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Mixer: modulo ingresso microfonico

Foto del modulo microfonico Figura 1: La foto del modulo per ingresso microfonico del mixer modulare audio.

Il circuito per ingresso microfonico è di fatto un semplice preamplificatore microfonico che si occupa di adattare i segnali provenienti da un microfono a segnali di tipo audio di linea. Svolge due funzioni:

  1. Convertire il segnale da forma bilanciata (segnale caldo, segnale freddo e massa) a forma sbilanciata (senale e massa).
  2. Amplificare il debole segnale proveniente dal microfono (tipicamente, alcuni millivolt);

Per svolgere questa operazione il modulo utilizza due amplificatori operazionali, e dunque viene usato completamente un integrato LM358, che ne continene appunto due.

1 - Caratteristiche del circuito

Il modulo presenta vari elementi comuni al modulo per ingressi di linea:

  • Ingresso microfonico: è pensato per segnali bilanciati, formati da cavo caldo, cavo freddo e massa. Tale tipo di segnale è tipico dei microfoni professionali, ovvero quelli che hanno il connetore XLR, detto anche Cannon. Nel caso di microfono con segnale sbilanciato (due soli cavi, sengale e massa), ad esempio con connetore jack, è necessario cortocircuitare il pin 3, quello del cavo freddo, a massa. I due tipi di connettori sono mostrati in Figura 2.
  • Uscita diretta: è possibile prelevare da questa coppia di pin un segnale audio da collegare direttamente a un dispositivo esterno (un registratore, un amplificatore, ecc). Il segnale è disaccoppiato dal microfono, gia amplificato e il suo volume regolato dal potenziometro. Il dispositivo che viene collegato a questi piedini deve avere un'ingresso a alta impedenza; è sconsigliato ad esempio il collegamento con delle cuffie (che hanno un'impedenza bassa).
  • Presa al modulo precedente e Spina al modulo successivo: presa e spina per condividere con tutti i moduli del mixer i segnali comuni (tensione di alimentazione Vcc, massa, segnale audio e tensione di polarizzazione Vcc/2)
Foto dei connettori XLR e jack Figura 2: A sinistra sono mostrati due connettori XLR (Cannon) maschio e femmina, utilizzati per trasportare segnali bilanciati. A destra è mosttato un connetora jack, utilizzato per trasportare segnali sbilanciati.

2 - Note costruttive

Il circuito non presenta particolari problemi costruttivi, e la scheda è di dimensione 4cm x 7cm, ovvero la dimensione base di un modulo del mixer. Come nel caso di modulo per ingressi di linea si raccomanda di prestare attenzione ai pin delle prese e spine per collegare gli altri moduli, in modo che questi siano perfettamente aderenti, per far si che i potenziometri sul pannello utente abbiano tutti la stessa distanza.

Schema del modulo con preamplificatore microfonico Figura 3: Lo schema del modulo del mixer con un ingresso microfonico.

3 - I segnali microfonici

Prima di addentrarsi nella spiegazione del circuito, è opportuno illustrare brevemente le caratteristiche dei segnali microfonici, poichè il progetto del preamplificatore dipende fortemente da questi. In particolare, si possono compiere alcune considerazioni sul tipo di linea bilanciata e sui bassi livelli di tensione.

3.1 - I livelli dei segnali microfonici

I segnali microfonici sono di solito compresi tra 1mV e 10mV, a seconda del tipo di microfono. Per poter arrivare ai livelli dei segnali di linea, che sono circa 1V, è necessario dunque amplificare il segnale. Considerando il caso peggiore di un segnale microfonico basso, ad esempio 2mV, è necessario un guadagno α=400 per ottenere 1,2V. In questo progetto assumeremo tale valore α=400 come guadagno complessivo del circuito. Il suo valore esatto non è importante: la presenza di un potenziomtro permette di regolare il volume all'atto pratico, adattando i livelli ai vari tipi di microfoni.

Un guadagno di 400 per un amplificatore contenente un solo operazionale è piuttosto alto. E' opportuno suddividere tale guadagnao su due stadi, ciascuno dei quali guadagna circa 20.

3.2 - La linea bilanciata

Schema di linea bilanciata Figura 4: Lo schema mostra la struttura di una linea bilanciata, e come questa soluzione possa, in teoria, eliminare totalmente i disturbi.

Lo scopo della linea bilanciata è quello di eliminare i disturbi che possono essere captati da un cavo molto lungo che trasporta un segnale Vs da un punto A a un punto B. Anzichè utilizzare un solo conduttore con il segnale Vs, vengono utilizzati due conduttori, che trasportano la metà di Vs (cavo caldo) e la metà di Vs con segno negativo (cavo freddo):

Latex: 
	& V_{caldo}^A  = \frac{V_{s}}{2} \\
  & V_{freddo}^A = - \frac{V_{s}}{2}

Poichè i due conduttori sono posti accanto nel cavo, quando un disturbo elettromagnetico Vdist colpisce il cavo, questo si somma positivamente a entrambi i segnali:

Latex: 
	& V_{caldo}^B  = \frac{V_{s}}{2} + V_{dist}\\
  & V_{freddo}^B = - \frac{V_{s}}{2} + V_{dist}

Se al termine del cavo viene fatta la differenza dei due segnali, il disturbo si elimina, e il risultato è Vs puro:

Latex: 
	V_{s}^B = \left( \frac{V_{s}}{2} + V_{dist}\right) - \left( - \frac{V_{s}}{2} + V_{dist} \right) = V_s

Il tipo di circuito a cui collegare un microfono con linea bilanciata è dunque un amplificatore differenziale, che effettui la differenza tra segnale caldo e segnale freddo.

