Mikrofonvorverstärker, Probleme mit Rauschen und Verstärkung behoben

Ich versuche, einen Vorverstärker (hergestellt von einem Kollegen) zu reparieren, der laut ist und irgendwie nicht genug verstärkt. Ich sollte gleich sagen, dass dieses Projekt die Grenze meines Elektronikwissens sprengt, also habe ich viele Fragen. Es gibt tatsächlich 2 Kopien auf 2 Platinen, für ein Elektret- und ein dynamisches Mikrofon, aber das Design war das gleiche, mit Ausnahme der "Plug-in-Power" für das Elektret (keine Phantomspeisung, dies erwartet etwa 5 V, obwohl ich denke, dass es derzeit wird 12V). Dies ist der Stromkreis (nur R3 unterscheidet sich zwischen den 2 Platinen).

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Aus meiner Recherche habe ich herausgefunden, dass ein paar Dinge vielleicht anders gemacht werden sollten. Erstens scheint es hauptsächlich Stromleitungsrauschen zu sein, das ich bekomme. (Ich habe versucht, sauberere Netzteile zu bekommen, aber mit einem kleinen Budget, das nicht funktioniert hat.) Stattdessen könnte ich den Spannungsteiler und die Elektret-Vorspannungsschaltung etwas filtern. Ich mag auch nicht die Idee, nach dem Verstärken zu dämpfen, also würde ich das Potentiometer bewegen, um stattdessen die Verstärkung zu steuern, als solches:

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Simulieren Sie diese Schaltung

Aber diese Änderungen bedeuten, dass ich das Ganze ziemlich neu machen muss und das Produkt in einem "fertigen" Zustand ist (in einer Schachtel mit Anschlüssen und allem), also möchte ich die Änderungen möglichst minimieren.
1) (Hauptfrage) Ich habe mich gefragt, ob das "Vorfiltern" der Stromversorgung gleichwertig / besser / schlechter wäre als die Filter in den Vorverstärkerschaltungen?
Ich habe zum Beispiel daran gedacht, einen RC-Filter 2. Ordnung auf einer separaten kleinen Platine hinzuzufügen. Es würde die Spannung etwas reduzieren, aber ich kann kleine Widerstände verwenden und dann einen guten Filter anstelle von 3 machen?

Das andere Problem ist der Gewinn. Beachten Sie, dass das Ziel darin besteht, Audio auf Line-Pegel zu erhalten, sodass die Stimme von den Mikrofonen eine vergleichbare Lautstärke hat wie andere Geräusche, die von einem Computer kommen. Die Ausgänge gehen zu Lautsprechern (dies ist Teil einer Gegensprechanlage / eines Mischpults). Der Gain ist schon bei 2k und noch ziemlich schwach. Ich denke, vielleicht bekommt das Elektretmikrofon nicht die richtige Leistung? Ich denke, es sollte ungefähr 5 V betragen, aber ich habe in einem anderen Thread etwas gelesen, das ich nicht ganz über das Innenleben des Elektrets verstanden habe und wie sich der Widerstandswert ändern würde, wie viel Amplitude er ausgeben würde.
2) Irgendwelche Tipps, welchen Wert man für die Elektretvorspannung verwenden sollte?
Beachten Sie, dass die dynamische Mikrofonkarte (ohne R3) ebenfalls schwach klingt, aber ich muss überprüfen, ob ihr R5 einen anderen Wert haben könnte.

