Пред для электретного микрофона

[Fenyx]

Заходим, товарищи, участвуем!
Литература для интересующихся:
П. Хорвиц У. Хилл "Искусство схемотехники" стр. 128-138.
"Параметрическая линеаризация полевого транзистора или как сделать твердотельный триод" Alex Nikitin.
Ветка здесь "Усилитель на 7 транзисторах" его же.
Обоснование: В микрофоне встроен полевой транзистор, но его включение в стандартной схеме далеко от идеального, о чем в частности сказано на LinkvitzLab, тут, по этому надо не тупо включать его по схеме из даташита, а задать наиболее благоприятный режим работы.
Одна только каскодная схема (без операционного усилителя) дает увеличение чувствительности около 26-30дБ !!! Это впечатляет!
**************************
Финальный вариант схемы (картинка внизу) - в том виде, что работает у меня: картинка и файл с печаткой для SprintLayout.
Разделительный конденсатор С1 и задающую смещение на входе операционника цепочку R6-R7 можно убрать, если напряжение питания будет постоянным и номинал резистора нагрузки каскода R1 будет подобран так, чтобы постоянное напряжение на нем было около 1/2 Uпит.
Конденсатор по питанию можно переместить непосредственно к входным пятачкам платы (как я и сделал, потому что плата вставлена в корпус от щупа вольтметра - теперь это корпус микрофона , и конденсатор мешался). Второй кондер рядом - неполярный электролит для развяски ОС по постоянному току можно отогнуть (если оставить длину его ножек над платой 2мм) и он не мешает.
Напоминаю, что опер можно взять любой, какой вам понравится, я взял AD8610 потому что он обладает просто превосходными характеристиками и при этом высылается фирмой Analog Devices безвозмездно (то есть даром ) всем желающим (на ссылке искать в таблице в столбце "Samples Cart" те строчки где есть "Add to Cart" - туда и жать). Вероятно вам будет полезен этот топик: Заказ деталей.

Последние новости: основные варианты схем с описанием и разведенными печатками собраны в одной статье, лежат тут:Усилитель для электретного микрофона на ОУ
*************************************************************************************
Так как в теме и в привате регулярно всплывают вопросы, то решил вынести сюда своеобразный микро-FAQ.
Первая по хронологии схема, она мной собрана и прекрасно работает до сих пор:

Печатка к ней.
Следующая схема - та которая лично мне нравится больше, на двух оу (в одном корпусе), без дополнительного транзистора. Кроме прочего отличается еще и меньшим минимальным напряжением, которое требуется для ее работы. Практически напряжение снизу ограничено только требованиями примененных ОУ - для использованных мной AD8620 это около 7В (однополярного):

Печатка.
Фото готовой печатки:
Дорожки спциально разведены пошире (и сами и пространство между ними) - чтобы можно было легко сделать "на коленке" - лазерно-утюжной технологией и т.п. - хоть от руки нарисовать. Внимание! В файле для спринта присутствуют некоторые элементы, которых в вышеприведенной схеме нет. Они выполняют вспомогательные функции и на принципиальной схеме отсутствуют чтобы не отвлекать от основной мысли.
То, что ниже в статье - это так, мысли вслух про возможные варианты. К тем могу еще добавить вариант с одним оу и Т-образной ОС, но на мой взгляд он преимуществ не имеет (кроме экономии одного оу, но это экономия пустая, т.к. по цене ничего не выигрываешь и по габаритам тоже - корпус точно такой же). И еще обсуждался вариант по снижению нелинейных искажений самого капсуля (вернее полевого транзистора в нем), путем перевода оного в "линейную" область. Для этого нужно снизить напряжение на капсуле с 2В до примерно 0,35В - см. графики ниже. Такой вариант требует специальной схемы для компенсации температурного дрейфа полевика. Те, кто сильно заморачиваются параметром THD в своем микрофоне (по данным симулятора искажения падают в 10 раз - с 0,45 до 0,05%, на самом деле может быть и по другому - в микрофоне есть еще другие источники искажаний), могут попробовать заменить источник опорного напряжения (у меня это светодиод) на схему, выдающую напряжение 0,35В при 20 градусах и имеющую температурный коэффициент 2,0-2,2мВ на градус (плюс, т.е. с ростом температуры напряжение должно повышаться).
И одно замечание - ссылки на картинки и файлы ведут на сайт многоуважаемого камрада GREY, так что если его сайт забарахлит или он в очередной раз поменяет его структуру, то я не виноват что вы не видите картинок!
*************************************************************************************
Ссылка на связанную тему по микрофонам:
Выбираем измерительный мткрофон
Топик по компьютерным измерениям программой LspLab:
Как пользоваться LspLab3
Еще про измерения:
Измерение АЧХ акустики. Вопросы чайника по JustMLS, RMAA и т.п.
Хороший обзор режимов работы полевика с предложенной (лучшей) схемной реализацией:
https://forum.vegalab.ru/showthread....56#post1898656
Кривые на картинках снизу - ВАХ полевика моего капсуля WM61

[Дмитрий Косачев]

Это ставит следующий вопрос - какие транзисторы в них применяются

Касательно Panasonic - это раньше были 2SK0123 (2SK123), 2SK3372.

