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

[real64]

Espresso,

[Lenivo]

Послушал. Понравилось.

Тут вот какой вопрос - а вы не проводили сравнение двух одинаковых микрофонов - с одинаковыми микрофонными предусилителями и одинаковыми капсюлями, а отличия только в поляризации капсюля со стандартной поляризацией и с приведённой ВЧ поляризацией?

И второй вопрос - а пробовали поставить микрофонный предусилитель по схеме FIN с этой ВЧ поляризацией?

[Espresso]

Тут вот какой вопрос

Вы, похоже, идею не поняли. Микрофонный капсюль включен в диагональ моста, работающего на частоте 8 МГц. Мост меряет не напряжение на капсюле, а его импеданс.
Полевик здесь не усилитель с высоким входным сопротивлением, а АМ-детектор, работающий в нелинейном режиме и пропускающий только положительные полуволны.
Сам термин "ВЧ-поляризация" неудачный, но другого не придумалось, а устоявшегося просто нет.

[IVX]

вот наверное ещё студентом в 90х, у меня была точно такая же идея, попробовал, мембрана не сказать чтоб не залипала, возможно разве что меньше, но чувствительности явно не хватало и забросил, потом думал про фазовую модуляцию, или чм с цифровым декодированием, но кончилось только рисунками. Позже прочёл про физический предел шума любого микрофона в газовой среде, оказалось, что N2 молекулы броуновским движением задали его довольно высоко(самые малошумящие микрофоны и так в 1-2дб от него) и смысла в этих попытках снижения шума никакого, разве что в полу-вакууме или при -30С, или как гимнастика для ума.
PS: Пока это написал, пришла идея матрицы микрофонов, полезный сигнал коррелирует и суммируется пропорционально, а шум, в том числе и N2-азотный, как sqrt(2).

[Espresso]

В любой студии, даже заглушенной и изолированной, собственный шум (хотя бы от одежды, дыхания и сердцебиения исполнителя) перекрывает дробовой шум молекул (его, кстати, неправильно называть броуновским). Более того, площадь мембраны LDC-капсюля уже такова, что этот шум мал из-за его усреднения, не надо матрицы микрофонов.
Что касается залипания - то этот эффект связан именно с высоковольтной поляризацией, когда мембрана в сильном электрическом поле, под воздействием мощного звука притягивается к статору и остаётся прилипшей электростатически. Это ограничивает возможности увеличения чувствительности микрофона путем увеличения напряжения поляризации.
В предлагаемой схеме на мембрану подаются единицы вольт, да ещё на частоте мегагерц и мембрана не притягивается статором. Она остаётся в нейтральном положении.
Зато, отсутствие высокоимпедансных входных цепей уменьшает чувствительность схемы к фону и наводкам и позволяет ослабить требования к экранированию, например, применить более редкую сетку корзины.
PS. Я, кстати, собирая эту схему был настроен весьма скептически - припомнились неудачные эксперименты с ШИМ-подмагничиванием в кассетном магнитофоне в 90-х. Но получившийся микрофон меня приятно удивил.

[IVX]

Не помню точно где я нашёл про шум молекул газа, какие-то статьи у производителя, возможно у ноймана, но это там точно связывали с броуновским движением. Я пробовал 5в логику и десятки мгц, даже может вспомнится чип 531гг что то там такое, но мембрана само собой была сделана из плёночного капа, минимальной толщины, так что она вполне липла к обкладкам, если заденет их, вполне возможно на остаточном статзаряде, эти плёнки липнут ко всему. Демодулятор я не делал, просто смотрел осциллом модуляцию, а её было видно только на мах смещениях гофрированной мембраны(расположенную между двух металлических гофрированных же сеток, с которых я собирался снимать диффсигнал), я понял что мой переменный конденсатор надо делать чувствительнее и это меня отпугнуло от дальнейших исследований.

[Espresso]

Липла она, скорее, действительно, от остаточной статики.
Вряд ли вы чего-нибудь на осциллографе могли увидеть. По данным с того же буржуйского сайта, колебания ёмкости капсюля при нормальном звуковом давлении (речи на расстоянии 30 см) составляют порядка 0,007 пФ.
Кстати, у зеннхайзера есть дифференциальные капсюли, где мембрана расположена между двух статоров. Если английский не проблема - на groupdiy народ с ними и этой схемой экспериментировал (https://groupdiy.com/threads/sennhei...le-ks80.83049/).

