Mikrofonförstärkare EMA2203

[RogerGustavsson]

Det här har kanske redan studerats? https://www.linkwitzlab.com/sys_test.htm#Mic

[xmag]

Sänks verkligen brusnivån? Den maximala utspänningen höjs väl. Jag har en gäng med Nakamichi-mikrofoner och där finns modeller som matas från 1.5 V resp 9 V. Det blir bättre med den högre spänningen.

Javisst!
Vid högre matningssspänning får mikrofonkapselns FET (transistorn) större linjärt arbetsområde vilket påverkar både max utsignal och distorsion.
Då vi mäter dB(SPL) stiger signalspänningen kraftigt vid högre ljudtryck. Vid ljudtryck under sådär 100 -110dB är det vanligtvis inget problem men redan över 140dB kan utsignalen vara bortåt 50volt RMS för vissa mätmikrofoner. Det blir ju som bekant då 140Volt matningsspänning
Generellt ökar alltså dynamiken. Maximalt ljudtryck minus brusgolv = dynamik (Dynamic Range). Oftast mätt i dBA för brusgolvet

Bra, då kör jag på lite högre bias, kanske 8-9v. Det är ändå ingen bra idé att mäta mer än 110dB med Panasonic WM61 kapseln.

[xmag]

Det här har kanske redan studerats? https://www.linkwitzlab.com/sys_test.htm#Mic

Jo, jag har läst det.
Han använder balanserad typ, dvs två batterier. Det kan jag inte göra för jag använder 12v "batterieliminator". I så fall skulle jag behöva två sådana och dubbla uppsättningar batterier.

[Morello]

Du har ju en halv OP över som du kan nyttja som en pseudo-jordgenerator.

[RogerGustavsson]

Det här har kanske redan studerats? https://www.linkwitzlab.com/sys_test.htm#Mic

Jo, jag har läst det.
Han använder balanserad typ, dvs två batterier. Det kan jag inte göra för jag använder 12v "batterieliminator". I så fall skulle jag behöva två sådana och dubbla uppsättningar batterier.

Jag tänkte främst på vad en höjning av matningsspänningen kan ge. I Nakamichi-mikrofonerna ger en höjning från 1.5 till 9 V 20 dB högre möjlig nivå med samma distorsionsnivå.

[xmag]

Det här har kanske redan studerats? https://www.linkwitzlab.com/sys_test.htm#Mic

Jo, jag har läst det.
Han använder balanserad typ, dvs två batterier. Det kan jag inte göra för jag använder 12v "batterieliminator". I så fall skulle jag behöva två sådana och dubbla uppsättningar batterier.

Jag tänkte främst på vad en höjning av matningsspänningen kan ge. I Nakamichi-mikrofonerna ger en höjning från 1.5 till 9 V 20 dB högre möjlig nivå med samma distorsionsnivå.

Ja, jag noterade det. Jag skall lägga mig på 7-8v. WM61 tål ju bara 10v så det gäller att begränsa spänningen innan det.

[xmag]

Du har ju en halv OP över som du kan nyttja som en pseudo-jordgenerator.

Ja, men jag har ett litet experiment jag skall göra med den. Dessutom vet jag inte hur man kopplar den till "pseudo-jordgenerator". En snabb beskrivning?

[xmag]

Jag har testat mig fram till rakast möjliga frekvenssvar och låg distorsion vid olika nivåer. Jag kommer bort från det "normala" när jag börjar bli nöjd.

Frekvensgången:

2022-04-05 Fekvensgång overzised komponenter.png (16.04 KiB) Visad 1699 gånger

Dist (simulerad hög signal från mikrofonen in och ca -30dB från förstärkaren in i ljudkortet):

2022-04-05 Distorsion overzised komponenter.png (41.39 KiB) Visad 1699 gånger

Olika frekvenser i oscilloskop:
20hz

2022-04-05 Oscilloskop 20hz overzised komponenter.png (49.58 KiB) Visad 1699 gånger

