Предусилители электретных микрофонов для работы с повышенными уровнями звуковой мощности.
В теме дается обзор схемотехнических решений, повышающих перегрузочную способность электретных микрофонов по допустимому звуковому давлению (SPL), и предлагается для опробования простая, но эффективная и неприхотливая схема предусилителя, снижающая (в симулировании) нелинейные искажения его электрической части до значений 0,003% и менее при амплитудном значении сигнала на затворе встроенного полевого транзистора до 6 Вольт (что формально соответствует более 140 дБ акустической мощности для типового электретного капсюля).
Те, кто знаком с вопросом, могут перейти во второй раздел к описанию самой схемы, а для новичков в первой части поясняется суть проблемы и рассмотрены технические варианты ее решения, предлагавшиеся в период с 2005 года до настоящего времени. Проблема пока полностью не решена, поэтому материал будет полезен тем, кто хочет подключиться к ее решению.
Я благодарен участникам форума: Alickkk, Andey Orloff, Bobby_ii, Carbon, Dzymytch, Fenyx, Kamikaze, mAxSpace, Mr-marlen, Nota Bene, Olvicgor и всем другим, кто в ветках: «выбираем измерительный микрофон» и «пред для электретного микрофона» рассказывали о своих изысканиях в данном вопросе, а также проделали колоссальную работу по поиску ценной информации из всевозможных источников и щедро делились ей в своих постах. Именно оттуда взяты все ссылки.
Первая часть. Суть проблемы.
Современные электретные микрофонные капсюли можно считать уникальными изделиями по соотношению цена/качество. Благодаря этому микрофоны на их основе вытеснили другие типы микрофонов почти во всех сферах применения.
Тем не менее, у распространенных моделей капсюлей есть одно «слабое место»: встроенный в них полевой транзистор, работающий по схеме с общим истоком (ОИ), при типовом включении имеет «классическую» квадратичную вольтамперную характеристику (ВАХ), изображенную на рис. 1 .
Рис.1.
Естественно, такая квадратичная нелинейность незаметна лишь при небольших уровнях входных сигналов. Однако с увеличением входного напряжения неизбежно происходит рост нелинейных искажений вплоть до недопустимых значений.
Для электретных микрофонов верхнюю границу акустического динамического диапазона условно принято определять величиной, при которой искажения достигают 0.5% (http://www.sengpielaudio.com/calcula...sferfactor.htm). У распространенных моделей капсюлей она обычно ограничена значением 100 дБ именно из-за квадратичности ВАХ. Тем не менее, это всех устраивает, поскольку в большинстве применений такие искажения вполне допустимы, а уровни в 100 дБ встречаются не часто. Поэтому производители капсюлей не заморачиваются проблемой устранения квадратичной нелинейности, тем более, что она немного нейтрализуется внутренней ООС за счет эффекта Миллера.
Другое дело - измерение искажений высококачественной акустической аппаратуры, например, колонок, у которых они (искажения) иногда не превосходят нескольких десятых долей процента при создаваемых уровнях акустической мощности более 120 дБ. Значит надо иметь измерительный микрофон, дающий при такой громкости на порядок меньшие искажения, чем сам исследуемый объект. Вот тут-то и становится ясно, что электретный капсюль в стандартном включении для этих целей совершенно непригоден. Не поможет здесь и обычный линейный предусилитель - он не только не способен ослабить искажения капсюля (поскольку снимает с него уже искаженный сигнал), он вообще просто войдет в ограничение. Фирменные измерительные микрофоны для таких задач стоят очень дорого, ограничивая массовость подобных измерений, поэтому очень важно найти дешевое решение. Значит, если мы захотим попробовать использовать электретный капсюль, надо попытаться изменить его электрическую схему включения так, чтобы «выпрямить» или «обойти» квадратичность ВАХ полевика.
Расчеты и эксперименты показали, что компенсация только лишь квадратичности ВАХ способна уменьшить нелинейные искажения в десятки раз. Это дает значительное увеличение верхней границы динамического диапазона капсюля. Сразу предупрежу: как только удается исключить влияние квадратичности и, тем самым, устранить главный источник искажений, обнаруживается, что существуют и другие источники нелинейности, поэтому желательно искать универсальный способ борьбы с ними.
