Mikrofon preamp devresi

[taydin]

Sony'nin UWP-D11 kablosuz mikrofonunu benim PC'nin ses kartına takınca neredeyse hiçbir sinyalin gelmediğini gördüm. Biraz daha inceleyince, alıcı cihazının çıkışının line seviyesinde değil de, mikrofon seviyesinde olduğunu gördüm. Ben ses kartında da preamp özelliği olmadığı için mecbur alıcının çıkışındaki seviyeyi line seviyesine çıkarmam gerekiyor. Bunun için de bir preamp yapmaya karar verdim.

Mikrofon seviyesi -60 dBV gibi, ama bu seviye oldukça değişken. O yüzden kazanç seviyesinin ayarlı olması lazım. Ses kartının 0 dBFS seviyesi de 3.6Vrms gibi, veya 10 dBV. Bu durumda maksimum sinyal çıkışı için 70 dB lik bir kazanç gerekli olacak.

Devreyi PC'nin USB portundaki +5V ile beslemek istiyorum. Ayrı bir güç kaynağı için hem yer yok, hem de oraya konacak transformatörün yaratacağı parazitler devrenin performansını etkileyebilir.

Distorsiyon seviyesinin düşük olması istenen birşey olsa de çok önemli değil. Ama arka plan gürültüsünün kesinlikle duyulamayacak kadar düşük olması lazım. Yani ortamda gürültü yoksa, mikrofona da konuşulmıyorsa, preamp çıkışı tamamen sessiz olması lazım.

 

[Omega]

Aydın Bey,
Yukarıda yazdığınız mikrofonun diğer sisteme uygun hale getirilmesi ve preamplinin hangi özellikte olması gerektiği nasıl hesaplanıyor?
Örneğin empedansını bilmediğimiz bir sistemin empedansı nasıl ölçülürden başlayarak, hiç bilmeyenlere göre izah etmeniz mümkünmü?

 

[taydin]

Giriş ve çıkış empedans ölçümü ile ilgili bir konu var forumda:

Kapalı kutu bir devrenin giriş ve çıkış empedansları

Yakında, giriş empedansını ölçmek için gerekecek bir ara kutunun yapımı ile ilgili konu da açacağım. Ara kutunun tek amacı, devreye seri olarak 1Ω luk bir direnç bağlamak ve böylece devrenin içine akan akımı ölçmek. Ara kutunun hem RCA, hem de XLR giriş çıkışları olacak, ya biri, yada diğeri kullanılacak.

Ama ses devrelerinde empedans uyumu ile ilgili olarak genel anlamda şunu söyleyebiliriz:

Eğer bir preamp'ın veya amfinin çıkış empedans çok düşük ise, bu cihaz ile her türlü devrenin girişine bağlanabilir.

Aynı şekilde:

Eğer bir preamp'ın veya amfinin giriş empedans çok yüksek ise, bu cihazı da her türlü devrenin çıkışına bağlanabilir.

Mesela, 10Ω çıkış empedansı olan bir preamp var, giriş empedans 2.4kΩ olan bir ses kartına bağlayacağız. Hiçbir sorun yaşamayız.

Ama 600Ω çıkış empedansı olan bir preamp'ı, 300Ω giriş empedansı olan bir ses kartına bağlarsak, preamp çıkışındaki sinyalin epey zayıfladığını görürüz.

 

[taydin]

Gereken kazancı hesaplayabilmek için de elimizdeki sinyal seviyesini bileceğiz, sonra da ses kartına yeterli seviyede sinyalin ne olması gerektiğini görüp ona göre hesaplayacağız. -60 dBV (veya 1mVrms) giriş sinyali seviyesi var. 10 dBV (veya 3.5 Vrms) maksimum sinyal seviyesine sahip bir ses kartına da 1Vrms vereceğimizi düşünelim. Bu durumda gereken kazanc:

G = 1Vrms / 1mVrms = 1000 = 60 dB

 

[taydin]

Alıcının çıkışına bağlanan kısa kablo var. Kablonun bir tarafı 3.5 mm fiş, diğer tarafı standart erkek XLR fiş. Bu fiş preamp girişine takılacak. Preamp çıkışına da, ses kartının girişleri olan breakout kablosu takılacak (standart dişi XLR fiş).

 

[taydin]

Öncelikle alıcı devresinin çıkış empedansını ölçtüm, 368Ω gibi. Sonra ses kartının giriş empedansını ölçtüm, o da 2.4kΩ gibi bir değer çıktı. Yani empedans açısından bir sorunumuz olmayacak.

