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

[Fenyx]

Что-то пропал Никитин.
А что остальные спецы думают по этому поводу?
Вообще-то я ожидал большего интереса, чем 0 ответов...

[Ivanuch]

Статью А.Никитина пока не читал... и не специалист по транзисторной схемотехнике... поэтому задаю глупые вопросы.
За счет чего происходит линеаризация полевого транзистора в микрофоне?
Не слишком ли маленькое напряжение питание микрофону достанется?
Уровень фона в комнате, где проводятся измерения довольно большой, зачем нам увеличение чувствительности? И схема врядли улучшит динамичекий диапазон микрофона, который чуть больше 40дБ...

[Fenyx]

Я тоже не специалист, по этому и просил помощи у Никитина, но он сначала согдасился, а теперь, видать, раздумал.
Суть вот в чем, у полевика есть два режима: если напряжение сток-исток больше величина Uзи-Uп (Uп - точка на характеристике, где кривая доходит до 0, для полевиков обедненного типа = -3В, получается 0--3=+3В), тогда транзистор находится в режиме "насыщения" и ток стока мало зависит от напряжения стока, но характеристика у него не совсем линейная, если меньше, то транзистор находится в "линейном" режиме и ток через него зависит от двух величин: напряжения на затворе (линейная зависимость) и напряжения на стоке. В сумме получается нелинейно, т.к. если его нагрузить на резистор, то напряжение стока будет прыгать вместе с сигналом, а это, кроме нелинейности приводит к падению усиления (эффект Миллера). В каскодной схеме на сток всегда подается постоянное напряжение и учитывая то, что транзистор находится в "линейном режиме" его сопротивление обратно пропорционально приложенному к затвору напряжению. В идеале все должно быть линейно, но есть маленькие погрешности: во превых Никитин в своей статье писал о несколько другой схеме (я до своей сам дошел, а потом нашел его статью и понял, что иду по верному пути) - у него два полевика и он их покаким-то хитрым принципам подбирает в пары, чтобы искажения были наименьшими (как это делать он не говорит, а говорит, мол секрет). Но суть в том, чтобы выбрать режим транзистора так, чтобы он работал в наиболее линейной зоне характеристики. По этому напряжение такое низкое, а еще потому, что в даташите номинальным названо 2В. Я его всего лишь просил посоветовать какое напряжение лучше подобрать (я как о варианте думал о 2,4В на базе биполяра - зеленый светодиод). Кстати, почему светодиод. Потому, что обеспечивается нужное напряжение, потому что его характеристика круче чем у стабилитрона, потому что получается автоматическая температурная стабилизация (хотя она в этой схеме и не важна) и потому что он светит - еще и как индикатор включения работает. И вообще, светодиоды мне нравятся.
Зачем нужно увеличение чувствительности. Затем, что выход при обычном включении дает милливольты, а для линейного входа нужны вольты. В принципе, на эту схему можно подать напряжение хоть стандартные 48В, лишь бы биполяр ее терпел и навесить соответствующий резистор (75к по моим рассчетом) и получится напряжение достаточное (если не избыточное) для линейного входа, только эмиттерный повторитель поставить или буфер (как на моей картинке) и можно подключать куда угодно. Но, мне такая перспектива не подходит (я собираюсь питать его либо от аккумулятора либо от компьютерных 12В), поэтому надо еще усилить - это можно сделать применив в качестве нагрузки не резистор, а активную нагрузку - ее пример я нашел в теме того же Никитина - там вообще оказалась очень похожая схема, второй мой вопрос к нему был - как рассчитать режим ее нагрузки (искал по этому вопросу везде, где только мог - ничего вразумительного кроме той темы не нашел). С такой нагрузкой усиление оказывается вполне достаточным, только выходное сопротивление очень высоко: даже подключение 100кОм нагрузки вызывает некоторую просадку сигнала (в симуляторе). Получалось, что надо ставить эмиттерный повторитель с очень большим h21э - порядка тысячь. Т.е. по схеме Дарлингтона. Третий мой вопрос был по поводу этой части схемы - не скажется ли низкое быстродействие этой схемы на работе усилителя. Вариант - поставить буфер на микрухе (у меня есть пара AD8610 - они круче чем OPA627, если верить даташиту). Я тут сегодня еще об этом подумал и решил: раз все равно нужно усиливать (мощность), то можно заодно и напряжение. Т.е. микросхему подключить к выходу с каскода. Только по разводке выходит, что для такого варианта надо больше места, чем для эмиттерного повторителя, т.к. резисторы много занимают (уже нарисовал, платка 16х47мм, без микрухи, но с транзюками - короче). Короче, хотелось получить квалифицированный совет по ключевым моментам - пока пусто. Я бы сам разобрался, но в имеющейся у меня литературе прямого разбора подобного варианта нет! Даже та же каскодная схема только упоминается со скупыми объяснениями принципа (почему я и изобрел велосипед, а потом узнал его на картинке, когда стал внимательно искать).