А вот насчет стекания заряда - для электретного капсюля непонятна физика процесса

Это фактически такой же флуктуационный шум, только не тепловой, а зарядовый.

[Гоша]

Это фактически такой же флуктуационный шум, только не тепловой, а зарядовый.

Я нигде не встречал такого определения.
Если бы эффект был явно выражен, то он был бы опИсан в литературе.
Поэтому я и не могу ввести их в модель. Формулы не знаю.

2SK0123 (2SK123), 2SK3372.

Касательно шумовых характеристик эти транзисторы ничуть не лучше КП303.
Те же 4 мкВ RMS.

[semimat]

Касательно Panasonic - это раньше были 2SK0123 (2SK123), 2SK3372.

Дмитрий Косачев, спасибо за дополнение. Да, я знаю, про 2SK3372. Есть очень интересные исследования участника begemot61, который на другом форуме (AudioPerfection) измерял шумы встроенного в WM-61 полевого транзистора. Он вынул его из капсюля, а мембрану заменил "эквивалентным" конденсатором. Вот там у него получились результаты по шумам, согласно которым капсюль WM-61 таки должен иметь очень высокое отношение с/ш, гораздо лучше паспортных 62 дБ. Получается, что мембрана и электрет капсюля определяют некие другие шумы вдобавок к тем, которые рассчитаны на основе электрической схемы (о чем, как раз, ты и говоришь). Мой вопрос больше касался тех транзисторов, которые стоят в капсюлях Primo, у которых взвешенные акустические шумы в 4 раза меньше, чем у WM-61 (для аналога WM-61 - EM258). Это уж очень большое превосходство.

P.S. Я слышал про транзисторы КП303А, что хотя они и имеют по паспорту шумы на 1 кГц - 20 нВ/Гц^0.5 https://eandc.ru/pdf/tranzistor/2p303_kp303.pdf , но из партии можно отобрать достаточное количество экземпляров, имеющих шумы менее 5 нВ/Гц^0.5. Возможно фирма Primo использует отбор транзисторов по шумам перед установкой в капсюли. Поэтому они и подороже более массовых изделий.

[Дмитрий Косачев]

Я нигде не встречал такого определения.

Я его понимаю как мультипликативный шум вызванный флуктуациями ёмкости капсюля (вследствие стекания заряда).
Возможно, что он настолько незначителен, что его можно и не учитывать - я исследования не проводил.
По крайней мере, другого объяснения "пропажи" децибелл у меня нет.

[Гоша]

Наверное все таки придется учитывать, что в спецтранзисторах для конверторов сопротивления все таки имеются элементы резистивного характера между затвором и истоком.
При сопротивлении этого резистора 20 МОм с/ш как раз и получается 56 дБ.
А при 200 Мом уже 60 дБ.
При 20 ГОм 64 дБ.
Все это при Ку=2.
Но!
При 20 МОм F3 получается 300 Гц, при 200 МОм 30 Гц.
Значит нужен малошумящий транзистор с очень малыми токами утечки затвора, чтобы значение сопротивления можно было установить как можно бОльшим.
Информации по величине резистора внутри спец-ПТ у меня нету.
Так же, как и по утечкам затвора, за исключением КП303.

[Дмитрий Косачев]

Возможно фирма Primo использует отбор транзисторов по шумам перед установкой в капсюли.

Очень похоже на правду, только не сортируют сами, а заказывают сортировку на заводе-изготовителе.
Почему-то мне кажется, что все используемые транзисторы в электретных капсюлях +/- одинаковые - наверняка некоторые вариации 50-го техпроцесса.
Если у кого-нибудь есть хороший микроскоп, то можно провести сравнение: вынуть используемые ПТ из капсюлей, растворить корпус димексидом и сфотографировать кристаллы.

