Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Ultraniskoszumny wzmacniacz mikrofonowy do komputera

AVT2703
kit
Ultraniskoszumny przedwzmacniacz mikrofonowy. Dołączany do wejścia liniowego komputera lub miksera. W pełni symetryczne wejście. Współpracuje z profesjonalnymi mikrofonami dynamicznymi, a także pojemnościowymi. Dynamika ponad 100dB. Zniekształcenia rzędu 0,01%. Wzmocnienie regulowane skokowo 1×... 3000× (0 dB...70 dB).
Article Image

W redakcyjnej poczcie od pewnego czasu zaczęły się pojawiać prośby o opublikowanie wysokiej jakości wzmacniacza mikrofonowego, przeznaczonego dla potrzeb homerecordingu – domowego nagrywania dźwięku za pomocą komputera.

Tu trzeba od razu wyjaśnić, że wszystkie komputerowe karty dźwiękowe mają wejście mikrofonowe, jednak przeznaczone jest ono do współpracy z mikrofonami elektretowymi i w ogromnej większości przypadków jego parametry są słabe. Natomiast wejście liniowe komputerowych kart dźwiękowych pozwala zarejestrować sygnał z radykalnie lepszą jakością, ale oczywiście wymaga sygnału o znacznie wyższym poziomie.

Wejście liniowe nie może współpracować bezpośrednio z mikrofonem ze względu na mały sygnał. Opisywany wzmacniacz jest autonomiczną przystawką, dołączaną do wejścia liniowego karty dźwiękowej. Dzięki zastosowaniu słynnego układu SSM-2017, ewentualnie jego następców oraz dzięki obecności wejścia symetrycznego wzmacniacz ma znakomite parametry i może współpracować z najlepszymi mikrofonami profesjonalnymi. Dużą zaletą opisywanej konstrukcji są dodatkowe obwody zasilania typu PHANTOM (48V) umożliwiające wykorzystanie profesjonalnych mikrofonów pojemnościowych.

Prezentowany układ znajdzie też szereg innych zastosowań. Może być stosowany jako uniwersalny bardzo wysokiej jakości przedwzmacniacz mikrofonowy, ale też może służyć do wzmacniania sygnałów innych niż audio.

Opisywany wzmacniacz znakomicie nadaje się do mikrofonów symetrycznych, a takie wyjście mają wszystkie mikrofony dobrej jakości. Nie opłaca się jednak stosować opisywanego układu do współpracy ani z mikrofonami elektretowymi, ani z tanimi mikrofonami z wyjściem niesymetrycznym. Do takich źródeł sygnału wystarczą prostsze układy z pojedynczym wzmacniaczem operacyjnym. Układy takie były opisywane w naszym czasopiśmie, m.in. w EdW 10/1996 str. 47 (Niskoszumny przedwzmacniacz mikrofonowy na układzie NE542), EdW 2/2001 str. 90 (Niskoszumny, precyzyjny wzmacniacz uniwersalny). Tego typu prosty wzmacniacz zostanie też opublikowany w jednym z najbliższych numerów EdW.

Opis układu - ultraniskoszumny wzmacniacz mikrofonowy do komputera

Schemat układu pokazany jest na rysunku 1. Moduł zawiera dwa kanały wzmacniacza oraz wspólny zasilacz. Moduł zasilany jest pojedynczym napięciem zmiennym o wartości około 14...16V. To napięcie zmienne jest prostowane jednopołówkowo przez diody D8, D10 i służy do uzyskania głównego symetrycznego napięcia zasilającego ±12V. Dławiki L1, L2 mają zapobiegać ewentualnym zakłóceniom impulsowym i w.cz., przedostającym się z sieci przez transformator. Obwody stabilizacji są klasyczne, zawierają układy 7812 i 7912.

Rys.1 Schemat układu - ultraniskoszumny wzmacniacz mikrofonowy do komputera

Diody D7, D9 i kondensatory C24, C25 tworzą powielacz napięcia. Na kondensatorze C24 uzyskuje się napięcie rzędu 60V, które jest stabilizowane przez układ U3 (LM317). Na wyjściu stabilizatora uzyskuje się napięcie +48V względem masy. Jest to napięcie zasilania typu PHANTOM. Zasilanie takie potrzebne jest dla profesjonalnych mikrofonów pojemnościowych. Wszystkie mikrofony lepszej jakości mają wyjście symetryczne, czyli podłączane są trzema przewodami (dwa „gorące” sygnałowe plus masa-ekran) – patrz rysunek 2a.

Mikrofony pojemnościowe mają wewnątrz wzmacniacz wymagający zasilania. Przed wielu laty przyjęto interesujący standard ich zasilania. Rysunek 2b pokazuje w uproszczeniu zasadę działania mikrofonów z zasilaniem PHANTOM. Napięcie stałe do zasilania wzmacniacza w mikrofonie dostarczane jest przez „gorące ” linie sygnałowe kabla. W mikrofonie specjalny obwód zasilania separuje tak dostarczane napięcie od przebiegów zmiennych.