Schließlich habe ich auch über Widerstandsrauschen gelesen und wie ich besser dran bin, bei so hohen Verstärkungen nicht zu hoch zu gehen (und Metallfilm zu verwenden). Aber ich bin mir nicht sicher, welche Widerstände am kritischsten wären. Im zweiten Schema vermute ich R8, R4 ... Nicht sicher, ob der Spannungsteiler auch R3, R9 / 11 ist? In diesem Zusammenhang bin ich mir nicht sicher, welche Werte ich für den Spannungsteiler verwenden soll.
3) Gibt es andere Faktoren zu berücksichtigen, als nicht zu viel Strom zu verschwenden (große Werte bevorzugen) oder Widerstandsrauschen (niedrige Werte bevorzugen)?
Beachten Sie, dass das dynamische Mikrofon eine Ausgangsimpedanz von 600 Ω hat, das Elektret jedoch 5 kΩ.
4) Soll ich die Schaltungen anders "abstimmen" oder einfach die höchste nehmen und ihnen eine Eingangsimpedanz von etwa 50 kΩ (R8) geben?

Alle anderen Kommentare oder Tipps zur Schaltung wären willkommen!

5) Sollte in der zweiten Schaltung der Ausgang nach Cout "schwebend" bleiben oder ein R zu Neutral hinzufügen, und wenn ja, welcher R-Wert?

