Предусилитель для микрофона (фантомное питание)

[YS]

Здравствуйте, коллеги!

Хочу попросить взглянуть на схему. Наверняка кто-то подобное уже делал (особенно из посетителей этого раздела). Я к тому, что, может быть, я упустил что-то существенное, хотя вроде бы все работает.

Итак, у меня возникла задача сделать предусилитель для электретного микрофона (с прицелом на запись хорошего аудио), который включался бы в балансную линию с фантомным питанием. Вдохновившись опорной разработкой от TI и рассказами Дугласа Форда, я нарисовал следующую схему:

(кликабельно)


Источник тока I1 символизирует электретный капсюль WM-61A (такие стоят, например, в измерительном микрофоне Behringer ECM8000).

R10, R11 и V1 имитируют систему фантомного питания.

Стабилитрон D1 в реальной схеме на 2.4 В.

В реальной схеме Q1 и Q2 - BC560 (малошумящие).

Еще в реальной схеме присутствует индикатор питания, который в модели я рисовать не стал. Относительно схемы, которую рекомендовал Дуглас Форд, я добавил стабилитрон D2, который однозначно фиксирует напряжение коллектор-эмиттер, не привязываясь к коэффициенту передачи тока транзисторов.

Симуляция в LTSpice (работа на частоте 1 кГц, АЧХ):

Спойлер

(кликабельно)


(кликабельно)

Собрал на макетке (с другим капсюлем, WM-61A пожалел использовать для тестов):

Спойлер

Воткнул в Behringer UMC202HD, записал сигнал с помощью Audacity, построил спектр:

Спойлер

Видна безумная помеха на 50 Гц и гармониках этой частоты, а так вроде все хорошо - шумовой порог уже на частоте 100 Гц составляет порядка -80 дБ.

Тут кстати есть второй вопрос: при таком монтаже, как на картинке выше, подобный уровень помех - это нормально? Наводка 50 Гц должна пропасть, если я помещу схему в экран (пока не пробовал), или дело в чем-то другом?

В принципе, то, что на картинке, я собрал только для теста. Финальное устройство будет исполнено в SMD-варианте, с монтажом на печатной плате, нижний слой которой планируется целиком отдать под землю. Это избавит от необходимости экранировать предусилитель целиком, или нет, как думаете?

Еще вопрос: в аналогичных схемах на входе стоит фильтр (по ссылке - C4 ... C7, R11, R12). Я правильно понимаю, что это RF-фильтр? Или его смысл в чем-то другом?

[mickbell]

У меня сомнение в части питания верхнего стабилитрона базовым током транзисторов. Не маловато его будет?

[kentgaryk]

Или его смысл в чем-то другом?

Его смысл подрезать верхние частоты, для того чтобы препятствовать возбуждению системы микрофон-усилитель-ас. Для начала надо глянуть схему усилителя, там уже может быть этот фильтр.
Судя по помехе 50Гц, что то там не правильно с землями при проведении измерений, либо с питанием.

[YS]

Не маловато его будет?

Симуляция дает около 14 мкА, в железе работает (на эмиттерах порядка 25 В)...

С другой стороны, смысл этого стабилитрона ведь не в поддержании стабильного напряжения, а в том, чтобы отодвинуть напряжение на коллекторе от напряжения на эмиттере не только за счет падения на резисторе базы (как в исходной схеме). Тем самым кроме всего прочего достигается лучшее симметрирование выходного сигнала, т.к. в исходном варианте постоянная составляющая на эмиттерах зависит только от коэффициента передачи тока транзисторов, который, разумеется, неодинаков.

Его смысл подрезать верхние частоты, для того чтобы препятствовать возбуждению системы микрофон-усилитель-ас.

У меня коррекция по ВЧ выполняется конденсатором C1, который заодно компенсирует емкость на инвертирующем входе.

[YS]

В общем, заказал я платы и спаял финальный вариант:

Спойлер

Плата фактически односторонняя. Вся обратная сторона занята одним сетчатым полигоном земли. Микросхема установлена в панельку для удобства проведения экспериментов. Предусмотрен выбор питания - фантомное через XLR или внешнее через отдельный разъем, выбор усиления - x1 (на самом деле, получается чуть меньше единицы) или x10.

Подключил к Behringer UMC-202HD и замерил, какой получается проигрыш по шумам. Записал сигнал с интерфейса, когда к нему не было подключено вообще ничего, после чего записал сигнал с интерфейса с подключенными к обоим каналам предусилителями. Спектр построил в Audacity, экспортировал данные и построил в GNUplot для удобства сравнения.