 

[taydin]

Preamp'ın girişinin XLR (balanslı) olmasını istiyoruz, çünkü mikrofon alıcısının çıkışı balanslı. Preamp çıkışının da gelen XLR olmasını istiyoruz, çünkü mikrofonlarda genel olarak durum budur. Dolayısıyla ana işlev olarak devremizde 3 tane blok olması gerekecek:

1) Balanslı giriş sinyalini balanssız hale getiren dönüştürücü.
2) Balanssız hale gelmiş olan sinyale en az 60 dB kazanç uygulayacak olan yükseltici
3) Yükseltilmiş olan balanssız sinyali tekrar balanslı hale getiren dönüştürücü.

 

[taydin]

Yaptığım araştırmalar sonunda, TI'ın tam da bu işe yarayacak bir "instrumentation amplifier" entegresini buldum. Entegre INA103:

INA103 Low Noise, Low Distortion INSTRUMENTATION AMPLIFIER

Bu entegreyi kullanan ilk prototip devreyi bir simulatör yazılımında kurdum. INA103 burada hem balanslı/balanssız dönüşümünü yapıyor, hem de belli bir kazanç uygulayabiliyor. Buradaki deneme için, INA103'ü 40 dB, ondan sonra gelen AD8691'i de 26 dB kazanca ayarladım. Bu şelikde balanslı/balanssız dönüşümler ile gereken yükseltmeyi sağladığını gördüm

Burada devrenin girişine 2mVpp balanslı sinyal veriyorum, çıkışta da 4Vpp balansı sinyal alıyorum. Yani beklendiği gibi kabaca 66 dB kazanç var.

 

[taydin]

Mauser'den INA103'ün siparişini verdim. Aynı zamanda kullanılacak PCB tipi XLR erkek/dişi konnektörlerin de siparişini verdim. Bunlar gelene kadar besleme devresinin nasıl yapılabileceği üzerinde kafa yordum. INA103, en az 8V simetrik besleme istiyor. Bu besleme voltajında da AD8691 çalışmıyor. INA103'ü çok sınırda çalıştırmamak için, ve iyi bir gürültü performansı elde etmek için INA103'ü +/- 15V ile çalıştırmak istiyorum. O halde yapılması gereken, USB'den gelen +5V beslemeden, +/- 15V simetrik besleme elde etmek.

Bunun için "dickson charge pump" denen bir devre kullanmak istedim. Gene devreyi simulatör'de kurdum. İki tane birbirinden 180 derece faz farklı 5V kare dalga ile iki aşamalı charge pump devresini sürüyoruz ve çıkışta 20V gibi bir voltaj elde ediyoruz. Aşama sayısını artırırsak, daha yüksek voltaj da elde edebiliriz. Çıkştaki yük ile de 100 mA akım çekiyoruz.

 

[taydin]

Bu arada XLR konnektörler geldi. Preamp'ı içine koyacağım kutuyu da aldım

 

[taydin]

Konnektörler hazır gelmişken, Devrenin INA103 olan kısmını prototip kart üzerinde kurdum, giriş ve çıkışa ilgili XLR konnektörleri bağladım. Çıkışta kullanılacak olan OPAMP'i de lehimledim, ama INA103 ile bağlantısını yapmadım. INA103'e balanslı test sinyalini verip, çıkışı balanssız olarak kontrol etmek istedim.

 

[taydin]

Devreyi kurdum, girişe de PCB tipi dişi XLR soketini taktım. Soket pinlerini olabildiğince INA103 girişlerine yakın tuttum. INA103'e hem 10uF hem de 100nF dekuplaj bağladım.

Orijinal plana göre INA103'ü 40 dB kazanç ile çalıştırmak istiyordum, ama bakalım 60 dB'de ne yapacak diye direkt olarak kazancı 60 dB yaptım. Sonuç beklediğimden çok daha iyi çıktı!

Burada girişe 1 mVrms, 1 KHz balanslı sinyal veriyorum. Çıkış da beklendiği gibi 60 dB daha yüksek seviyede. Ama arka plan gürültüsü -90 dBV civarında :O

THD+N de %0.04 civarında seyrediyor, bu da fena değil.

Devre + / - 15V besleme ile çalışıyor ve 10 mA'den az akım çekiyor.

 

[taydin]

12 kez peş peşe ortalama alınarak daha hassas FFT ölçümü yapınca, aslında arka plan gürültüsünün -100 dBV civarında olduğu görülüyor. 1 KHz lik sinyalin birinci ve ikinci harmoniklerine denk gelen 2 KHz ve 3 KHz de pikler var. Bir de alçak frekanslarda (özellikle de 50 Hz civarında) arka plan gürültüsü fazla.

 

[taydin]

Artık şemayı güncelleyeceğim. Ara yükselteç kalkacak.