100hz

Oscilloskop 100hz overzised komponenter.png (38.23 KiB) Visad 1699 gånger

1khz

Oscilloskop 1000hz overzised komponenter.png (56.73 KiB) Visad 1699 gånger

20khz

Oscilloskop 20.000hz overzised komponenter.png (42.43 KiB) Visad 1699 gånger

Så här ser overzised schemat ut nu:

Xmag EMA OPA2134-schema-v220326-B.png (25.4 KiB) Visad 1699 gånger

Med "overzised" menar jag skämtsamt att vissa motstånd och kondensatorer har större värden än vad de flesta har med samma OP. Det gäller R2/R3, C6 och C8.
Orsaken till komponentval beror på att jag vill få rak frekvenskurva. Jag får rak frekvenskurva om jag bara använder basic-komponenter, alltså så lite som möjligt med andra problem som följd. Med normal komponentbeväpning faller kurvan i båda ändar inom 20-20khz. Min justering av komponenterna skapar en rak frekvenskurva, låg distorsion och bra och störningsfria kurvor i oscilloskop.
.
.

[xmag]

När jag mäter distorsion och brus är ljudkortet den sämsta länken. Det KAN alltså vara ljudkortets värden vi ser eftersom OPA-kretsar har betydligt lägre distorsion och brus.
Här är mätningar på olika OP:s med riktig utrustning:
http://nwavguy.blogspot.com/2011/08/op- ... ments.html

Bäst verkar OPA2227 vara och sämst TL072.

En OPA2227 kostar många gånger mer än de övriga med bara någon dB bättre brus.

[jansch]

Det spelar ingen större roll vilken opamp du väljer för detta ändamål. Dom är tillräckligt bra alla, Bäst är dock att nyttja en opamp som är "Unity Gain Stable" så gör man det enkelt för sig.

Det är nog dax att gå igenom ditt kretsschema...

R1
R1 är till för att mata mikrofonens FET med matningsspänning. Du måste ha någon form av spänningsreglerkrets som definierar matningsspänningen till mikrofonkapseln då du max kan mata med 10volt. Du nämnde väl 6 volt(?), välj gärna 9-10volt så får du ut högre SPL och mindre dist. Välj R1 så att du garanterat föder reglerkretsen till mikrofonen med 1,5 - 2 volt "överspänning" Mät denna spänning så att mikrofonens reglerkrets arbetar korrekt med "överspänning".

R2 och R3
Dessa motstånd har 2 syften
- bildar spänningsdelare till opampens +ingång så att du kan få ut lika mycket sving från opampen på + och -sidan = hälften av matningsspänningen.
- Bildar tillsammans med C1 en "AC-koppling" så att inte likström stör opamp:en samt ett högpassfilter.
Generellt skall man hålla R1 och R2 så "lågt det går" då termiskt brus ökar med ökad resistans, googla på Johnson Nyquist brus även kallat termiskt brus.*
Opampens ingång är så högohmig att riktigt höga värden kan väljas till nackdel för då brus. Rent allmänt skall dock inimpedansen för både + och - ingång på opamp:en vara någorlunda lika för att undvika att du får bias = utgången på opampen skall ligga på "0" (i detta fall halva matningsspänningen). Det är dock inte kritiskt då du i värsta fall förlorar några millivolt i max utsignal.
Valet blir därför att R1 och R2 inte är så små att dom drar onödigt mycket ström då dom ligger i serie över matningsspänningen. Se även kommentar om C1.
*Källimpedansen, d v s i detta fall mikrofonstegets utimpedans kommer givetvis att påverka om brus uppstår, framförallt när C1 är så stor som den är.

C1
C1 ger först o främst AC-kopping enligt ovan men skapar också ett högpassfilter tillsammans med R1 och R2 som belastar parallellt. Dessa värden (10uF och 2 270kohm parallellt) ger en brytfrekvens på ca 1,2Hz. kommer knappast att påverka ditt mål med 20Hz undregränsfrekvens.

C2 och C3
Är inte så mycket att diskutera om förutsatt att C2 är en högvärdig keramisk kondensator placerad nära opamp:ens ben. Vid batteridrift kan man utesluta C3.

