Конденсаторный микрофон с ВЧ-преобразованием импеданса капсюля

[Espresso]

Хочу поделиться опытом повторения конструкции, которая мне встретилась на просторах Интернета.

Идея заставить конденсаторный капсюль работать не источником напряжения с очень высоким выходным сопротивлением, а просто конденсатором переменной ёмкости в принципе не нова. Существует по крайней мере два варианта. Первый - использовать меняющуюся ёмкость капсюля в качестве времязадающего элемента в ВЧ-генераторе и после ЧМ-детектирования получить звуковой сигнал. Второй - измерять прохождение переменного тока через ёмкость капсюля. Именно он был достаточно подробно рассмотрен ещё в 1963 году легендарным Питером Баксандалем в качестве альтернативы лампам в конденсаторных микрофонах (https://www.jp137.com/lts/Baxandall.RF.mic.pdf). Из производителей микрофоны на таком принципе выпускают Sennheiser (https://assets.sennheiser.com/global...tePaper_en.pdf) и Rode. В 2019 году пользователь с ником rogs с форума GroupDIY предложил схему конденсаторного микрофона на принципе описанном Баксандалем (https://groupdiy.com/threads/diy-rf-...er-mics.71586/). После пары лет экспериментов и доработок, схема обрела её теперешний вид и представлена на сайте пользователя rogs (https://www.amx.jp137.com/index.html). Мной была предпринята попытка её повторения и дальнейшее повествование будет пересказом англоязычного сайта пополам с собственными мыслями и наблюдениями.



Описание схемы и принципа действия.
На транзисторе VT1 собран классический генератор Колпитца, частота которого застабилизирована кварцевым резонатором. Rogs в своем проекте использовал катушки контуров промышленного изготовления с индуктивностью, перестраиваемой в диапазоне 2,8-8,2 мкГн и капсюль с ёмкостью порядка 90пФ, поэтому частота кварца была выбрана им равной 10МГц. Мною было принято решение мотать катушки самому и ёмкости капсюлей, имевшихся в наличии, находились в пределах 55-70 пФ, поэтому была выбрана частота генератора 8 МГц. С выхода генератора через первичную обмотку трансформатора Т1 синусоидальный сигнал частотой 8 МГц поступает на мост, образованный половинками вторичной обмотки трансформатора Т1, конденсатором С3, ёмкость которого подобрана близкой к ёмкости капсюля и, собственно, микрофонным капсюлем. Обе половинки вторичной обмотки и последовательно включенные капсюль и конденсатор С3 образуют колебательный контур, который в процессе настройки микрофона настраивается в резонанс с частотой генератора. Сигнал генератора приходит на первичную обмотку трансформатора Т2 двумя путями - через конденсатор С3 и капсюль, причём фазы ВЧ-колебаний противоположны. На первичной обмотке трансформатора Т2 противофазные сигналы алгебраически суммируются и их сумма представляет собой амплитудно-модулированную звуковым сигналом несущую частотой 8 МГц. Со вторичной обмотки трансформатора Т2 амплитудно-модулированый сигнал подаётся на затвор транзистора VT2, который выступает одновременно истоковым АМ-детектором (тоже классика, ещё ламповая) и формирователем двух противофазных сигналов звуковой частоты, которые через эмиттерные повторители подаются на выход микрофона. Цепочки R5C5 и R6C6 имеют постоянную времени близкую к верхней частоте звукового диапазона и отфильтровывают частоты выше 15-20 кГц. ФВЧ, образованные цепями R5C7 и R6C8 ограничивают полосу воспроизводимых частот снизу. При необходимости, номиналы конденсаторов С5, С6, С7 и С8 могут быть изменены для расширения или сужения диапазона частот, воспроизводимых микрофоном. Вторичная обмотка трансформатора Т2 и конденсатор С4 тоже образуют контур, настроенный на частоту 8МГц, что способствует повышению чувствительности и уменьшению шумов микрофона, которые определяются в основном шумом генератора. Дроссели L1, L2, конденсаторы C12 и С13 образуют выходной фильтр, ослабляющий попадание высокой частоты на выход.

