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

[Гоша]

Вот так в теории соотносятся тепловой шум резистора 50 МОм (типовое значение резистора в капсюле), зашунтированного емкостью 15 пФ (тоже типовая емкость) и шум полевого транзистора КП303Г.
Первый - синеньким, второй - красненьким.

[Дмитрий Косачев]

тепловой шум резистора 50 МОм

А можете построить такие же графики для резисторов 500МОм, 1ГОм, 3ГОм, 6.8ГОм в одном поле?
Интересно было бы сравнить.

[Гоша]

Легко.
Но не очень наглядно.

[Дмитрий Косачев]

Легко.
Но не очень наглядно.

Спасибо большое.
На самом деле результат интересный - получается, что даже при 6.8ГОм (большего номинала в конденсаторных микрофонах редко встретишь, может только пару раз видел по 10ГОм) тепловой шум резистора превалирует над шумом FET*а КП303Г, а это далеко не самый малошумящий транзистор.

[Гоша]

тепловой шум резистора превалирует над шумом FET*а КП303Г, а это далеко не самый малошумящий транзистор.

Ну, при 6.8 ГОм шум резистора и транзистора приблизительно равны, так что нельзя сказать, что здесь превалирует.
А КП303Г не самый худший вариант.
Шумит он ничуть не больше тех ПТ, которые стоят в капсюлях.
Привел его в качестве примера потому, что его модель проверена мной в практическом эксперименте, в том числе и по шумам.

[Дмитрий Косачев]

А КП303Г не самый худший вариант.

Я использую 2SK208 и пока более лучшего варианта из доступных не нашел.
Хотел как-то попробовать IF4500, но для себя решил, что соотношение цена/качество не в его пользу.

[Grishanenko]

А появилось ли единое мнение по поводу акустического оформления самого микрофонного капсюля и его влияния на АЧХ? На фотках он или приставлен (приклеен?) к длинной трубке такого же диаметра (6 мм) или вставлен в трубку чуть большего диаметра или даже здесь был pdf с чертежом ребристого держателя, как в ECM8000. Во всевозможных резиновых оболочках (ослабить передачу вибрации от корпуса) не будет смысла?

[mAxSpace]

Самый лучший вариант на трубочке 3...6 мм

[Tuvalu]

На самом деле результат интересный - получается, что даже при 6.8ГОм (большего номинала в конденсаторных микрофонах редко встретишь, может только пару раз видел по 10ГОм) тепловой шум резистора превалирует над шумом FET*а

Ну, при 6.8 ГОм шум резистора и транзистора приблизительно равны, так что нельзя сказать, что здесь превалирует.

Неверные выводы. От сопротивления этого резистора зависит частота, с которой начинается подъём шума на НЧ. А шум ПТ - это "высота" горизонтального участка на СЧ-ВЧ.
Виной всему "хроническая болезнь" всех, ну, просто всех ЛТспайсников - напряж. шума у них всегда почему-то представлено в линейном масштабе. Как только вы перейдёте на нормальную ОБЩЕПРИНЯТУЮ лог. шкалу, сразу всё и прояснится.
А величина шума на НЧ ("горка") - это токовый шум резистора, помноженный на ёмкостное сопр. капсюля, а не какой-то там отдельный "шум резистора". Поэтому, чем больше C капсюля, тем ниже частота перегиба. Заметьте, при одних и тех же R и ПТ. Иначе говоря, некорректно говорить о том, что шум этого R больше или меньше шума ПТ, т.к. в данной ситуации вы пытаетесь сравнивать различные величины - напряжение шума ПТ и (I_шума_R)*(ёмкостное R капсюля).

Вот, для примера, зависимость шума от сопротивления этого R в типичном конденсаторном микрофоне с дюймовой мембраной. Для простоты, токовый шум ПТ=0, а его напряж. шума, приведённое ко входу, эмулируется последовательным резистором.

Хорошо видно, что линии НЧ-шума в лог. масштабе параллельны, т.е. они имеют один и тот же наклон 20 дБ/декада, как и писал sia_2, а не представлены в виде малопонятного веера, как в посте #1103 (линейный масштаб).

Это именно интегрирование емкостью капсюля и входной емкостью полевика белого шума токов утечки и шумового тока высокоомных резисторов. Наклон 20 дБ/декада (6 дБ/октава), а не 10 дБ/декада (3 дБ/октава), как для фликкера.

