применялась методика с подавлением первой гармоники, описанная в . На рис. 4 приведены спектрограммы сигнала на выходе блока регулировки громкости и тембра при подаче на его вход сигнала от генератора, спектр которого показан на рис. 5 (первая гармоника частотой 1 кГц на обеих спектрограммах подавлена на 60 дБ).

Относительный уровень наибольшей второй гармоники составляет —108 дБ, что соответствует коэффициенту нелинейных искажений по второй гармонике 0,0004 %, а с учетом высших гармоник общий коэффициент гармоник не превышает 0,001 %.

Вследствие падения петлевого усиления ОУ на высших звуковых частотах уровень интермодуляционных искажений устройства несколько выше. На рис. 6 показаны спектрограммы выходного сигнала при подаче на вход устройства суммы двух синусоидальных напряжений частотой 19 и 20 кГц.

На спектрограмме уровни полезных составляющих (19 и 20 кГц) подавлены на 45 дБ, относительный уровень интермодуляционной составляющей разностной частоты (1 кГц) равен —92 дБ, что соответствует коэффициенту интермодуляционных искажений 0,0025 %.

Конструкция и детали

Блок регулировки питается от стабилизаторов напряжения, выполненных на транзисторах VT2, ѴТЗ и стабилитронах VD2, VD3 и подключенных непосредственно к шинам нестабилизированного источника питания УМЗЧ.

В устройстве применены постоянные резисторы MJ1T-0,125, сдвоенные переменные проволочные прецизионные резисторы СП5-21А-2 (R7, R13, R14) и СП5-21Б (R21). С несколько худшими результатами можно применять СПЗ-30г (R7, R13, R14) и СПЗ-30а (R21). В этом случае разбаланс громкости и АЧХ не будет превышать 2 дБ. В качестве оксидных конденсаторов используются К50-16, остальные КМ-4, КМ-5, КМ-6, К73-11.

Номиналы всех постоянных резисторов и конденсаторов СЗ-С6, С9, С15-С18, С21 не должны отличаться от указанных на принципиальной схеме более чем на 5 %, конденсаторов С8, С10, С20, С23 - более чем на 10 %, остальных — на 20...80 %.

Замена ОУ К157УД2 на другие нежелательна ввиду их хороших шумовых свойств и высокой линейности, а также возможности работать на сравнительно низкоомную нагрузку.

Оба канала устройства собраны на печатной плате из стеклотекстолита. Рисунок печатных дорожек показан на рис. 7, а, а расположение деталей — на рис. 7, 6.

При пониженных требованиях к разбалансу громкости АЧХ и ФЧХ пределы регулирования громкости и тембра могут быть расширены.

Так, чтобы довести глубину регулирования громкости до 60 дБ, следует изменить номиналы четырех резисторов (R6 = R27 = 470 Ом, R9—R30= 1 кОм) и двух конденсаторов (С4 = С16 = 1 мкф), а чтобы увеличить пределы регулирования тембра до ±16 дБ, нужно уменьшить сопротивления восьми резисторов (R15 = R16 = R33 = R34 =300 Ом, R12—R17 = R32 = R36 = 2,7 кОм).

Печатная плата для высококачественного регулятора громкости, баланса и тембра.

Налаживание

Налаживания правильно собранный блок регулировки громкости и тембра не требует. Печатные платы темброблока поставляются кооперативом «Маяк» (см. «Радио» 1990, № 7, с. 80).

Н. СУХОВ. г. Киев, Украина.

Литература:

Сухов Н. УМЗЧ высокой верности.— Радио, 1989, № 6, с. 55— 57.
Сухов Н., Бать С., Колосов В., Чупаков А. Техника высококачественного звуковоспроизведения.— Киев: Тэхника, 1985, с. 27, рис. 2.8. 6.
Newcomb A., Young R. Practical loudness: ап active circuit design approach.— Journal of the Audio Engineering Society, 1976, Vol. 24, N I, pp. 32—35, fig. 1.
Сухов H., Бвть С., Колосов В., Чупаков А. Техника высоко-качественного звуковоспроизведения.— Киев: Тэхника, 1985, с. 35, рис. 2.17.
Сухов Н. УМЗЧ высокой верности.— Радио, 1989, № 7, с. 59, рис. 7.

При разборе хлама в шкафу я случайно нашел свою прошлогоднюю (осень 2013-го) поделку — стрелочный индикатор уровня звука на микросхеме К157УД2. Почему-то тогда она у меня работать не захотела, и я ее забросил куда подальше. А сейчас решил окончательно разобраться — в чем же дело? Ведь сделанный тем же летом первый экземпляр устройства до сих пор исправно работает.
Статья, в которой описывается схема усилителя на микросхеме, находится , вариант 2, «Схема с однополярным питанием». Там же можно посмотреть цоколевку микросхемы К157УД2. Я же прилагаю схему со своими номиналами, главной частью которой является индикатор М68501 и его обвязка.

Сразу замечу, что ее можно подключать как на выход усилителя звука, так и на вход . В первом случае стрелочный индикатор будет показывать мощность выходного сигнала (и, соответственно, при уменьшении громкости регулятором стрелка будет «падать»), а во втором — мощность входного, что иногда бывает полезнее (например, визуально контролировать мощность подводимого сигнала, так как если ее приходит слишком много, то сигнал может начать искажаться). В схеме некоторые номера ножек микросхемы указаны в скобках — это значит, что можно собрать два идентичных усилителя на одной микросхеме, и, соответственно, подключить два индикатора: на правый и левый канал (или на вход и выход усилителя).
Оказалось, что пушки не стреляли по двадцати причинам, и первая из них — не было снарядов. А если говорить о микросхеме, то с ее питанием были серьезные проблемы. Так же пришлось заменить оба электролитических конденсатора (в те времена я еще не закупал их ведрами, поэтому поставил откуда-то вытащенные), разобраться с отпадающей ногой конденсатора 22 нФ и правильно подключить его. После этого схема заработала, хотя я еще не знаю, куда ее можно приспособить.
Диоды — Д311. Чуть хуже будут Д18.
Резистор R5 подстроечный и со «звездочкой» — это значит, что мало того, что его придется подкрутить под уровень сигнала (чтобы, например, при нормальной громкости усилителя стрелка болталась в районе 75% от шкалы), так еще не факт, что 47 кОм подойдет для всех случаев.
Если увеличить номинал резистора R4 (470 — 910k), то можно поднять коэффициент усиления микросхемы и заставить ее «чувствовать» более слабые сигналы (это как раз пригодится, если индикатор подключать ко входу усилителя звука). Например, мне для наблюдения выхода звука с плеера пришлось установить резистор в 1 МОм.
Немного фотографий моей схемы:

И демонстрация работы, когда производится наблюдение за выходом «ВЭФ 216»:

Особенностью схемы является невысокая чувствительность к высокочастотным сигналам (стрелка с бОльшим удовольствием приходит в движение от барабанов и бас-гитары, нежели от голоса и гитарных соло).
А на ночь глядя я встроил в корпус индикатора два синих пятимиллиметровых светодиода. Нормально светят от пяти вольт, если меньше — то работает только один, второй оказался подгоревшим. Для совместимости с другими питающими напряжениями подсветка включена через подстроечный резистор 500 Ом — можно легко запитывать всю схему от 5 — 9 вольт, надо только подкорректировать напряжение.