Z drugiej strony kabla mikrofonowego musi być umieszczony obwód zasilania napięciem 48V z dwoma rezystorami o wartości 6,8kΩ. W opisywanym module napięcie PHANTOM można włączać według potrzeb za pomocą zwory JP1 (tu warto wspomnieć, że znane od lat i cieszące się kiedyś dużym powodzeniem krajowe mikrofony pojemnościowe MCO52 i MCU53 zasilane były inaczej – posiadały wewnętrzny pojemnik na baterię oraz miały dodatkową końcówkę do zasilania zewnętrznym napięciem 6V z wykorzystaniem oddzielnej żyły kabla).

Rys.2 Zasady działania różnych mikrofonów

Sercem wzmacniacza toru jest słynny ultraniskoszumny układ SSM-2017. Elementy L3, L4, C18...C21 filtrują i odsprzęgają obwody zasilania Rezystory R5...R12 pozwalają ustawić potrzebne wzmocnienie. Rezystor wyjściowy R13 stanowi dodatkowe zabezpieczenie na okoliczność przypadkowego zwarcia wyjścia – dodatkowe, bo wzmacniacz ma wewnętrzne obwody zabezpieczające przed uszkodzeniem przy zwarciu wyjścia. Nóżki 2 i 3 to wejście symetryczne – sygnał z mikrofonu symetrycznego podawany jest na wejście przez dławiki L1, L2 i kondensatory C5...C16. Dołączone do masy jednakowe rezystory R3, R4 zapewniają stałoprądowe warunki pracy wejścia, umożliwiając przepływ prądów polaryzujących. Diody LED D1..D6 pełnią rolę ochronną.

Podczas normalnej pracy na wejściach występują niewielkie sygnały zmienne, więc diody te na pewno nie przewodzą i nie wpływają na sygnał nawet w najmniejszym stopniu. Pełnią swą rolę ochronną tylko w przypadkach, gdy mikrofon jest dołączany lub odłączany „na gorąco”, w trakcie pracy wzmacniacza. Dołączenie i odłączenie mikrofonu powoduje gwałtowny skok napięcia stałego. Skok ten ma amplitudę kilkudziesięciu woltów i przechodząc przez kondensatory, mógłby uszkodzić delikatne wejście wzmacniacza. Skutecznie zapobiegają temu diody LED D1...D6, ograniczając amplitudę impulsu do bezpiecznej wartości około 4,5V.

Rezystancje wejściowe układu scalonego, zarówno różnicowa, jak i względem masy, są większe niż 1MΩ, więc można je spokojnie pominąć. Pasmo przenoszenia ograniczone jest od dołu przez pojemność kondensatorów sprzęgających C5...C16 i rezystancje R3, R4.

Oporność wejściowa (różnicowa) dla sygnał ów audio, widziana od strony mikrofonu wynosi około 8kΩ, co zapewnia dobrą współpracę także z mikrofonami o wewnętrznej rezystancji większej niż 200Ω (profesjonalne mikrofony mają z reguły impedancję wewnętrzną 200Ω). Rezystancja między każdą z linii wejściowych a masą wynosi około 4kΩ, co zapewnia dobre tłumienie ewentualnych zakł óceń wspólnych (np. brumu sieciowego).

W tym wzmacniaczu, mającym z założenia znakomite parametry, przewidziano foliowe, a nie elektrolityczne kondensatory sprzęgające. Przewidziano po sześć kondensatorów MKT 1µF/63V. Wraz z rezystancjami R3 (R4) o wartości 10kΩ daje to dolną częstotliwość graniczną poniżej 3Hz. We wzmacniaczu mikrofonowym nie jest potrzebna tak niska częstotliwość graniczna. Wystarczyłaby pasmo od częstotliwości 20Hz, uzyskane przy zastosowaniu tylko jednego kondensatora o pojemności 1µF. W układzie celowo zastosowano tak dużą pojemność i złożenie sześciu kondensator ów. Powody są dwa.

Po pierwsze, głównym celem nie jest poszerzenie pasma, tylko zmniejszenie (i tak znikomej) rezystancji szeregowej kondensator ów. Jest to ukłon w stronę audiofilów-purystów, którzy zawzięcie dyskutują nad różnicami w brzmieniu kondensatorów różnego typu: polipropylenowych, poliwęglanowych, polistyrenowych, poliestrowych oraz „elektrolit ów” zwykłych i tantalowych. W układzie zastosowane są popularne, niemniej zupełnie przyzwoite kondensatory poliestrowe MKT.

