Hallo zusammen,
ich arbeite momentan an dem Prototypen eines Bändchenmikrofons, anbei 2
Links wo man das Funktionsprinzip erkennen kann.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/29/B%C3%A4ndchenmikrofon.svg/220px-B%C3%A4ndchenmikrofon.svg.pnghttp://nachbelichtet.com/wp-content/uploads/2009/04/superlux_r102-3.jpg
Mein Bändchen wird 3-5mm Breit und 50mm lang werden, klassisch müsste
man jetzt auf einen Übertrager (grob 1:30) und hätte am Ausgang Signale
im einstelligen mV Bereich. Ich möchte mal etwas anderes versuchen, ich
möchte den Ausgang des Bändchens auf einen Transimpedanzverstärker mit
LT1028 geben und damit das Bändchen als Stromquelle nutzen, mit Glück
wird das sogar rauschärmer als mit Spannungsübertragung.
Ich erwarte Ströme im Bereich von xxµA, der Innenwiderstand des
Bändchens liegt grob bei 100-500mOhm. Der Transimpedanzverstärker wird
so nahe wie möglich an das Bändchen gebracht, ich halte die Masse so gut
es geht vom Inv. Eingang fern denke aber das selbst kleine Kapazitäten
von GND gegen inv. durch die niederohmige Verbindung der beiden Eingänge
viel Ärger machen können? In der ersten Stufe mit dem LT1028 wird das
Signal grob auf 10mV gehoben, der LME49720 hebt den Pegel nochmal an auf
ca. 1V (40dB gain) Der Zweite OP im LME arbeitet als DC Servo und hält
den Ausgang frei von DC.
Meine Frage ist nun, kann das mit der oben genannten Schaltung
funktionieren oder sind Instabilitäten zu befürchten? Liege ich richtig
das die niederohmigen Widerstände in der GK bedingt durch die kleinen
Pegel die OPs nicht stören weil auch die Ströme klein bleiben? Habt Ihr
Vorschläge wie ich den Rauschabstand verbessern kann oder Rauscht die
ganze Angelegenheit sowieso stärker als mit Übertrager?
Danke!
Gruß,
Jan
Durch die niedrige Impedanz am Eingang sind die Kapazitäten unkritisch.
Dafür werden Induktivitäten ggf. wichtig.
Die 2. Stufe muss man nicht mehr so aufwändig und niederohmig auslegen.
Die 1. Stufe verstärkt bereits deutlich, so dass es hier nicht mehr
wirklich auf das Rauschen ankommt. Den 1. OP sollte man auch nicht noch
zusätzlich und ohne guten Grund mit den 47 Ohm zur 2. Stufe belasten.
Ob die Verstärkerschaltung mehr rauscht als ein Transformator hängt sehr
vom Transformator ab - die können deutlich besser sein, wenn der Kern
gut ist.
Hallo Ulrich,
>Durch die niedrige Impedanz am Eingang sind die Kapazitäten unkritisch.>Dafür werden Induktivitäten ggf. wichtig.
OK, das ist kein großes Problem bei den kurzen Abständen.
>Die 2. Stufe muss man nicht mehr so aufwändig und niederohmig auslegen.>Die 1. Stufe verstärkt bereits deutlich, so dass es hier nicht mehr>wirklich auf das Rauschen ankommt. Den 1. OP sollte man auch nicht noch>zusätzlich und ohne guten Grund mit den 47 Ohm zur 2. Stufe belasten.
Ich hielt das für nicht wirklich kritisch wegen der geringen
Eingangsspannung, wenn das Ärger machen kann muss ich auf einen nicht
inv. Verstärker umsteigen und mein DC Servo überdenken. Werde ich dann
auch so machen.
>Ob die Verstärkerschaltung mehr rauscht als ein Transformator hängt sehr>vom Transformator ab - die können deutlich besser sein, wenn der Kern>gut ist.
Also wärst Du eher für den Übertrager wenn es um niedriges Rauschen
geht? Was hat der Kern mit dem Rauschen zu tun?