На данный момент усилители подключал без какого-либо экранирования, как есть, на коротких проводах, как на картинке выше. Ко входу усилителей не подключал ничего.

Измерения проводились на фантомном питании, с установленным операционным усилителем TL072. Может быть, со временем попробую NE5532 - с ней придется использовать внешнее питание, тока фантомного источника не хватит, зато у нее шумы 7 nV/rtHz против 18 nV/rtHz у TL072.

Сглаженный график:

Спойлер

Несглаженный график:

Спойлер

Область до 1 кГц крупно, сглаженный график:

Спойлер

Область до 1 кГц крупно, несглаженный график:

Спойлер

Область до 100 Гц крупно, несглаженный график:

Спойлер

В целом видно, что, фактически, из мощных помех присутствует только сетевая наводка и ее гармоники.

Выводы:

1. Экранировать, экранировать и еще раз экранировать. В текущем варианте фон 50 Гц очень слышимо (в процессе мониторил на слух) усиливается даже если просто поднести руку на расстояние порядка 5 см. к входным цепям предусилителя.

2. Проигрыш в уровне шума составляет порядка 15 дБ относительно самого интерфейса во всей полосе. Что касается 1/f шума в низкочастотной области, то там особой разницы не видно.

3. Тем не менее, шумовой порог с подключенными усилителями находится ниже -110 дБ, то есть, не менее чем на 14 дБ превосходит шумовой порог записи с глубиной дискретизации 16 бит. Так что, похоже, TL072 - адекватный выбор, и менять ее на что-то нет особой необходимости, как минимум, в первом приближении.

UPD

Сделал-таки сравнение TL082 и NE5532.

Графики: сглаженный в полной полосе, несглаженный в полной полосе, несглаженный в низкочастотной области (до 300 Гц):

Спойлер

Интересно, что радикальной разницы нет, хотя по даташиту NE5532 должна быть гораздо тише - 5 nV/rtHz против 18 nV/rtHz у TL082!

Это наводит на мысли, что шум конструкции по большей части определяется не операционным усилителем... Хм.

Самые внимательные могли заметить, что на графиках со сравнениями уровень шума ниже. Это оттого, что графики выше я строил для стереоканалов, суммированных в моно, а новые графики были построены для моно-каналов в отдельности. Просто здесь мне было так удобнее - к одному каналу я подключал усилитель с TL082, а к другому - с NE5532, либо к одному NE5532 с питанием 18 В, а другой оставлял неподключенным.

[error]

YS, я пару лет назад делал себе нечто подобное, поделюсь своим опытом.
1. Грузить капсюль низким импедансом - прально. Сам капсюль выполнен по схеме с общим истоком, поэтому там присутствует огромная ёмкость Миллера и единственная возможность её устранить уменьшить до приемлемой - заземлить по переменке, что токовая нагрузка и делает.
2. ОУ там нафик не нужен, по крайней мере первый (второй используется как инвертор. Мне за глаза хватило транзистора с параллельной обратной связью по напряжению - каскад с общим эмиттером, коллекторный килоомный резюк и резюк ОС с коллектора на базу от 100 до 200 килоом (cмотря сколько хочешь на выходе). Транзистор - ВС849. Така схема имеет входное сопротивление около килоома, что вполне достаточно для шунтирования ёмкости Миллера капсюля. Получается вполне себе высокочастотный каскод ОИ-ОЭ, работающий в симуляторе до нескольких мегагерц.
3. Нагрузка капсюля на КЗ (по переменке) - ещё, раз, это хорошо. На питание через резюк - а-а-а-а!!!!! Ещё раз, вспоминайте, что у капсюля внутри!!! Полевик с ОИ!!! Чем определяется его рабочая точка? Вот то-то же. У полевиков (щаз открою Америку) производственный разброс шо мама дорогая, поэтому и работают капсюли с резюками каждый по разному. Кроме того, резюк зря шунтирует полезный сигнал. Мне хватило источника тока на одном BC850, с помощью которого можно настроить рабочую точку для каждого капсюля и выжать с него все соки.

Касательно экранирования. Посколько нагрузка капсюля низкоимпедансная, оно там особо и не надо. Я свои сборки капсюль+усилок продавал как для записей хора так и для записи птиц в лесу - никода не экранировали. Конечно, заэкранируешь - хуже не будет.

[YS]

О, ух ты, эту тему еще кто-то читает.

Я проводил еще изыскания, да; просто сюда не постил, потому что думал, что про тему уже все забыли.