Mają one naprawdę niewielki tangens kąta strat, czyli małą szkodliwą rezystancję szeregową. Połączenie równolegle sześciu takich kondensatorów jeszcze bardziej zmniejsza tę rezystancję, przez co zupełnie niepotrzebne jest stosowanie uważanych za nieco lepsze kondensatorów polipropylenowych, poliwęglanowych czy polistyrenowych. Tak duża pojemność przewidziana jest właśnie z uwagi na audiofilskie dyskusje nad właściwościami kondensatorów. W praktyce przy 10-kiloomowych rezystorach R3, R4 całkowicie wystarczy zamontowanie dwóch kondensatorów 1µF zamiast dwunastu. Kto chce, niech się przekona, że zwiększanie pojemności ma znikomy, wręcz niezauważalny wpływ na dźwięk.

Po drugie, po sześć kondensatorów sprzęgających przewidziano dla purystów, którzy chcą obciążyć mikrofon dynamiczny rezystancją 1...3kΩ, mającą tłumić bezwładność cewki mikrofonu. To szczegół uwzględniany tylko przez niektórych profesjonalist ów, nie-mający istotnego znaczenia praktycznego. Zjawisko bezwładności i tłumienia drgań własnych wyraźniej obserwujemy w głośnikach oraz w miernikach wskazówkowych. Zmniejszanie rezystancji dołączonej do głośnika (rezystancja wyjściowa wzmacniacza, określająca parametr zwany współczynnikiem tłumienia) lub ustroju miernika wskazówkowego zmniejsza bezwładność i skłonność do własnych drgań rezonansowych.

Tu warto wspomnieć, że obciążeniem dla mikrofonu jest różnicowa rezystancja wejściowa przedwzmacniacza. Czym jest ona mniejsza, tym lepsze tłumienie wspomnianych drgań, ale też mniejszy jest sygnał z tak silnie obciążonego mikrofonu. W literaturze często spotyka się zalecenie, żeby obciążenie mikrofonu dynamicznego wynosiło 2kΩ. Inne źródła zalecają rezystancję obciążenia w zakresie 1kΩ...10kΩ.

W opisywanym układzie można śmiało zmniejszyć rezystancje R3 i R4 nawet do 1kΩ. Przykładowo zastosowanie rezystorów 1kΩ da dolną częstotliwość graniczną nieco poniżej 30Hz, a rezystancja wejściowa widziana przez mikrofon jako obciążenie spadnie do wartości około 1,75kΩ, a przy rezystorach R3, R4 o wartości 1,18kΩ 1% rezystancja wejściowa wyniesie dokładnie 2kΩ.

W każdym przypadku rezystory R1, R2, R3, R4 powinny być dobrej jakości rezystorami metalizowanymi o tolerancji 1%. Powody są dwa.

Po pierwsze, mają to być rezystory o małych szumach własnych. Praktycznie wszystkie rezystory 1-procentowe to rezystory metalizowane, mające dobre parametry szumowe. Tak samo rezystory R5...R12 powinny być rezystorami metalizowanymi o tolerancji 1% tylko ze względu na szumy własne, a nie na dokładność i stałość rezystancji.

Po drugie, rezystory R1, R3 oraz R2, R4 wyznaczają rezystancję między obydwoma „gorącymi” liniami sygnałowymi a masą. Duże różnice rezystancji spowodowałyby pewne pogorszenie współczynnika tłumienia sygnału wspólnego. Dokładność 1% jest tu absolutnie wystarczająca, niemniej jeśli ktoś chce, można choćby zwykłym multimetrem dokładniej dobrać te rezystancje parami.

Elementy C1...C4 i L1, L2 oraz C17 tworzą filtr dolnoprzepustowy, tłumiący częstotliwości radiowe. Wiele przedwzmacniaczy mikrofonowych nie ma takich obwodów, a mimo to nie występują w nich żadne niespodzianki wynikające ze „zbierania” zakłóceń radiowych. Warto jednak pamiętać, że sygnały w.cz. mogą mieć negatywny wpływ na działanie przedwzmacniacza. Wprawdzie same sygnały w.cz. z natury nie są słyszalne, jednak są one w rozmaity sposób modulowane i w pewnych przypadkach mogą zmieniać punkt pracy stopnia wejściowego, powodując słyszalne efekty. Układ SSM-2017 generalnie ma dobre właściwości pod tym względem, niemniej w module przewidziano na wszelki wypadek symetryczny filtr zawierający elementy C1, L1, C3, C2, L2, C4 oraz C17. W wersji podstawowej można zmontować tylko elementy L1, L2 oraz C17 o podanej wartości.