Gruß,
Jan
Beim Übertrager gibt es Rauschen von den Ohmschen Widerständen der
Spulen und dem Kern. Eine Rauschquelle beim Kern sind da z.B. die
Barkhausensprünge. Je nach Kernmaterial und Größe kann man da mehr oder
weniger ausgeprägte von haben.
Wenn du experimentieren willst: Vorverstärker für Moving-Coil Systeme
bei Plattenspielern hatten nahzu die gleiche Aufgabenstellung - extrem
niedrige Quellimpedanz und sehr geringe Pegel.
Ein Blick in entsprechende Schaltungen könnte hilfreich sein.
Ich weiss nicht, ob dein Aufbau es zulässt, aber auch ein
Differenzverstärker zwischen oberem und unterem Ende des Bändchen könnte
Vorteile haben, und wenn es nur die Brummunterdrückung ist.
lrep schrieb:> Geh da nicht mit Gleichstrom, z.B. von einem Ohmmeter, dran!
Ja, Vorsicht, auch geringe Gleichstöme können den Kollegen
aufmagnetisieren.
Probier es doch einfach mal aus! Die Quellimpedanz ist sehr klein, also
einfach mal einen TIA mit einem sehr rausarmen Audio-Verstärker
aufbauen. Dein DC Servo kannst Du erstmal weglassen und die Verstärkung
in der ersten Stufe machen. Signal einfach kapazitiv entkoppeln und
schauen, wie das Rauschen so aussieht. Warum schon unbedingt einen sau
empfindlichen Trafo verbauen, wenn es erstmal ein 5 Euro OPA tut?
Jan schrieb:> Dann investiere ich lieber in so einen Kollegen, Preislich gibt sich das> sowieso wenig.
Wenn Du gerne Geld zum Fenster rausschmeißt.
Die OPVs kosten doch nur ein Bruchteil.
Wozu soll die komische Schaltung mit IC2 gut sein?
>Geh da nicht mit Gleichstrom, z.B. von einem Ohmmeter, dran!
Ja, natürlich nicht. :)
>Wenn du experimentieren willst: Vorverstärker für Moving-Coil Systeme>bei Plattenspielern hatten nahzu die gleiche Aufgabenstellung - extrem>niedrige Quellimpedanz und sehr geringe Pegel.>Ein Blick in entsprechende Schaltungen könnte hilfreich sein.
Ich kenne viele Schaltungen in der Richtung, die "besseren" sind häufig
mit LT1028 oder AD797 in der ersten Stufe aufgebaut. Wegen der
Eigeninduktivität der Schallplatten Tonabnehmer kann man keinen
Transimpedanzverstärker verwenden, in meinem Fall vermutlich schon weil
sich das Bändchen ja ganz anders verhält.
>Ich weiss nicht, ob dein Aufbau es zulässt, aber auch ein>Differenzverstärker zwischen oberem und unterem Ende des Bändchen könnte>Vorteile haben, und wenn es nur die Brummunterdrückung ist.
Wenn ich die Schaltung und das eigentliche Bändchen nahe zusammen bringe
brauche ich das denke ich nicht, in einem Differenzverstärker stecken ja
mehrere OPVs was sich vermutlich nicht gut auf das Rauschen auswirkt...
>Probier es doch einfach mal aus! Die Quellimpedanz ist sehr klein, also>einfach mal einen TIA mit einem sehr rausarmen Audio-Verstärker>aufbauen. Dein DC Servo kannst Du erstmal weglassen und die Verstärkung>in der ersten Stufe machen. Signal einfach kapazitiv entkoppeln und>schauen, wie das Rauschen so aussieht. Warum schon unbedingt einen sau>empfindlichen Trafo verbauen, wenn es erstmal ein 5 Euro OPA tut?
Mich reizt es schon das mal mit dem LT1028 oder AD797 (als TIA) zu
versuchen, hatte aber gedacht das ich so keine Chance auf niedriges
Rauschen habe. Andererseits hast Du natürlich recht, die kosten halten
sich in Grenzen sodass ich es wirklich mal versuchen will.
>Wozu soll die komische Schaltung mit IC2 gut sein?