[Ivanuch]

Ну, допустим, Q1 в эмиттерной цепи Q2 запитан постоянным напряжением, которое обеспечивается малошумным напряжением на LED1. Снимать сигнал получится по току с резистора в коллекторной цепи Q2 и желательно второй конец резистора зацепить на стабильный/малошумный источник напряжения. А нафига тогда С3 и почему у R9 такой огромный номинал?
И родная схема А.Никитина вроде проще... не учитывая особенность подбора транзисторов.
Судя по процентам искажений схема больше добавляет нелинейностей, чем линеаризует
И еще такой вопрос...как чувствительность связана с нужным выходным напряжением? Может просто усилитель поставить и все?
Не нужны в схеме измерения АЧХ очень низкие проценты искажений, на мой взгляд.
В общем, получается, я не понял основную задачу вышеприведенной схемы.

[Fenyx]

A C3 как раз снимает напряжение с резистора и подает его на базу транзистора Q3, на эмиттере которого из-за этого напряжение тоже снижается, в результате с выхода идет сигнал с большей амплитудой. Этот кондер образует RC цепочку с R1 (как я понял, потому что его уменьшение ведет к ограничению частоты снизу). Это я так себе представляю, автор не объясняет...
Номинал большой у R9 потому, что он задает всего-навсегосмещение Q3 по постоянному току. Принцип выбора номиналов R1 и R9 меня и интересовал, т.к. повторюсь, что я в этом включении транзистора не разбираюсь.
Судя по процентам как раз сильно убавляет, т.к. по обычной схеме там будет порядка 1% или больше! И то, что есть - результат неидеальности биполяров (не знаю ужь на сколько она точно в мультисиме учитывается), а если поствить идеальные транзисторы, то THD выходит 0,006%. Сравни с 1%. Об этом я тоже спрашивал: на сколько подобное ухудшение характеристик может соответствовать действительности. В общем, наверное я буду делать без активной нагрузки, а с ОУ (все равно буфер ставить). Кус возьму 10 для начала. Хочу еще замерить действительные параметры, а чтобы исключить нелинейности связанные с электроакустическими преобразованиями буду подавать электрический сигнал прямо на микрофон - выйдет как раз то, что и изображено на картинке, с выхода на звуковуху (пока на микрофонный вход). Прогоню таким образом через RMAA - прикину что и как там.

как чувствительность связана с нужным выходным напряжением?

Это синонимы: чувствительность (микрофона) выражается в вольтах на паскаль звукового давления. Чтобы при заданном уровне давления (громкости) на выходе всей схемы было номинальное напряжение, надо чтобы эта величина была достаточно большой (опять же у всей схемы, вместе с усилителем). У самого микрофона она смехотворна - 5мВ/Па, т.е при уровне 80дБ (за ноль берется 2*10^-5Па) будет всего 10мВ, а надо хотя бы 100! Если поставить усилитель, можно сделать и 100, при этом чувствительность всего девайса будет уже 50мВ/Па. В общем, выбросив лишнее, пока получается вот что (в идеале).

[PSV]

Fenyx,вопрос по поводу биполяра в стоке уже обсуждали,повторятся не хочется. Посмотри в этой ветке https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=983 Думаю в услителе для микрофона не стоит заморачиваться с активным режимом полевика.Резистор в сток,конденсатор и УН на хорошем ОУ.В данном случае тебе надо получить не "красивый" звук,а измерительный усилитель с минимум Кг и достаточной полосой пропускания.

[anli]

Fenyx,

Сори, не понял самого простого. А где в этом всём (в схемах) сам микрофон с тремя ногами (земля плюс два балансных выхода, на которые надо потенциал сажать)?

[Fenyx]

надо получить не "красивый" звук,а измерительный усилитель с минимум Кг и достаточной полосой пропускания

Это я и пытаюсь сделать! Плата лежит - травится !

А где в этом всём (в схемах) сам микрофон с тремя ногами

С1+Q1 - это и есть микрофон! А XFG1 - это типа звуковое давление на его конденсатор. Там не два балансных выхода, а всего один и небалансный - со стока, а исток соединен с одной из обкладок кондера (правда снаружи и если руки очень прямые, то можно разделить, правда в этой схеме не надо). Кстати у меня там ошибка: на входе микрухи должен делитель стять, а не один резюк на землю.

