TL071 Yüksek Kalite Düşük Gürültülü Preamp

[taydin]

Abi bana bu opampı modifiye edbilirmisiniz en hassas sekilde

OPAMP'in modifiyesi olmaz yav. Buradaki amaç ne?

 

[Gokrtl]

Şema ve PCB Çizimini @taydin abinin önerdiği gibi yeniden çizip dizayn ettim. Detaylarını 1.Mesaja ekledim.

 

[Gokrtl]

Basit devrelerle yüksek kazançlı ve düşük gürültülü yükselteçler yapılamaz.
Özellikle mikrofon yükselteçleri gibi devrelerde çok fazla etken vardır ki asla hesaplanamaz.
Bunun ilki mikrofon kablosudur.
10cm lik bir tel üzerinde indüklenen gerilim milivoltlar seviyesindedir. Frekansa bağlı olarak değişir ve telin de kendine özgü gürültü faktörleri olacaktır.
2664 eklentisine bak
Bu konuyu hemen hemen her yerde dile getirmekteyim.
Yani yüksek kazanç ihtiva eden bir devredeki pasif elemanların hepsi birer gürültü kaynağıdır.
Siz 1mV civarındaki mikrofon sinyallerini 100 defa yükseltirken, usulen bağlamış olduğunuz ve hiç önemsemediğiniz 10cm lik bir kabloda veya PCB yolundaki 500uV luk parazitleri de yükselteceğiniz için çıkış sinyaliniz asla saf ve temiz olmayacaktır.
500mV luk gürültü etkeni 100 defa yükseltiğinde mikrofon sinyallerinden sadece 3db kadar düşük olacaktır.
Bu da gürültülerin neredeyse mikrofon sinyallerini bastıracak seviyede olduğunu ifade eder.
Bu olaya teknikte Eşdeğer Giriş Gürültü seviyesi denilmektedir. Çoğu cihazla ölçülebilmesi bile mümkün değildir.
Eşdeğer gürültü seviyesinin düşürülebilmesi için bazı teknikler bulunmaktadır.
1 TRANSFORMATÖRLER.
En ilkel aygıtlar olan transformatörlerin yerleri hala doldurulamamıştır. Bir transformatörün sargı direnci omik olarak çok düşük değerde olduğu halde frekansa bağlı olarak çok yüksek empedans gösterdiği gerçektir.
Bu sebeple AUDIO transformatörler özel empedanslarda sarılmaktadır.
Bir transformatör aynı zamanda iki hattı galvanik olarak ayırmaktadır. Bu hemen hemen iki hat arasında hiçbir bağ olmadığını, kaynak akımı ile yük akımlarının tamamen bağımsız olarak kendi yollarında aktığını ifade etmektedir.
Transformatörler aynı zamanda kendileri birer shield içermektedirler. Yani her iki sargıları havadan gelebilecek parazitik etkilere karşı kapalıdır. Bununla beraber audio transformatörleri haricen de ekranlanmıştır. Yani hem demir nüvesi ekranlama yapar hem de demir nüve dışından özel olarak ekranlanmış olabilir.
Bir audio transformatörün primer sargısına bağlanmış bir kablo üzerinde meydana gelebilecek elektriksel veya elektromanyetik parazitler, primer içerisinden akarak parazit oluşturamazlar. Böyle bir olgunun olabilmesi için transformatörün diğer ucunun topraklanması gereklidir, ki parazitler zaten ground hattı üzerinde oluşur, bu parazitlerin primer sargı üzerinden akabilmesi bilimsel olarak neredeyse imkansızdır.
Örnek ile açıklarsak.
Transformatörlü bir pre ampli girişindeki mükrofon kablosu metrelerce olabilir. Bu mikrofon kablosunun ground ucu si,stemin ground ucu ile irtibatlıdır. Dolayısı ile 10 metrelik mikrofon kablosunda oluşan elektromanyetik dalgaların yaratmış olduğu parazitler primer sargı içerisinden akarak parazitik oluşturamazlar. Havadan yayılan elektromaynetik etkilerin oluşturduğu akımlar doğrudan toprağa akacaktır.
2 BALANCED TASARIMLAR
Bir dinamik mikrofon esasen BALANCED, dengeli bir yapıya sahiptir. Yani kendisi bir nev-i dinamo ya da alternatör gibidir. Bir ucu toprak ile ilişkilendirilmezse her iki ucu da canlıdır.
Her iki ucu bir shield ile kapladığımızda dengeli hat üzerinde indüklenebilecek gerilimler çok aza inecektir.
Aynı zamanda dengeli hatlar üzerinde indüklenen gerilimler aynı fazda olacağı için birbirleri üzerinden akamazlar. Yani birbirlerini yok ederler.
3 TRAFO YERİNE MATCHED TRANSİSTÖR.
Birbiri ile match edilmiş iki transistörün diffrensiyal çıkışındaki gerilim tamamen bir transistörün girişindeki sinyal değişimi ile ilgilidir.
Bu iki transistörün beyzlerine etki eden ve yukarda BALANCED olarak açıkladığım parazitik etkenler aynı fazda oldukları için transistör çıkışlarındaki dengeyi bozmazlar.
Low noise uygulamalar için MATCHED TRANSİSTÖR kullanımı son derece yaygındır. Ancak gel gelelim bu transistörler de oldukça pahalıdırlar.
Örnek bir ürün ve fiyatı.