Wzmocnienie układu SSM-2017 można regulować w niesamowicie szerokim zakresie od 1x (0dB) do ponad 2000x (66dB) za pomocą rezystancji włączonej między nóżki 1, 8. Wzmocnienie zależy od wypadkowej rezystancji rezystorów dołączonych za pomocą S1. Ponieważ każdy następny rezystor spośród R5...R12 ma wartość dwa razy większą (mniejszą) od poprzedniego, można uzyskać praktycznie dowolne wartości wzmocnienia, włączając kilka rezystorów. W module wzmocnienie można regulować skokowo za pomocą DIP-switcha S1 w zakresie 1x...2000x (0dB...66dB). Wzmocnienie większe niż 100x jest potrzebne bardzo rzadko – tylko w warunkach studyjnych, gdy mikrofon dynamiczny o małej skuteczności umieszczony jest w znacznej odległości od źródła dźwięku.

Bliższe informacje o zależności wzmocnienia od rezystancji podane są w końcowej części artykułu. W praktyce nie trzeba nic liczyć, tylko za pomocą przełącznika S1 ustawić taką wartość wzmocnienia, żeby przedwzmacniacz nie był przesterowany nawet przy najsilniejszych sygnałach z mikrofonu.

Montaż i uruchomienie - ultraniskoszumny wzmacniacz mikrofonowy do komputera

Układ można zmontować na jednostronnej płytce drukowanej, pokazanej na rysunku 3. Warto zacząć od kilku zwór i kolejno montować elementy, poczynając od najmniejszych. Pod układ scalony można dać podstawkę.

Układ po prawidłowym zmontowaniu ze sprawnych elementów nie wymaga żadnego uruchamiania i jest gotowy do pracy. Należy tylko za pomocą styków przełącznika S1 ustawić potrzebne wzmocnienie. Czym mniejsza dołączona rezystancja, tym większe wzmocnienie. W tabeli 1 podane są wartości wzmocnienia, odpowiadające poszczególnym rezystorom. Wartości pośrednie uzyskuje się, dołączając dodatkowo rezystory o większych wartościach. Przy zwarciu wszystkich styków S1 wypadkowa rezystancja wynosi około 5Ω, a wzmocnienie około 2000x (66dB).

Najwyższe wartości wzmocnienia są potrzebne bardzo rzadko, tylko w warunkach studyjnych do współpracy z niektórymi mikrofonami dynamicznymi o małej skuteczności. W innych przypadkach można zwiększyć wartości rezystorów R5...R12. Tabela 2 pokazuje wartości wzmocnienia przy dziesięciokrotnie większych wartościach R5...R12.

Tabela 1
Tabela 2

Bez zewnętrznego obciążenia pobór prądu przez jeden tor nie przekracza 15mA. Pomiary modelu wykazały, iż przy zasilaniu kostki SSM-2017 napięciem ±12V, na wyjściu można uzyskać niezniekształcony sygnał o wartości 20Vpp, czyli około 14V wartości skutecznej. Jest to dużo więcej, niż trzeba podać na wejście następnego wzmacniacza (miksera lub wzmacniacza mocy). Oznacza to, że prezentowany wzmacniacz ma duży zapas i trudno go przesterować. Zapas amplitudy (headroom) w odniesieniu do standardowego sygnału 0,775V (0dB) wynosi więc aż 19,2dB.

Dzięki znakomitym właściwościom kostki SSM-2017 górna granica pasma nawet przy wzmocnieniu 1000x (60dB) przekracza 100kHz, a przy mniejszym wzmocnieniu sięga 1MHz i więcej. Parametry dynamiczne są znakomite – generalnie poziom zniekształceń harmonicznych jest mniejszy niż 0,01%.

W pierwszym modelu zastosowany został znakomity układ SSM-2017, który wprawdzie nie jest już produkowany, ale można go jeszcze kupić (np. w poznańskiej firmie ALFINE). W układzie można też śmiało zastosować jego następcę: SSM-2019, który ma odrobinę słabsze parametry (np. gęstość szumów nie 0,95, tylko 1 nanowolt na pierwiastek z herca), ale za to jest zdecydowanie tańszy.

Rys.3 Schemat montażowy - ultraniskoszumny wzmacniacz mikrofonowy do komputera

Zamiast układu SSM-2017 produkcji Analog Devices można zastosować układ INA217 firmy Texas Instruments (Burr Brown), który ma bardzo zbliżone parametry. Układ INA217 reklamowany jako zamiennik SSM-2017 ma wprawdzie nieco większe szumy (1,3nV), ale ma to znaczenie tylko przy współpracy ze źródłami o rezystancji wewnętrznej mniejszej niż 200Ω i przy wartościach wzmocnienia większych od 100x (40dB). Mikrofony dynamiczne standardowo mają oporność wyjściową 200Ω, więc układ INA217 powinien zapewnić parametry nie gorsze niż SSM-2017.

