mic-bobyork (1)

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Circuito de Microfone
Índice
Visão geral
1b
Manual de Laboratório ECE 2C
Nesta segunda parte do laboratório nº 1, você construirá um circuito de microfone usando um cartucho 
de microfone condensador de eletreto compacto. O amplificador de áudio e o microfone são 
componentes importantes de muitos sistemas de comunicação de áudio e serão usados em nosso 
sistema transceptor ultrassônico.
2
Por que o LM353?
2
Esquemas completos para o laboratório nº 1b
1.2
8
2
Cronograma para o Laboratório nº 1
4
Microfones
1,3 
1,4
1
3
Informações básicas
Antes de vir para o laboratório
6
1.1 Alguns comentários sobre nossa escolha de CIs
10
Preparação pré-laboratorial
4
Procedimento em laboratório
6
Pré-amplificador de microfone 
Sistema de link de áudio unidirecional simples 
Possíveis melhorias
© Bob York
2
Lista de peças
6
6
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Lista de peças
O laboratório ECE2 está equipado com resistores, portanto, não se assuste se o seu kit não incluir os resistores 
listados abaixo. Algumas dessas peças também podem ter sido fornecidas em um kit anterior.
Cronograma para o Laboratório nº 1
Para cumprir o cronograma, você precisa fazer o seguinte: 
Amplificador de 
áudio Circuito do 
microfone O projeto do amplificador de áudio é mais complexo e demorado do que o pré-amplificador do microfone, 
portanto, parte da semana 2 pode ser usada para finalizar o amplificador de áudio. Toda a protoboard e os testes 
podem e devem ser feitos em laboratório. A soldagem e a fiação podem e devem ser feitas fora do laboratório.
f =______________Hz f =______________Hz
ÿ Com referência ao esquema completo na Figura 1-1, calcule a frequência de corte inferior imposta pelos capacitores 
C1 e C2 e as resistências no circuito:
Antes de vir para o laboratório ÿ 
Leia o experimento de laboratório para se familiarizar com os componentes e a sequência de montagem. Antes de 
vir para o laboratório, cada grupo deve obter um kit de peças na Loja ECE.
ÿ Semana #1:
ÿ Semana #2:
alto
Preparação pré-laboratorial
© Bob York
Circuito de Microfone2
2
U1
C3
MIC
C1
2 2,2 kOhm 1/4 W
C2
1 1 LF353N Amplificador operacional JFET de banda larga dupla 
1 Soquete IC de baixo perfil de 8 pinos
C6, C7
R3, R5
2 10kOhm 1/4W 1 
33kOhm 1/4W 1 trimpot 
de 10k 1 eletrolítico 
de 1uF 25V (fio PC) 1 eletrolítico de 10uF 
25V (fio PC) 2 eletrolítico de 100uF 25V (fio 
PC) 1 capacitor de 0,001uF (cerâmica de baixa 
voltagem CKO5) 2 capacitor de 0,1uF (cerâmica de baixa 
voltagem CKO5) 1 placa vetorial de 4,5" x 2,5"
Cápsula de microfone condensador de eletreto
C4, C5
R4
R6
R1, R2
baixo
Pré-
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Esquemas completos para o laboratório nº 1b
3
3
Figura 1-1 – Esquema do pré-amplificador do microfone.
Preparação pré-laboratorial
© Bob York
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vibram e, portanto, a capacitância muda.
Se o capacitor for 
carregado por meio de um resistor pull-
up externo, conforme mostrado na Figura 
1-2a, a capacitância variável no tempo 
induzirá uma corrente variável no tempo 
através do resistor e, portanto, uma tensão 
CA.
Outro tipo de microfone é o microfone “condensador”, que explora forças eletrostáticas em vez de indução 
magnética. O “cone”, neste caso, é uma fina membrana metálica que forma um lado de um capacitor de placas 
paralelas (condensador é um termo antigo para capacitor). Uma onda sonora incidente faz com que a membrana
Microfones: Um 
alto-falante pode ser usado ao contrário para criar um microfone. Nesse caso, a onda sonora incidente leva a uma 
deflexão mecânica do cone e da bobina móvel. De acordo com a Lei de Faraday, uma corrente variável no tempo 
será induzida porque a bobina está se movendo através de um campo magnético (produzido pelo ímã permanente). 