То, что ОУ там не нужен, я уже понял. Я промерял характеристики интерфейса, и получилось, что при среднем положении ручки усиления на нем уровню -1.5 dBFS соответствует напряжение примерно 40 mVrms. То есть, при чувствительности капсюля 18 mV/Pa (-35 dbV) никакого усиления особо и не надо.

Просто когда я начинал делать этот девайс, я старался спроектировать плату максимально универсальной, поскольку был не в курсе точных уровней в тракте. Теперь я понимаю, что можно было бы обойтись одним фазорасщепителем, например, сделать по схеме, которую приводит Род Эллиотт (хотя он же говорит, что это вроде бы схема из микрофона Behringer):



Кстати, конкретно в плане использования ОУ схема с трансимпедансным усилителем имеет еще и то преимущество, что сигнальное усиление может быть сделано больше шумового, т.к первое определяется только резистором ОС, а второе - отношением резистора ОС к резистору смещения.

Мне за глаза хватило транзистора с параллельной обратной связью по напряжению - каскад с общим эмиттером, коллекторный килоомный резюк и резюк ОС с коллектора на базу от 100 до 200 килоом (cмотря сколько хочешь на выходе).

Вот не люблю я такие схемы... Уж больно в них параметры плывут от температуры и повторяемость низкая. Тогда уж делать нормальный усилитель с ОЭ.

На питание через резюк - а-а-а-а!!!!!

Ну, не знаю. То, что источник тока лучше всего, я спорить не буду. Но, в принципе, электретные микрофоны через резистор питают и товарищи вроде Audio-Technica, да и Дуглас Форд ничего против не имеет. Я ограничился тем, что стабилизировал питание микрофона стабилитроном.

Но, кстати, питание капсюля от источника тока позволит радикально снизить шумовое усиление - практически до единицы при каком угодно сигнальном усилении.

Посколько нагрузка капсюля низкоимпедансная, оно там особо и не надо.

Видимо у вас помеховая обстановка лучше, чем у меня. Я пробовал и так, и эдак, и экранированные кабели оказались совершенно необходимыми для подавления помехи 50 Гц. В моих условиях экранирование кабеля до капсюля оказалось совершенно обязательным, а экранирование кабеля до XLR-разъема показало себя желательным, т.к. дополнительно снижало наводку. С экранированными кабелями и неэкранированной платой при среднем положении ручки усиления интерфейса (усиление самого интерфейса примерно x100) уровень помехи 50 Гц составляет примерно -60 dBFS (общий шумовой порог в широкой полосе - -120 dBFS). Вывод: саму плату тоже надо экранировать...

Я свои сборки капсюль+усилок продавал как для записей хора так и для записи птиц в лесу - никода не экранировали.

А какие вы капсюли использовали? У WM-61A шумовой порог составляет 26 dBA/-103 dBV, это многовато (для студийного микрофона лучше бы <19 dBA). Не знаете случаем электретных капсюлей с меньшим шумом?

[error]

[uquote="YS"]
Кстати, конкретно в плане использования ОУ схема с трансимпедансным усилителем имеет еще и то преимущество, что сигнальное усиление может быть сделано больше шумового, т.к первое определяется только резистором ОС, а второе - отношением резистора ОС к резистору смещения.
[/uquote]
Не понял, какой резистор смещения в схеме с ОУ Вы имеете ввиду?
В случае с однотранзисторным решением всё так же: усиление определяется резистором ОС (он же является и резистором смещения). После него остаётся добавить тот красивый фазорасщепитель и будет ляпота Но они его используют для усиления слабого сигнала с микрофона, а нам надо разфазировать уже усиленный сигнал. Поэтому мне кажется, что его лучше замутить на ОУ или на дифкаскаде: у однотранзистороного малый динамический диапазон / большие искажения.


[uquote="YS"]
Вот не люблю я такие схемы... Уж больно в них параметры плывут от температуры и повторяемость низкая. Тогда уж делать нормальный усилитель с ОЭ.
[/uquote]
А не путаете со схемой, где смещение организовано резистором с питания на базу? (За такие дела, конечно, надо кастрировать тупыми ножницами.) А вот если этот резюк не с питания, а с коллектора на базу, это уже совсем другое дело: стабильность железная. Вся РЧ-техника рулит на такой схемотехнике. Пример "с плеча" - польские антенные усилители: годами работают на улице от -30 до +40°C и всё тип-топ. Просто параллельная ООС сильно понижает входное сопротивление, поэтому в большинстве случаев в аудиотехнике не приеняется. А в нашем случае это - то, что доктор прописал.