Es handelt sich dabei um einen DC-Servo, der gleicht eventuelle
Gleichspannungen durch die Offsets bzw. Biasströme der OPs aus.
Jan schrieb:> Es handelt sich dabei um einen DC-Servo, der gleicht eventuelle> Gleichspannungen durch die Offsets bzw. Biasströme der OPs aus.
Ich habs inzwischen auch rausgekriegt. Es ist die aufwendige Version
eines Koppelkondensators.
Ich würde die Schaltung aber deutlich hochohmiger machen, IC1 arbeitet
ja quasi auf Kurzschluß 47R || 180R = 37R.
Ich würde ihn am Ausgang >=1k sehen lassen.
Kommen bei 180mOhm Bändchen, 180Ohm Rfb, 0.85nV/sqrt(Hz), 1pA/sqrt(Hz),
20kHz Bandbreite tatsächlich 0.12mV Rauschen aus der ersten Stufe oder
spinnt mein Excel? Bei den erwarteten 10mV Nutzsignal wären das nur 40dB
SNR.
>Ich würde die Schaltung aber deutlich hochohmiger machen, IC1 arbeitet>ja quasi auf Kurzschluß 47R || 180R = 37R.>Ich würde ihn am Ausgang >=1k sehen lassen.
Das hat Ulrich ja auch schon angedeutet, ich verstehe ehrlich gesagt
nicht was den OPV daran stören soll? Die 180 Ohm bekomme ich sowieso
nicht weg, die müssen leider bleiben weil sonst mein
Transimpedanzverstärker zu hoch verstärkt.
Nach dem LT1028 wird die Signalspannung grob ~10mV betragen, das ist
genug für den LME49720 damit ich mir da kein Rauschen hole. Rechnet man
zurück wird bei 37Ohm @ 10mV einen Signalstrom von 270µA haben. Wo liegt
hier mein Denkfehler?
Ein anderer Weg wäre den LME eine feste Verstärkung von 40dB machen zu
lassen und ihn mit in die Gegenkopplungsschleife vom LT1028 zu legen.
Geht so lange gut wie der LME "schneller" als der LT ist, habe ich schon
in Phono VVs für MC gesehen scheint also gut zu funktionieren. Ich mache
mal kurz einen Schaltplan damit man es sich besser vorstellen kann...
>Kommen bei 180mOhm Bändchen, 180Ohm Rfb, 0.85nV/sqrt(Hz), 1pA/sqrt(Hz),>20kHz Bandbreite tatsächlich 0.12mV Rauschen aus der ersten Stufe oder>spinnt mein Excel? Bei den erwarteten 10mV Nutzsignal wären das nur 40dB>SNR.
Ich muss zugeben das ich mich mit Rauschen bisher wenig beschäftigt
habe, wie genau hast Du das errechnet? 40dB SNR sind wirklich mies...
Jan schrieb:>> Kommen bei 180mOhm Bändchen, 180Ohm Rfb, 0.85nV/sqrt(Hz),>> 1pA/sqrt(Hz), 20kHz Bandbreite tatsächlich 0.12mV Rauschen>> aus der ersten Stufe
Ja. Größenordnung stimmt.
>> oder spinnt mein Excel?
Nein.
>> Bei den erwarteten 10mV Nutzsignal wären das nur 40dB>> SNR.
Ja.
> Ich muss zugeben das ich mich mit Rauschen bisher wenig> beschäftigt habe,
Ein Fehler, wie Du jetzt siehst :-)
> wie genau hast Du das errechnet?
Die 0.85nV/sqrt(Hz) ist die eingangsbezogene Rauschspannungs-
dichte des OPV. Diese Zahl muss man zunächst mit der Wurzel aus
der Bandbreite multiplizieren, um auf eine Spannung zu kommen:
Sqrt(20'000 Hz) = 140*Sqrt(Hz).
0.85nV/sqrt(Hz) * 140sqrt(Hz) = 120nV.
Die 120nV ist die eingangsbezogene Rauschspannung (Effektivwert).