4 - Il progetto

Il circuito è suddiviso in due stadi. Il primo stadio è un amplificatore differenziale che si occupa di convertire il segnale bilanciato proveniente dal microfono in segnale sbilanciato, amplificandolo di circa 20. Il secondo stadio disaccoppia il potenziometro del volume dai moduli successivi, e amplifica ulteriormente di 20.

4.1 - Il primo stadio: l'amplificatore differenziale

Il primo stadio del preamplificatore microfonico è costituito da un amplificatore differenziale, le cui equazioni sono ben note in letteratura; ponendo R1=R2 e R3=R4 si può scrivere: Latex: V_{A} = \frac{R_{3}}{R_{1}}\left(V_{caldo} - V_{freddo}\right) dove Vcaldo e Vfreddo sono le tensioni rispettivamente ai piedini 2 e 3 del conntettore Pmic1. Come discusso in precedenza, questo stadio deve guadagnare circa 20, e dunque poniamo R3=R4=20KΩ e R1=R2=1KΩ.

4.2 - Il secondo stadio: l'amplificatore invertente

Il secondo stadio del preamplificatore microfonico è costituito da un semplice amplificatore invertente, anch'esso ben documentato in letteratura, con equazione: Latex: V_{C} = - \frac{R_{7}}{R_{5}} V_{B} dove VC è la tensione in uscita al secondo operazionale, ad esempio sul connettore P2, mentre VB è la tensione in uscita al primo operazionale. Come per il primo stadio, scegliamo di far guadagnare tale stadio circa 20, e dunque poniamo R7=22KΩ e R5=1KΩ.

4.3 - Il potenziometro del volume e il guadagno totale

Quando il cursore del potenziometro è girato verso il piedino 3, il segnale in uscita al primo stado è riportato interamente al secondo stadio, e il volume è massimo; in altre parole, è come se il potenziometro non ci fosse. Al contrario, quando il cursore del potenziometro è sul piedino 1, l'ingresso del secondo stadio è cortocircuitato verso massa, e dunque in uscita non è presente alcun segnale. Infine, il gadagno complessivo del secondo stadio quando il cursore è in una posizoine intermedia è già stato presentato per il modulo per ingressi di linea, e vale in questo caso:

Latex: V_{C} = - \frac{R_{7} R_x}{R_{5}R_{V1} + R_x R_{V1} - R_x^2} \cdot V_{A}

Il guadagno totale è dunque dato dal prodotto dei singoli stadi: Latex: 
  V_{C} &= \alpha_{diff} \cdot \alpha_{inv} \cdot \left( V_{caldo} - V_{freddo} \right) \\
	V_{C} &= \frac{R_{3}}{R_{1}} \cdot \frac{R_{7} R_x}{R_{5}R_{V1} + R_x R_{V1} - R_x^2} \cdot \left( V_{caldo} - V_{freddo} \right)
dove αdiff è il guadagno del primo stadio differenziale e αinv è il guadagno del secondo stadio invertente. Nella Figura 5 è mostrata la dinamica del volume.

La linearità nella regolazione del volume Figura 5: La figura mostra l'andamendo del guadagno complessivo del circuito, ovvero del volume, in funzione della posizione del potenziometro.

4.4 - I condensatori di disaccoppiamento

I condensatori C1, C2 e C5 si occupano di bloccare la tensione continua di polarizzazione in modo che non fluisca nei dispositivi esterni connessi. I condensatori C3 e C4 invece evitano che la tensione contiuna finisca sul potenziometro. Se ciò succedesse infatti, il potenziometro rischierebbe di bruciarsi quando assume valori di resistenza troppo bassa; inoltre, il secondo stadio amplificherebbe anche la tensione continua proveniente dal primo stadio, saturando immediatamente.

4.5 - Il condensatroe CB1

Il segnale Vcc/2 è in teoria una tensione continua, fornita con il solo scopo di polarizzare i vari stadi del mixer. Tuttavia nella realtà possono essere presenti piccoli disturbi Vdist, dovuti ad esempio all'ondulazione residua (ripple) dell'alimentazione di rete. Ciò può diventare un problema nel secondo stadio del preamplificatore microfonico.

Il circuito non invertente in assenza di CB1 Figura 6: La figura mostra come può essere interpretato il secondo stadio dell'amplificatore microfonico nel caso in cui il potenziometro del volume sia a zero, ovvero quando l'ingresso dello stadio è a massa.

Quando il volume del microfono è nullo, ovvero quando il cursore del potenziometro è a massa, il secondo stadio può infatti essere visto, dal punto di vista del disturbo su Vcc/2, come un amplificatore non invertente, come mostrato in Figura 6. Il suo guadagno vale:

Latex: V_{C} = \frac{R_{7} + R_{5}}{R_{5}} \cdot V_{dist} = 23 \cdot V_{dist}

Un guadagno di 23 è sufficiente a amplificae il disturbo a tal punto da renderlo udibile. In altre parole, abbassando il volume aumenterebbe sempre più il rumore causato da un eventuale disturbo su Vcc/2.

Per ovviare a questo problema, è necessario inserire CB1: dal punto di vista di Vcc/2 è un circuito aperto, e dunque inesistente. Dal punto di vista del disturbo Vdist è un corto circuito verso massa, che fa si che la tensione di disturbo in ingresso all'amplificatore non invertente sia nulla, eliminando così rumori in uscita al modulo microfonico quando il volume è basso.

Bibliografia e ulteriori letture

  1. Amplificatore differenziale
  2. Mixer modulare: modulo ingressi di linea
  3. Amplificatore differenziale
  4. Amplificatore invertente
  5. Amplificatore non invertente
  6. Connettore XLR (Cannon)
  7. Connettore Jack
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