Детали и конструкция.
Микрофон собран в корпусе китайского микрофона BM-800, капсюль - китайский K47 с собственной ёмкостью 55 пФ. Конденсатор С3 состоит из параллельно соединённых конденсаторов 47 и 5 пФ. В качестве VT2 вместо рекомендованного J113 использован J112, имеющий бОльшее напряжение отсечки, что в данной схеме несущественно.

Трансформаторы Т1 и Т2 - одинаковые, намотаны на каркасы, приобретенные на АлиЭкспрессе (https://www.aliexpress.com/item/3256803418048564.html). Первичные обмотки их составляют 6 витков провода 0,1 мм, вторичные - 30 витков того же провода с отводом от середины. Перестраиваемая ферритовым сердечником индуктивность их находится в диапазоне 6,5 - 18 мкГн. Это позволяет использовать капсюли с ёмкостью от 43 до 125 пФ. При необходимости использования других капсюлей или других частот генератора, намоточные данные могут быть изменены при условии соблюдения симметрии вторичной обмотки трансформатора Т1 и его высокой добротности (не менее 70-80).

Емкость конденсатора С3, который для удобства точного подбора ёмкости состоит из двух, выбирается на 3-5пФ больше или меньше ёмкости капсюля. Это сделано для того, чтобы мост был "почти сбалансирован", однако ни при каких уровнях звукового давления не приходил в состояние полного баланса и не переходил его. При переходе через точку полного баланса фаза звукового сигнала меняется на противоположную. На одном из буржуйских форумов мне встретилась оценка изменения ёмкости капсюля под воздействием звукового давления, которая при уровнях звукового давления около 130 дБ составляет порядка 5 пФ. Разумеется, никто не будет писать студийным микрофоном взлетающий истребитель или взрывы бомб, но запас по звуковому давлению и перегрузочной способности лишним не будет.





Настройка.
После включения и подачи фантомного питания убедиться в наличии синусоидальной несущей 8 МГц на выходе генератора. Разместив источник звука (наушник или динамик) рядом с капсюлем и контролируя выходной сигнал (скажем, в наушниках), немагнитной отвёрткой настроить трансформатор Т1 по максимуму сигнала. При наличии нескольких максимумов - выбрать самый сильный. Затем, настройкой трансформатора Т2 добиться максимального сигнала на выходе микрофона. При необходимости подстроить Т1 и Т2 несколько раз.

Проба в студии.
Запись сделана на микрофон, расположенный примерно в 30 см от исполнителя. Обработки нет.
https://drive.google.com/file/d/1K1V...ew?usp=sharing
Исполнитель отметил необычно низкий уровень шумов и фона.

Преимущества по сравнению с классической поляризацией капсюля постоянным напряжением и преобразователем импеданса на полевом транзисторе или лампе.
1. Капсюль не подвержен "залипанию" при высоких уровнях звукового давления.
2. Мембрана капсюля не подвержена натяжению электрическим полем, движется симметрично и более свободно.
3. Относительно низкоомные входные цепи меньше подвержены наводкам, капсюль и провода не требуют тщательного экранирования, гигаомных резисторов и фторопластовых монтажных стоек.
4. Малый уровень шумов, зависящий в основном от реализации ВЧ-генератора.

Недостатки, которые, как водится, продолжение преимуществ.
1. Схему целиком нереально смоделировать на компьютере.
2. Наличие катушек, требующих расчёта и изготовления. Ненавижу с времен радиокружка и приёмников прямого усиления.
3. Необходимость настройки под конкретный капсюль, исключающая быструю замену капсюля.
4. Невозможность провести измерения просто подав тестовый сигнал на вход.
5. Возможные биения частот генераторов в работающих рядом микрофонах (скажем, в стереопаре)

Конструкция катушек: https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post3233796

Продолжение (улучшение звучания и новый тест): https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post3243445

Исправленная печатная плата для корпуса BM-800: https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post3243676

[Espresso]

maxim87,
Я правильно понял, что вы решили повторить данную конструкцию?
Я этим микрофоном заинтересовался и продолжаю эксперименты, просто пока положительных результатов нет...

