Udělej si sám

Myslím si, že každý z vás zná tyto mikrofony. Používají se téměř ve všech mobilních i obyčejných telefonech a headsetech, včetně, například, i pro Skype. Právě, vzhledem k jejich kvalitě je docela obtížné použít je někde v seriózní aplikace. Ale proč? Vždyť kondenzátorové mikrofony mají zásadně vynikající parametry! Také, proč ve většině případů parametry, co jsou uvedené v datovém listu, nedosažitelné? Proč v datasheetu na mikrofon Panasonic WM-61 výrobce uvádí poměr signál/šum více než 62 dB, a ten na sluch šumí jako starý kazeťák? Je možné nějakým způsobem zlepšit jejich parametry pro použití v jiných aplikacích?

Začneme tím, že se podíváme dovnitř kapsli. Vzhledem k tomu, že mikrofon vyžaduje externí napájení, měl by obsahovat aktivní prvek. Je to tak: mikrofon je připojený do J-FET tranzistoru a toto připojení pojďme zanalyzovat.

Jak je vidět, je to téměř klasická kaskáda se společným odtokem, ale trochu zvláštní: potenciál hradla je určený jeho únikovým proudem, a pozice pracovního bodu, proud odtoku a napětí odtok-přítok jsou plně určené parametry tranzistoru a jejich odchylky. V praxi to znamená, že tyto mikrofony (a to i v rámci jedné série) budou mít velký rozptyl parametrů, špatnou tepelnou stabilitu a vysoká zkreslení.

Ale ani to není důležité. Pojďme se podívat na průběhy vstupního a výstupního napětí takového "zesilovače":

Žádná chyba tu není, výstupní signál je opravdu menší, než vstupní skoro o 8 dB. S některými modely tranzistorů se mí podařilo obdržet "zisk" až -6 dB. Samozřejmě, že tento obvod má pozitivní proudový zisk, ale zároveň přidává až 5% nelineárních zkreslení a neumožňuje získat přijatelný odstup signál/šum.

Rozhodl jsem se zlepšit parametry tohoto obvodu bez zásahu do něj, tj. bez rozebírání kapsli. Z tohoto důvodu bylo vyloučené zapojení p. Linkwitza (www.linkwitzlab.com/sys_test.htm#Mic), které transformuje obvod na odtokový sledovač přidáním rezistoru do série s odtokem tranzistoru a obdrženi signálu s něj:

Nicméně, vůbec mikrofon nemusíme rozebírat, když si vzpamatujeme, že unipolární tranzistor má symetrickou strukturu, což umožňuje jednoduše prohodit jeho odtok a přítok, čím také transformujeme kaskád na odtokový sledovač. Jinými slovy, stačí kostru mikrofonu zapojit do "+" napájení a vystup – přes rezistor na zem a na vstup dalšího zesilovače. Tohle umožňuje rozšířit dynamicky rozsah mikrofonu a jeho kmitočtovou charakteristiku, ale skoro nezlepši odstup signál/šum, protože pouzdro mikrofonu, které má na starosti jeho stíněni, začíná chytat veškera rušení z napájecího drátu. Nehodí se.

Vraťme se k původnímu zesilovači. Jak už bylo řečeno, je to kaskáda se společným odtokem. První věc, co mě napadla – přidat kaskádu se společnou bázi/hradlem, čili vytvořit kaskodu:

Zkresleni klesli na 1%, výrazně se zlepšili odstup signál/šum a kmitočtová charakteristika, ale výstupní impedance zůstala stejnou (stejně jako výstupní proud), schéma se společnou bázi totiž zesiluje jen napětí. Také napájení 5V pro tento obvod bude zamálo.

Můžeme napájet mikrofon pomoci OZ:

Zase, malé napájecí napětí neumožni zvýšení odporu rezistoru R₁ vice než několik kiloohmů, což znamená, že velký zisk schéma mít nebude, protože výstupní napětí OZ záleží na klidovém proudu tranzistoru takto:

U = I×R₁

Tohle znamená, že pro klidový proud kolem 1mA přes rezistor 2,2 kOm na výstupu OZ mělo by byt napětí 1 × 2,2 = 2,2 V, což je docela problematicky, když odečteme úbytek napětí 1–2 V na mikrofonu. Na druhu stranu, zmenšení odporu tohoto rezistoru vede ku zmenšení zesílení obvodu.

V podstatě, dalo by se přidat ještě další zesilovač napětí na OZ. Smyčku zpětné vazby je snadno navrhnout tak, aby obvod nezesiloval nebo úplně odsekával stejnosměrnou složku. Takto obdržíme velice dobrý "měřící" zesilovač s šířkou pásma až několik set kilohertzů, teoreticky malou úrovni nelineárních zkresleni na stacionárním signálu a výborným poměrem signál/šum. Zklamala mě sice nízká teplotní stabilita kaskádu na FETu v kapsli a závislost polohy jeho pracovního bodu na rozptylu parametrů. Jinak, pro domácí měření frekvenčních a fázových charakteristik reprobeden takový zesilovač můžu vřele doporučit.