Die muss mit der Verstärkung, also 180Ohm/180mOhm = 1000
multipliziert werden, um auf die ausgangsseitige Rauschspannung
zu kommen:
120nV * 1000 = 120µV = 0.12mV.
Das Problem ist die extrem niedrige Quellimpedanz von 0.18 Ohm.
Die trägt zum Rauschen (geschätzt) 0.06nV/sqrt(Hz) bei; der
Rückkoppel-Widerstand von 180 Ohm liefert (eingangsbezogen)
nochmal dasselbe.
Der OPV liegt mit 0.85nV/sqrt(Hz) Faktor 10 in der Spannung
darüber.
Wenn man das Bändchen als 10µV mit Ri = 0.18 Ohm annimmt und den
verlinkten Übertrager (1:37, 0.05Ohm, 59Ohm) zwischen Bändchen und OP
schaltet, hätte man aus Sicht des OP eine Quelle mit 370µV und 374Ohm
(transformierter Widerstand des Bändchens + transformierter
Primärwicklungswiderstand + Sekundärwicklungswiderstand). Um jetzt auf
die 10mV zu kommen, muss man nur noch 27x verstärken. Mit einen
nichtivertierenden LT1028 mit 260Ohm/10Ohm beschaltet landet man bei
10µV Rauschen, also schon 60dB SNR.
Ein Transistorverstärker kann beim Rauschen auch unter die 0,85 nV des
LT1028 kommen. Bei den Transistoren muss man ggf. etwas suchen nach
Typen die für z.B. 10 mA oder so gut sind - das sind dann eher welche
für etwas mehr Strom (z.B. 1 A) und nicht die klassischen Low Noise
Typen. Alternative könnte man sonst 10 Stück parallel nutzen.
Die Schaltung mit 2 OPs in Reihe in einer Schleife sollte man eher
vermeiden, da wird die Stabilität schwierig und man gewinnt fast.
Also wenn schon diskret, dann nicht mit BCxxx. Das ist - vorsichtig
gesagt - äußerst suboptimal. Bipolare Leistungstransistoren sind
wesentlich rauschärmer als Kleinleistungstransistoren (Link auf Quelle
bei Bedarf), aber wegen großer Rauschströme ergeben sie nur Sinn bei
extrem niedrigen Quellimpedanzen. Also zum Beispiel in diesem Fall.
Wenn schon richtig rauscharm, dann mit speziellen J-FETs. Ein
"Unbekannter" hat da über mehrere Generationen rauscharmer
Phono-Vorverstärker hervorragende Arbeit geleistet:
http://www.synaesthesia.ca/LOWNOISE.html. Er erreicht in seinem Design
HP5.1 mit 8 x BF862 parallel eine Rauschspannung von ca. 0,29
nV/Sqr(Hz), und das bei sehr kleinen Rauschströmen. Das dürfte der
richtige Weg zum maximal Erreichbaren sein.
Aber im Vergleich zum Eigenrauschen des 180 mOhm-Bändchens von 0,05
nV(Sqr(Hz) ist selbst so ein VV geradezu absurd. Wirklich rauscharm wird
es nur mit Trafo, und dann tut es auch ein guter Op-Amp oder ein INA103.
>Ein Fehler, wie Du jetzt siehst :-)
Danke für die Erklärung! :)
>Ein Transistorverstärker kann beim Rauschen auch unter die 0,85 nV des>LT1028 kommen. Bei den Transistoren muss man ggf. etwas suchen nach>Typen die für z.B. 10 mA oder so gut sind - das sind dann eher welche>für etwas mehr Strom (z.B. 1 A) und nicht die klassischen Low Noise>Typen. Alternative könnte man sonst 10 Stück parallel nutzen.
Wäre kein Problem, Platz ist genug vorhanden. Mit OPs komme ich (denke
ich) gut zurecht, bei diskreten Schaltungen habe ich aber noch keine
Erfahrung.
>Die Schaltung mit 2 OPs in Reihe in einer Schleife sollte man eher>vermeiden, da wird die Stabilität schwierig und man gewinnt fast.
Ich hatte mich auch gewundert, die Schaltung wird aber (als nicht inv.