[Гоша]

Виной всему "хроническая болезнь" всех, ну, просто всех ЛТспайсников - напряж. шума у них всегда почему-то представлено в линейном масштабе.

а не представлены в виде малопонятного веера, как в посте #1103 (линейный масштаб).

Легко видеть, что вертикальная ось в посте 1103 - это плотность шума в В/Гц-1/2. Это мировая общепринятая шкала, никакая логарифмическая шкала там не нужна и не катит.
Симулятор умеет считать площадь под этой кривой, что дает среднеквадратичное значение напряжения шума.
К сожалению, он это может сделать только для одной кривой на эпюре, поэтому наглядность снижается. О чем я честно сообщил.
Однако тенденция видна четко, если произвести подсчет площади под кривыми "в уме".

---------- Сообщение добавлено 11:24 ---------- Предыдущее сообщение было 11:09 ----------

Для простоты, токовый шум ПТ=0, а его напряж. шума, приведённое ко входу, эмулируется последовательным резистором.

Этого делать нельзя, шум ПТ не белый.
Еще одна причина, по которой нельзя замещать ПТ идеальным усилителем и шумовым резистором - отсутствие в такой схеме входной емкости ПТ.
И, наконец, эпюра из 1103 иллюстрирует не плотность шума входа и выхода, как у Вас, а плотность шума резистора и ПТ.
LTSpice умеет включить логарифмический масштаб для плотности шума, при этом получаются эпюры, практически идентичные Вашим. Не вижу смысла их выкладывать и спорить о том, какой масштаб лучше.
Вывод будет один и тот-же - до значения сопротивления резистора 5...6 Гом превалируют шумы резистора над шумами ПТ, при больших значениях величины резистора шумы ПТ становятся больше, но не настолько, чтобы убиваться из за этого.
И да, 20 дБ/декада есть на всех картинках. Надо только ручками посчитать.

[Tuvalu]

Легко видеть, что вертикальная ось в посте 1103 - это плотность шума в В/Гц-1/2. Это мировая общепринятая шкала, никакая логарифмическая шкала там не нужна и не катит.

Вы заблуждаетесь. Вот, примеры:
1) Графики спектральной плотности шума из даташитов различных приборов ведущих фирм (фирма - буквы в конце названия картинок).

2) Статья по теме - про шумы конденсаторных миков "General Considerations of Noise in Microphone Preamplifiers".

3) Плюс, на закуску - глава про шумы из книги "наших всё" Хоровитца, Хилла. Все количественные, качественные, сравнительные, обобщающие графики спектр. плотности U и I шума даны именно в лог. масштабе.

Справедливости ради, редко используется и линейная шкала, например, в случаях, когда фликкер-шум очень маленький и его трудно было бы разглядеть в звуковой полосе - AD797. Про остальное отвечу позже.


Noise in Microphone Preamp.pdf
ХиХ_Иск сх-тех_шум.pdf

---------- Сообщение добавлено 14:27 ---------- Предыдущее сообщение было 14:20 ----------

Однако тенденция видна четко, если произвести подсчет площади под кривыми "в уме".

И да, 20 дБ/декада есть на всех картинках. Надо только ручками посчитать.

Хорош способ - с помощью симулятора считать в уме или "ручками".

[Гоша]

Хорош способ - с помощью симулятора считать в уме или "ручками".

Под "ручками" имелось в виду поставить два курсора и получить отношение уровней. Или наклон.
Автоматом это никто не делает.

---------- Сообщение добавлено 16:15 ---------- Предыдущее сообщение было 16:09 ----------

обобщающие графики спектр. плотности U и I шума даны именно в лог. масштабе.

Да какая разница, в каком масштабе? Что от этого изменяется кроме удобства/неудобства созерцания пупка?
Что, от типа шкалы изменится отношение величин? Их абсолютные значения?
Нет.
Изменится только вид графика - кривые в линейном масштабе логарифм/экспонента станут прямыми в логарифмическом.
И да, надо помнить что отношение в 10 раз это 20 дБ.

[stimer]

Добрый день уважаемые форумчане. Собрал микрофон на капсюле WM-61А без предусилителя по схеме линквица.