Um welche Art von Lärm handelt es sich? Wie klingt es und gibt es eine Möglichkeit, den Bandpass zu finden und die Frequenz zu finden? Dies könnte helfen, das Problem in der Schaltung oder möglicherweise in Ihrem gesamten Setup zu lokalisieren.
Das Rauschen klingt bei verschiedenen Netzteilen tatsächlich anders, summt meistens in verschiedenen Frequenzen und verschwindet mit einem großen (teuren) geregelten Netzteil. Ich habe auch angefangen, einen Filter vor den Vorverstärkern mit ermutigenden Ergebnissen zu testen, aber einige andere Teile in derselben Box funktionierten nicht mit dem Filter. Ich bereite mich jetzt darauf vor, einige weitere Teile zu zerlegen, daher mein Beitrag.
Welche Art von Kondensatormikrofon verwendest du? Ist die Verstärkung ausreichend, wenn sie mit einem dynamischen Mikrofon verwendet wird?
Um mit @ThreePhaseEel fortzufahren, überprüfen Sie auch die erwartete Eingabe auf den von Ihnen verwendeten Geräten, um zu sehen, was sie aushalten können. Überprüfen Sie auch den Vorverstärker, um sicherzustellen, dass er mit 48-V-Phantomspeisung umgehen kann. Ich sehe eigentlich keine Phantomspeisung. Kannst du das verifizieren?
@zorgkang Außerdem, schneller Debug-Tipp, schließen Sie den Mikrofonvorverstärker mit einem Ground Lifter an. Es kann hilfreich sein, den Masserückweg loszuwerden. Ich würde vorschlagen, vorher keinen Filter hinzuzufügen. Sie sagen im Wesentlichen, dass das Rauschen zu diesem Zeitpunkt im Mikrofon oder Kabel liegt. Wenn das der Fall ist, beheben Sie das, nicht den Vorverstärker. Wenn Sie damit spielen möchten, probieren Sie andere Mikrofone und besser abgeschirmte Kabel aus.
Ist das High-Fidelity-Audio? Oder dient das Mikrofon nur zur Sprachaufnahme (ähnlich wie beim Telefonieren)? Im letzteren Fall können Sie die Grenzfrequenz des Mikrofons auf 500 Hz oder mehr erhöhen, indem Sie eine kleinere AC-Koppelkappe am Eingang verwenden. Wenn Ihr Rauschen niederfrequent ist, sollte das ein wenig helfen.
Sieht so aus, als hätte die erste Schaltung eine Verstärkung von 2201. Da der TL071 eine GBW von 3 MHz hat, begrenzt dies die Bandbreite des Verstärkers auf unter 1400 Hz. Definitiv kein High Fidelity. Die zweite Schaltung ist besser, hat aber bei höheren Verstärkungen immer noch eine begrenzte Bandbreite. Wie viel Gewinn brauchen Sie wirklich?
@Three Ich kann mich nicht erinnern, was schlimmer war, aber beide waren nicht laut genug.
@mcmiln Es gibt keine Phantomspeisung, tut mir leid, dass ich nicht klargestellt habe, dass dies "Plug-in-Power" für ein altes Sony-Elektretmikrofon ist, das zum Anschließen an eine Videokamera entwickelt wurde. Es erwartet ungefähr 5 V, denke ich. Das ist der Teil, der eindeutig "nur für Elektretmikrofon" angegeben ist. Deinen zweiten Kommentar habe ich nicht verstanden. Ich sprach davon, die Stromversorgung zu filtern, nicht das Mikrofonsignal. Ich muss mal lesen, was ein Ground Lifter sein könnte... Im Moment ist in meinem Preamp nichts geerdet. Abschließend werde ich die Frage bearbeiten, um zu verdeutlichen, dass der Vorverstärker auf Line-Pegel ausgeben sollte, er geht an die Lautsprecher.
@mkeith Es ist für Sprache (eine Gegensprechanlage). Das Summen war jedoch nicht nur niederfrequent, würde das auch das Rauschen des Spannungsteilers filtern? Ich dachte, C5 wäre dafür nötig. Ich habe tatsächlich an diese Cin-Kappe gedacht, nachdem ich gepostet hatte. Ist es nicht die falsche Polarität in der Elektret-Konfiguration? Das Elektret bekommt 12 V, während die andere Seite ungefähr 6 V hat? Oder fehlt mir etwas Grundlegendes zu polarisierten Kondensatoren?
@John Das scheint sehr relevant zu sein, aber ich habe keine Ahnung, wie GBW (Bandbreite gewinnen?) Funktioniert. Das muss ich nachlesen. Ich brauche den Gain, der die Stimme auf Line-Pegel in "normaler" Lautstärke erklingen lässt. Insbesondere gibt es einen Schalter, der andere Audiosignale auf Leitungsebene von einem Computer unterbricht, wenn ich in der Gegensprechanlage sprechen möchte, sodass die Sprachlautstärke vergleichbar sein muss (hörbar und nicht zu laut).