W układzie nie należy natomiast stosować wzmacniacza pomiarowego AMP02, który ma identyczny rozkład wyprowadzeń. Jest to precyzyjny układ pomiarowy, który choćby ze względu na większe szumy (9nV) nie jest przeznaczony do sprzętu audio najwyższej klasy. Gotowy moduł warto umieścić w metalowej obudowie, która będzie też pełnić rolę ekranu (obudowa musi być połączona z masą układu).

Można też spróbować umieścić moduł w komputerze, w kasecie w miejscu przewidzianym dla CD-ROM-a – zwykle w komputerze jest wolne miejsce na jeszcze jeden napęd. Wtedy można zasilać moduł napięciem ±12V z komputera, a gniazdo wejściowe mikrofonu umieścić w zaślepce. Taki sposób jest jednak mniej godny polecenia z uwagi na duży poziom zakłóceń wewnątrz komputera i możliwe zakłócenia obecne w „cyfrowych” obwodach zasilania. Zdecydowanie bezpieczniejsze jest umieszczenie przedwzmacniacza w metalowym pudełku i zasilanie z wtyczkowego zasilacza napięcia zamiennego.

Kto nie przewiduje korzystania z profesjonalnych mikrofonów pojemnościowych i nie potrzebuje zasilania PHANTOM, może uprościć obwody zasilania: nie montować powielacza napięcia i obwodów stabilizatora LM314. Warto jednak zamontować rezystory R1, R2 i za pomocą zwory JP1 dołączyć je do masy. Nie należy też pochopnie rezygnować z diod ochronnych D1...D6, które chronią przed wszelkimi dużymi impulsami zakłócającymi dostającymi się na wejście.

Taka uproszczona wersja bez zasilacza PHANTOM, a tylko ze stabilizatorami U2, U4 z powodzeniem może być zasilana z małego wtyczkowego zasilacza napięcia zmiennego o napięciu nominalnym 12VAC (np. AC 12V 300mA firmy Tatarek). Napięcie zmienne (o wartości skutecznej) 12V powinno z powodzeniem wystarczyć do wytworzenia prawidłowo stabilizowanego (stałego) napięcia symetrycznego ±12V.

Do zasilania wersji z zasilaczem +48V potrzebny będzie zasilacz napięcia zmiennego (transformator) o nieco większym napięciu wyjściowym: 14...16V, z którego uzyskuje się potrzebne napięcia stałe (±12V oraz +48V). Do zasilania pełnej wersji z zapasem wystarczy na przykład wtyczkowy zasilacz AC/AC 15V 600mA firmy Indel. Poszczególne zasilacze (transformatory) mają różne właściwości i ich napięcie wyjściowe przy niewielkim obciążeniu może być znacznie większe od nominalnego. Dlatego w przypadku wykorzystania powielacza i zasilacza PHANTOM, należy się upewnić, czy na kondensatorach C24, C25 nie występuje napięcie większe od ich napięcia nominalnego (63V). Gdyby było większe, należy w szereg z C25 włączyć rezystor o dobranej wartości.

Użycie pojedynczego zasilacza prądu zmiennego jest jak najbardziej uzasadnione w przypadku współpracy z komputerem. Jeśli natomiast moduł miałby być częścią większego urządzenia, na przykład miksera, można nie montować stabilizatorów U2, U3, a do zasilania wykorzystać dostępne w urządzeniu dobrze stabilizowane napięcie symetryczne ±6V...±18 (w przypadku SSM-2017 do ±22V). W takim przypadku część płytki zawierającą obwody zasilaczy można odciąć. Podwyższenie napięcia zasilającego układ scalony jeszcze bardziej zwiększy zapas amplitudy (headroom).

Na płytce drukowanej przewidziano miejsce na dwa identyczne wzmacniacze. W zestawie AVT-2703 zawarte są tylko elementy do budowy jednego toru. Ponieważ znaczna część użytkowników nie będzie wykorzystywać mikrofon ów pojemnościowych z zasilaniem PHANTOM, w zestawie AVT-2703 nie występują też elementy zasilacza +48V, a tylko obwody zasilacza napięcia symetrycznego ±12V.

Dla dociekliwych i zaawansowanych

Wzmocnienie układów SSM-2017, SSM-2019 i INA217 jest określone przez rezystancję RG włączoną między nóżki 1, 8. Można ją zmieniać w zakresie 10Ω do nieskończoności. Oto wzór na wzmocnienie: Wzmocnienie = (10kΩ/ RG) + 1

W roli rezystancji RG koniecznie trzeba stosować rezystory stałe dobrej jakości. Przy dużych wartościach wzmocnienia parametry szumowe rezystora RG mogą poważnie wpływać na wypadkowy poziom szumów. Dlatego w module przewidziano regulację skokową przy zastosowaniu precyzyjnych, niskoszumnych rezystorów. Nie należy tych rezystor ów zastępować popularnym potencjometrem węglowym, który na pewno będzie miał duże szumy. W przypadku konieczności płynnej regulacji należy wykorzystać cermetowe helitrimy.

