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

[semimat]

Marlen, спасибо. Это красиво, но немного не то. Запись показывает, что у тебя дома можно получить динамический диапазон записи более 60 дБ. Но какой абсолютный минимальный сигнал (в Паскалях) может различить твоя система, по данной записи определить нельзя. Для этого надо сделать два измерения. Первое измерение - это измерить RMS (среднеквадратичное значение) сигнала на выходе тракта, когда микрофон закутан в одеяло и спрятан в тумбочку (RMS1). Второе измерение (RMS2) - это RMS сигнала на выходе, когда на микрофон подается синус частоты 1 кГц заведомо известного звукового давления (также в Паскалях) - обычно это давление равно 1 Па. После этого пороговые невзвешенные шумы (или отношение с/ш) определяются как отношение в децибелах RMS1/RMS2 (RMS2/RMS1 - для с/ш). Увы, для таких измерений нужен источник сигнала заведомо известного уровня или дополнительный калиброванный в абсолютных единицах микрофон.

---------- Сообщение добавлено 02:43 ---------- Предыдущее сообщение было 02:30 ----------

Я на желтой "почти" прямой насчитал в диапазоне 20-200 ослабление 10 раз.
...
Красным - полный шум резистор + ПТ.
Видно, что до частоты 1 кГц линии практически совпадают, а дальше шум ПТ добавляется, ибо он нефильтрованый.

Всё правильно. Begemot и намерил такой полный шум полевика 2SK3372 в схеме истокового повторителя при емкости на затворе 7 пФ. Это были реальные измерения. Про расчет шумов в симуляторе begemot указал, что ему не удалось создать полную эквивалентную схему 2SK3372 (вместе с диодом утечки), корректно считающую шумы, чтобы они совпали с измерениями.
Ты уверен, что твои расчеты согласуются с реальными измерениями?
И этот полный шум всё-таки не белый. Вопрос открытый - как его пересчитать к полосе А. Я не умею работать в LT Spice. Посмотри, может там можно выполнить интегрирование спектральной плотности с учетом задаваемой взвешивающей кривой?

[mr-marlen]

Я же не просто так написал про -80дБ по двухчастотному методу. Если измерять синус с АС, то полезут КНИ источника, поэтому принимается, но с оговоркой .
По абсолютной чувствительности можно привязаться к уровню давления АС на 1 м.

[shura1959]

Уважаемые, немного почитал дискуссию, может пропустил чего, а шум ёмкости вида Un^2=kT/C в анализе учитывается?
https://www.compel.ru/lib/72951

Для справки можно указать, что при комнатной температуре и емкости конденсатора 1 пФ уровень шума составляет 64,4 мкВRMS. При увеличении емкости в x раз шум снижается в x1/2 раз.

Напечатано не совсем вразумительно, следует читать:
" ...шум снижается в корень квадратный из х раз".
Т.е., как я понимаю ёмкостный шум для капсюля С=20пФ, будет примерно 65мкВ/5=13мкв? Как то многовато, вроде...

[Гоша]

шум ёмкости вида Un^2=kT/C в анализе учитывается?

Вообще-то не шум емкости, а шум резистора, отфильтрованный емкостью.
Учитывается, но только не в бесконечной полосе, а в ограниченной.
В ограниченной полосе имеется зависимость от R.
Если полосу установить, например, 0.01 Гц - 1 ГГц, то этот шум получается порядка 14,39 мкВ и практически не зависит от величины резистора, а расчетный по формуле 14,49 мкВ.
Если полосу сузить 20 Гц - 20 кГц, то появляется зависимость от R. При R=1ГОм шумы составляют 7 мкВ, при R=3ГОм - 4 мкВ.

[shura1959]

Вообще-то не шум емкости, а шум резистора, отфильтрованный емкостью.

С этим понятно, а разве сама по себе ёмкость не шумит?
http://www.sciteclibrary.ru/cgi-bin/...num=1171449150

[Гоша]

Шумит, но в квантовом смысле. И этот шум много ниже тепловых шумов резистора.
Для теплового шума нужно перемещение свободных зарядов, а в конденсаторе их нет.
Уже самим измерением шума мы вносим какое-то движение зарядов, и по разбросам их энергий судим о шуме.
То есть говорить о шуме конденсатора без резистора бессмысленно.
Эксперимент с симулятором дает такие числа.
С=20 пФ.
Диапазон частот от 1 мкГц до 1 ТГц.
При R=1 Ом шум 14,358 мкВ.
При R=1 ТОм шум 14, 394 мкВ.
Посчитанный по формуле калькулятором Винды шум 14,391 мкВ.
Различие в 5-м знаке, неизвестно, кто больше врет - симулятор или калькулятор.

P.S.: Поскольку симулятору пофиг, какие частоты выбрать для анализа, задал полосу 1 пГц - 1000 ТГц. Шум при R=1 Ом стал ровно таким же, как и при 1 ТОм - 14, 394 мкВ

[shura1959]

То есть говорить о шуме конденсатора без резистора бессмысленно.

Тоже также думал, но вот физики сбили с толку. Ладно, будем считать своё знание верным.))))