R4 och R5
Detta är en åtekopplingsslinga och dessa sätter kretsens AC "Gain" enligt formeln Av = 1 + R4/R5 = 1 + 26 = 27 gånger. Storleken på dessa kan diskuteras men generellt skall dom hållas låga så parasitreaktanser minimeras. Dock dom får inte belasta opampens utgång i onödan (samt kommentar om R2//R3). Nu belastar dom opamp:ens utgång med 40,5kohm vilket är försumbart.

C6 "AC-kopplar" ovan nämnda återkopplingsslinga så att opamp:ens - ingång inte dras ner mot minus-batterispänning ("jord") och får opampen att överstyras.
Samtidigt skapas också ett RC-filter (högpassfilter). D v s vid låga frekvenser kommer summan av impedanserna av R5 och C6 bli "oändligt stor" och förstärkningen kommer att bli "1", allt enligt formeln Av = 1 + R4/oändligheten = 1. Det är ju summan av R5 och C6 som räknas.
R5 och C6 bildar alltså ett RC filter och gränsfrekvensen med R5 = 1,5kohm och C6 = 220uF blir 0,5Hz.

C4 och C5
Dessa, dessas summa, kommer att skapa ett lågpassfilter tillsammans med R4. Dessa ger ca 32kHz som övre gränsfrekvens. Kanske lite lågt....
Samtidigt skyddar dessa kondensatorer för att opamp:en inte självsvänger så lätt, d v s förstärkningen dras ner vid höga frekvenser där fasvridning ev. skulle medföra att återkopplingen övergick från negativ till positiv.

R6
R6 kan ha 2 syften
- att skydda mot korstslutning ( om! inte opampen är kortslutningsskyddad)
- Att minska ev. problem vid kapacitiv last.
Nackdelen är att förstärkarens utimpedans blir lite större än 100ohm. D v s man bör belasta den med minst 10ggr högre impedans. Alltså, ljudkortet eller vad det nu är måste ha MINST 1kohms ingång.

R7
R7 är "bra att ha" motstånd. Det ser till att C8 alltid har en last som laddar ur kondensatorn (kan man säga). 47kohm är ett Ok värde, det belastar inte opampens utgång speciellt mycket.

C8
C8 är av typ " vi tar till rejält så den inte stör", den skall bara AC-koppla opamp:en så ingen likström kan flyta åt ena eller andra hållet. Den kommer dock agera högpassfilter tillsammans med nästa "burks" inimpedans (t.ex. ljudkort). Är "den belastande "burkens" inimpedans 1kohm kommer undre gränsfrekvens att vara under 1Hz.

Av ovanstående framgår att du har något mätfel i basområdet, frekvensgången skall vara i princip rak vid 20Hz och falla med -3dB vid ca 30kHz.
Jag tror att ditt ljudkort inte fixar basen.

[Morello]

Helt riktigt, vilken som helst JFET-OP duger till detta, men ju större "open loop"-bandbredd desto större blir kraven på mönsterkortet. Med uppkoppling enligt bild (så kallat hasch-bygge) skulle jag ta en TL072.

[xmag]

Det spelar ingen större roll vilken opamp du väljer för detta ändamål. Dom är tillräckligt bra alla, Bäst är dock att nyttja en opamp som är "Unity Gain Stable" så gör man det enkelt för sig.

Håller med!

Det är nog dax att gå igenom ditt kretsschema...

Det här skall bli kul att läsa!

R1
R1 är till för att mata mikrofonens FET med matningsspänning. Du måste ha någon form av spänningsreglerkrets som definierar matningsspänningen till mikrofonkapseln då du max kan mata med 10volt. Du nämnde väl 6 volt(?), välj gärna 9-10volt så får du ut högre SPL och mindre dist. Välj R1 så att du garanterat föder reglerkretsen till mikrofonen med 1,5 - 2 volt "överspänning" Mät denna spänning så att mikrofonens reglerkrets arbetar korrekt med "överspänning".

Med R1 som den är nu ger den 8v ut till mikrofonen.
Vad menar du mer 1,5-2v överspänning?