Interesująca budowa wewnętrzna tych precyzyjnych układów scalonych zapewnia niewielkie napięcie niezrównoważenia:

  • SSM-2017 typowo 0,1mV
  • SSM-2019 typowo 0,05mV
  • INA217 typowo 0,05mV

Dzięki temu napięcie stałe na wyjściu będzie bliskie potencjału masy. Przy zmianie wzmocnienia może się zmieniać, ale zmiany te będą w sumie niewielkie. W wersji standardowej problem ten można pominąć.

Jedynie gdyby moduł miał pracować w zastosowaniach, gdzie zmiany te byłyby niedopuszczalne, można skorygować niezr ównoważenie, podając niewielkie napięcie stałe na nóżkę 5, która standardowo jest dołączona do masy. Należy jednak pamiętać, że wtrącenie między masę a nóżkę 5 rezystancji radykalnie zmniejsza współczynnik tłumienia napięć wspólnych. Szczegółowych informacji na ten temat trzeba szukać w kartach katalogowych układów scalonych.

Jeśli chodzi o obwody wejściowe, to w wersji najprostszej nie trzeba w ogóle montować elementów wejściowego filtru przeciwzakł óceniowego i wtedy zamiast L1, L2 można wlutować zwory. W wersji standardowej należy zmontować tylko L1, L2 o indukcyjności 22...100µH oraz C17 o pojemności rzędu 1nF. Wpływ zakłóceń radiowych może jednak wystąpić np. w pobliżu silnych nadajnik ów, zwłaszcza długo-, średnio- i krótkofalowych, w tym stacji radiokomunikacyjnych i CB.

W takich bardzo rzadkich przypadkach, gdyby zakłócenia dawały o sobie znać, może zajść potrzeba zwiększenia indukcyjności L1, L2 i zastosowania kondensatorów C1...C4, C17 o pojemności stosownej do częstotliwości zakłócającej. Elementy filtru należy dobrać we własnym zakresie, zależnie od sytuacji. Nie ma jednoznacznej odpowiedzi, jakie powinny być elementy tego filtru - ponieważ w grę wchodzą tu różne czynniki, nie sposób podać jednej prostej recepty. Na przykład dławik, który z założenia powinien stanowić duży opór dla przebiegów w.cz., może okazać się ferrytową anteną odbiorczą, która wręcz pogorszy sytuację.

Ratunkiem będzie wtedy staranne zaekranowanie całego modułu Pasożytnicze pojemności własne cewki oraz szkodliwa indukcyjność kondensatorów i przewodów mogą nieoczekiwanie stworzyć obwody rezonansowe, które nie zmniejszą, tylko zwiększą wrażliwość na zakłócenia o pewnych częstotliwościach. Dlatego gdyby zakłócenia radiowe dały o sobie znać, należy dobrać filtr wejściowy metodą praktycznych prób. Pomocne mogą się też okazać dodatkowe zewnętrzne filtry, między innymi z wykorzystaniem kondensatorów przepustowych.

W miarę możliwości warto zwiększyć napięcie zasilania. Według karty katalogowej zakres napięć zasilania to ±6V...±18V (SSM- 2017 do ±22V), a pobór prądu dla SSM- 2017 i INA217 typowo wynosi 10mA, maksymalnie 14mA. Dla SSM-2019 jest mniejszy: typowo 4,7mA, maksymalnie 8,5mA.

A oto jeden z kluczowych parametrów: zniekształcenia harmoniczne (THD+N, 1kHz) przy wzmocnieniu G=100:

  • SSM-2017 0,005%
  • SSM-2019 0,0085%
  • INA217 0,004%

Bliższe szczegóły podane są na rysunku 4.

Rys.4 Zniekształcenia harmoniczne

Szybkość zmian napięcia wyjściowego jest duża:

  • SSM-2017 typ. 17V/µs, min 10V/µs
  • SSM-2019 typ. 16V/µs
  • INA217 typ. 15V/µs

co zapewnia znakomite parametry dynamiczne.

Prąd polaryzacji wejść:

  • SSM-2017 typ. 6µA, max 25µA
  • SSM-2019 typ. 3µA, max 10µA
  • INA217 typ. 2µA, max 10µA

Tłumienie sygnału wspólnego (CMRR) przy G=100:

  • SSM-2017 typ. 92dB, min 60dB
  • SSM-2019 typ. 113dB, min 90dB
  • INA217 typ. 116dB, min 100dB

Tłumienie tętnień zasilania (100Hz) przy G=100:

  • SSM-2017 typ. 118dB, min 60dB
  • SSM-2019 typ. 118dB, min 90dB
  • INA217 typ. 120dB

Tłumienie sygnału wspólnego i tłumienie tętnień zasilania są bardzo dobre i niewiele zmieniają się w całym zakresie częstotliwości akustycznych.

