[自作派系列] 我的个人录音室（第二部份）摘自：
www.diyzone.net 作者： Arlo
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图说：平日工作的房间一角，因为录音室还缺一些东西，所以目前暂时在现有工作室内录音。
在上一篇中谈到了Phantom Power的制作，接下来我们来聊聊录音室中很重要的组件 ─ 麦克风与麦克风放大器。不过由于关于各种麦克风型式的介绍在网络上实在是太多了，所以此次并不打算谈麦克风的构造与形式，以免又变成一篇文抄公式的文章，此次的焦点将放在麦克风与麦克风前级在搭配上的关系以及一些令人困惑的问题，例于麦克风灵敏度、最大音压、输出阻抗、杂音值...等等。
不过若是要提及这一些问题了话，多多少少会有一些比较枯燥的内容出现，不要说读此篇的网友了，我自己也不怎么喜欢看枯燥的内容，所以次此会尽量在能力范围内用人类听的懂的语言来说明这些问题，希望大家不会看到一半就切到别的窗口看美眉。
麦克风的灵敏度 (Microphone Sensitivity)
在选用麦克风时，除了响应频率以及收音的指向特性之外，灵敏度是很重要的一个参数，然而很不幸的，灵敏度的标示规格有好几种，而且每种都很不直观！最常见的有四种表示法：
1. mV / Pa
2. mV / μbar
2. dBV / Pa
3. dBV / μbar
这四种表示法都是指在特定的音压时能够产生多少电平，而基准的单位为Pa (Pascal)和μbar (microbar)，而不论是Pa或是μbar都是用来表示压力的单位，而1 Pa = 10 μbar，转换成音压测量单位SPL (Sound Pressure Level)时，1Pa = 94dB SPL、1μbar = 74dB SPL。
也就是说，当我们施以1Pa(94dB SPL)或1μbar(74dB SPL)的音压到麦克风时，此只麦克风能产生出多少mV和dBV的意思，这个输出值若厂商没有特别标示时通常是指开路灵敏度 (Open Circuit Sensitivity)，也就是当麦克风没有接上负载(比如说麦克风前级)时的输出灵敏度，至于dBV与实级电压值之间的关系，可以参考以下的算式：
最后我们来了解一下SPL(Sound Pressure Level)到底是什么东西？这东西详细解释可复杂的很，牵涉到很多物理学，所以我们大致上了解一下就足够了，简单来说，dB SPL是一个以20 µ;Pa为基准参考单位的分 贝测量单位，举例来说，20 µ;Pa = 0dB SPL，而1Pa = 20 x log( 1Pa / 20 µ;Pa) = 94dB SPL，而1μbar = 0.1Pa = 20 x log( 0.1Pa / 20 µ;Pa) = 74dB SPL。物理学家们定制dB SPL的用意是以分贝值来表示音压，而0dB SPL，也就是20 µ;Pa是人类在极安静的环境下所能听到的最小声音，这声音有多小呢？大概是一只蚊子在三公尺外舞动翅膀时发出的音量(这...除了在超级良好的隔音室，不然很难听的到吧？)。
麦克风的最大音压 (Microphone Max. SPL)
除了灵敏度以外，好一点的麦克风还会标示最大音压，并且同时标明是在怎样的条件时的最大音压，常见的条件值为多少总谐波失真(THD)时的最大音压。这个数值除了标明了麦克风在可接受失真度时能承受的最大音压之外，配合上灵敏度后我们可以求得麦克风在最极端的情况下会输出多少电平。
举例而言，一只灵敏度10 mV/Pa或-40 dBV/Pa、最大音压为130dB SPL的麦克风，表示了在94dB SPL的音压时能输出10 mVrms的电平，而当音压达到130dB时，以94dB SPL为基准点而言，多了(130 - 94) = 36dB，也就是约31倍左右，所以当接收到130dB的讯号时此麦克风会输出约620 mVrms的讯号，等于约-4dBV与-2dBu的输出电平。以下笔者用程序分别以dBu与dBV两种单位跑出两张麦克风最大输出音压与灵敏度的对应表方便网友快速查询。
图说：以dBu为单位的最大输出音压 / 灵敏度对应表
图说：以dBV为单位的最大输出音压 / 灵敏度对应表
这两张表格使用的方式很简单，首先先在左边Sensitivity的列中挑选出符合的灵敏度，然后再由上方的Maximum SPL中挑出最大音压值，两个行列的交会点就是最大音压时该麦克风输出的dBu或dBV值了。