R2 och R3
Dessa motstånd har 2 syften
- bildar spänningsdelare till opampens +ingång så att du kan få ut lika mycket sving från opampen på + och -sidan = hälften av matningsspänningen.
- Bildar tillsammans med C1 en "AC-koppling" så att inte likström stör opamp:en samt ett högpassfilter.
Generellt skall man hålla R1 och R2 så "lågt det går" då termiskt brus ökar med ökad resistans, googla på Johnson Nyquist brus även kallat termiskt brus.*
Opampens ingång är så högohmig att riktigt höga värden kan väljas till nackdel för då brus. Rent allmänt skall dock inimpedansen för både + och - ingång på opamp:en vara någorlunda lika för att undvika att du får bias = utgången på opampen skall ligga på "0" (i detta fall halva matningsspänningen). Det är dock inte kritiskt då du i värsta fall förlorar några millivolt i max utsignal.
Valet blir därför att R1 och R2 inte är så små att dom drar onödigt mycket ström då dom ligger i serie över matningsspänningen. Se även kommentar om C1.
*Källimpedansen, d v s i detta fall mikrofonstegets utimpedans kommer givetvis att påverka om brus uppstår, framförallt när C1 är så stor som den är.

Jag bytte mellan flera olika värden för R2/R3 och mätte mellan varje byte. Jag kan inte se någon noterbar ökning av bruset. Det finns säker annat i signalvägen som döljer ev. ökning.

C1
C1 ger först o främst AC-kopping enligt ovan men skapar också ett högpassfilter tillsammans med R1 och R2 som belastar parallellt. Dessa värden (10uF och 2 270kohm parallellt) ger en brytfrekvens på ca 1,2Hz. kommer knappast att påverka ditt mål med 20Hz undregränsfrekvens.

Frekvenskurvan rätas ut tillsammans med det stora värdet på R2/R3. Började först med att öka C1 men för hög C1 ledde till "knorr" på sinuskurvan så jag stoppade vid 10uF vilket är ett värde på tryggt avstånd från "knorr"-värdet. Med ökning av R2/R3 såg jag en snabbt upprättande av den fallande frekvenskurvan. Effekten avtog med ökat ohmtal för att till slut avstanna helt. Jag lade mig i ohm där ytterligare ökning inte skulle göra någon förbättring.

C2 och C3
Är inte så mycket att diskutera om förutsatt att C2 är en högvärdig keramisk kondensator placerad nära opamp:ens ben. Vid batteridrift kan man utesluta C3.

Ja, den sitter i första hålet efter benets hål, dvs 2,5mm.

R4 och R5
Detta är en åtekopplingsslinga och dessa sätter kretsens AC "Gain" enligt formeln Av = 1 + R4/R5 = 1 + 26 = 27 gånger. Storleken på dessa kan diskuteras men generellt skall dom hållas låga så parasitreaktanser minimeras. Dock dom får inte belasta opampens utgång i onödan (samt kommentar om R2//R3). Nu belastar dom opamp:ens utgång med 40,5kohm vilket är försumbart.

Bra, jag testade flera olika värden som tillsammans gav 26-27ggr förstärkning. Sinuskrurvorna i oscilloskopet var "renast" där jag valde att lägga mig.

C6 "AC-kopplar" ovan nämnda återkopplingsslinga så att opamp:ens - ingång inte dras ner mot minus-batterispänning ("jord") och får opampen att överstyras.
Samtidigt skapas också ett RC-filter (högpassfilter). D v s vid låga frekvenser kommer summan av impedanserna av R5 och C6 bli "oändligt stor" och förstärkningen kommer att bli "1", allt enligt formeln Av = 1 + R4/oändligheten = 1. Det är ju summan av R5 och C6 som räknas.
R5 och C6 bildar alltså ett RC filter och gränsfrekvensen med R5 = 1,5kohm och C6 = 220uF blir 0,5Hz.

C6 valde jag genom att titta mellan varje värde jag testade på frekvenskurvan, distorsionen och oscilloskopet. Jag valde ett värde med betryggande avstånd från värdet som inte fungerade. 330uF började kunde man ana lite oroligt och vid 470uF var det inte längre en mikrofonförstärkare....