[PSV]

на входе микрухи должен делитель стять, а не один резюк на землю.

Тогда и конденсатор последовательно с R3 .

[Fenyx]

PSV, точно - в торопях рисовал, чтобы сюда прилепить - забыл!
Посмотрел форум по ссылкам - интересно, но не для моего уровня. Мне бы хотелось не рассуждения о взаимодействии входных характеристик одного полевика с выходными другого, а скока вешать в вольтах! Правда интересная наколка там есть: Никитин говорит, что надо работать на начале изгиба характеристики - уже что-то. Ну и что, что с биполяром такая точная линеаризация не будет, но все равно получается лучше на порядок (а то и на два). Вообще там тема вызвала интерес, правда некоторые только хотели испробовать ее на микрофонах, а я делаю! Вот и помогли бы, раз такие умные, глядишь и сами бы результаты обмазговали и то польза была бы!

[anli]

Fenyx,

Может я пропустил чего, а какой микрофон конкретно?

Offтопик:
Мне просто также предстоит микрофонный усилитель делать. В коробочке лежат ECM 8000 с INA103KP

[Nikolav]

Не нужны в схеме измерения АЧХ очень низкие проценты искажений

Думаю в услителе для микрофона не стоит заморачиваться с активным режимом полевика

Fenyx, При всём уважении, правильно люди говорят. Для измерительного микрофона надо определиться с задачами. Я вижу три 1. минимальный уровень шума. 2. борьба с наводками. 3. Ровная АЧХ.
Вот сделать диф. выход у преда, стоящего рядом с микрофоном, и обратное преобразование у измерительного блока, вот это плюс. И то сомнительный (практически лишний)

[funny the rat]

минимальный уровень шума.

для МЛС методов глубоко монопенисуально в разумных пределах конечно ;)

[Alex Nikitin]

Вот и помогли бы, раз такие умные, глядишь и сами бы результаты обмазговали и то польза была бы!

Fenyx,

я приношу свои извинения за сильную задержку с участием в этой дискуссии, но у меня была (помимо простого отсутствия времени) ещё одна серьёзная причина не торопиться - вопрос работы электретного микрофона оказался не таким простым, как кажется на первый взгляд . По этой причине Ваши симуляции имеют мало общего с происходящем на самом деле, и для разумного анализа нам придётся рассмотреть микрофон в подробностях.

Во-первых, выясняется, что полевик внутри таких микрофонов используется без резистора утечки, то есть потенциал на затворе устанавливается током самого затвора. Во-вторых, ёмкость самой мембраны очень мала (порядка 10-30 пФ) и, соответственно, собственные ёмкости полевика образуют сложную систему нелинейной нагрузки и обратной связи, которые также участвуют в создании искажений микрофона, прибавляя к нелинейности (или отнимая от неё ) передаточной характеристики. В-третьих, поскольку полевик работает при малом токе и небольшом сопротивлении нагрузки, усиление по напряжению в типовом включении обычно от -3 до -10 дБ (!) .

Вот схема, которую я использовал для симуляции, и спектр сигнала на выходе при размахе входного напряжения 20 мВ. Видно, что искажения составляют -64 дБ (0,06%), а усиление около -7 дБ . При увеличении ёмкости на входе до 1000пФ выходной сигнал увеличивается на 6 дБ, а искажения - на 17 дБ (!) . Понятно, что этот пример может не иметь ничего общего с конкретным микрофоном , но он показывает неоднозначность процессов там происходяших.

Алексей

P.S. Продолжение следует, через некоторое время...

Поэтому

[Semigor]

Вау! А я не так давно загадку на подобную схему загадывал - так никто и не отгадал.
Между прочим на эту схему авторское свидетельстсво СССР получено.

[anli]

А я не так давно загадку на подобную схему загадывал

Игорь, это что-то было с "висячим" затвором? Как примерно тема называется? Где ответ?

[Fenyx]

Наконец-то народ собирается! Зовите всех, будем думку гадать, потому что измерения - это дело очень важное - это глаза и уши инженера! Кроме того речь о самом ходовом типе микрофонов, если удастся с ними разобраться раз и навсегда - будет большой прогресс в мировом масштабе!

1. минимальный уровень шума. 2. борьба с наводками. 3. Ровная АЧХ.