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/MAT12.pdf

MAT12AHZ Analog Devices Inc. | Discrete Semiconductor Products | DigiKey

Order today, ships today. MAT12AHZ – Bipolar (BJT) Transistor Array 2 NPN (Dual) Matched Pair 40V 20mA 200MHz Through Hole TO-78-6 from Analog Devices Inc.. Pricing and Availability on millions of electronic components from Digi-Key Electronics.

www.digikey.com

Görüleceği üzere günümüz fiyatı ile 1TL civarı satılan tek bir op-amp ile gerçek anlamda düşük gürültülü bir tasarım mümkün değildir.
Daha önce proje olarak @Mustafa281 in yapmış olduğu ve -48db civarı gürültü eşiği elde etmiş olduğu UPC 1228HA entegreli tasarım gayet idealdir.
Aynı tasarımı TL071 veya başka bir entegre ile de yapsanız çok fazlaca bir gürültü eşiği yakalayabilmeniz mimkün olmayacaktır. En dikkatli tasarmı ve ciddi hassasiyette yapmış olsanız bile elde edebileceğiniz gürültü eşiği en iyi ihtimalle -55db olacaktır.

Keşke bu anlattıklarını bir devre üzerinde resimli olarak ele alsan abi. Şahsen ben okuduğumu uygulamada görmeyince anlamıyorum.

 

[Gokrtl]

ANLATAYIM...
Transformatörlerin büyüsünü anlayabilmeni bekleyemem. Ancak eşdeğer input noise cümlesini araştırabilirsin.
Eşdeğer giriş gürültüsünü minumuma çekebilmenin yollarını anlatmıştım.
DENGELİ TASARIMLAR ÖRNEK DEVRE.
2665 eklentisine bak
Bu tasarım ile oldukça iyi S/N değeri elde edilebilir. Ancak bir transformatör kadar olamaz.
Çünkü ilgili op-amplar kaynak i,le ground arasında izole değildir.
Gerçek anlamda L/N tasarım için transformatör kullanımı gerekli olsa da matched transistörler ile trafosuz tasarımlar oluşturulabilir.
2666 eklentisine bak
Bu devrede transformatör yerine iki adet matched transistör kullanılmış, böylece opampların eviren ve evirmeyen girişlerindeki fark ortadan kaldırılmıştır.
Her bir hattın etkileşimleri birbirleri üzerinden geçen kaynak akımı doğrultusunda olacağı için kablolamanın getirebileceği olası etkileşimler minumum düzeyde olacaktır.

Peki abi bizim devreye resimdeki gibi bir direnç eklediğmiz zaman (direnç değeri rast gele seçildi) senin ilk resimdeki balanslama tekniğini uygulamış oluyor muyuz?
Burada bir sorum daha olacak. Senin birinci resim de mic + ya girmiş. Benim şema da - ye giriyor. farkeder mi?

Soru 2: ikinci resimdeki mach transistör yerine normal transistör kullansak bir parça da olsa etki eder mi?

 

[Gokrtl]

Senin devre SINGLE ENDED (SE) olarak geçer.
SE yapılarda kaynağın (Burada mic.) dönüş akımı yine kendi kaynağına gitmek zorundadır.
2669 eklentisine bak
Eğer kaynak akımı kendi kaynağına dönmüyorsa o kaynak pasif demektir. Yani yükseltilmez.
Bu resimde SE yapıdaki kaynağın dönüş akımlarını gösterdim.
Şimdi sen BALANCED devrelerdeki kaynak akımını takip et ve nereden gelip nereye gidiyor anlamaya çalış.
Sonra hallederiz.

O zaman ben bi MicroCap kurayım. @taydin abiden dosyayı alayım. Hem senin dediğin gibi editleyelim. Hem de taydin abinin mıncıklamasına sunalım Sonra ben Balaced bir devre bulup incelerim. Taydin abi dosyayı ekleyebilir misin?

 

[taydin]

Ama önce devreyi düzeltmen lazım, yanlış çizmişsin Bakalım bulabilecek misin yanlış yeri.

 

[Gokrtl]

Ama önce devreyi düzeltmen lazım, yanlış çizmişsin Bakalım bulabilecek misin yanlış yeri.

Buldum abi. 3 nolu bacaktan 62k dirençlerin ortasına kablo çekmeyi atlamışım

 

[taydin]

Buldum abi. 3 nolu bacaktan 62k dirençlerin ortasına kablo çekmeyi atlamışım

Aynen. 62 kΩ olan dirençlerin serisi kolay bulunan bir seri değil. Onların yerine 68 kΩ yapabilirsin.