Rezystancja wejściowa dla sygnału różnicowego (użytecznego) nawet przy wzmocnieniu G=1000 nie powinna być mniejsza niż 1MΩ. Rezystancja wejściowa dla sygnału wspólnego jest jeszcze większa.

Wyjścia wszystkich kostek mają obwody ograniczające prąd zwarcia do ±50...60mA. Układy SSM-2019 i INA217 nie boją się ciągłego zwarcia wyjścia do masy. Wyjście kostki SSM-2017 nie ulegnie uszkodzeniu ani przegrzaniu przy zwarciu do masy przez czas do 10 sekund.

Co istotne, dość duża prądowa gęstość szumów:

  • SSM-2017 2pA/(Hz)1/2
  • SSM-2019 2pA/(Hz)1/2
  • INA217 0,8pA/(Hz)1/2

typowa dla wzmacniaczy na tranzystorach bipolarnych wskazuje, że małe szumy wyjściowe uzyskuje się tylko we współpracy ze źródłami o małej rezystancji wewnętrznej.

Napięciowa gęstość szumów przy wzmocnieniu G=1000 (w nanowoltach na pierwiastek z herca) wynosi:

  • SSM-2017 0,95
  • SSM-2019 1,0
  • INA217 1,3

Podane w katalogu gęstości szumów napięciowych dla różnych wartości wzmocnienia mogą budzić zdziwienie, ponieważ czym mniejsze jest wzmocnienie, tym większe wydają się szumy. W rzeczywistości wcale nie jest tak źle, ponieważ podane wartości odniesione są do wejścia, a w rzeczywistości interesują nas wartości szumów na wyjściu, a te przecież są większe od szumów na wejściu mniej więcej tyle razy, ile wynosi wzmocnienie (analogiczna zasada dotyczy tłumienia sygnału wspólnego CMRR).

Warto natomiast pamiętać, że na całkowity poziom szum ów ma wpływ rezystancja RG włączona między nóżki 1, 8, w tym jej szumy termiczne. Można powiedzieć, że przy dużych wartościach wzmocnienia szumy odniesione do wejścia są mniej więcej takie, jak szumy termiczne rezystancji RG. Oznacza to między innymi, że przy wzmocnieniu mniejszym od 1000 nie można liczyć na osiągnięcie podawanej w materiałach reklamowych liczbowej gęstości szumów wejściowych, ale to nie zmienia faktu, że opisywany wzmacniacz jest naprawdę ultraniskoszumny i jego szumy własne są porównywalne z szumami własnymi rezystancji 200-omowego mikrofonu (gęstość szumów termicznych rezystancji 200Ω wynosi 1,8nV/(Hz)1/2).

Karty katalogowe układów SSM-2017, SSM-2019, INA217 i AMP02 można ściągnąć ze stron internetowych ich producentów (www.analog.com, www.ti.com).

P.S. 1 Po wykonaniu model został udostępniony do prób i sprawdzenia znanemu Czytelnikom EdW Ryszardowi Ronikierowi. Poniżej zamieszczona jest treść e-maila opisującego wyniki pomiarów:

Witam Piotrze! Wreszcie udało mi się uwieńczyć sukcesem pomiary parametrów elektroakustycznych wzmacniacza mikrofonowego. Pomiary były dokonane w warunkach profesjonalnych, w Polskim Radiu. Do pomiaru użyto nowoczesnego skomputeryzowanego zestawu „System One, Audio Precision”.

Wzmocnienie ustawiłem wysokie 60dB (1000x). Do wejścia symetrycznego badanego wzmacniacza (o impedancji wejściowej około 3kΩ) doprowadzony był sygnał akustyczny o poziomie mikrofonowym (1,5mV). Na wyjściu wzmacniacza napięcie wyniosło 1,55V, czyli 6dBu (w odniesieniu do 0,775V) – typowy „radiowy” poziom nominalny.

Pasmo przenoszenia przy tak dużym wzmocnieniu wyniosło 20Hz (-1dB) do 50kHz (-3dB). Pomiar zawartości harmonicznych w całym paśmie akustycznym THD. Współczynnik harmonicznych THD wyni ósł 0,01%, co przy wzmocnieniu 1000x jest doskonałym wynikiem.

Maksymalny poziom wyjściowy przy współczynniku harmonicznych 1% wynosił +18dBu (parametr istotny ze względu na przesterowanie).