За последнее десятилетие было предложено несколько подходов к решению проблемы.
Рассмотрим сначала решения, не требующие внесения изменений в конструкцию капсюля.
Первое возможное решение состоит в существенном изменении режима работы полевого транзистора, а именно, понижении напряжения на его стоке до величины 0,2…0,3 В. При таких малых напряжениях, как известно, ток стока транзистора может зависеть относительно напряжения на затворе не квадратично, а линейно. Этот режим позволяет снизить КНИ при акустической мощности 100 дБ с 0,5% до примерно 0,05% (#151 и http://www.ant-audio.co.uk/Theory/Parametric_Rus2.htm). Но теперь уже при мощности 120 дБ искажения все равно увеличиваются до 0,2….0,5% . И, увы, крутизна транзистора в этом режиме намного меньше, что в итоге ухудшает чувствительность схемы.
Другое решение состоит в замене обычного стокового резистора на элемент, вольтамперная характеристика которого нелинейна таким образом, чтобы компенсировать квадратичную ВАХ полевика. Лучше всего с этим справляется другой полевой транзистор, включенный в сток встроенного полевика (http://www.johncon.com/john/wm61a/ и http://home.comcast.net/~rc1618/WM61A). Причем, второй транзистор не обязательно должен быть идентичен первому! Но, увы, и в этом случае, резкое снижение искажений, получаемое на стандартном уровне мощности в 100 дБ, все равно, отодвигает предельную рабочую границу лишь до 120 дБ.
Еще одно решение, рассмотренное здесь (#2480 и последующие посты от olvicgor), использует сразу два эффекта. Первый из них: эффект Миллера - это фактически внутренняя отрицательная обратная связь (ООС) транзистора за счет паразитной емкости сток-затвор, которая способствует снижению искажений. Второй эффект - это зависимость крутизны полевика от напряжения на его стоке, способная при удачном выборе режима, компенсировать основную нелинейность в ограниченном диапазоне звуковых мощностей. К тому же этот метод может в некоторой степени устранить не только искажения электрической части микрофона, но и скомпенсировать искажения всей связки мембрана - предусилитель.
Увы, и в последенем случае границу, при которой искажения вырастают до десятых долей процента, удается отодвинуть лишь к 120 дБ. Это значение можно назвать общей границей для работы внутреннего транзистора в режиме ОИ. Чтобы понять причину этого перейдем от акустических дБ к напряжениям на его затворе. Можно показать расчетами, что при стандартном включении, для типичного встроенного в капсюль полевика, искажения в 0,5% за счет квадратичности достигаются уже при амплитуде входного сигнала, равного 10…20 мВ. Рассмотренные выше схемотехнические решения, компенсируя квадратичность, доводят допустимый уровень до 200…300 мВ при искажениях, составляющих в некоторых случаях менее десятой доли процента. Но при дальнейшем увеличении сигнала, искажения начинают стремительно расти в силу множества факторов уже другой природы. Вот лишь некоторые из них. Во-первых, напряжение отсечки встроенного полевика, как правило, составляет 0,3…0,4 В, и при приближении амплитуды сигнала к этому значению, транзистор попросту начинает закрываться, его ток меняется в разы; во-вторых, при этих уровнях сигнала p-n переход транзистора уже нельзя рассматривать как бесконечное сопротивление - он начинает приоткрываться; в-третьих, при таких больших колебаниях напряжений на затворе относительно истока и стока, существенную роль начинают играть нелинейности паразитных емкостей исток-затвор и сток-затвор. Это особенно сказывается из-за малой емкости источника сигнала (≈ 5 пФ).
Решения, предполагающие внесение изменений в конструкцию капсюля.
Из приведенных выше соображений следует, что дальнейшее увеличение диапазона допустимых акустических мощностей требует изменения схемы включения полевика, а, следовательно, внесения изменений в капсюль. К счастью, их изготовители в какой-то степени предусмотрели такую возможность. Капсюль конструктивно выполнен так, что исток транзистора легко отсоединить от корпуса (на TouTubе есть даже видеоролик: Linkwitz Mod of WM-61A Condenser Microphone), и, тем самым, возникает возможность использовать разные схемы включения. Впервые такая «операция» была предложена Линквицем (http://www.linkwitzlab.com/sys_test.htm#Mic). Он перевел транзистор в режим истокового повторителя (рис.2).