Есть проблема, что плохо замеряет басс, на басу спад АЧХ. Поможет ли мне предусилитель выровнять АЧХ и показать басс, чтоб там не было спада, или же предусилитель мне не поможет. Заказал две платы одна на max9814 другая на другом чипе не помню. Замеряю наушники в ближнем поле, расстояние между динамиком наушника и капсюлем - 1см. Замеры происходят в трубке в закрытом герметичном пространстве.
Вот как пример график что происходит у меня

[semimat]

Завал очень сильный и для годного капсюля ненормальный. Вообще вся АЧХ очень странная. А почему ты думаешь, что это завал микрофона, а не АЧХ наушника или вообще всей измерительной установки?

[mAxSpace]

Вполне типичная кривая АЧХ наушников.
Низа тут быть конечно не должно - они ведь не надёты на голову.

[Tuvalu]

Offтопик:

Да какая разница, в каком масштабе? Что от этого изменяется кроме удобства/неудобства созерцания пупка?
Что, от типа шкалы изменится отношение величин? Их абсолютные значения?
Нет.

Вы, видимо, так плотно пообщались с гитарным балаболом в теме про "рык", что переняли у него манеру ведения дискуссии.
--------------
Я: В мире принято так (про лог. шкалу)...

Вы: "Это мировая общепринятая шкала (линейная, в смысле), никакая логарифмическая шкала там не нужна и не катит."

Я: на куче примеров показал, что Вы неправы.

Вы: Какая разница.
--------------
Прелестно, моё почтение.

[Гоша]

Вы, видимо, так плотно пообщались с гитарным балаболом в теме про "рык", что переняли у него манеру ведения дискуссии.

Який Ви тендiтний

Скрытый текст

Мой возраст позволяет мне не перенимать чью-либо манеру общения, а быть самим собой хоть где, даже в интернете.
Возможно, не всем она нравится - дело хозяйское. Но я не грублю, правил не нарушаю.
Если у Вас на меня идеосинкразия - ну что ж, так тому и быть.
Вы лучше меня знаете, что нужно сделать в таком случае.
Хотя лично меня это огорчит - у меня на Вас идеосинкразии нету, общение с Вами считаю полезным.

[свернуть]

К делу.
Я иллюстрировал свои утверждения так, как считал нужным.
А утверждение (вернее ответ на вопрос) было таким - шум ПТ становится заметным относительно шума интегратора Cкапсюля Rвх начиная с значений Rвх > 5...7 ГОм при Cкапсюля 20 пФ.
Мне не составит труда перейти на логарифмическую шкалу и проиллюстрировать это снова.
Два нюанса, чем отличаются мои выкладки от Ваших.
1. Коль речь идет об электретном четвертьдюймовом капсюле, то емкость 70 пФ считаю излишней. Там, дай Бог, 20 пФ наберется.
2. Оставлю в анализе полевой транзистор с общим истоком и Ку 2. Это позволит более точно симулировать шум ПТ.
Капсюль возьму усредненный с чувствительностью 10 мВ/Па. Это важно для вопроса, который не дает мне покоя и который я задам позже.
На картинках ниже схема эксперимента и раскладка по шумам для различных значений Rвх - 100Мом, 6,8Гом и 50Гом.
Шумы приведены для Rвх (понятно, что Rвх шунтировано емкостью капсюля и входной емкостью транзистора) и для шума ПТ (не для общего выходного шума) в виде спектральной плотности шумов в логарифмической шкале. Там же приведены значения RMS интегральных шумов в полосе 20...20кГц.
Видно, что при "малых" значениях Rвх шумы резистора больше шумов ПТ.
При значении Rвх 6,8 ГОм шумы резистора и ПТ уравниваются.
При бОльших значениях Rвх шумы ПТ превышают шумы резистора.
Для чего это все считать?
Я думаю, что для определения некоего компромиссного значения Rвх, выше которого игра уже не стоит свеч.
Компромисс с одной стороны определяется частотой среза снизу, определяемой постоянной времени RвхCкапс, с другой стороны - неуправляемыми токами затвора и утечками диэлектриков платы и корпуса ПТ.
Шумы ПТ зависят только от типа и качества транзистора, на них мы практически никак влиять не можем.
При значении Rвх > 300 Мом полоса пропускания по уровню - 3 дБ составляет 20 Гц, так что можно принять значение Rвх 300 МОм как минимально допустимое.
При Rвх 50 Гом ток через этот резистор при напряжении смещения 1В (реально напряжение смещения много меньше) составит 20 пА, что сравнимо или меньше неуправляемого тока затвора ПТ. Для справки, ПТ 2П303Г, специально разработанные для зарядочувствительных схем, имеют ток утечки 100 пА и стеклянный диэлектрик выводов.
При таких токах необходимо применять специальные диэлектрики (фторопласты, например) и меры конструктивные - охранные кольца вокруг вывода затвора.
Никаких таких ухищрений в электретных капсюлях я не наблюдал, диэлектрики - обычная пластмасса, охранных колец нет.
Отсюда считаю, что оптимальная величина Rвх находится в диапазоне 3...10 ГОм.
Если есть аргументы против - излагайте.
Прошу только учесть, что речь идет не о "Нойманах", а о простых электретных капсюлях.
Нойман может себе позволить и фторопласт, и кольца. За их то цену.
А теперь о том, что не дает мне покоя в случае с электретными капсюлями.
Очень неплохие капсюли характеризуются отношением сигнал-шум 60 дБ, причем шум указывается взвешенный.
В зависимости от типа взвешивания, интегральный невзвешенный шум будет на 10...14 дБ хуже, т.е 46...50 дБ.
А расчет показывает 60 дБ с/ш невзвешенный.
Вопрос - куда деваются децибеллы?
Что не учтено в схеме замещения электретного капсюля?
В какой-то из тем этот вопрос поднимался, но ответа не получилось, кроме пресловутого "китайского" качества.

