V předchozím článku jsme diskutovali o problematice používání "tabletových" elektretových mikrofonů a jak je překonat. Tato část, jak jsem slíbil, bude praktická, bude ale v ní hodně matematiky.

Operovat, ovšem, nebudeme čísly, ale operačními zesilovači, které se budeme učit sčítat a odečítat, a to tak, aby to dávalo nějaký smysl.

Učíme se sčítat, anebo 1 +1 = 2

Když dvojitý operák je o 10% dražší než jednoduchý, neúmyslně začínáš uvažovat o jeho použití. Je zřejmé, že tento přístup, kdy se pro komponentu vymýšlí úkol je ve své podstatě abnormální, ale pokud nastavíme podmínku jednoznačného zlepšení nějakých parametrů obvodu, začíná to dávat smysl.

Pojďme začít se zapojením, kde jeden OZ napájí mikrofon napětím a zároveň je pro něj proudovou zátěži a pokusíme se k němu přidat ještě jeden.

Zde přidaný OZ funguje jenom jako zesilovač signálu, aniž by eliminoval hlavní nevýhodu zapojení prvního OZ – špatnou tepelnou stabilitu a nízký poměr signál/šum, a proto se s tímto zapojením rozloučíme.

Týrat zapojení s vysokou vstupní impedancí následující kaskády nevidím smysl, přejdeme do posledního zapojení s napájením mikrofonu od proudového zdroje na bipoláru a proudovou zátěží na OZ. Zde vidím dvě možnosti využití druhého OZ, za prvé jako proudový zdroj místo tranzistoru:

Výstupní proud takového zdroje se dá spočítat takhle: I=Ucc(R7+R9)/R7*R9, za podmínky, že R5=R6=R8=R9>>R7.

Rezistor R7 zvolíme takový, aby při určeném proudu úbytek napětí na něm nepřesáhl 1…2 voltů.

Avšak tato výměna bipoláru za OZ nepřináší žádné zlepšení parametrů obvodu, pasivních prvků ale přibude. Volba asi není moc vhodná, právo na existenci ale má.

Navrhují další verzi "přidávání" OZ, lákající svou jednoduchostí a efektivitou. Jako základ zase vezmeme obvod s napájením mikrofonu od proudového zdroje na bipoláru a proudovou zátěží na OZ. Stačí připojit druhý OZ paralelně k stávajícímu:

Tady, protože šumy OZ nejsou navzájem korelovány, díky jejich zprůměrnění dochází ke zmenšení výsledné úrovně šumu o 1,4 krát (o 3dB), což vůbec není spatně. Samozřejmě, pokud stejným způsobem použijeme čtyři OZ, šum klesne o 2 krát (o 6dB). V takovém využití dvou OZ já už smysl vidím, a protože čtyři operáky v jednom pouzdře jsou jenom o 10% dražší než dva, je možno popřemýšlet i nad tím :)

Učíme se odečítat, anebo 1-1=0

Pro experimenty zase vezmeme zapojeni s napájením mikrofonu od proudového zdroje na bipoláru a "odečteme" od něj operák, který hraje roli proudové zátěži pro mikrofon. Pak ho ale samozřejmě budeme muset něčím nahradit. V podstatě, v první části jsme analyzovali kaskodové zapojeni se společnou bázi, které ale kvůli vysoké výstupní impedanci bylo brzo zapomenuté. Jaké jsou dalšímožnosti?

Pokud si vzpomeneme na tři základní zapojení tranzistoru (SK, SE, SB), je jasné, že žádné z nich nesplňuje podmínku nízké vstupní a výstupní impedanci. Ovšem zapojení s OE je invertující, což znamená, že jednoduše může být "obklíčené" paralelní napěťovou zpětnou vazbou (Y-typu), která snižuje vstupní a výstupní impedanci obvodu na potřebné hodnoty. Pro realizaci bude stačit pouze tranzistor a dva odpory:

Dle střídavého proudu je to taková specifická kaskoda SO–SE. Díky zpětné vazbě jsou vstupní a výstupní impedance kaskády na tranzistoru T2 kolem 1 kiloohmů a teplotní stabilita je velmi slušná.

Ale kouzlo tohoto zapojení je nejen v jeho jednoduchosti (jak je vidět na fotce, může byt umístěné na oboustranné desce 12×12mm), ale v opravdu výjimečných parametrech: poměr signál/šum je větší než 60dB v kmitočtovém pásmu od několika hertzů až několik megahertzů a jsou omezení pouze parametry mikrofonu. S nelineárními zkreslení a dynamickým rozsahem je to stejné.

Napájí se zesilovač od +5V. Kondenzátor C1 určuje spodní hranici frekvenčního pásma zesilovače: při 0,1uF bude kolem 25Hz, "pro Skype" bude stačit 0,01uF (250Hz). Zisk je určen rezistorem R4, na němž záleží i kvalitativní parametry zesilovače. Při změně odporu tohoto rezistoru z 33 na 330 kiloohmů (mikrofonní/linkový vstup PC) horní frekvence se snižuje ze 4MHz na 100kHz a výstupní napětí se zvyšuje z 30mV na 600mV. Místo R4 je možno použit potenciometr jako regulátor citlivosti/zesílení.

Tři zesilovače byly postavení pro nahrávání v jedné konferenční místnosti se vzdáleným napájením od následujícího zesilovače, a ten čtvrtý jsem chtěl použit pro svůj notebook, který má jen linkový vstup. Napájení jsem rozhodl vzít s USB, mikrofon a desku – do jednoho pouzdra.

A pak následoval velký průšvih: kromě mého hlasu zesilovač perfektně chytal rušení z pevného disku a všech DC/DC měničů uvnitř notebooku, což mi vůbec nenapadlo během experimentů. Pasivní filtr v tomto případě bude bezradný, nicméně od Texas Instruments právě dorazili TPS79942. Je čas se na ně podívat zblízka.

TPS79942 je low-power 4,2V stabilizátor s ultra-nízkou úrovní sumu výstupu – 29,5µV (!) a malým úbytkem napětí 100mV, což zajišťuje vynikající parametry celého zesilovače a umožňuje mu pracovat od 5V USB. Navíc tento stabík zachovává stabilitu při jakémkoliv kondiku na výstupu.

Takže, skoro všecko zůstává beze změn, až na R1, který nahradíme za 82k. Deska – jednovrstvá.

Regulace zesilovače spočívá ve volbě R1 a to tak, aby při nezapájeném kondiku C2 amplituda signálu z mikrofonu byla co největší. Pak osadíme C2 a pomoci rezistoru R4 nastavíme potřebné zesílení.

Jeden ze zesilovačů, co používám s noťasem, umístil jsem do autíčka, aby se dečkám s babičkou veseleji "Skypovalo":

A zrovna před pár dny v práci se vyhazoval takový mikrofon pro konferenční hovory. Jeho droby jsem vyhodil a vmontoval tam svůj zesilovač. Používám ho se stolním počítačem a také pro konferenční nahrávky.

Tak co, kolik budete potřebovat operaků, abyste si postavěli kvalitní zesilovač pro elektretní mikrofon? :-)