Рис.2.
Это стало революцией в направлении расширения допустимых входных напряжений. Данная схема при достаточно большом сопротивлении в истоке обеспечивает следующие преимущества (создающие условия для достижения малого КНИ): даже при значительных входных сигналах токовый режим полевика остается почти неизменным; напряжение затвор-исток почти не меняется (что также минимизирует влияние емкости исток-затвор на работу каскада); максимальное напряжение сигнала уже ограничивается не напряжением отсечки, а напряжением питания. Из недостатков можно выделить отсутствие усиления (что ухудшает пороговую чувствительность) и сохранение влияния паразитной емкости затвор-сток (которое можно уменьшить, повышая напряжение питания на стоке).
Тем не менее, в различных вариациях, в том числе с заменой истокового резистора на источник тока, данная схема позволила в симуляторе получать искажения в сотые доли процента для входных напряжений около 1В при разумных напряжениях питания.
Еще один вариант схемы включения транзистора промелькнул на форуме в теме "пред для электретного микрофона" (пост #259, Vlad Zhdanov) и, возможно, его также имел в виду другой участник (тема «выбираем измерительный микрофон», пост #1057, ANEK). К сожалению, этот вариант не был доведен до участников форума в более полной проработке, поэтому не получил развития в обсуждениях. Суть его состоит в том, что встроенный транзистор используется в обычном усилительном режиме, когда сигнал снимается со стока, но в исток тоже добавлен некоторый резистор. Хоть этот резистор уже сам по себе снижает искажения каскада, на него дополнительно подается сигнал ООС с выхода предусилителя. Получается типичный, охваченный ООС, УНЧ, в составе которого полевик капсюля выполняет роль входного каскада. Сначала была мысль продолжить этот путь, доведя его до рабочей схемы. Но потом родилось более простое и, как оказалось по результатам моделирования, более эффективное решение, о котором пойдет речь во второй части.
Вторая часть. Предлагается схема..
Итак, стало ясно, что при попытке расширить диапазон входных напряжений встроенного полевика до напряжений порядка одного Вольта и более, необходим отказ от схемы с ОИ и использование, как минимум, истокового повторителя с исполнением процедуры разрезания металлизации на задней контактной площадке капсюля. О замене полевика на принципиально другую электронику путем вскрытия капсюля речи не идет - слишком деликатная процедура, чтобы рекомендовать ее для массового повторения.
Второе, что стало ясно - это необходимость вообще постараться заставить полевик работать так, чтобы все его режимы почти не менялись даже при больших напряжениях сигнала. Тогда, можно ожидать, что и все факторы, приводящие к нелинейностям, одновременно будут минимизированы.
Один из возможных вариантов схемы, в которой реализованы эти принципы, представлен на рис.3.
Рис.3.
Рассмотрим, как в этой схеме реализованы методы стабилизации режимов…
В первую очередь надо стабилизировать ток полевика. Проще всего это делать истоковым повторителем. Однако обычный резистор в цепи истока должен быть очень большим (более 100 кОм), чтобы рассчитывать на максимальное снижение искажений. Но тогда при типичном токе полевика 0,2…0,4 мА потребуется напряжение питания до 40 Вольт и более. К тому же, схема будет иметь низкую температурную стабильность, поскольку у полевика температурный коэффициент тока составляет примерно 2 мкА/C° (см. температурную зависимость на рис. 1 ). В связи с этим, вместо резистора в цепи истока использована несложная схема на транзисторе Q2, дающая по постоянному току и на частотах ниже 0,25 Гц дифференциальное сопротивление менее 10 кОм, а на частотах выше 20 Гц, наоборот - более 250 кОм. Кроме того, резистор R4 подобран так, что температурный коэффициент тока схемы равен 2 мкА/C°. Таким образом, если конкретный экземпляр полевика будет действительно обладать указанным температурным коэффициентом тока, то каскад окажется стабилизирован в диапазоне температур ‑25...+75 C°.