Badany moduł wzmacniacza umieszczony został w obudowie metalowej, która została połączona z masą elektryczną wzmacniacza. Do pomiaru zakłóceń włączony został filtr pasmowy 22Hz-22kHz, wejścia zwarte „na krótko”. Odczytana została wyjściowa wartość szumów i zakłóceń -80dBu (77,5uV), co daje nominalny odstęp od własnych szumów i zakłóceń równy 86dB (80dB+6dB) i całkowitą dynamikę 98dB (80dB+18dB). Wynik jest znakomity uwzględniając, że jest to wzmacniacz mikrofonowy mogący pracować przy bardzo małych sygnałach z mikrofonu, a nie wzmacniacz sygnałów liniowych.

Przy pomiarze szumów własnych wejście wzmacniacza było zwarte rezystorem 200Ω, filtr psofometryczny (A) włączony, odczytana wartość na wyjściu 245μV (-70dBu), co daje znakomity ważony psofometryczny poziom szumów odniesiony do wejścia równy 0,245μV. Potwierdziło to moje wrażenia słuchowe z wcześniejszych testów. Jak pamiętasz, zachwycałem się, że po dołączeniu do wejścia mikrofonu lub rezystora 200Ω szumy gwałtownie się zmniejszają. Ma to związek z szumami prądowymi – wejście niepodłączone (rozwarte) szumi ze względu na te szumy prądowe. Po dołączeniu typowej oporności roboczej 200Ω szumy te radykalnie maleją. Uzyskana wartość zastępczego poziomu szumów wejściowych 0,245μV jest rewelacyjna. Przeprowadziłem też badania charakteru tych szumów, zarówno w System One, jak i „na ucho”. Mam porównanie z innymi urządzeniami i stwierdzam, że szumy są nie tylko małe, ale też mają specyficzny miękki i nie agresywny skład spektralny.

Uzyskane wyniki potwierdzają moje wcześniejsze opinie z prób odsłuchowych, że badany wzmacniacz mikrofonowy z układem SSM2017 bez wątpienia nosi cechy urządzenia profesjonalnego. Świadczą o tym zarówno wyniki pomiarów elektroakustycznych, a także przemyślana konstrukcja. Zaletą jest skokowy przełącznik wzmocnienia, którym można ustawić potrzebne wzmocnienie. Według mnie zamiast przełącznika DIP-switch warto byłoby dać przełącznik obrotowy, charakterystyczny dla profesjonalnych wzmacniaczy mikrofonowych, pozwalający skokowo zmieniać wzmocnienie w sekwencji: 30dB, 40dB, 50dB, 60dB. Moduł może stanowić postawę budowy stołów mikserskich.

pozdrawiam Ryszard Ronikier, szef techniczny Radia Bogoria

P.S. 2. Przełącznik DIP-switch można śmiało zastąpić przełącznikiem obrotowym z zestawem rezystorów, dających potrzebne wartości wzmocnienia. Można go na przykład wlutować przewodami w otwory przewidziane dla DIP-switcha. Ze względu na zewnętrzne zakłócenia przełącznik taki powinien być umieszczony blisko układu scalonego. Nie zaleca się natomiast użycia potencjometrów ze względu na ich szumy własne, większe niż szumy rezystorów metalizowanych.

Wykaz elementów
Rezystory:
 
R1,R2
6,81kΩ 1%
R3,R4
10kΩ 1%
R5
1,27kΩ 1%
R6
649Ω 1%
R7
324Ω 1%
R8
158kΩ 1%
R9
80,6Ω 1%
R10
40,2Ω 1%
R11
20Ω 1%
R12
10Ω 1%
R13
220Ω
R14
301Ω 1%
R15
11,3kΩ
Kondensatory:
 
C1,C2,C3,C4
patrz tekst
C32
10nF
C5-C16
1µF MKT
C17
1nF ceram.
C18,C19
10µF/25V
C20,C21
100n ceramiczny.
C22,C23
22µF/63V
C24,C25
470µF/63V
C26-C29
22µF/25V
C30
1000µF/25V
C31
1000µF/25V
Półprzewodniki:
 
D1-D6
LED zielona 3mm
D7-D10
1N4001
U1
SSM2017, SSM-2019 lub INA217
U2
7812
U3
LM317
U4
7912
Pozostałe:
 
JP1
jumper x 3
L1,L2,L5,L6
22µH
L3,L4
22µH
S1
DIP-switch x 8
Podstawka precyzyjna 8-pin
 

Uwaga 1. Nominały rezystorów R5...R12 mogą różnić się o kilka... kilkanaście procent od podanych (sąsiednie wartości z szeregu). W każdym razie powinny to być rezystory o tolerancji 1%.

Uwaga 2. Zestaw AVT-2703/B zawiera tylko elementy do montażu jednego kanału wzmacniacza. Nie zawiera też wszystkich element ów obwodu zasilacza +48V. W skład kitu nie wchodzą więc elementy D7, D9, CC22...C25, R14, R15, U3.

Tematyka materiału: SSM2019
AUTOR
Udostępnij
UK Logo