Для интереса решил поточнее измерить вторичные обмотки при разной настройке сердечника. От чуть торчащего сверху до максимально вкрученного:

Вот именно эту неравномерность перестройки половинок обмотки, а так же, неодинаковость намотки двух половинок я попытался устранить, как недостаток. Однако, в реальности, получил странные результаты.

А именно, новые трансформаторы намотал в два провода на сердечнике в форме ферритовой гантельки, перестраиваемом навинчивающейся на него ферритовой же чашкой. Вот на таком:

Замеры индуктивности половинок обмоток при разных положениях чашки показали, что индуктивности полуобмоток получились очень близкими и меняются синхронно.
Однако, микрофон, изготовленный на базе получившихся трансформаторов повёл себя при настройке странно.
При перестройке трансформатора Т1 в сторону увеличения индуктивности, громкость сигнала плавно увеличивается, затем - глухой щелчок и громкость скачкообразно и значительно падает. При обратном движении сердечника (в сторону уменьшения) громкость не растёт, потом опять глухой щелчок и громкость низкая, соответствующая положению сердечника вначале. Такое ощущение, что при перестройке происходит "захват частоты", как в ЧМ-радиоприёмниках с ФАПЧ и имеется гистерезис при перестройке.
Кроме того, у получившегося микрофона наличествует высокий уровень шума, причём, не стационарного белого или розового, а похожего на шорохи регулирования в изношенном переменном резисторе. Грешил на транзистор генератора, но замена ничего не дала - шорохи остались.

Я не специалист по радиочастотным устройствам, но такое ощущение, что вы в своих заключениях правы - несимметричность полуобмоток вторички трансформатора Т1 и/или неравномерность их перестройки играет определённую и, возможно, полезную роль.
Возможно, злую шутку сыграла высокая добротность получившейся катушки. Если у трансформатора с ввинчивающимся сердечником она предположительно составляет 60-75, то на гантельке с чашкой она предположительно составляет 90, а возможно и больше. Колебательный контур, образованный вторичкой Т1 и мостом из капсюля и конденсатора оказывает влияние на генератор. Это, кстати, автор схемы, пользователь rogs, отмечал в своих постах.

К сожалению, размер основания новых контуров не позволяет поставить их в первый (рабочий) микрофон, чтобы понять проблема в контурах или в новой реализации схемы (новая схема сделана на другой плате и с SMD-компонентами)

Эту разницу можно почти без проблем компенсировать подбором конденсатора, и получается тут нет определенной методики (скажем на 2-3 пФ больше или меньше емкости капсюля), все индивидуально.

Идеально наверное использовать подстроечную емкость и искать минимальный уровень ВЧ составляющей при резонансе.

Вы не могли бы раскрыть эти мысли поподробнее? Мысли поставить подстроечный конденсатор у меня тоже были, но руки не дошли. Точнее, не дошли подстроечные конденсаторы для экспериментов.

[maxim87]

Я правильно понял, что вы решили повторить данную конструкцию?
Я этим микрофоном заинтересовался и продолжаю эксперименты, просто пока положительных результатов нет...

Пару лет назад я как раз и использовал выпаянные где-то трансформаторы с чашкой, но точно не знал на какую частоту они были. И тоже как и вы мотал в два провода, и эффект резко обрывающегося звука помню. Проект забросил тогда, шумы не устроили, да и капсюль был нестандартный самодельный (хотя он нормально работал в обычной низкочастотной схеме).