举例而言，一个灵敏度为15mV/Pa，最大音压为132dB SPL时的输出值为0 dBu或-2 dBV；一个灵敏度为6mV/Pa，最大音压为140dB SPL时的输出值为4 dBu或2 dBV。
图说：自制麦克风前级一号，用OP-PRE MK3前级套件改装而成。
麦克风前级的设计要点
1. 足够大的输入电平范围
麦克风前级和连接一般讯源的音响用前级不一样的地方是，一般音响用前级由于讯源的最大输出电平一般都在规范内，通常在2Vrms以下，而麦克风前级的状况就比较复杂了。由于每一只麦克风的灵敏度不同，收音的对象也不同(可能是人声、大鼓...等等)，由上文中我们可以以麦克风的灵敏度来计算出麦克风所输出的电平，再考虑到大音压输入的情况，在设定麦克风前级时必需要保留足够的输入电平空间，避免在还没放大前就输入端就已经产生切割状况。
一般来讲，麦克风前级的输入电平范围至少要有+10dBu (约2.5Vrms)，最好能有+20dBu(约7.75Vrms)以上。这部份通常是廉价麦克风前级的致命伤，由于廉价麦克风前级为了降低成本在电路中只使用一颗普通OP做一级放大，而为了得到足够的增益而造成输入电平范围过小。
2. 足够低的噪声
即便是灵敏度比较高的电容式麦克风，其内部噪声通常都在-110dB SPL以下，若要忠实的放大麦克风讯号到下一级器材了话，前级本身的讯噪比(S/N Ratio)必需要很高，同时等效输入噪声(Equivalent Input Noise)也要够低才行。在这部份通常真空管式的麦克风前级会比较弱一些，往往真空管本身的热噪讯就已经会影响到收音了。
3. 各种附加功能性
不同于一般音响用前级，麦克风前级所扮演的角色除了放大麦克风讯号之外，通常还会需要提供其它的功能以满足使用上的便利性。基本的功能包括：
• 幻象电源(Phantom Power)供应 ─ 提供48V的电源给电容式麦克风使用。
• 输出切割(clipping)指示 ─ 避免录音时麦克风前级输出已经出现切割状况而不自知。
• 输出相位调整 ─ 在必需处理很多不同的讯号时，每个讯源的相位可能不尽相同，这时后就需要调整输出相位的功能。
• 输出电平指示器 ─ 此功能也常见于专业麦克风前级，调整增益时会比较方便。
一些比较进阶的功能有时也会出现在高档麦克风前级中，例如：
• 高(低)通滤波器：可以过滤掉不必要的频率，让讯号比较干净。
• 压缩(Compressor) / 限制(Limiter)器：可以直接在麦克风前级内就压限讯号，不用再外接Compressor或Limiter。
• 各类效果器：有些高档麦克风前级甚至会直接内建残响(Reverb)、延迟(Delay)、回音(Echo)、甚至均衡器也会加进去。
麦克风前级四种基本模型探讨
接下来我们以四个麦克风前级的电路模型来分别探讨其优缺点，增益都设定在40dB(100倍)，并且讨论一下使用上需注意的限制以及改善的方法，首先先看第一个最简单的电路模型。
图说：第一种麦克风前级电路模型，仅仅只有一级电压放大级。
第一种模型最简单，正反向平衡讯号经过一个双联音量控制器后输入一个增益为40dB的放大器，然后输出平衡讯号。优点是建置简单，用一般讯号OP即可做成，而且体积很小，同时由于音量控制器置于放大器之前，可藉由调整音量控制器来防止讯号输入过荷。而缺点部份主要有几点，第一点是讯源阻抗偏高且会随着音量控制器转动而变动，会产生较高的噪声。
举例来说：假设麦克风的输出阻抗为200Ω，音量控制器为10KΩ，由于音量控制器是以电阻分压的方式来控制讯号大小，所以麦克风的200Ω会再串联上音量控制器输入端至输出端的阻抗，在小音量时其讯源阻抗会高达接近10KΩ！而此阻抗会再与Rin电阻再分压一次，不仅造成讯号损失，同时由于讯源阻抗偏高而让整体噪声变高。
网友们这时后可能会想，既然如此，那把音量控制器换成500Ω或甚至200Ω不就可以改善这个问题？可惜的是在这个模型里并不适用，原因是若把音量控制器换成阻抗低的数值时同时也降低了整体输入阻抗，过低的输入阻抗会让麦克风输出过荷而截波(cut-out)！
图说：第二种麦克风前级电路模型，二级放大电路，第一级为缓冲输入，第二级为电压放大级。
第二种电路模型是第一种模型的改良版本，针对第一种模型讯源阻抗问题改进架构，优点在于讯源阻抗恒定，只有麦克风本身的输出阻抗。电路架构为：A1与A2分别为正反向讯号的缓冲输入器，增益为0dB，也就是没有增益，此时输入阻抗被Rin所决定；接着经过音量控制器后输出到A3与A4两个电压放大器，然后输出平衡讯号。