Embora qualquer alto-falante possa ser usado como microfone, a maioria dos alto-falantes é desnecessariamente 
grande para esse propósito, exceto em aplicações simples de intercomunicação, onde é comum usar o mesmo 
componente para desempenhar as funções de alto-falante e microfone.
Um tipo especialmente popular de 
microfone condensador atualmente é o 
"condensador de eletreto" da Figura 1-2b. Neste caso, a capacitância variável no tempo é usada para modular a 
tensão de gate em um FET integrado, que armazena e amplifica o sinal.
A capacitância é construída a partir de um material de eletreto com polarização permanente ou carga fixa, portanto, 
não é necessário polarizar o capacitor como em um microfone condensador convencional, mas é claro que o buffer 
FET requer polarização. Uma ilustração de um eletreto típico
fora
forasom som
R
R
+V +V
Informações básicas
Figura 1-3 – Construção de um cartucho de microfone eletreto
© Bob York
Figura 1-2 – Dois tipos de microfones condensadores (capacitivos). (a) microfone condensador padrão. 
(b) microfone condensador de eletreto. O eletreto utiliza uma capacitância especial com carga fixa (um 
eletreto) integrada a um buffer FET. A linha tracejada indica o detalhe interno da cápsula do microfone; 
o resistor é fornecido externamente pelo projetista.
(um) (b)
Circuito de Microfone4
4
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Portanto, precisamos sempre amplificar substancialmente o sinal de áudio. Este é o propósito do 
circuito implementado na segunda parte deste laboratório. Se você estiver interessado, duas boas 
fontes de informação sobre microfones são:
A maioria dos microfones gera sinais de nível muito baixo, da ordem de um milivolt ou menos.
A seção transversal do microfone e a rede de polarização são mostradas na Figura 1-3. O sinal de 
saída deve ser acoplado em CA ao amplificador por meio de um capacitor de bloqueio CC de alto 
valor. O resistor pull-up R determina a impedância de saída do dispositivo e define a tensão de 
polarização no buffer FET. O FET normalmente consome cerca de 0,1-0,2 mA e pode operar em uma 
ampla faixa de tensões, portanto, a escolha de R não é crítica.
http://www.acoustics.salford.ac.uk/acoustics_world/id/Microfones/Microfones.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Microfone
5
5 © Bob York
Informações básicas
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1.1 Alguns comentários sobre nossa escolha de CIs
Procedimento em laboratório
1.2 Pré-amplificador de microfone ÿ Configure sua 
placa de ensaio sem solda com conexões de +/- 12 V e aterramento usando a fonte de alimentação 
de bancada. Adicione os capacitores de alimentação grandes de 100 ÿF (C6 e C7) à sua placa 
de ensaio, conforme mostrado no esquema da Figura 1-1.
Figura 1-4 – Pinagem do LF353, exemplos de conexões de energia e capacitores de desacoplamento de polarização.
6
Circuito de Microfone6
© Bob York
Quase qualquer amplificador operacional genérico pode ser usado como pré-amplificador de microfone. Os níveis 
de sinal são muito baixos e tudo o que precisamos é de um estágio de ganho simples com alta impedância de 
entrada. Se fôssemos operar o circuito do microfone com uma bateria, o LM358 seria suficiente, mas este circuitode microfone será usado em nosso sistema modulador AM posteriormente, e ele é alimentado por uma fonte 
bipolar de +/-12V, então optamos por um amplificador operacional de alimentação dupla. Assim como o LM358, a 
principal vantagem aqui é o custo e a disponibilidade!