По поводу нессиметричности. В целом в данной схеме нам нужно добиться как можно меньшего уровня ВЧ-сигнала перед полевым транзистором (при тишине в капсюле конечно). Это во-первых даст меньше шума от генератора, во-вторых, если верить симуляции, получается чуть глубже модуляция. Совсем маленький уровень также не нужен. Чтобы не переворачивалась фаза, и искажения будут больше при детектировании (если сильно не увеличить истоковый резистор). Но на практике как правило получается слишком большой уровень ВЧ.

Разбалансировка моста получается из-за:
1. Неодинаковых индуктивностей половинок обмотки.
2. Неодинаковых емкостей капсюля и конденсатора (С3 у вас)
3. Неодинаковых импедансах капсюля и конденсатора на ВЧ (предполагается что у капсюля больше как минимум в следствии большего сопротивления мембраны).

На самом деле нет ничего страшного в разбросе индуктивностей в реальном трансформаторе. Как я уже писал, в моем реальном примере, даже на участке настройки с самой большой разницей это компенсируется подгонкой конденсатора, скажем, обмотки 1.71 мкГн и 1.37 мкГн, тогда нужна разница в емкостях около 11 пФ (это всё данные из симуляции). На стороне большей индуктивности должна стоять меньшая емкость и наоборот. Надеюсь понятно объяснил.

Есть мысли что при намотке в два провода получается большая емкостная связь между ними, которая критична в этой схеме. Я это тоже не особо понимаю.

Теперь в качестве размышления о импедансе капсюля. Это тоже можно компенсировать добавлением резистора равному импедансу в верхнее по схеме плечо. Но сигнал конечно ослабнет. Так что неизвестно как лучше. Остается подбирать капсюли или надеяться что у них более менее нормальные параметры.

Сейчас я эксперементирую потихоньку с катушками с ввинчивающимся сердечником с али. К тем что с чашкой возвращаться пока не хочу, как минимум они меньше по размерам и вряди там должна быть хорошая добротность.

---------- Сообщение добавлено 20:09 ---------- Предыдущее сообщение было 18:37 ----------

Надеюсь вы понимаете что косвенно оценить уровень ВЧ на выходе моста можно сравнив постоянку на истоке полевика при выключенном и включенном генераторе.

[Espresso]

И тоже как и вы мотал в два провода, и эффект резко обрывающегося звука помню.

Это вселяет оптимизм. По крайней мере, не у одного меня так получилось. И связано это именно с контурами, а не с остальной схемой.

По поводу нессиметричности. В целом в данной схеме нам нужно добиться как можно меньшего уровня ВЧ-сигнала перед полевым транзистором (при тишине в капсюле конечно). Это во-первых даст меньше шума от генератора, во-вторых, если верить симуляции, получается чуть глубже модуляция. Совсем маленький уровень также не нужен. Чтобы не переворачивалась фаза, и искажения будут больше при детектировании (если сильно не увеличить истоковый резистор). Но на практике как правило получается слишком большой уровень ВЧ.

На самом деле, к вопросу несимметричности стОит подойти осторожнее. Дело в том, что напряжение на выходе разбалансированного моста Уитстона (хоть на переменном токе, хоть на постоянном) меняется по гиперболическому закону вида y = x / (x + c) от изменения сопротивления (активного или реактивного), где х - сопротивление изменяемого компонента, а с - константа в которую входят параметры неизменных компонентов. При этом, по мере приближения к точке баланса, гипербола уходит в бесконечность и после перехода точки баланса возвращается из "минус бесконечности". При этом, вблизи точки баланса малые изменения импеданса капсюля приводят к большому изменению выходного сигнала (зеленые прямые на картинке ниже), а вдали от неё чувствительность существенно падает (синие прямые). Поэтому, рабочую точку надо подбирать не сильно далеко от точки баланса, но и не сильно близко. При близком расположении рабочей точки, даже до точки баланса, размах изменений выходного сигнала будет слишком большим, а из-за того, что настоящей гиперболы в реальной жизни не бывает, и, вместо ухода в бесконечность, она где-то загнётся в сторону ветви приходящей из минус бесконечности и перейдёт в неё. В этом месте возникнут искажения. Ну, и, конечно, всегда остаётся вероятность уйти за точку баланса.