在设计时需注意的是，A1与A2两个缓冲输入级必需要有低输出阻抗与足够的电流驱动能力(比如说可以满输出驱动600Ω或更低的负载)。低输出阻抗可确保讯号不会损失以及低噪声，而足够电流驱动能力可以让串在两级之间的音量控制器可以使用较低的阻值，让第二级A3与A4电压放大器接收到的讯源阻抗降低，除了降低噪声以外，也可以降低外界的干扰。
而缺点部份，这种电路模型和第一种电路模型一样，都需要有两声道彼此之间误差很小的音量控制器，比如说高精密度的级进音量控制器，不然输出的平衡讯号大小会有所误差。
图说：第三种麦克风前级电路模型，三级放大电路，第一级为平衡式差动接收器、第二级为电压放大级、第三级为平衡式驱动器。
第一与第二种模型都是直接以两组独立的放大器来处理正反向平衡讯号，然后输出至下一级器材内，让下一级器材做共模讯号抵消的工作，而第三种模型则是先将麦克风输入的平衡讯号输入差动型的(differential)的平衡式接收器(Balanced Line Receiver)，将讯号转换成非平衡讯号后经由第二级放大电压，然后再由平衡式驱动器(Balanced Line Driver)输出平衡讯号。
工作原理为，第一级A1藉由平衡式接收器将平衡讯号转成不平衡讯号，并且在此级先行抵消共模噪声，而这类平衡式接收器常见的有TI的INA134、IN137，AD的SSM2141、2143，或THAT的1200、1240系列...等等。然后经过一个单联音量控制器调整讯号大小后由A2做电压放大，最后由A3的平衡式驱动器将不平衡讯号转成平衡讯号输出，这类平衡式驱动器常件的有TI的DRV134、AD的SM2142、THAT的1646...等等。
这种电路架构的优点是，可在内部抵消共模噪声，提高CMRR，同时由于只用了一声道的音量控制器，所以不存在双联音量控制器两声道误差的问题，输出的平衡讯号的平衡度有其优势。缺点是声音表现会受限于这类专业IC，而若是不用IC处理用晶体堆砌电路了话又很庞大，且目前的平衡式驱动器输出直流即使是加上回授电容仍然偏高，在实做上可考虑以数颗OP搭成不平衡转平衡电路取代。
图说：第四种麦克风前级电路模型，二级电路，第一级使用使用专门的差动式放大器IC，第二级使用平衡式驱动器。
第四种模型是利用专门的差动式放大器IC，目前市面上因应专业需求，推出了许多差动式放大器IC，例如TI的INA163、INA217，AD的SSM2019，THAT的1510...等等，这类IC有个好处，就是控制增益时只需要一只电阻就可以搞定，同时输入范围与输出范围都很广。
这个电路模型在输入端是交由差动式放大器IC处理，输入阻抗由两只Rin电阻设定，而增益部份被VR加上Ra所决定，以THAT的1510为例，增益的设定为G = 1 + (10K / (VR + Ra))，假设我们要设定最高增益值为34dB，最低增益为约20dB了话那就可以将Ra设为200Ω，VR设定为10KΩ,使用起来很方便。而第二级也是使用平衡式驱动器将不平衡讯号转成平衡讯号输出。
这个电路模型的好处是高度集成化，体积很小，而且这类专门的差动式放大器IC在客观数据上都颇有水平，不过缺点同样也是高度集成化，使得声音受限于IC，另外就是由于这类IC控制增益的方式是利用改变电路回授量来控制，所以音量控制器的接线要特别注意，一不小心了话容易感染不必要的噪声。
接下来，来做一台麦克风前级玩玩吧！
图说：自制麦克风前级二号，使用开发中的麦克风前级，目前还在调整中。
以上的文字颇多，看起来应该应该颇累的对吧，哈哈，不过要搞一台麦克风前级之前，免不了要先分析一下麦克风的特性，以及电路架构的设计，总不能只凭着「感觉」来设计吧？嗯，好吧，我知道在音响界有很多大师都是喜欢凭感觉来设计电路的，不过我功力尚浅，学识比其众多大师起来粗鄙许多，所以只好做多点笨功夫来弥补自身的不足啰。
目前手上正在实验的是上图中的这台麦克风前级，架构接近第二种模型，也就是不使用专门的IC仅使用一般OP来处理，目前测量的讯噪比还差强人意，大约有110dB左右，输入范围大约+20dBu左右，最大输出范围约+26dBu，功能方面列表如下：
1. 平衡式麦克风输入一组
2. 平衡式高阻抗线性输入一组 (用来插乐器)
3. 可切换式48V phantom power 一组
4. 独立稳压三组供+48V, +15V, -15V
5. 讯号输出切割侦测电路
6. 过载保护以及直流保护电路
7. Phantom Power、供电、输出讯号切割指示LED
不过目前还有一些地方需要调整，所以，革命尚未成功，仍需继续努力....