[Гоша]

но вот физики сбили с толку.

Физик физику волк.
Я сам физик
Закон сохранения энергии никто не отменил.
В формулу не входит заряд обкладок конденсатора. Никто не мешает принять его =0.
Подключим к конденсатору с зарядом 0 динамик. Если считать формулу как шумы конденсатора, то динамик должен зашуметь и шуметь всегда. То есть излучать энергию.
Но энергия незаряженного конденсатора равна 0.
Вопрос. Откуда берется энергия шума?

[shura1959]

Закон сохранения энергии никто не отменил.

Да всякие ходят слухи)))).

В формулу не входит заряд обкладок конденсатора. Никто не мешает принять его =0.

Вопрос. Откуда берется энергия шума?

Да, вроде, неоткуда ей взяться, разве что из вакуума... ну, тогда не знаю где пропали 6дБ)))))

[Дмитрий Косачев]

Но энергия незаряженного конденсатора равна 0.
Вопрос. Откуда берется энергия шума?

Возможно происходит следующее (для электретного микрофона): у нас же не просто конденсатор - одна из его обкладок поляризована электретом.
Т.е. наш конденсатор - это, условно, массив из конденсаторов предельно малой площади (между ними, так же условно, есть и резистивные и индуктивные элементы).
Хоть и считается, что заряд в электрете связан, но небольшое его перераспределение, вследствие деформации мембраны под действием звуковой волны, наверняка, имеет место быть.
Потому шум нашего конденсатора не аддитивный, а мультипликативный. Что и показывают эксперименты - добавочный шум не белый.
Т.е. энергия добавочного шума - это, в том числе, энергия заряда электрета.

[maxssau]

Вопрос. Откуда берется энергия шума?

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2...88%D1%83%D0%BC

может тепловая?

Offтопик:

тема для меня интересная. какую схему обсуждаете? полистал последние несколько страниц, не понятно

[Дмитрий Косачев]

какую схему обсуждаете?

Offтопик:
Мы жестко оффтопим и обсуждаем эквивалентную схему электретного капсюля (пост #1117).

[shura1959]

естко оффтопим и обсуждаем эквивалентную схему электретного капсюля

Дык, вроде, шоб пред склепать, неплохо бы и в микрофоне разобраться...)))))

---------- Сообщение добавлено 16:24 ---------- Предыдущее сообщение было 16:23 ----------

может тепловая?

Она для шума сопротивления годится, для ёмкости не пристегнуть, вроде...

[Гоша]

может тепловая?

Тепловой шум (или джонсоновский[1]) — равновесный шум, обусловленный тепловым движением носителей заряда в проводнике.
Ток через конденсатор происходит без носителей заряда.

---------- Сообщение добавлено 17:18 ---------- Предыдущее сообщение было 16:11 ----------

обсуждаем эквивалентную схему электретного капсюля

Я бы добавил - электретного капсюля для измерительного микрофона.
С точки зрения метрологии, отношение с/ш определяет погрешность (разрешающую способность) измерительной системы.
А значит, при с/ш 60 дБ мы сможем измерять искажения не лучше 0,1%.
Тем самым мы получаем верхнюю планку искажений и верхнюю планку шума предусилителя, чтобы он не особо ухудшал разрешение системы.
Так что все по делу.

[semimat]

Я же не просто так написал про -80дБ по двухчастотному методу. Если измерять синус с АС, то полезут КНИ источника, поэтому принимается, но с оговоркой .

Marlen, я не указывал КАК создается синус частотой 1 кГц и давлением 1 Па, а просто сказал, что его надо подать. Вообще, какой сигнал использовать в качестве калибровочного - это вопрос метрологии измерения. Чем грамотней выбран источник калибровочного сигнала - тем проще корректные измерения. Ну а так калибровку можно проводить и с использованием сложных сигналов (даже шума), в том числе, используя предоставленную тобой запись. Правда, в этих случаях калибровка будет проходить гораздо сложнее, и потребуется дополнительный аттестованный измерительный микрофон.

По абсолютной чувствительности можно привязаться к уровню давления АС на 1 м.

С этим я согласен. Если нет калиброванного измерительного микрофона, то синус заданной амплитуды можно получить, используя динамик с известной "чуйкой". Этой точности будет вполне достаточно для калибровки абсолютной чувствительности дешевых капсюлей.

Почему я сделал замечания по твоей записи касательно возможности её использования для измерения с/ш использованного микрофона. Я вижу две проблемы.
Первая - это отсутствие привязки уровня записанного сигнала (в sample value) к его абсолютному значению (в Паскалях). Я не понял, как использовать данные про -80 дБ двухчастотного метода.
Вторая - это подозрение в том, что самый тихий участок твоей записи соответствует не собственному шуму микрофона, а шумам помещения. Вполне возможно, что если ты замотаешь микрофон одеялом, шумовая дорожка на записи станет еще меньше. А именно её мы фактически и пытаемся оценить теоретически. И удивляемся: почему электрический расчет шумов встроенного полевика позволяет рассчитывать, что даже дешевый капсюль должен иметь отношение с/ш на уровне 75 дБ и даже лучше, а, тем не менее, в даташитах приводятся величины гораздо хуже: 58...62 дБ. Вот мы и обсуждаем версии, почему такое может быть. Кстати, я уже писал что сравнительно недорогие капсюли с с/ш, доходящим до 74 дБ (для капсюлей диаметром 6 мм), таки существуют. Вопрос: чем же они внутри лучше дешевых ширпотребовских капсюлей?