---------- Сообщение добавлено 09:16 ---------- Предыдущее сообщение было 09:04 ----------

Espresso,

Мопед не мой...

[user12]

Спектр тишины из представленного фрагмента.

[IVX]

Спектр тишины из представленного фрагмента.

так тож студия, виден нч подъём характерный для 6х6х3м комнаты. Шум, вот прямо самого микрофона, замерить будет волокитно, даже не знаю, как изолировать его от эмбиент шума комнаты. Вот если бы в герметичную банку его, а банку ту подвесить на резинке в вакуумной камере.

[Espresso]

Шум, вот прямо самого микрофона, замерить будет волокитно

Ага... Я думал, но даже конденсатор вместо капсюля поставить не вариант - не удастся резонансы настроить без сигнала. Ёмкость щупа осциллографа помешает.
С банкой в вакууме - тоже не просто.

[user12]

Зачем что-то эмулировать?
а. subj
б. Замените микрофон на конденсатор такой-же величины
в. тот-же усилитель и микрофон, но вместо подачи ВЧ поставить поляризующее Vdc
г. без всего изделия, только "запись" зв. картой

Получится 4 графика, все достоинства subj будут видны количественно.

[Lenivo]

Вы, похоже, идею не поняли.

Я понял идею. Мне не понятно как сравнить качество микрофона - качество схемы. У вас очень качественные изделия выходят. И полученное качество микрофона может быть от того , что вы выполнили эту схему на высоком уровне - схемотехники, разработки печатной платы, подбора деталей и качественного монтажа.
В звуке слышны некоторые моменты - в воспроизведение "с , сч" - есть некая не проработка...... слегка замазано. Это может быть от двух межкаскадных конденсаторов и от трансформаторных катушек-контуров....... А может это капсюль такой...... Поэтому и нужен опорный тестовый сигнал с микрофона по знакомой схеме..... Чтобы понять это влияние остального тракта или именного этого нового схематического подхода.

По поводу блока "модуляции сигнала звуковым давлением". Нам ведь без разницы для микрофонного усилителя как мы будем формировать сигнал на входном полевом транзисторе - затвор ведь отделён физически от стока и истока. И сигнал формируется на вторичной обмотке второго контура - у нас есть гальваническая развязка от блока капсюля, поэтому по идее мы можем использовать любую подходящую схему микрофонного усилителя...... ну как то так.....

Можно было бы попробовать повторить вашу схему один к одному для начала. У вас высокое качество разработки печатных плат с учетом высокочастотных параметров - не могли бы выложить свою печатную плату? Чтобы её просто повторить желающим? И если есть фото катушек контуров - как там катушки располагать на каркасе.

И совсем не в тему. Почему то вспомнились дешёвые радиомикрофоны - с частотой 220 -270 мГц , раньше вроде были и с низкой частотой 27-5-40 мГц...... Подумалось если модуляцию сразу в передающем контуре заделать? И использовать штатный их приёмник. Так то там либо динамический микрофон стоит или электретный капсюль и батарейка на 9 вольт.

[Espresso]

user12, Там два контура в резонанс с генератором настраиваются по максимуму сигнала с капсюля. Замена капсюля на конденсатор эту настройку нарушит, а настроить заново не получится - ёмкость конденсатора постоянна.
Подавать на капсюль постоянку бессмысленно - транзистор VT2 будет постоянно закрыт, это не усилитель, а АМ-детектор, он открывается только для положительных полуволн переменного напряжения.

---------- Сообщение добавлено 21:40 ---------- Предыдущее сообщение было 21:00 ----------

Lenivo, сфоткаю и опишу катушки и печатку выложу, но в понедельник. Пока я с телефона даже процитировать посты по-человечески не могу.
Аудиосигнал в этой схеме появляется только на истоке и стоке полевика. На затворе его - 8 МГц, амплитудно промодулированные аудиосигналом. И усилители в этой схеме - только выходные эмиттерные повторители.
Я планирую поставить тот же капсюль в схему FIN и сделать запись для сравнения. Капсюль для меня новый, я с К47 ещё дел не имел. Возможно он шепелявый попался. Хотя, я уже у Павлунчика в ветке писАл, что у исполнителя проблемы с сибилянтами. Мне в этой записи они тоже не понравились. Возможно у схемы или у капсюля интермодуляционных искажений многовато. Именно они дают грязь на шипящих. Может дело в конденсаторах. Пока я не экспериментировал - спаял и попробовал.