Это схемотехническое решение также практически полностью исключает влияние паразитной емкости затвор-исток одновременно и на работу схемы, и на входную емкость каскада, поскольку напряжение на истоке полностью повторяет напряжение на затворе.
Осталось придумать схемное решение, чтобы и напряжение на стоке повторяло напряжение на затворе: тогда транзистор будет всегда находиться примерно в одном режиме. Для этого можно всего лишь немного изменить типичную цепочку R1-C2-R5 отрицательной обратной связи операционника (с привычной R-R-C на R-C-R) и замкнуть её не на землю, как обычно, а на плюс питания. Теперь, если сток полевика подключить к резистору R1 (в точку b), то задача оказывается решенной. Вот и вся схема… Настраивается она одним резистором R2 так, чтобы напряжение на выходе операционника (точка d) было примерно равно половине питания. Напряжения в точках a и c также автоматически станут равными этому значению.
Согласующая цепочка R6‑C3‑R7 служит для отсекания постоянной составляющей с выхода операционника и снижения громкости щелчка при «горячем» подключении преда ко входу последующего усилителя, а также для уменьшения влияния емкостной нагрузки в виде длинного выходного соединительного кабеля на работу операционника.
Чтобы проиллюстрировать способность данной схемы работать с большими уровнями входных сигналов, на рис. 4а представлен ее вариант с двуполярным питанием, где операционник использует +/- 15 В (чтобы не было ограничения по выходу), а основной каскад питается лишь от +/- 6 В. Как видно из моделирования, при амплитуде входного сигнала в 6 В искажения составляют 0,002%. Если же не предвидится таких больших входных сигналов, полное питание этого каскада можно снизить вообще до 6 В.
Рис.4. а)б)
в)
На рисунках 3 и 4 были представлены самые простые варианты схемы для знакомства с принципом ее работы и возможностями. На практике еще надо позаботиться о том, чтобы пульсации и шумы источника питания не попали на инвертирующий вход операционника через цепь R1-C2, а затем на его выход. Поэтому в рабочем варианте схемы надо поставить фильтрующую цепочку R8‑C4 (или две), как показано на рис. 5а).
Рис.5. а)б)
в)
Также, если операционник в силу своих особенностей дает подъем АЧХ на своих предельных частотах, может быть полезной корректирующая емкость Cк. Как видно из рис. 4б, там имеется небольшой подъем АЧХ на 6 МГц, а в схеме на рис. 5б его уже нет благодаря этой емкости.
Чтобы другие могли самостоятельно повторить симулирование, я привожу используемую модель полевика (рис. 6). Естественно, могут вызвать вопросы значения некоторых параметров. Я принял их такими на основе анализа разных моделей, использовавшихся участниками форума, усреднив и округлив их (ведь это лишь типовые значения, которые меняются от экземпляра к экземпляру). Некоторые спорные значения, которые приводили к противоречивым результатам (например, не давали правильной величины реального тока транзистора), я заменил на значения по умолчанию для симулятора «Multisim 12» или старался подобрать их так, чтобы такие стандартные характеристики, как напряжение отсечки, начальный ток и удельная крутизна остались соответствовать реальности, определяемой формой графика на рис. 1. Ваше право изменить их.
Рис.6.
В заключение сделаю несколько итоговых замечаний по представленному материалу.
1. Предолженная схема преда нужна для работы с большими уровнями звуковых мощностей, которые используются в некоторых акустических измерениях. Пороговая чувствительность у неё несколько хуже, чем у обычных схем предусилителей, поскольку внутренний полевой транзистор используется в режиме истокового повторителя, а не как усилитель напряжения. Поэтому, чем более малошумящий ОУ вы используете, тем шумы будут меньше. Я рекомендую ОУ с биполярными транзисторами на входе, схема это допускает, а шумы напряжения у них меньше. Надо только, чтобы токовые входные шумы не превосходили 2…3 пА/√Гц. Например, AD8671, он очень дешевый и имеет шумы напряжения 2,8 нВ/√Гц, в этом случае ухудшения по шумах практически не произойдет. Моделирование на нем (как видно из рисунков) дает отличные результаты.