Para entender a utilidade dos capacitores, considere o fato de que a maioria dos circuitos processa sinais variáveis 
no tempo ou comutam rapidamente e, portanto, o consumo de corrente CC dos trilhos de alimentação não é 
constante. Surtos instantâneos de corrente em uma parte do circuito podem causar variações na tensão ou corrente 
de alimentação em outras partes do circuito. Assim, os capacitores de desacoplamento de polarização em cada 
CI servem como um reservatório de carga local para ajudar a manter uma corrente de alimentação estável durante 
a operação. Obviamente, quanto maior a capacitância, melhor, mas 0,1 ÿF é uma escolha muito comum. A menos 
que seu projeto tenha restrições severas em termos de custo e número de peças, é aconselhável adicionar esses 
capacitores de desacoplamento em todos os seus circuitos de amplificadores operacionais.
Este é um bom lugar para dar uma dica sobre o uso de amplificadores operacionais em circuitos analógicos 
ou de sinais mistos: é considerada uma boa prática sempre incluir capacitores de desacoplamento de polarização 
para cada CI do circuito. A Figura 1-4 mostra a pinagem e o arranjo de polarização do LF353 em uma protoboard.
Por que o LM353?
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ÿ Agora, adicione temporariamente o capacitor C2 (consulte o esquema completo na Figura 1-1). Isso introduz outro polo 
no sistema para reduzir o ganho de alta frequência (cálculo pré-laboratório). Faça uma varredura da frequência 
para determinar a frequência de corte superior resultante e registre-a no registro de laboratório, juntamente com o 
ganho de tensão na banda passante (em torno de 1 kHz).
Remova C2 quando terminar.
ÿ Agora vamos adicionar o microfone ao circuito. Em nosso circuito, estamos 
polarizando o microfone através de um divisor de resistor, como mostrado 
na Figura 1-6. Esta não é a abordagem mais comum: normalmente, R2 seria 
eliminado e R1 seria escolhido para definir a tensão de polarização em uma 
região segura para o dispositivo, com base em sua corrente especificada. 
Mas, em nosso caso, queríamos garantir que a tensão de polarização 
estivesse sempre bem abaixo de 10 V, independentemente do tipo de 
microfone que você escolher!
ÿ Adicione os componentes para o primeiro estágio de amplificação, como na Figura 1-5. Observe que estamos 
conectando o microfone ao amplificador em CA, o que define um corte de baixa frequência (cálculo pré-laboratorial).
canto
Deixe 
C2 de fora por enquanto (o 
capacitor no caminho de 
realimentação). Falaremos sobre 
isso mais tarde. Você deve ter 
construído o seguinte circuito, sem 
o cartucho do microfone: ÿ Agora 
teste o circuito do 
amplificador sem o microfone. Usando 
seu gerador de funções de 
bancada, aplique uma senóide de 
0,1 V e varra a frequência de 10 
Hz a 100 kHz para localizar as 
frequências mais baixas de 
resposta e registre isso em seu 
registro de 
laboratório.
ÿ Comece a construção inserindo o CI amplificador operacional duplo LF353 na placa de ensaio. Adicione as conexões de 
alimentação (pinos 4 e 8) e os capacitores de desacoplamento de polarização, conforme mostrado anteriormente.
ÿ O cartucho do microfone condensador de eletreto é mostrado na Figura 1-7. 
Dependendo da unidade selecionada este ano, ele pode ou não ter pinos de 
montagem pré-instalados. Caso contrário, você precisará adicionar alguns 
fios, como mostrado, para que ele possa ser facilmente inserido na sua placa 
de ensaio. Observe qual é o pino de aterramento: este é o pino que está eletricamente conectado à caixa metálica 
externa. O microfone não funcionará se conectado incorretamente devido ao buffer JFET interno.
Como o consumo de corrente do buffer FET é um tanto imprevisível entre 
os fabricantes, provou-se mais seguro usar um divisor, como mostrado. A 
tensão de polarização real ficará em torno de 4 a 6 V, dependendo da 
quantidade de corrente que o microfone consumirá.
Figura 1-5 – Estágio de ganho do microfone
© Bob York
7Pré-amplificador de microfone
Figura 1-6 – Rede de polarização 
de microfone.
7
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ÿ Adicione os elementos restantes do circuito de acordo com o esquema da Figura 1-1. Esta última etapa adiciona 
apenas um estágio inversor simples que pode amplificar ou atenuar o sinal. Isso será útil posteriormente para 
ajustar o nível do sinal do microfone para uma amplitude desejada para acionar o modulador AM.