C4 och C5
Dessa, dessas summa, kommer att skapa ett lågpassfilter tillsammans med R4. Dessa ger ca 32kHz som övre gränsfrekvens. Kanske lite lågt....
Samtidigt skyddar dessa kondensatorer för att opamp:en inte självsvänger så lätt, d v s förstärkningen dras ner vid höga frekvenser där fasvridning ev. skulle medföra att återkopplingen övergick från negativ till positiv.

OK! Där fick jag svaret varför oscilloskopet visade finare sinuskurvor när jag satte dit dem!
Jag valde övre gränsen före 60khz för att slippa en massa störningar men efter 25khz eftersom REW behöver frekvensen upp till 24khz för att mäta korrekt. Jag var inte helt säker på att hamna rätt men det du säger, 32kHz, känns ju helt rätt. Jag kanske höjer det lite mer senare upp mot 40-45kHz.

R6
R6 kan ha 2 syften
- att skydda mot korstslutning ( om! inte opampen är kortslutningsskyddad)
- Att minska ev. problem vid kapacitiv last.
Nackdelen är att förstärkarens utimpedans blir lite större än 100ohm. D v s man bör belasta den med minst 10ggr högre impedans. Alltså, ljudkortet eller vad det nu är måste ha MINST 1kohms ingång.

Körde utan första testperioden men väldigt många på nätet tycker man skall ha den så jag gav efter för trycket och nu finns den där...

R7
R7 är "bra att ha" motstånd. Det ser till att C8 alltid har en last som laddar ur kondensatorn (kan man säga). 47kohm är ett Ok värde, det belastar inte opampens utgång speciellt mycket.

Ja, det tipset fick jag av Morello!

C8
C8 är av typ " vi tar till rejält så den inte stör", den skall bara AC-koppla opamp:en så ingen likström kan flyta åt ena eller andra hållet. Den kommer dock agera högpassfilter tillsammans med nästa "burks" inimpedans (t.ex. ljudkort). Är "den belastande "burkens" inimpedans 1kohm kommer undre gränsfrekvens att vara under 1Hz.

Inimpedansen för ljudkortet är 5k.

Av ovanstående framgår att du har något mätfel i basområdet, frekvensgången skall vara i princip rak vid 20Hz och falla med -3dB vid ca 30kHz.
Jag tror att ditt ljudkort inte fixar basen.

Ja, det är riktigt, ljudkortet faller några dB innan 20hz.
Jag använder kalibrering av systemet (Matrojig) men kopplar denna mikrofonförstärkare direkt till ljudkortet.
Nu kom jag på ett fel: Slutsteget och ljudkortet ingår i kalibreringen men jag använder inte slutsteget i mätningarna för mikrofonförstärkaren. Jag tror dock det felet är marginellt men skall göra en kontroll.

Syftet med detta bygge var att ta fram en bra mikrofonförstärkare utan att snegla på andra (Nåja, kanske lite sneglande) och att jag skulle lära mig mer i ämnet. Jag känner att jag börjar träda in på den domänen en aning nu efter att jag läst jansch fantastiskt fint beskrivande inlägg. Jag tackar och bugar!

[xmag]

Helt riktigt, vilken som helst JFET-OP duger till detta, men ju större "open loop"-bandbredd desto större blir kraven på mönsterkortet. Med uppkoppling enligt bild (så kallat hasch-bygge) skulle jag ta en TL072.

Jag skall placera alla komponenter så nära OP:en som möjligt på kretskortet. Kopplingsdäcket långa ledningar ger en hel del skräp. När jag lägger handen över får jag en pik exakt vid 50hz. Jag har också en bruspuckel vid 30hz som jag tror är störningar från två datorer som är igång hela tiden bara en halvmeter från bygget. Sätter jag på lödkolven ser bruskurvan ut som ett böljande hav och sätter jag på ozon-luftrenaren får jag en kraftig pik vid 19,1kHz. Brus, brum och andra störningar är en hel vetenskap i sig.

[xmag]

Jag kalibrerade om systemet med bara ljudkort och ledningar mm. Nu fick jag ett rejält fall upp mot 20kHz och uträtning neråt mot 3hz. Den är helt rak dit ner nu.

Jobbar på att få bort fallet upp till 20kHz.