2. Пред не устраняет искажения, возникающие из-за акусто-механических нелинейностей мембраны капсюля. Я рассчитываю, лишь на минимизацию электрических искажений до уровня, когда они становятся пренебрежимо малы по сравнению с мембранными, что позволит подойти к вопросу изучения этих искажений.
3. Лучше всего использовать данную схему совместно с капсюлем WM-61. У него маленький диаметр, благодаря чему он обладает широким частотным диапазоном и одновременно уже сам по себе допускает повышенные входные уровни акустической мощности по сравнению с капсюлями большего диаметра.
4. Снова повторю: чтобы исключить проникновение пульсаций источника питания надо хорошо зафильтровать напряжение в точке подключения R1 к источнику. Питание операционника этого не требует.
5. При симулировании схемы с вариацией параметров в очень широких пределах иногда может наблюдаться интересный эффект - небольшой подъем АЧХ на частоте около 1 Гц. Он легко устраняется изменением номиналов любого из конденсаторов С1 в пределах 10…20 мкФ или С2 в пределах 50….100 мкФ. Или снижением емкости C3 так, чтобы частоты ниже 10…20 Гц не проходили на выход.
6. Верхняя граница рабочих частот схемы в моделировании определяется частотными свойствами операционника. Для современных ОУ она намного шире звукового диапазона. Это может быть недостатком с точки зрения увеличения шумов, если используемая система оцифровки сигнала не имеет хорошего фильтра, отрезающего шумы выше половины частоты дискретизации. И на нормальном осциллографе, конечно, это визуально увеличит шумовую дорожку. Тогда можно дополнить схему еще одним каскадом-фильтром.
7. Лучше всего иметь усиление схемы 6 дБ (при R5=2кОм) или 10 дБ (при R5=4,3кОм). Вряд ли мембрана сможет реально выдать напряжения, которые приводились в моделировании. Поэтому на практике даже с таким усилением выходной сигнал будет не больше 5 Вольт амплитуды. Если операционник запитать напряжением 15 Вольт (или +/- 9…12 В при двуполярном питании), то он без проблем выдаст такой сигнал в нагрузку. Зато это позволит использовать меньшее усиление в звуковой карте и, тем самым, уменьшить ее собственную шумовую дорожку. Использование коэффициента усиления, равного единице (при R5=0), снижает требования по борьбе с пульсациями питания, но в симуляторе несколько увеличивает искажения на больших уровнях. В этом случае надо также внимательно смотреть, допускает ли ваш операционник работу на нагрузку 2 кОм. Если нет, то R1 надо будет соответственно увеличивать.
Прямо признаюсь, я не проверял эту схему даже в макете, а только моделировал в Мультисиме-12. При моделировании схема оказалась удивительно устойчива к изменению номиналов деталей, параметров модели полевика и операционника. Проверить полученные результаты в «железе» у меня нет ни возможности, ни времени (я не связан с акустикой, мне просто интересно было «решить задачку»). Но как же после этих трудов все-таки хочется сравнить теорию с реальностью! Поэтому я очень заинтересован, если бы кто‑то это воплотил в жизнь.
В общем, друзья, все кто хочет и может поэкспериментировать со схемой, пожалуйста, расскажите, как она у вас заработала, на каких операционниках, какие были проблемы. В случае успеха будет здорово, если вы поделитесь с другими конструкцией и разводкой платы. Обратите внимание, как она будет работать на длинный кабель с большой емкостью. Ведь не все операционники способны устойчиво работать на емкостную нагрузку. В этом случае может понадобиться еще буферный каскад. Может также оказаться, что в реальности существуют неожиданные проблемы, и вы придумаете, как усовершенствовать схему, чтобы устранить их.
P.S. Пока писались последние строки и проходило финальное обсуждение идеи обратной связи по стоку, появились посты, где люди стали делиться своими практическими наработками именно в этом вопросе. Даю ссылку уже на опробованное решение #2696 . Радует, что процесс пошел!
Сообщение от Nota Bene
))
Социальные закладки