Verstärker) so ähnlich Für MC Systeme verkauft. Schaltplan kann ich
leider nicht verlinken da auf den Unterlagen natürlich Urheberrechte
sind.
>Wenn schon richtig rauscharm, dann mit speziellen J-FETs. Ein>"Unbekannter" hat da über mehrere Generationen rauscharmer>Phono-Vorverstärker hervorragende Arbeit geleistet:>http://www.synaesthesia.ca/LOWNOISE.html. Er erreicht in seinem Design>HP5.1 mit 8 x BF862 parallel eine Rauschspannung von ca. 0,29>nV/Sqr(Hz), und das bei sehr kleinen Rauschströmen. Das dürfte der>richtige Weg zum maximal Erreichbaren sein.
Ich schau mir die Seite gleich an, danke!
>Aber im Vergleich zum Eigenrauschen des 180 mOhm-Bändchens von 0,05>nV(Sqr(Hz) ist selbst so ein VV geradezu absurd. Wirklich rauscharm wird>es nur mit Trafo, und dann tut es auch ein guter Op-Amp oder ein INA103.
Ist nicht im Bezug auf Rauschen ein niedriger Innenwiderstand von
Vorteil? Niedriger Widerstand -> niedriges Spannungsrauschen?
Ihr seit Euch ja wirklich alle einig das bei so niedrigen Spannungen ein
Übertrager die beste Lösung ist, ich möchte sobald mein Bändchen fertig
ist mal einen Mikrofon 1:15 Übertrager versuchen. Die Übersetzung reicht
zwar eigentlich nicht aber vielleicht ist es gut genug um Messwerte von
meinem Bändchen in Bezug auf die Ausgangsspannung zu haben. Die 1:3x
Übertrager stammen doch aus der Anfangszeit der Bändchenmikros als man
noch gezwungen war Stahlmagneten zu verwenden, ich verwende Neodym
Magnete mit höherer Feldstärke, vermutlich wird die Ausgangsspannung
dadurch höher sein.
Jan schrieb:> Ist nicht im Bezug auf Rauschen ein niedriger Innenwiderstand von> Vorteil? Niedriger Widerstand -> niedriges Spannungsrauschen?
Sender Jerewan: "Im Prinzip ja, aber..."
Man darf sich bei seinen Betrachtungen nicht auf einzelne
Komponenten fixieren, sondern muss das Gesamtsystem sehen.
Optimale Leistung des Gesamtsystems ergibt sich, wenn das
Rauschen des Verstärkers etwas geringer als das Rauschen
der Quelle ist, weil dann das Rauschen der Quelle dominiert.
Besser kann es (fast) nicht mehr werden.
Dieser Zustand ist bei einer Quelle mit 0.2 Ohm Innenwiderstand
kaum zu erreichen; der Eingangstransistor hat ja einen
Basis-Bahnwiderstand von vielleicht 5 Ohm oder mehr. Das
Rauschen des Eingangstransistors ist somit fünf- oder zehnmal
größer als das Rauschen der Quelle.
Folge: Kleine Eingangssignale werden vor Rauschen des Verstärkers
überdeckt. Das niedrige Rauschen der Quelle bringt keinen Vorteil,
aber die niedrigen Eingangssignale bringen Nachteile.
Oder dasselbe anders ausgedrückt: Man sollte sich ungfähr in der
Nähe der Anpassung bewegen (wobei wir um Faktor 3 nicht streiten
müssen).
Der Übertrager macht auch nichts anderes, als die Quellimpedanz
an die Eingangsimpedanz des Transistors anzupassen.
Jan schrieb:> Ist nicht im Bezug auf Rauschen ein niedriger Innenwiderstand von> Vorteil? Niedriger Widerstand -> niedriges Spannungsrauschen?
Nicht unbedingt, hier absolut nicht. Mit stärkeren Magneten bekommst du
wohl eine höhere Empfindlichkeit hin, aber das unvermeidliche
Eigenrauschen des Mikrofons liegt nach wie vor genau so weit unter dem
Rauschen des Vorverstärkers wie vorher. Ziel ist es, dass das
physikalisch unvermeidliche Eigenrauschen des Mikrofons nicht durch das
Rauschen der nachfolgenden Stufen verschlechtert wird.