Ich beziehe mich auf den ursprünglichen Schaltplan. Ich würde vorschlagen, Cin auf eine viel kleinere Kappe umzustellen. Es gibt keinen Grund, alle niederfrequenten Töne zu verstärken. Ich glaube, 0,022 uF wird Ihre untere Frequenzgrenze auf 300 Hz setzen, was vernünftig sein sollte. Ich sehe keinen Grund, den Ausgang mit Widerstand zu versehen. R6 und R7 würde ich also, zumindest zu Testzwecken, auf jeden Fall streichen. (Ersetzen Sie sie durch Shorts). Wohin geht die Ausgabe überhaupt? Vielleicht sind diese Widerstände für den Kurzschlussschutz? Die Verstärkung scheint übermäßig hoch zu sein, aber da Sie sagen, dass das Signal schwach ist, lassen Sie es uns vorerst hoch halten.
Oh, sind Sie sicher, dass Sie die richtige Polarität am Mikrofon haben? Kondensatormikrofone haben DC-Polarität.
Für eine Intercom-Schaltung sind einige kHz Bandbreite wahrscheinlich in Ordnung, die zweite Schaltung ist jedoch besser (vorausgesetzt, der Topf ist tatsächlich als variabler Widerstand angeschlossen, der Schaltplan zeigt dies nicht). Informationen zur Verstärkungsbandbreite finden Sie in jeder Referenz zu Operationsverstärkern. Wenn etwas unklar ist, können Sie hier jederzeit eine neue Frage stellen.
@John Ja, nachdem ich gepostet hatte, wurde mir klar, wie der Pot in der Schaltung gezogen werden soll. Ich werde das in beiden Schaltungen beheben.
Es tut mir leid, die Frage ist sehr lang und ich bin zu faul, alles zu lesen. Aber ich weiß, dass das Vorspannen eines Mikrofons viel sauberer sein kann, wenn Sie einen Operationsverstärker verwenden, der eine Spannungsreferenz puffert. Schau dir mal MAX9814 an. Sie zeigen genau das im Diagramm.
@zorgkang Hast du jemals eine Dynamik ausprobiert? Ich könnte mich hier irren, aber ich war mir ziemlich sicher, dass Festkörperkondensatoren nicht ohne Phantom funktionieren. Es ist möglich, dass das Mikrofon mit etwas Strom versorgt wird, der Ihnen kleine Signale gibt, aber nicht genug (es sei denn, Sie haben ein Röhrenmikrofon). --Interessantes Wiki zu Elektreten. Phantom wird nicht benötigt, aber viele Vorverstärker verwenden es für sie. Und ist in diesem Mikrofon eine Batterie? Wenn ja, überprüfen Sie die Spannung und sehen Sie, ob es ersetzt werden muss.
@mkeith Danke. Welche Bauteile machen diesen Hochpassfilter mit Cin aus? Aus den Zahlen, die Sie angeben, denke ich, dass es der 22k-Vorspannungswiderstand ist, aber das würde nur diese Vorspannungsleistung filtern, nein? Würde nicht das gleiche Netzteilrauschen durch den Spannungsteiler kommen? Und das Mikrofonsignal würde nicht denselben Filter erhalten (hängt wahrscheinlich stattdessen von seiner Ausgangsimpedanz ab)? Was den Ausgang betrifft, handelt es sich um Lautsprecher mit einem TRS-Anschluss, also denke ich, dass Sie Recht haben, es muss sich um einen kurzen Schutz gehandelt haben. Keine Ahnung, wie viel R dafür benötigt wird oder wie hoch das Risiko ist. Auch hier gibt es noch mehr zu lesen.
@zorgkang Und ein Ground Lifter wird einfach den Boden los. Im Wesentlichen, wenn Sie einen dreipoligen Stecker nehmen und den dritten Stecker abreißen. Es ist keine schlechte Sache, wenn Sie vorsichtig sind, und wird oft in sehr beengten Studioräumen durchgeführt. Sie können sogar solches Amp-Brummen loswerden. Alles eine Frage des Rückstroms.
@mcmiln Überprüfen Sie PiP en.wikipedia.org/wiki/… . Und wieder ist das andere Board ohne R3 für ein dynamisches Mikrofon. Ich werde heute noch einige Tests durchführen, um die Unterschiede zwischen den beiden Boards zu verdeutlichen.
@mcmiln Danke für die Klärung des Ground Lifters. Aber wie gesagt, derzeit ist nichts geerdet, sondern nur + und - des Netzteils gemäß der Schaltung. Das ist eigentlich noch eine andere Sache, die ich mich frage: was zu erden ist, wenn überhaupt. Ich tendierte dazu, die Abschirmung nur an Box und Kabeln zu erden, wenn es hilft.
Unter Bezugnahme auf das erste Schema bilden Cin, R1 und R2 ein Hochpassfilter. Die Zeitkonstante ist Cin * der Parallelwiderstand von R1 und R2. Es ist also Cin * 47k/2.
Ich habe in einem meiner Kommentare mehrere Vorschläge gemacht. Hast du einen davon ausprobiert? Ich weiß, Sie möchten verstehen, was vor sich geht, aber Sie möchten auch das Problem beheben, richtig? Ich habe versucht, Dinge vorzuschlagen, die relativ einfach auszuprobieren waren.
@mkeith Ja danke, ich werde eine andere Kappe ausprobieren. Ich hatte noch keine Zeit, das ist alles. Ich habe die Polarität des Mikrofons überprüft, es ist in Ordnung.