1. какой уже есть, такой и будет, главное не добавить.
2. Вот тут как раз проявляются положительные свойства моей схемы: вся начинка уместилась на платке 17х39 мм., сам микрофон подключается двумя проводками, которые проходят внутри алюминиевой тркбки; сама трубка вклеена в корпус усилителя -он же корпус микрофона (откопал сегодня у себя в закромах щуп от какого-то осциллографа что-ли - большой такой 25х130мм, хромированный, блестит как новый харлей ), так вот, значит платка там и установлена (пока без деталей). Собственно до платы помехам взяться не от куда - все экранировано, а кроме того сигнал сразу подается на эмиттер биполяра, и с коллектора снимается уже значительно усиленным по амплитуде! Все это находится на площади в несколько квадратных миллиметров да еще и в металлическом корпусе - лучше защитить - это надо еще придумать как это может быть! На счет диф. преобразований - ты сам ответил - это ни к чему вообще, т.к. с выхода уже идет сигнал в сотни мВ и какие-то микровольты наводок ничего не значат.
3. АЧХ зависит от самого микрофона, по этому такой и взят (WM-60, если кто не в курсе), к тому же на него имеется еще калибровочная кривая в LspLab*е, точнее -только прецизионная техника, но это из другой оперы.
Алексей, все что вы говорите - это важные моменты, но я думаю, что вы не будете спорить с тем что:
1. При постоянном напряжении стока все равно линейность заметно возрастает.
2. Не знаю на сколько я залез в линейную область, ведь номинальным для микрофона считается питание 2В, а хоть бы это и в линейной области, раз производитель пишет, что это номинальный режим, значит мы уже не ошибемся, установив такое напряжение. Я только хотел бы знать (да кто ж мне скажет) стоит ли лезть в еще меньшие напряжения или нет, но это можно будет сказать поэкспериментировав. Попозже.
3. Указанная схема позволяет подавать на микрофон (через биполяр, разумеется) гораздо большее напряжение (ограниченное только максимально допустимым для биполяра), что в свою очередь дает возможность получить большое усиление, даже при малой крутизне полевика (о чем вы кроме всего прочего говорили при описании своих усилителей). Еще, в вашей схеме нагрузка 10к, а номинал -2,2к, у меня в звуковухе встроено фантомное питание к таким микрофонам, так там 3,3к (я мерял по падению постоянного напряжения на резисторе известного номинала).
И еще одно: я же уже писал, что уже провел эксперимент по включению электретного микрофона по каскодной схеме и это дало очень заметное усиление (что было очень неожиданно и удивительно). На счет емкостей - входная наверное должна влиять, а вот проходная и выходная наверное нет, ведь Uси -постоянное, отсюда и отсутствие паразитной обратной связи (я думаю с эти тоже связано увеличение усиления в каскодной схеме). Хотя на счет этого с моего уровня можно только гадать.

загадку на подобную схему загадывал

Ну, так чего же молчишь? Что полезного можешь добавить?

[Ale]

Offтопик:
Fenyx, я конечно сильно извиняюсь за невтемность... но зачем огород? Ради процесса познания, или же действительно не устраивают искажения, которые выдает микрофон с усилителем на ОУ общего применения?
А еще есть вариант этого... того как его там... Короче, отрезать дорожку на микрофоне и включить в разрыв резистор. Вот дополнительный простор для оптимзации. Так можно и дифф.каскад пригородить с источником тока.
Просто, когда я попробовал WM61 после китайских капсулей из телефонов и мультимедиамикрофонов, бросил все эти перерезания , оставив простейший усилитель.

[Fenyx]

Ale, почему оффтопом, это же по теме!
Про огород: в пятнадцатый раз объясняю, что включать микрофон так, как в даташите - это все равно что поставить на корабль современный двигатель и пределать к нему гребные колеса, сделанные из строительного мусора, не совсем круглые и разного диаметра - плавать будет, но как?!!! ОУ? - его я и поставил в конце концов - AD8610 - всем советую - супер, сэмплы дают!
Но каскод оставил - там всего делов то... А улучшение - на порядок! (вот погодите, я еще характеристики сниму...).
Искажения порядка процентов меня совсем не устраивают, потому что такой микрофон нельзя использовать для измерения этого показателя у динамиков. Порядка 0,1% - сойдет, 0,01 -очень зорошо, меньше - может быть даже избыточно, но запас карман не тянет.
Главная новость на сегодня: я его спаял, подключил, работает - супер ! Паял 40Вт паяльником , но чтобы на спалить микруху (в корпусе SO8 между прочим), паял сплавом розе и остывающим паяльником, уже выдернутым из розетки. Хотите печатку? Нате!