Насчёт "не в тему". Очень даже в тему - сделать передатчик FM диапазона, и параллельно конденсатору, задающему частоту (или вместо него) подключить капсюль. Принимать бытовым FM приемником.

PS. Схемотехника не моя, детали - какие в ящике стола нашлись, печатка уж как развелась, а монтаж на фото.

[Russ3000]

Давно баловался, подключал конденсаторный микрофон к задающему контуру простейшего генератора на 101 МГц, на FM приемнике ловил сигнал.

[pokos]

Думается, если подобное сделать на какой-нибудь 174ПС1, то от параметров капсюля будет гораздо меньше зависеть. Возможно, и качество будет получше, ввиду балансности.

[user12]

Espresso, что и как делать - это несомненно Ваш выбор. ))
На правах off:

Там два контура в резонанс с генератором настраиваются по максимуму сигнала с капсюля. Замена капсюля на конденсатор эту настройку нарушит, а настроить заново не получится - ёмкость конденсатора постоянна.

Поставить постоянный конденсатор эквивалентной емкости вместо микрофона, а параллельно этому конденсатору тот-же микрофон, но с последовательным конденсатором в 0.5-3 пФ. Функция "настройки" из первого поста сохранится, а вклад в выходной сигнал станет "не существенным".

Подавать на капсюль постоянку бессмысленно - транзистор VT2 будет постоянно закрыт, это не усилитель, а АМ-детектор

И он хоть чем-то отличается от типовой схемы усилителя микрофона?... https://audioimprov.com/AudioImprov/...M-800_Mic.html

[Espresso]

user12,
>> И он хоть чем-то отличается от типовой схемы усилителя микрофона?...

Отличия как у операционного усилителя и компаратора или логического элемента.

Отличается смещением и режимом работы. В типовой схеме полевик приоткрыт и меняющееся напряжение на затворе открывает его в большей или меньшей степени, изменяя ток через транзистор. В результате этого, на стоке полевика появляется усиленный сигнал с затвора.
В истоковом АМ-детекторе затвор по постоянке заземлен и за счёт резистора в истоке на последнем устанавливается напряжение равное напряжению отсечки, то есть, транзистор закрыт. При поступлении положительной полуволны сигнала транзистор приоткрывается, пропуская её, а затем, при возвращении к нулю - закрывается обратно. При поступлении же отрицательной полуволны транзистор не открывается, и соответственно, не пропускает её.
То есть, транзистор работает как диод в детекторном приемнике, только лучше - без порогового напряжения открытия диода и обладает по сравнению с диодным детектором высоким входным сопротивлением не нагружающий контур, образованный вторичкой Т2 и С4.

И если требования к входному транзистору классической схемы - низкий шум и малая ёмкость затвора (противоречивые, кстати), то в АМ-детекторе требования проще - высокая скорость открытия и закрытия транзистора. И в предложенной схеме используется не малошумящий прибор типа 2N3819 и т.п., а тупой как валенок ключ J113.

[user12]

Одна из ссылок из первичного описания ведет на https://www.amx.jp137.com/index-perform.html
Оттуда первый же образец записи - https://www.amx.jp137.com/samples/RF.AMX10.test.1.wav
Спектр тишины из этого образца.

С другой стороны, "обычный" (и весьма "обычный") микрофон BM-700.

Взято из обзора - https://mysku.club/blog/misc/97389.html Этот обзор для заинтересованных в теме стоит прочитать, т.к. он написан Maxim_Sed и там имеются некоторые ответы на вопросы.

Осталось только повторить то, что выкладывал ранее.

[Espresso]

user12,
>> С другой стороны, "обычный" (и весьма "обычный") микрофон BM-700.
Во первых, в обзоре микрофон BM-800, BM-700 имеет зубилообразную корзину. Разница минимальная, но акустически 700-ка правильнее.
Во вторых, в обзоре рассматривается оригинальная версия с 16-миллиметровым элетретником.
Ну и в третьих, приведенные графики шума не только не учитывают шум помещения, но и сняты с закороченным на землю выходом первого каскада, показывая только шум второго и последующих.
Приведенный же спектр шума из образца оригинальной статьи ближе, поскольку он содержит шум помещения, но он скорее всего не нормирован к уровню сигнала.