На самом деле нет ничего страшного в разбросе индуктивностей в реальном трансформаторе. Как я уже писал, в моем реальном примере, даже на участке настройки с самой большой разницей это компенсируется подгонкой конденсатора, скажем, обмотки 1.71 мкГн и 1.37 мкГн, тогда нужна разница в емкостях около 11 пФ (это всё данные из симуляции). На стороне большей индуктивности должна стоять меньшая емкость и наоборот. Надеюсь понятно объяснил.

Да, теперь понятно. Тогда получается, полуобмотки вторички надо или сразу мотать немного разными (с разным количеством витков), либо определиться что будет больше - конденсатор или капсюль и размещать "капсюльную" и "конденсаторную" полуобмотки соответствующим образом, чтобы на плате меньшей ёмкости соответствовала бОльшая индуктивность. Возможно, в моём "удачном" микрофоне это случайно совпало.

Есть мысли что при намотке в два провода получается большая емкостная связь между ними, которая критична в этой схеме. Я это тоже не особо понимаю.

Возможно. В моём "удачном" микрофоне полуобмотки не только намотаны в отдельных секциях, но и разнесены - между ними в секции намотана первичка.

К тем что с чашкой возвращаться пока не хочу, как минимум они меньше по размерам и вряди там должна быть хорошая добротность.

Добротность там как раз должна получиться выше за счёт меньших зазоров в магнитной цепи. Китаец, который торгует этими каркасами (и секционным, и гантельками), торгует также готовыми ПЧ-контурами на 10,7МГц на базе как раз "моих" гантелек с чашкой и пишет, что их измеренная добротность 90. Собственно, по его (китайца) намоточным данным, я и ориентировался при расчёте своих катушек.

Надеюсь вы понимаете что косвенно оценить уровень ВЧ на выходе моста можно сравнив постоянку на истоке полевика при выключенном и включенном генераторе.

Необходимости сильно уменьшать размах несущей на выходе моста ИМХО нет. Питание истокового детектора примерно 20В, Для максимального диапазона выходных напряжений, в покое (тишине на капсюле) на истоке должно быть чуть меньше четверти этого - порядка 4В, на стоке, соответственно - 20В - 4В = 16В. Тогда сигналу на выходах детектора будет куда и уменьшаться, и увеличиваться, а неискажённый размах продетектированного аудиосигнала на выходах будет порядка 6-7 В от пика до пика, и этого с запасом.

---------- Сообщение добавлено 11:24 ---------- Предыдущее сообщение было 10:16 ----------

И, кстати, вдогонку. Амплитуду сигнала на входе детектора всегда можно уменьшить зашунтировав контур вторички Т2 резистором. Это, кстати, позволит легко ввести выключатель "Pad" на -10 и/или -20dB.

---------- Сообщение добавлено 14:11 ---------- Предыдущее сообщение было 11:24 ----------

И ещё мысли вслух.

1. Возможно, имеет смысл сделать трансформаторы разными, оптимизированными под выполняемую ими функцию. Пользователь rogs использовал готовые трансформаторы, но если мотать самому, то появляется возможность подойти к их дизайну более рационально. Не будучи специалистом, я не могу даже предположить в какую сторону их "улучшать".
2. Возможно, имеет смысл уменьшить частоту генератора, скажем, до 1-2МГц, ключ детектора будет отрабатывать полуволны точнее, уменьшится влияние входной ёмкости полевика.
3. Возможно, стоит попробовать намотать обмотки проводом с более толстой изоляцией, скажем тонким МГТФом для уменьшения паразитных ёмкостей. Каркас и "гантелька" позволяют.
4. Ну и совершенно точно надо попробовать ввести подстроечный конденсатор в альтернативную ветвь моста. Хотя бы чтобы понять его влияние.