1.3 Sistema Simples de Conexão de Áudio Unidirecional A última etapa é 
conectar os dois módulos de circuito (microfone e amplificador/alto-falante de áudio) para criar um sistema de 
áudio completo que detecta/recebe um sinal acústico, o amplifica eletronicamente, o transmite por um cabo e o 
converte novamente em sinal acústico. Esta é obviamente a base da maioria dos sistemas telefônicos, de interfone 
e de endereço público.
Registre as observações no Lab RECORD. Observe que, ao parar de falar no microfone, há um ruído elétrico 
significativo no sistema, que aparece como uma flutuação aleatória de tensão na saída. Tente quantificar a 
amplitude. Esse ruído está sempre presente, em certo grau, em qualquer circuito eletrônico e representa um 
limite inferior na sensibilidade ou fidelidade da transmissão do sinal, a menos que medidas sejam tomadas 
para minimizá-lo.
ÿ Agora teste o circuito do microfone observando o sinal de saída no osciloscópio. Tente assobiar no microfone – 
você deverá conseguir produzir uma onda senoidal bem agradável.
ÿ Conecte a saída do circuito do microfone à entrada "aux" não utilizada do seu circuito amplificador. Demonstre o 
circuito em funcionamento para o assistente técnico e responda às perguntas restantes no REGISTRO DE 
LABORATÓRIO. Para esta etapa, C2 deve ser removido do circuito e o potenciômetro de ajuste de nível 
deve ser ajustado para o meio de sua faixa. Isso também ajuda a manter o
Figura 1-7 – Cápsula de microfone condensador de eletreto. Se o seu não tiver pinos de montagem 
instalados, solde alguns jumpers de fio, como mostrado na figura abaixo. Tome cuidado para não soldar as 
duas conexões!
© Bob York
Circuito de Microfone8
8
pino de aterramento
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Amplificador
Circuito
Microfone+/-12 V
Fonte de energia
Operado 
por bateria
Palestrante
Banco
Circuito (ligado
placa de ensaio)
Um problema potencial
Use um cabo longo 
se possível
ÿ Como o microfone condensador de eletreto é omnidirecional, pode ser difícil operar o sistema em condições 
de volume máximo. Um problema que pode exacerbar esses efeitos indesejados de feedback é que alguns 
cartuchos de microfone baratos têm um pouco mais de sensibilidade nas frequências altas,como mostrado 
na Figura 1-9. É aqui que um polo extra na resposta pode ajudar. Tente adicionar C2 ao seu circuito e veja 
se isso melhora a capacidade do sistema de operar em condições de alto volume com um sinal de voz. Se 
você construiu o circuito de controle de tom, isso também pode ajudar de forma semelhante.
ÿ Remova C2 e use o potenciômetro do seu circuito de microfone para ajustar o nível de saída para uma 
amplitude máxima de cerca de 100 mV em condições normais de fala. Este é um nível conveniente para 
uso posterior em nosso projeto de sistema.
circuitos do microfone e do amplificador de áudio o mais distantes possível, tente usar um cabo longo, 
conforme sugerido na Figura 1-8.
ÿ Por fim, transfira seu projeto de trabalho para o painel vetorial. Use clipes de fixação para conexões de 
alimentação externa e conexões de sinal/terra de saída.
Figura 1-8 – Circuito de teste para módulos de microfone e amplificador
Figura 1-9 – Resposta de sensibilidade típica para microfones eletretos baratos
9Sistema de link de áudio unidirecional simples
9 © Bob York
Você concluiu o Laboratório 1b
Parabéns!
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Microfones condensadores são 
dispositivos muito sensíveis e geram um 
sinal em resposta a qualquer movimento 
de ar próximo. Em um ambiente "com 
vento", esses sinais podem facilmente 
sobrepor o sinal de áudio desejado. 