 

[Gokrtl]

Aynen. 62 kΩ olan dirençlerin serisi kolay bulunan bir seri değil. Onların yerine 68 kΩ yapabilirsin.

Tamam abi. MicroCap dosyasını ekler misin? Yamyam abinin gösterdiği gibi editleyelim bakalım analyser nasıl sekiz çizecek

 

[taydin]

MicroCap dosyası

 

[Gokrtl]

MicroCap dosyası

Editledim abi analiz işi sende. Yalnız 1k direnç değer değişmesi gerekerbilir.

 

[taydin]

Neyi editledin ve neden editledin? Ve niye sen simule etmiyorsun?

 

[taydin]

Şimdi baktım devreye, kapasitörü ve kaynağı şaseden ayırmışsın. Bu devre böyle çalışmaz. Nedir bu değişikliğin amacı?

 

[taydin]

Bir de R7 direncini ilave etmişsin. Bunun amacı ne?

 

[Gokrtl]

Neyi editledin ve neden editledin? Ve niye sen simule etmiyorsun?

Abi konuya az üst mesajlardan bakman lazım. İşe gitmek için evden çıkmak üzereyim.

Bir de R7 direncini ilave etmişsin. Bunun amacı ne?

Balanced yapılıyormuş o şekil. Yamyam abinin mesajını okursan netlik kazanır

 

[taydin]

Bu arada bu kondenser mikrofonlar ile ilgili biraz araştırma yaptım. Şöyle birşey görüyorum, bilmem ne kadar doğru:

Bu kondenser mikrofonlar ikiye ayrılıyor. Gerçek kondenser mikrofon ve electret kondenser mikrofon. Her ikisinin içinde JFET var. Birisinde kondansatör üzerindeki şarj, plakalardan birisine yapılan bir electret maddesi kaplaması ile elde edilirken, diğerinde kondansatör üzerindeki şarj, harici bir voltaj kaynağı ile elde ediliyor.

electret mikrofonlar basit, fındık kadar ve çok ucuza satılırken, gerçek kondenser mikrofonlar çok pahalı oluyor. Kondansatör şarjını oluşturmak için ise profesyonel mikrofonlarda 48V phantom power kullanılıyor.

 

[taydin]

Abi konuya az üst mesajlardan bakman lazım. İşe gitmek için evden çıkmak üzereyim.

Balanced yapılıyormuş o şekil. Yamyam abinin mesajını okursan netlik kazanır

Balanslı devre yapısı tamamen farklı Gökhan. Balanslıda birbirine göre 180° faz farklı iki sinyal var ve orada sinyalin işlenmesi ve balanssıza dönüştürülmesi ayrı konular.

Bize burada electret mikrofonda balanssız sinyal geliyor, bizim onunla çalışmamız lazım.

 

[taydin]

Öncelikle çalışan devrenin nasıl çalıştığına bir bakalım:

Normalde opamp'ler simetrik besleme voltajları ile beslenir. Ama bu devrede tek bir voltaj var. Burada şöyle birşey yapılıyor: opamp'in V_EE si ve V_CC sine 12V veriliyor. Sonra da R1 ve R2 den oluşan gerilim bölücü ile 6V luk bir seviye ouşturuluyor. Ve bu nokta, bir nevi "sanal GND" olarak kullanılıyor. Yani 12V luk tek besleme olmasına rağmen, opamp işlevsel olarak ± 6V luk simetrik besleme görüyor

opamp + girişi sanal GND'de tutuluyor. Mikrofondan gelen ve her zaman pozitifte olan mikrofon sinyali (milivoltlar mertebesinde), C1 kuplaj kondansatörü ile AC olarak eviren yükselteç girişine geliyor. Eviren yükselteç, sanal GND'ye göre hem artı hem eksiye geçen bir sinyal görüyor ve bunu yükseltiyor. Çıkışta da bu sinyalin DC bileşeni atılıyor ve AC olarak yük sürülüyor.

 

[Gokrtl]

Aradığınız Beyine Ulaşılamıyor. Yandı beyin.
O zaman biz bu mikrofonu yamyam abinin söylediği gibi balanslayamayız.

 

[taydin]

Aşağıda devrenin çalışma şekli çok daha net görülüyor:

En üstteki grafik, electret mikrofon çıkışı. Görüldüğü gibi sinyal, +4 mV ile +6 mV arasında değişen 2 mVpp lik ve 1 kHz lik bir sinyal. Yani hep pozitifte.

İkinci grafik ise opamp çıkışı. Görüldüğü gibi sinyal, 6V potansiyeldeki "sanal GND" noktasına göre yükseltilmiş. Sinyal +5.825V ve +6.184V arasında değişiyor.

Son grafik ise DC blokaj kondansatöründen sonraki çıkış sinyali. Orada, 6V luk DC bileşen büyük ölçüde kalkmış ve sinyal +181 mV ile -178 mV arasında değişiyor.