[Дмитрий Косачев]

Что не учтено в схеме замещения электретного капсюля?

То что бросается в глаза - это идеальность конденсатора, т.е. не учтено стекание заряда с мембраны капсюля (или наоборот на мембрану). И не учтены паразитные ёмкости/сопротивления ПТ.

[semimat]

Капсюль возьму усредненный с чувствительностью 10 мВ/Па. Это важно для вопроса, который не дает мне покоя и который я задам позже.
...
Никаких таких ухищрений в электретных капсюлях я не наблюдал, диэлектрики - обычная пластмасса, охранных колец нет.
...
А теперь о том, что не дает мне покоя в случае с электретными капсюлями.
Очень неплохие капсюли характеризуются отношением сигнал-шум 60 дБ, причем шум указывается взвешенный.
В зависимости от типа взвешивания, интегральный невзвешенный шум будет на 10...14 дБ хуже, т.е 46...50 дБ.
А расчет показывает 60 дБ с/ш невзвешенный.
Вопрос - куда деваются децибеллы?
Что не учтено в схеме замещения электретного капсюля?
В какой-то из тем этот вопрос поднимался, но ответа не получилось, кроме пресловутого "китайского" качества.

Гоша, как приятно встретить человека, "болеющего" тем же вопросом... Подолью масла в огонь. Существуют и не очень дорогие капсюли диаметром 6 и 10 мм, имеющие в полосе А шумы -74...-80 дБ относительно 1 Па, например, капсюли фирмы Primo ( https://primomic.com/products/ ).
Особенно интересны капсюли EM258 (6 мм, s/n - 74дБ) и EM272 (10 мм, s/n - 80дБ). У EM272 ( https://primomic.com/pdf/EM272.pdf ) чувствительность составляет -28 дБ ( 40 мВ/Па). Жаль, что их не поставляют в Россию частным лицам.
Зато у нас в России можно купить микрофон (некоторые комплектации стоят около 800 рублей) с 6 мм капсюлем, имеющий с/ш тоже 74 дБ ( см пост #36 ) .
Получается, что-таки существуют относительно недорогие капсюли со столь высоким отношением с/ш.
Это ставит следующий вопрос - какие транзисторы в них применяются и насколько они лучше КП303Г? Или другой вопрос - можно ли улучшить дешевый капсюль, заменив в нем встроенный транзистор на КП303Г, чтобы выйти на невзвешенные 60 дБ?

[Гоша]

Дмитрий Косачев,
Модель транзистора вполне реальная, со всеми паразитами.
А вот насчет стекания заряда - для электретного капсюля непонятна физика процесса, как это может влиять на шумовые характеристики.