Portanto, outra melhoria útil é colocar 
algum tipo de "proteção contra o vento" 
na frente do microfone. A proteção 
contra o vento é, na verdade, um filtro 
passa-alta mecânico e ajuda a melhorar 
a faixa dinâmica do microfone. Mesmo com a proteção contra o vento, os microfones ainda podem ser sensíveis a 
rajadas de ar associadas ao sinal de voz real, como sons de "p". Esses efeitos podem ser reduzidos com o 
chamado "filtro pop", que é uma grande proteção contra o vento a alguma distância do microfone. Você 
frequentemente verá esse tipo de proteção em microfones usados em estúdios de gravação profissionais, como 
na Figura 1-11.
Para-brisas
Filtro pop
1.4 Possíveis Melhorias Em contraste com o amplificador 
de áudio, as melhorias potenciais no circuito do microfone são mais sutis e envolvem em grande parte o próprio 
microfone, não o circuito elétrico. O pequeno componente de eletreto omnidirecional que escolhemos é muito 
conveniente porque é pequeno e barato, mas será que realmente queremos um microfone omnidirecional em nosso 
sistema? Provavelmente não, já que as pessoas geralmente falam diretamente no microfone, portanto, a 
omnidirecionalidade apenas cria problemas ao captar ruídos indesejados do ambiente ou feedback indesejado do 
falante distante. Existem alguns eletretos no mercado que têm um padrão de recepção "cardioide" mais unidirecional, 
mas são bastante caros. Uma maneira 
bastante simples de tornar nosso 
microfone direcional é colocar um 
pequeno cone ao redor dele, que pode 
ser feito de papel grosso, como mostrado 
na Figura 1-10.
Figura 1-10 – Padrões comuns de recepção direcional de 
microfones. A foto mostra um método simples para melhorar a 
direcionalidade do microfone.
Figura 1-11 – Técnicas para melhorar a faixa dinâmica do microfone.
Circuito de Microfone10
© Bob York 10
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C2 e C3 (ou R2 e R3) determinam o 
corte superior
R7 e R1 podem ser ajustados para moldar a 
resposta da banda passante
C1 e C4 (ou R5 e R6) determinam o 
corte inferior
Portanto, quaisquer frequências fora dessa faixa são desnecessárias em nosso sistema e, portanto, 
representam ruído indesejado. Assim, uma melhoria poderia ser incluir um "filtro de fala" passa-banda 
no sistema para passar apenas frequências na faixa vocal. Um possível esquema de filtro de fala 
passa-banda ativo de segunda ordem é mostrado na Figura 1-12, composto por filtros passa-baixa e 
passa-alta em cascata. Esta não é a única maneira de criar um filtro passa-banda, mas é fácil de 
entender. Usaremos filtros semelhantes no projeto do receptor de infravermelho em um laboratório posterior.
Outra possível melhoria para minimizar a captação de ruído é usar uma configuração de amplificador 
balanceada em vez do sistema single-ended que usamos. Um exemplo é descrito em http://www.eclectic-
web.co.uk/index.php?jump=mike/electret_a.htm .
Um sinal vocal típico é composto principalmente de frequências na faixa de 300-3000 Hz.
Figura 1-12 – Esquema do filtro de fala (capacitores de desacoplamento de polarização não mostrados)
11Possíveis melhorias
© Bob York11
B
C4
10k
-12V
C3
33 mil
C1
10k
R7
33 mil
R6
LF353
LF353
Em
R4 
47 mil
+12V
R5
Fora
+12V
.068uF
+
0,0047uF
UM
0,068uF
R2 R3
.0047uF
-12V
1/2
10k
C2
R8 
47 mil
R1
1/2
10k
+
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Previsto:
____________
Seção_________________
__________
Amplitude típica do sinal de saída para um 
tom de assobio na banda mental a 6” de distância do microfone:
Você tem dificuldade em operar o sistema em condições de volume máximo? Se sim, por quê?
Hz
____________
Corte de alta frequência (c/C2): Previsto:
______________________________
____________
Nomes:
__________
V
Circuito pré-amplificador de microfone
kHz
V
kHz medido:
Amplitude aproximada do ruído de saída:
__________
Mini Sistema de Intercomunicação
Hz medido:Corte de baixa frequência de 3 dB:
_________
Ganho de banda média medido:
____________________________
Registro do Laboratório 1
Circuito de Microfone
© Bob York
12
12
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