Ale my půjdeme dále a pokusíme se napájet mikrofon pomoci proudového zdroje, třeba na bipoláru.

Takové zapojení maximálně realizuje zesilovací vlastnosti kaskády na FETu, čímž umožňuje získat na výstupu napětí až 300mV. Bohužel, jen tak využit toto zapojení se nepodaří: výstupní impedance obvodu jsou stovky kiloohmů, takže minimálně musíme do něj přidat odtokový nebo emitorový (hůř) sledovač. Já jsem ho vyzkoušel s OZ TLC271 a NE5532 v neinvertujícím zapojeni a zesílením cca 2,5.

Především mam říct, že termostabilita tohoto obvodu je mnohem vyšší, než ostatních – při změně teploty v rozmezí +10...+40°C amplituda signálu na výstupu zůstávala skoro stejná, jen se trochu měnilo napětí na mikrofonu (čili odtok-přítok FETu), což je normální. Odstup signál/šum při výstupním napětí 0,5V jsem obdržel asi tak 50 dB, což není spatně, ale je tu jedna drobnost. Kvůli vyšším impedancím tento obvod skvělé chytá veškerá rušení z éteru, proto kdybyste rozhodli jej spájet, pořádně se postarejte o jeho stínění.

Teď udělejme stručný souhrn výšeuvedených zapojeni.

Je krásně vidět, že nejlepší charakteristiky dle stejnosměrného proudu obvod má při napájení od proudového zdroje, a dle střídavého – s nizkoimpedančnou zátěži. Když jsem se tyto dva zapojení pokusil sloučit, vznikl mi takový obvod s napájením mikrofonu přes proudový zdroj a I/U-převodníkem v zátěži.

Tady my máme možnost zvýšit odpor rezistoru zpětné vazby OZ do potřebné hodnoty bez obavy za stejnosměrnou složku na výstupu zesilovače, protože zde OZ je galvanický oddělen od napájení mikrofonu. V původním zapojení tohle by bylo komplikovaný, protože oddělovací kondenzátor mel by mít kapacitu až několik stovek mikrofaradů, a tím pádem elektrolytický, jehož použiti v tomto miste je velmi nežádoucí. V tomto zapojení výstupní impedance jsou stovky kiloohmů, takže pro 20Hz stačí 0,1μF, a pro Skype klidně 0,01μF.

Dále, na co vlastně byl záměr, takové zapojení eliminuje vliv Millerové kapacity a Earlyho efektu, což výrazně snižuje zkreslení kaskády na FETu a rozšiřuje frekvenční pásmo. Při výstupním napětí 1V naměřil jsem poměr signál/šum více než 60dB (ve špičce). Zkoušky a měření jsem prováděl na univerzálním plošném spoji:

Co se tyče odolnosti proti rušení, tak dokonce i při takové montáži jejich úroveň byla mnohem menší než úroveň šumu.

Par komentářů. V tomto zapojení OZ pracuje s velkým zesílením, což klade na něj zvýšené požadavky jak ze strany vlastního šumu, tak i ze strany šířky frekvenčního pásma. Navíc, OZ musí pracovat při napájení +5V.

Doma jsem našel tři NE5532 v DIP pouzdře a ze srandy, bez ohledu na to, že jejích minimální napájecí napětí je +6V, vložil je do patice. Jeden operák ku podivu se rozjel. Pak jsem vyzkoušel TLC271, ale on mě zklamal z hlediska šumu. Je to tzv. programovatelný OZ, který schopný pracovat od +3V a má tři režimy spotřeby proudu. V silnoproudovém režimu on má nejlepší rychlostní a kmitočtové vlastnosti, v slaboproudovém – nejmenší sumy, a pak má "kompromisní" režim. Podle mého porovnaní, v silnoproudovém režimu šum TLC271 byl stejný jako u NE5532, v "kompromisním" trochu menší, v slaboproudovém asi o 4 krat menší. Ale v tomto režimu jeho šířka pásma snižuje se na 90 kHz, a rychlost přeběhu na 0,03 V/μs, což je katastrofický málo i pro zvukové pásmo.

Nicméně, udělejme souhrn konceptu mikrofonního zesilovače. Dle stejnosměrného proudu mikrofon by měl byt napájený od proudového zdroje, velikost proudu zvolíme buď podle datasheetu, anebo podle největšího výstupního napětí nebo linearity (dle požadavků). Pak, jako zátěž, připojíme I/U převodník, který poskytne nám požadovanou výstupní úroveň signálu.

Praxe příště...