[Гоша]

(вследствие стекания заряда)

Вот это самое скользкое.
Куда он стекает?
Какими путями?
Насколько быстро?
Что будет, если замкнуть выводы капсюля резистором?
Что покажет вольтметр, подключенный к выводам капсюля?
Это же не батарейка.
Для появления мультипликативного шума а-ля тепловой нужны свободные заряды. В диэлектрике их нет.
Квантовые флуктуации покоящихся зарядов пренебрежимо малы по сравнению с тепловыми зарядов свободных.
Вот я и говорю - странно все это.
И, судя по отсутствию публикаций, никому не интересно.
Или я не умею искать?

[semimat]

Гоша, ранее в ветке "Выбираем измерительный микрофон" обсуждался вопрос о встроенном эквиваленте сопротивления утечки в полевые транзисторы, предназначенные для работы с емкостными источниками сигналов малой емкости. Это сопротивление оценивается величиной от 1 до 5 ГОм и указывается в спайс-модели конкретного транзистора. Я в своих расчетах брал величину 3 ГОм (не для оценки шумов, а для построения АЧХ предусилителей). Оценить реально эту величину можно, посмотрев, с какой частоты начинается завал нижних частот у электретного капсюля, и прикинув входную емкость. Можно посмотреть на типичные паспортные АЧХ капсюлей и понять, что у многих из них частота среза находится ниже 10 Гц (просто дальше графики упираются в край картинки, но до частоты 10 Гц завалом и не пахнет). Это как раз и говорит о том, что сопротивление утечки составляет примерно 3 ГОм. В той ветке можно найти ссылку на файл со спайс-моделями, просто сейчас это трудно сделать - слишком велика ветка.

[Гоша]

Почему-то мне кажется, что все используемые транзисторы в электретных капсюлях +/- одинаковые

Именно так. Ну, минимальный входной контроль конечно делают.
Коллеги, еще раз повторю - до значения Rвх 1...2 ГОм шум капсюля практически полностью определяется номиналом Rвх, шумами транзистора средней паршивости можно пренебречь.

---------- Сообщение добавлено 18:05 ---------- Предыдущее сообщение было 18:00 ----------

Это как раз и говорит о том, что сопротивление утечки составляет примерно 3 ГОм.

Отлично.
Подставляем в схему, получаем 63 дБ невзвешенного с/ш для 10 мВ/Па капсюля.
Прибавляем 12 дБ взвешивания, должно быть 75 дБ.
Отдайте мне мои 15 дБ

[semimat]

Вот это самое скользкое.
Куда он стекает?
Какими путями?
Насколько быстро?

Гоша, я согласен, что пояснения Дмитрия Косачева о природе дополнительных шумов (флуктуации емкости вследствие стекания заряда) неубедительны. Я знаю две основные причины дополнительного шума неэлектрической природы - это броуновские удары молекул воздуха по мембране и дополнительный шум, определяемый сопротивлением потерь акустического оформления капсюля. Для капсюлей диаметром 6 мм (активный диаметр мембраны - 3,6 мм) этот шум может быть оценен величиной 18 дБ акустических (по моим оценкам). Это предел для микрофонов с диаметром мембраны 3.6 мм. Пэтому МЭМС микрофоны, какие бы они супер-пупер ни были, имеют сигнал/шум около 65 дБ, то есть, акустические шумы 94-65=29 дБ акустических - это из-за маленькой мембраны.
Я также несколько лет назад проводил оценку шумов, порождаемых постепенным рассасыванием поляризующего заряда электретной пленки, считая, что заряд уменьшается в 2 раза за 20 лет. Кажется, у меня получилось, что этими шумами можно пренебречь, поэтому конкретную величину оценки я не помню.

[Дмитрий Косачев]

Информации по величине резистора внутри спец-ПТ у меня нету.

Там и резистора быть не может - как максимум диод (как было в 2SK596), а возможно вообще ничего нет и высокоомный резистор образует материал диэлектрика печатной платы / корпуса транзистора.

Куда он стекает?
Какими путями?

Стекает через диэлектрик на плату с ПТ (пути определяет конструктив капсюля), а так же на неподвижный электрод (или наоборот, в зависимости от способа поляризации: foil или back) - здесь еще надо учитывать, что мембрана деформируется.

Насколько быстро?

Я не настолько увлекаюсь математикой.

Что будет, если замкнуть выводы капсюля резистором?
Что покажет вольтметр, подключенный к выводам капсюля?

В рамках общей теории ничего не покажет - заряд находится в связанном состоянии. Однако он уменьшается со временем, значит сверхмалый ток присутствовать может.
Тепловой шум - аддитивный. Сравнил я их по принципу возникновения - флуктуации.