[uquote="YS"]
Но, в принципе, электретные микрофоны через резистор питают и товарищи вроде Audio-Technica, да и Дуглас Форд ничего против не имеет. Я ограничился тем, что стабилизировал питание микрофона стабилитроном.
[/uquote]
Ну так может у них на то есть свои причины? А может это лишь часть того, что они оприлюднивают. Хто их знает... Оно конечно неплохо знать кто и как делает, но я б на этом не зацикливался.
В любом случае, оно ж жалко рассеивать на каком-то резисторе драгоценный сигнал. Зачем? Хотя, конечно, при низкоимпедансной нагрузке его роль будет не так уж и велика, потому что в этой точке будет квази-ноль переменки полезного сигнала.


[uquote="YS"]
Но, кстати, питание капсюля от источника тока позволит радикально снизить шумовое усиление - практически до единицы при каком угодно сигнальном усилении.
[/uquote]
Это так. Но тогда я на эту схему смотрел почти исключительно с точки зрения рабочей точки фета в капсюле: если она фиг знает где, то я просто снижаю и без того небольшую крутизну фета, что эквивалентно ухудшению с/ш ещё перед моим усилителем.
Ну и касаемо стабильности её положения - тут ИТ без конкуренции: даже паршивенький не термокомпенсированный ИТ на БТ обеспечит её более стабильное положение, чем резистор.


Я использовал именно WM-61A. Что-то получше и так же доступное мне тоже к сожалению не известно. С другой стороны по шумам мне хватает, я его брал из-за АЧХ.

Что касается помех, так конечно, между предусилителем и микшером кабель должен быть экранированным/симметричным. Я имел ввиду, что к помехам не чувствителен именно предусилитель, по крайней мере тот мой - двухтранзисторный. Я на таком делал вход шумомера, так сам микрофон был в стойке, а предусилитель - в 50...70 сантиметрах, простого экранированного кабеля хватило.

[YS]

Не понял, какой резистор смещения в схеме с ОУ Вы имеете ввиду?

Резистором смещения я обозвал резистор, задающий режим микрофона.

усиление определяется резистором ОС (он же является и резистором смещения).

Ну, как я понимаю, в такой схеме усиление (по напряжению) определяется отношением коллекторного резистора к внутреннему сопротивлению эмиттера, которое зависит от тока коллектора и от температуры.

r_e = (k*T)/(q*Ic)

Потому если не ставить эмиттерный резистор, как обычно делают в таких схемах, температурная стабильность усиления будет никакой.

Вся РЧ-техника рулит на такой схемотехнике.

Там требования к стабильности усиления гораздо ниже.

[error]

YS писал(а):

Резистором смещения я обозвал резистор, задающий режим микрофона.

Действительно "обозвал"

YS писал(а):

Ну, как я понимаю, в такой схеме усиление (по напряжению) определяется отношением коллекторного резистора к внутреннему сопротивлению эмиттера, которое зависит от тока коллектора и от температуры.
r_e = (k*T)/(q*Ic)
Потому если не ставить эмиттерный резистор, как обычно делают в таких схемах, температурная стабильность усиления будет никакой.

Не. Это справедливо для схемы, где резистор смещения кинут на базу с питания. Я же третий раз Вам предлагаю этот резистор кинуть не питания, а с коллектора, образовав параллельную по напряжению ООС (Y-типа), усиление которого будет Kβ=K/(1+β·K), где К считается по приведённой Вами формуле, а реальное усиление (как и все искажения и нестабильности) получается в А=(1+β·K) раз меньше, а входная проводимость больше (читай "входное сопротивление меньше).

Кста, возвращаясь к Вашей схеме (с резистором смещения от питания), ей один эмиттерный резистор не поможет, ей надо фиксировать потенциал базы, например с помощью делителя. Получается схема с автосмещением.

YS писал(а):

Там требования к стабильности усиления гораздо ниже.

Не.

А если даже и да, чисто пример: "польские" антенные усилители отлично работают от -30 до +40°C и всё хоккэй; неужели Вы со своим микрофоном будете покорять Северный полюс и Сахару? Если будете, ну так увеличьте коэффициент ОС и добавьте усиления операционником, раз уж он там есть.



А вот ещё один вопрос в голове крутится: А вот даже если и допустить, что температурная стабильность этого каскада будет паршивой, что тогда? Да ничего. Постоянка на выходе слегка уплывёт, что решается кондёром. Если рабочая точка выбрана с достаточным расстоянием от областей насыщения/отсечки, то несимметричного ограничения можете не бояться: мы ж снимаем десятки милливольт с коллектора, а питается он единицами вольт.
Мне гораздо важнее обеспечить стабильность рабочей точки полевика в капсюле, а второй каскад - дело пятидесятое...

Вы попробуйте, благо схемка плёвая