---------- Сообщение добавлено 00:17 ---------- Предыдущее сообщение было 00:03 ----------

Я бы добавил - электретного капсюля для измерительного микрофона.
С точки зрения метрологии, отношение с/ш определяет погрешность (разрешающую способность) измерительной системы.
А значит, при с/ш 60 дБ мы сможем измерять искажения не лучше 0,1%.
Тем самым мы получаем верхнюю планку искажений и верхнюю планку шума предусилителя, чтобы он не особо ухудшал разрешение системы.

Я бы не стал добавлять про измерительный микрофон. К нему по шумам могут быть и пониженные требования. Во-первых, потому, что акустические измерения можно проводить на достаточно громких сигналах. Во-вторых, измерения искажений лучше проводить с помощью спектральных измерений, а они позволяют выделять узкополосные сигналы гармоник даже в значительных шумах.

А вот записывать звуки природы, особенно ночной, для этого требуются очень малошумящие микрофоны. Да и вокальное пение или вообще неоркестровая музыка, где бывают очень тихие моменты, звучат гораздо притягательней, если в паузах наступает прозрачная тишина.

[Sonic5309]

Прошу прощения что вмешиваюсь в Вашу теоретическую дискуссию , думаю что предлагаемая картинка кое что для вас прояснит. Комментарии к картинке-синий шум ЗК, зеленый-заглушенный полностью микрофон, розовый- микрофон в калибраторе без сигнала, коричневый- сигнал с калибратора 1 Па (94 Дб). Микрофон WM-61A фантом. 48 вольт.

[semimat]

Sonic5309, спасибо за материал. Отлично, что у тебя есть калибратор! Твой эксперимент корректный. Но нам трудно воспользоваться результатом. Дело в том, что для того чтобы на основании картинки рассчитать с/ш данного микрофона (особенно, учитывая полосу А), нужно взять интеграл от спектральной плотности мощности шума (с поправкой на кривую А). Это по картинке сделать очень непросто. Поэтому если ты сможешь выложить две короткие (по 30 секунд) записи: шума заглушенного полностью микрофона и в тех же условиях (не меняя настроек записи) сигнала микрофона от калибратора, можно будет попробовать рассчитать реальное с/ш для WM-61A. То есть, выложить в виде двух записей то, что ты уже сделал в своем эксперименте и отобразил на картинке. Если появится время, пожалуйста, повтори! Это нас продвинет вперед. Я не работал с программой Spectra Plus. Возможно, то, что я хочу сделать, можно выполнить и внутри этой программы. Просто мне "ближе" программа Adobe Audition.

P.S. 30 секунд - это наверное излишне... можно и по 10 секунд, чтобы не забивать сервер. И хватит 44100х16бит.

P.S.2 Еще одно замечание (на всякий случай). Калибраторы могут быть разные. Очень распространены кулачково-поршневые пистонфоны. Для них важно, чтобы рабочий объем, в котором создается звуковое давление заданной величины, был постоянным независимо от диаметра калибруемого микрофона. Только при постоянстве внутреннего объёма, движущиеся поршеньки создадут внутри заданные колебания давления. Поэтому при проверке разных микрофонов надо применять согласующие переходники, которые сохраняют внутренний объем. Поскольку капсюль WM-61 отличается от стандартных микрофонов, надо убедиться, что его вставление в пистонфон не сильно меняет внутренний объем.

[Sonic5309]

Вот четыре файла для Semimat .Генератор в калибраторе с довольно большими искажениями ( около 1%) поэтому пришлось городить другой акустический источник на пьезо и Г3-118. Акуст давление по шумомеру.980 Гц 110 Дб взвешенный.wav980 Гц 110 Дб невзвешенный.wavЗаглушенный мик шум взвешенный.wav Четвертый файл оказался слишком большим и не загрузился.

---------- Сообщение добавлено 17:42 ---------- Предыдущее сообщение было 17:38 ----------

Я хорошо знаю устройство и калибраторов и пистонфонов и про переходники тоже. Все это учтено.

---------- Сообщение добавлено 17:45 ---------- Предыдущее сообщение было 17:42 ----------

Ps: взвешивание по кривой А

[Гоша]

Sonic5309,
Хотелось бы получить, если не очень затруднит, шум заглушенного микрофона, но невзвешенный.
Поскольку возникли разночтения, насколько взвешивание "улучшает" с/ш.
Битрейт можно выбрать пониже, чтобы файл был покороче.

[Sonic5309]

Так как конструкция для записи уже разобрана то смогу это сделать только завтра. И еще нужно чтобы была полная тишина.

---------- Сообщение добавлено 21:07 ---------- Предыдущее сообщение было 20:52 ----------

Шум микрофона невзвешенный .Усреднение 100.