Это всё мои предположения, не более того, возможно и не верные.

[Гоша]

Я знаю две основные причины дополнительного шума неэлектрической природы - это броуновские удары молекул воздуха по мембране и дополнительный шум, определяемый сопротивлением потерь акустического оформления капсюля.

Я тоже.
Нет смысла их учитывать при выяснении электрического с/ш.
Тем более, что для одинаковых по размеру капсюлей эти шумы будут одинаковы.
И, к сожалению, неустранимы и неуправляемы.

[semimat]

Отлично.
Подставляем в схему, получаем 63 дБ невзвешенного с/ш для 10 мВ/Па капсюля.
Прибавляем 12 дБ взвешивания, должно быть 75 дБ.
Отдайте мне мои 15 дБ

Ну, тогда вроде всё становится на свои места ?... Мы берем дешевый капсюль с чувствительностью 10 мВ/Па, заменяем в нем транзистор на наш КП303Г+3ГОм и получаем микрофон со взвешенными шумами -75 дБ. Это даже лучше, чем капсюль Primo, у которого данное значение равно -74 дБ. То есть, капсюль Primo - это не такая уж диковинка?
Но тогда диковинка - это то, почему производители WM-61 встроили в свой капсюль какой-то хреновый транзистор и угробили заветные 75 дБ с/ш до 62 дБ... Вот это непонятка... Неужели у буржуев до сих пор не нашлось транзистора, хоть близко сравнимого с нашим древним КП303Г? Или они есть, но настолько дорогие, что ставят их только в капсюли Primo...
А если же в Primo стоят типовые полевики для этих целей, как и в других капсюлях, то почему WM-61 не показывает таких результатов? В общем, пока вопрос остался.
Я пытался дать на него такой ответ в одном из постов: "Возможно, что на самом деле реальные шумы дешевых капсюлей могут оказаться существенно меньше указанных в паспорте (ведь в паспорте так и написано для S/N ratio: "не хуже"). Просто, указанные паспортные требования без труда могут быть выполнены даже не лучшими производителями, они легко проверяются без использования специальных заглушенных камер, и при этом они адекватны внешним акустическим помехам в большинстве условий применения. Поэтому я верю, что есть немалый шанс «нарваться» на партию дешевых капсюлей с S/N ratio на 6…10 дБ лучше паспортных. Но это уже относится к удаче."
Неужели никто до сих пор не измерил реальные шумы капсюля WM-61 или ему подобных?
Гоша, а почему надо прибавлять 10...14 дБ для взвешивания? Эта величина сильно зависит от спектральной плотности шумов на низах, а они, в свою очередь, зависят от частоты среза АЧХ капсюля. В экспериментах begemota взвешенный и невзвешенный шумы 2SK3372 отличались менее чем в 2 раза (условно, как относятся 1,52мкВ к 2,90мкВ) http://www.audio-perfection.com/foru...ead.php?tid=62 пост #12. К сожалению, чтобы видеть там картинки, надо зарегистрироваться.

[Гоша]

Гоша, а почему надо прибавлять 10...14 дБ для взвешивания?

Для белого шума невзвешенный/взвешенный по кривой А составляет 14 дБ.
Для коричневого 10 дБ.
Цифры из разных источников колеблются от 9 до 12 дБ.
Почему у Бегемота получилось всего 6 дБ - не знаю, шум полевика там вполне белый.
А вот шум усилителя - совсем не белый. Может, поэтому?
Ладно, черт с вами, отдайте мои 6 дБ
---------- Сообщение добавлено 21:13 ---------- Предыдущее сообщение было 21:10 ----------

Неужели никто до сих пор не измерил реальные шумы капсюля WM-61 или ему подобных?

Как это сделать, не разбирая капсюль?
Он у меня один, выдранный из магнитофона 15 лет назад.
Не в вакуум же помещать.
В принципе, можно взять транзистор из другого капсюля.
Но микровольты...

[mr-marlen]

Неужели никто до сих пор не измерил реальные шумы капсюля WM-61 или ему подобных?

А какой толк от электрических шумов? Могу посмотреть разницу уровней в максимально громком месте и тихом на записях, но думаю что там около 60дБ и будет, т.к. в комнате своих шумов полно. Если сранивать запись WM61 с дорогими микрофонами, то именно больший шум выдает, если конечно приняты меры по борьбе с КНИ.
Приложил результаты записи в комнате (курсор в правой части стоит там где увеличивал для минимума амплитуды). Хотя может если заткнуть отверстие будет и меньше 60дБ .