Antworten (1)

Ihre Frage ist zu lang zum Lesen, daher antworte ich nur auf den Schaltplan. Es ist nicht klar, nach welchem ​​Schaltplan Sie fragen, also habe ich den ersten genommen. Um diese Antwort konsistent zu halten, wenn die Frage bearbeitet wird, ist hier das Schema:

  1. 12 V sind ziemlich hoch, um ein Elektretmikrofon zu betreiben. 3-5 V sind normaler. Überprüfen Sie das Datenblatt.
  2. 22 kΩ sind für die Ansteuerung eines Elektretmikrofons ziemlich hoch. Hast du dir überhaupt das Datenblatt angeschaut?
  3. Rauschen auf der Versorgung wird direkt über R3 auf den Eingang gekoppelt.
  4. C4 und R5 bilden einen Hochpassfilter bei 1,6 kHz, der den gesamten Frequenzgang des Verstärkers beeinflusst. Frequenzen unter 1,6 kHz haben weniger Verstärkung. Das macht keinen Sinn. Das Absenken der Verstärkung unter 20 Hz ist in Ordnung und wird immer noch als "HiFi" -Audio angesehen. Ein Abfallen bei etwa 100 Hz kann in einigen Fällen akzeptabel sein. Rolling of bei 1,6 kHz ist einfach schlecht.
  5. Sie verlangen viel zu viel Gewinn von einer einzelnen Stufe. Die Verstärkung, die Sie erreichen möchten (über dem 1,6-kHz-Hochpass), beträgt (R4 + R5) / R5 = 2,2 k, was für eine einzelne Stufe absurd ist. Nehmen wir an, Sie interessieren sich nur für Frequenzen bis 10 kHz (HiFi reicht bis zum Doppelten) und Sie möchten einen 10-fachen Gain-Headroom, damit das Feedback gut funktioniert. Sie erwarten, dass das Verstärkungsbandbreitenprodukt des Operationsverstärkers 2.200 * (10 kHz) * 10 = 220 MHz beträgt. Auch ohne den Faktor 10 für das Feedback ist das völlig daneben.
  6. R6 macht überhaupt keinen Sinn. Ich kann nicht einmal erraten, was Sie denken, aber was es tatsächlich tut, ist die Hälfte des Gewinns zu verschwenden.
  7. Der Lautstärkeregler am Ausgang ist keine gute Idee, besonders wenn Sie eine so große Verstärkung erwarten. Laute Signale werden übersteuert, bevor Sie sie mit dem Lautstärkeregler dämpfen können.

Um die Punkte 1-3 zu fixieren, verwenden Sie einen Widerstandsteiler, um die richtige Spannung für das Elektret herzustellen. 20 kΩ oben und 10 kΩ unten teilen die Versorgung durch 3, um 4 V zu erhalten, was wahrscheinlich im beabsichtigten Bereich des Elektrets liegt. Um Versorgungsrauschen herauszufiltern, teilen Sie den oberen 20-kΩ-Widerstand in zwei 10-kΩ-Widerstände auf und setzen Sie eine Kappe auf Masse zwischen ihnen. Die Teilerimpedanz an der Kappe beträgt 10 kΩ//20 kΩ = 6,7 kΩ. Das erfordert mindestens 1,2 µF, damit die Rolloff-Frequenz 20 Hz oder weniger beträgt. Sie scheinen eine Reihe von 10-µF-Kappen zu haben, was gut funktionieren würde.

Verbinden Sie die + Seite des Elektrets mit der Verbindungsstelle der beiden unteren Widerstände. Dies treibt den Elektret mit 4 V bei einer dynamischen Impedanz von 5 kΩ, was viel besser ist als die vorhandene Schaltung.

Um die Verstärkung zu korrigieren, ist es gut, mit dem zu beginnen, was der Operationsverstärker tun kann. Der TL071 hat eine typische Gewinn*Bandbreite von 3 MHz. Nehmen wir an, wir wollen eine Verstärkung von 10 Headroom, damit das Feedback gut funktioniert, also bleiben 300 kHz übrig. Unter der Annahme von HiFi-Audio sollte die Verstärkung flach bis 20 kHz sein. Damit bleibt eine Verstärkung von (300 kHz)/(20 kHz) = 15. Diese wurde auf die typische, nicht garantierte Mindestverstärkung bezogen. Allerdings ist der Faktor 10 für das Feedback nicht exakt. Wenn es bei 20 kHz nur 5 sind, ist die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises immer noch ziemlich flach, also streben wir eine 15-fache Spannungsverstärkung an.