Das Bändchenmikrofon ist ein dynamisches Mikrofon mit einer Spule mit
nur einer Windung, und das ist naturgemäß sehr niederohmig. Mann kann
Bändchenmikrofone nicht, wie Tauchspulenmikrofone, mit mehreren
Windungen machen, aber man kann einen Transformator dahinter schalten,
was elektrisch äquivalent ist. Du bekommst damit eine höhere
Ausgangsspannung sowohl für das Rauschen, als auch für das Nutzsignal.
Aber du kannst damit auch erreichen, dass der nachfolgende Verstärker
das Gesamtrauschen kaum erhöht.
Natürlich wird mit dem Quadrat der Übersetzung auch die Impedanz der
Quelle höher. Das stört aber nur dann, wenn der Eingangsrauschstrom des
folgenden Verstärkers multipliziert mit dieser Impedanz eine Spannung
ergibt, die dir all deine Mühe wieder versaut. Mit normalen Op-Amps ist
das bei dem, worüber wir hier sprechen, aber nicht der Fall. Das geht
erst bei Quell-Impedanzen im kOhm-Bereich los.
Possetitjel schrieb:> der Eingangstransistor hat ja einen> Basis-Bahnwiderstand von vielleicht 5 Ohm oder mehr. Das> Rauschen des Eingangstransistors ist somit fünf- oder zehnmal> größer als das Rauschen der Quelle.
Deshalb sagte ich auch, den Transistor in Basisschaltung betreiben.
Deren Vorteil ist ja gerade das geringere Rauschen gegenüber der
Emitterschaltung.
Sie wurde deshalb auch gerne als UKW-Vorstufe verwendet.
Jan schrieb:> ich möchte sobald mein Bändchen fertig> ist mal einen Mikrofon 1:15 Übertrager
Der hat (wenn es kein sehr außergewöhnliches Teil ist) um den Faktor
100--1000 höhere Wicklungswiderstände als der spezielle
Bändchenmikrofonübertrager, was alles wieder viel viel schlechter macht.
Beispiel:
Lundahl LL1577 als 1:14 beschaltet (6Ohm;1k5 Ohm. Das ist schon sehr
wenig) plus LT1028¹ 71.5fach verstärkend (141Ohm, 2Ohm) ergibt 70µV
Rauschen, also nur 43dB SNR und somit kaum besser als die erste Lösung
ohne Übertrager.
¹Bei den resultierenden 2k7 Quellimpedanz gibt es evtl. etwas bessere
OPs.
Peter Dannegger schrieb:> Deshalb sagte ich auch, den Transistor in Basisschaltung betreiben.> Deren Vorteil ist ja gerade das geringere Rauschen gegenüber der> Emitterschaltung.> Sie wurde deshalb auch gerne als UKW-Vorstufe verwendet.
Das Rauschen in der Basisschaltung ist identisch, weil die
Rauschspannung zwischen Basis und Emitter entsteht. Egal, ob ich in
Basis einspeise und Emitter auf Masse lege oder umgekehrt: Sowohl die
Spannungsverstärkung als auch das Rauschen am Ausgang bleiben gleich.
Ich denke, dass die Basisschaltung wegen der erheblich höheren
Grenzfrequenz verwendet wurde. Aber intensiv habe ich mich damit nicht
befasst.
Tom K. schrieb:> Bei den resultierenden 2k7 Quellimpedanz gibt es evtl. etwas bessere> OPs
Ja, das kann gut sein. Bei solchen Impedanzen ist das durch den
Eingangsrauschstrom verursachte Rauschen eines AD797 oder LT1x28
erheblich höher als das durch die Eingangsrauschspannung verursachte.
Für höhere Quellimpedanzen ist z. B. ein OPA227 trotz seiner ca. 3
nV/Sqr(Hz) günstiger, bei noch höheren Impedanzen kommen die FET-OP-Amps
in Frage.
Ribbon-Amp.png
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