[semimat]

Marlen, это у нас теоретический вопрос. Конечно, в реальном помещении шумы ниже 30 дБ редко опускаются. Поэтому для корректного сравнения надо тщательно изолировать капсюль от внешних шумов, замотав в ватное одеяло и засунув в тумбочку, стоящую на резинках. Без этого все микрофоны в помещении будут давать одинаковый приведенный ко входу шум (равный шуму помещения).
Нас также пока не интересует сравнение максимальных динамических диапазонов и нелинейных искажений. Чисто пороговые шумы. Типа - какой из микрофонов лучше услышит в кромешной тишине топот тараканьих лапок.

[Гоша]

А какой толк от электрических шумов?

А именно они усиливаются усилителем и шипят.
Причем, если к фоновым шумам ухо адаптируется, то к этим - нет.

Поэтому для корректного сравнения надо тщательно изолировать капсюль от внешних шумов, замотав в ватное одеяло и засунув в тумбочку, стоящую на резинках. Без этого все микрофоны в помещении будут давать одинаковый приведенный ко входу шум (равный шуму помещения).

Даже больше.
Если применить вату, одеяло, резинки - все равно останется шум от броуновского движения молекул воздуха.
В вакуум надо помещать - тогда удастся полностью отстроиться от акустического шума.

[semimat]

Если применить вату, одеяло, резинки - все равно останется шум от броуновского движения молекул воздуха.
В вакуум надо помещать - тогда удастся полностью отстроиться от акустического шума.

Ну, с этим шумом приходится смириться, как с неизбежностью, такой же, как шумы резистора утечки, даже пожалуй, еще более неизбежной. Всё, что можно сделать - увеличивать площадь мембраны - это приводит к уменьшению относительного вклада таких шумов.

Для белого шума невзвешенный/взвешенный по кривой А составляет 14 дБ.
Для коричневого 10 дБ.
Цифры из разных источников колеблются от 9 до 12 дБ.
Почему у Бегемота получилось всего 6 дБ - не знаю, шум полевика там вполне белый.
А вот шум усилителя - совсем не белый. Может, поэтому?

Мне кажется, что ты ошибаешься.
Судя по виду кривой А, я для белого шума могу оценить поправку величиной около 3...6 дБ (позже посчитаю). Жаль, я не знаю звукового редактора, где есть измерение СКЗ сигнала в полосе А. Придется самому интегрировать кривую А.
Попробуй найти источник своих данных про 14 дБ для белого шума и 9...12 дБ для коричневого.

Шум полевика у begemota не похож на белый. Он на интервале от 20 Гц до 20 кГц спадает в 30 раз (желтая кривая).

Ладно, черт с вами, отдайте мои 6 дБ

Гоша, ладно согласен ... Значит мы с тобой оба пока остановились на позиции непонимания, куда деваются эти 6 дБ. Это уже лучше, чем разница между 74 дБ для Primo и 62 дБ для WM-61.
Остается еще задача объяснить, как два дешевых капсюля, имеющих в 10 раз различающуюся чувствительность от -34 до -54 дБ, тем не менее, имеют примерно одинаковое отношение с/ш 58..60 дБ (смотри, к примеру, таблицу микрофонов из поста #1). Это для меня самое нелогичное и непонятное. Что в этих капсюлях различается?

[Гоша]

Я на желтой "почти" прямой насчитал в диапазоне 20-200 ослабление 10 раз.
Характерное для теплового шума 20 дБ/декада.
Выше, конечно, уже сказывается шум ПТ и ослабление на декаду уменьшается.
Вот похожая картинка из симулякра.
Синим шум резистора, исключительно белый, но фильтрованый емкостью капсюля, отсюда наклон.
Красным - полный шум резистор + ПТ.
Видно, что до частоты 1 кГц линии практически совпадают, а дальше шум ПТ добавляется, ибо он нефильтрованый.

[mr-marlen]

Нас также пока не интересует сравнение максимальных динамических диапазонов и нелинейных искажений. Чисто пороговые шумы. Типа - какой из микрофонов лучше услышит в кромешной тишине топот тараканьих лапок.

Ради интереса посмотрел почти тоже самое в спектроанализаторе, находя на слух самый тихий момент при проигрывании записи.
Когда по КНИ подстраивал там что-то вроде -80дБ было по двухчастотному методу, если измерять при низком сигнале с пары наушников-арматур в одной трубке в упор капсюлю.
С дорогими 50...100кр микрофонами может еще 10дБ можно будет выжать, но ИМХО незачем.
P.S. запись по ссылке выложил, можете сами анализировать
https://cloud.mail.ru/public/2bNV/UEz8MveTb