15-fache Spannungsverstärkung bedeutet R4/R5 = 14. Das Beibehalten des vorhandenen R4 bedeutet, dass R5 1,57 kΩ betragen sollte, also 1,6 kΩ. Der C4-R5-Filter sollte bei 20 Hz oder niedriger abfallen, was bedeutet, dass C4 5 µF oder mehr betragen muss. Behalten Sie die 10 µF bei.

Bei einer vernünftigen Verstärkung benötigen Sie zusätzliche Stufen, um Line-Pegel und darüber hinaus zu erreichen. Ein Vorteil davon ist, dass Sie den Lautstärkeregler direkt nach der ersten Stufe dort lassen können, wo er ist. Die Signale in der ersten Stufe werden nicht groß genug sein, um Probleme zu verursachen, selbst wenn sie sehr laut sind. 10 mV von einem Mikrofon wären viel, was mal 15 nur 150 mV ergibt, also ist alles in Ordnung.

Oder arbeiten Sie es rückwärts. Der TL071 kann in diesem Setup möglicherweise 8 Vss schwingen. Das geteilt durch 15 bedeutet, dass es nicht übersteuert, solange der Eingang 500 mVpp beträgt. Kein Elektret- oder dynamisches Mikrofon wird so viel ausgeben.

Danke @Oline. Ihre Antwort ist so lang wie meine Frage, es dauerte nur 2 Minuten, um sie sorgfältig zu lesen ;). Ein früherer Kommentar hat auf das Problem mit der Gewinnbandbreite hingewiesen. Ich glaube, ich verstehe alles, was Sie gesagt haben, aber würde das Netzteilrauschen nicht auch durch R1 / R2 kommen? Deshalb hatte ich im zweiten Diagramm C5 (und R8) hinzugefügt.
@zorg: Wenn es richtig gemacht wird, sollte R1 // R2 hoch genug impedanz sein, damit alles, was durch Cin kommt, jegliches Netzteilrauschen überschwemmt. Das zu tun, was Sie im zweiten Schema getan haben, schadet nicht, außer die Komplexität zu erhöhen, könnte ein wenig helfen. Ich würde dies beheben, indem ich R1 und R2 größer mache. Schließlich müssen sie nur den Leckstrom des Opamp-Eingangs überwinden, der für diesen Verstärker recht gering ist. 1 MOhm klingt jeweils ungefähr richtig. Das Rauschen kommt jedoch definitiv von der Versorgung durch R3, was Sie beheben müssen. Deshalb habe ich gesagt, einen Teiler zu verwenden und den oberen Widerstand in zwei Teile zu brechen, um eine Filterung zu ermöglichen.
In Bezug auf 12 V am Elektret funktioniert die Idee des Spannungsteilers, um es kurz zu machen, nicht gut. Das Mikrofon selbst macht einen Teiler mit R3. Ich habe durch Tests festgestellt, dass ich die beste Ausgabe vom Mikrofon mit einer 12-V-Versorgung (getestet 3 bis 12 mit sauberer Versorgung) und 43k (getestet 0 bis 50k) erhalte, was 4 V über das Mikrofon ergibt. Ich muss weiter testen, um herauszufinden, wie viel Gewinn ich brauche und wo Filterung erforderlich ist, basierend auf Ihren und anderen Vorschlägen. (Und ich habe kein Datenblatt, es ist ein Sony-Mikrofon, ich habe nur wenige Spezifikationen dafür gefunden. Musste auf Tests zurückgreifen.)
Mikrofonvorverstärker, Probleme mit Rauschen und Verstärkung behoben
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