[jansch]

Jag kalibrerade om systemet med bara ljudkort och ledningar mm. Nu fick jag ett rejält fall upp mot 20kHz och uträtning neråt mot 3hz. Den är helt rak dit ner nu.

Jobbar på att få bort fallet upp till 20kHz.

Ta bort C4 eller C5

[xmag]

Jag kalibrerade om systemet med bara ljudkort och ledningar mm. Nu fick jag ett rejält fall upp mot 20kHz och uträtning neråt mot 3hz. Den är helt rak dit ner nu.

Jobbar på att få bort fallet upp till 20kHz.

Ta bort C4 eller C5

Ja, jag struntar i att begränsa frekvensen uppåt. Istället har jag en 5pF för att få bort lite krusningar på sinuskurvan i oscilloskopet och jag har ökat på spänningen för mikrofonen till ca 8v. Jag har också bytt op i IC-kretsen till den som börjar på fot 1.
Så här ser det ut nu med korrekt kalibrerat ljudkort:

Xmag EMA OPA2134-schema-v220326-B.png (42.03 KiB) Visad 1577 gånger

Frekvensgången:

2022-04-07 Färdig på bräda.png (12.76 KiB) Visad 1577 gånger

Distorsionen:

2022-04-07 Färdig på bräda dist.png (21.3 KiB) Visad 1577 gånger

Kullen vid 30hz får jag alltid när jag mäter med komponenter på kopplingsbräda.


Sinuskrurvorna vid olika frekvenser ser likadana ut som de en bit här ovan.

[jansch]

Jansch skrev:
R1
R1 är till för att mata mikrofonens FET med matningsspänning. Du måste ha någon form av spänningsreglerkrets som definierar matningsspänningen till mikrofonkapseln då du max kan mata med 10volt. Du nämnde väl 6 volt(?), välj gärna 9-10volt så får du ut högre SPL och mindre dist. Välj R1 så att du garanterat föder reglerkretsen till mikrofonen med 1,5 - 2 volt "överspänning" Mät denna spänning så att mikrofonens reglerkrets arbetar korrekt med "överspänning".

X-mag skrev:
Med R1 som den är nu ger den 8v ut till mikrofonen.
Vad menar du mer 1,5-2v överspänning?

Svar:

När spänningen sjunker till 8volt betyder det att mikrofonen inte får en stabil matningsspänning, R1 blir i praktiken en del av mic:ens elektronik och påverkar dess funktion. Du ha ju också tänkt att man skall använda olika mikrofoner.
"Fladdrade" matningsspänning medför lägre signalspänning och högre distorson.

[xmag]

Jansch skrev:
R1
R1 är till för att mata mikrofonens FET med matningsspänning. Du måste ha någon form av spänningsreglerkrets som definierar matningsspänningen till mikrofonkapseln då du max kan mata med 10volt. Du nämnde väl 6 volt(?), välj gärna 9-10volt så får du ut högre SPL och mindre dist. Välj R1 så att du garanterat föder reglerkretsen till mikrofonen med 1,5 - 2 volt "överspänning" Mät denna spänning så att mikrofonens reglerkrets arbetar korrekt med "överspänning".

X-mag skrev:
Med R1 som den är nu ger den 8v ut till mikrofonen.
Vad menar du mer 1,5-2v överspänning?

Svar:

När spänningen sjunker till 8volt betyder det att mikrofonen inte får en stabil matningsspänning, R1 blir i praktiken en del av mic:ens elektronik och påverkar dess funktion. Du ha ju också tänkt att man skall använda olika mikrofoner.
"Fladdrade" matningsspänning medför lägre signalspänning och högre distorson.

OK, det var så du menade!
Jag är införstådd med problemet att bara driva elektroniken med batterier. Efter 1-2 timmars mätning börjar batterierna gå under 5v. Under 5v fungerar Matrojig inte. Batterier är bara till för nödfall och möjligen när man mäter distorsion.
Jag har i övrigt en "egen" mikrofonmatningsschema som jag med framgång använt i många år tidigare. Skall testa den också med denna mikrofonförstärkare.

[xmag]

Jag byter "namn" på mikrofonerna- Jag använder namn för att kunna hålla isär dem och andra produkter jag har på gång.