Opamp olarak AD8692 yi kullanamayacağım, çünkü 15V ile çalışmıyor. Onun yerine uygun bir opamp bakacağım. OPA827 olabilir. Bunu hem çıkıştaki balanslı dönüşümü için hem de offset kontrol için kullanacağım.

5V'tan 30V elde edecek olan devrede bir problemle karşılaştım. TİNA'da İdeal kaynaklarla devre doğru olarak çalışıyor, ama ideal kaynaklar yerine çıkışa push/pull transistör bağlayınca voltaj yeterince yükselmiyor. Muhtemelen sorun transistörlerin ON direncinden kaynaklanıyor. Transistör yerine MOSFET ile yapmak lazım diye düşünüyorum, biraz uğraştıracak.

 

[taydin]

30 V elde edecek "charge pump" devresi de tamam

Devrenin MOSFET'lerden sonraki kısmı, standart "dickson charge pump" devresi. Buradaki en büyük zorluk, MOSFET'lerden meydana gelen yarım köprü yapısının doğru bir şekilde sürülmesi. Her zaman, ya üst taraftaki MOSFET ON olacak, yada alt taraftaki. Ama dikktasiz bir şekilde yapılınca, çok kısa bir süre olsa da iki MOSFET birden ON oluyor ve bu da tabii PC'nin USB portunu kısa devre eder.

Burada flip flop ve NOR kapılardan meydana gelen bir devre oluşturdum. NE555'den gelen 20 KHz civarındaki clock'un yükselen kenarında, NOR kapıları kullanılarak her iki MOSFET'de OFF yapılıyor. Kısa süre sonra flip flop çıkışında yeni MOSFET durumu oluşuyor. Clock'un düşen kenarında da NOR kapıları tekrar geçit verecek şekilde açılıyor ve flip flop'daki durum MOSFET'lere yansıtılıyor.

Aslında burada İnfineon'un IR2103 half bridge driver entegresini kullanmaya çalıştım. TİNA'da modeli de var. Ama nedense çalıştıramadım. O yüzden mecbur sıfırdan yapmak zorunda kaldım. MOSFET olarak düşük Rds(ON) değerine sahip ve birbirini tamamlayan N kanal ve P kanal seçmem gerekecek.

Bu şekilde simulasyonu yaptım. 30V çıkış alıyorum ve 30 mA akım çekebiliyorum. Muhtemelen daha fazla da akım alabilirim, ama bu bile yeterli.

 

[taydin]

Tüm şema bu şekilde. %70'i power supply, gerisi preamp

 

[taydin]

INA103 ile gerekan kazancın tamamını elde edeceğim. Balanssız sinyali çıkış için tekrar balanslı hale getirmek için OPA2604 OPAMP'ini kullanacağım. Bu OPAMP, bant genişliği yüksek, çok hızlı tepki veren ve düşük gürültülü bir model.

Aynı OPAMP'i, INA103'ün çıkışında bulunan servo offset kompanzasyon devresinde de kullanıyorum. Bu devre, çok yüksek kazançlarda INA103 çıkışında oluşabilecek offset hatalarını gidermeye yarıyor.

 

[taydin]

Devrenin çizimini Proteus ile yaptım. PCB tasarımını da gene Proteus ile yapacağım. Bunun için öncelikle buradaki USB konnektörünün, XLR erkek/dişi konnektörlerinin PCB ayak izlerini hazırlamam lazım. USB konnektörün ayak izinin hazırda olma ihtimali var, ama XLR konnektörlerin ayak izi kesin olarak yok. L272 power OPAMP için de ayak izi gerekecek. Bütün komponentleri tam olarak belirledikten sonra, PCB ayak izleri de belli olacak. Bu aşamadan sonra da PCB tasarımı başlayabilir.

XLR giriş ve çıkış konnektörlerini yan yana koyacağım, ve XLR giriş konnektörünü de olabildiğince INA103'e yakın tutacağım.

Charge pump'taki MOSFET'ler için, hazır içerisinde bir çift eşlenik (N Type ve P Type) MOSFET bulunduran SI4511DY entegresini kullanıyorum. SMD tipi entegre ve bunun için de gene PCB ayak izi hazırlanması gerekecek.

 

[taydin]

Bir de burada laminasyon yöntemi ile PCB hazırlama ile ilgili denemelere başlamam lazım. Bunun PCB'si böyle hazırlanacak. Çin'e gönderip haftalarca beklemek istemiyorum

Laminasyon yöntemi ile PCB hazırlama ile ilgili olarak da bir konu açtım foruma, denemeleri ve bütün aşamaları orada belgeleyeceğim

Laminasyon Yöntemi ile evde PCB imalatı