Mikrofonverstärker für Knowles FG-23629

[Burkhard K. (buks)]

In Beitrag Beitrag "Re: Mikrofonverstärker" hat 
Benutzer "thosch" die angehängte Transistorschaltung für einen 
Mikrofonverstärker vorgeschagen. Grundsätzlich passt der Frequenzgang 
(Hochpass Fc=100kHz) gut, um die 12dB/Oktave Höhenabsenkung beim Knowles 
FG-23629 auszugleichen (es geht um Ultraschall).

Für meine Zwecke stehen mir jedoch lediglich 3,3V Spannungsversorgung 
zur Verfügung - und dummerweise schaffe ich es nicht, die 
Komponentenwerte so anzupassen, dass Verstärkung und Frequenzgang gleich 
wie bei dem ursprünglichen Vorschlag für 12V bleiben. Für etwas 
Nachhilfe wäre ich dankbar.

Und dann noch die Zusatzfrage: das FG-23629 hat einen relativ hohen 
Innenwiderstand (Rs=2800 bis 6800 Ohm), 13pF Kapazität bei max. 50µA. 
Reicht hier ein vorgeschalteter Emitterfolger für die erforderliche 
Impedanzanpassung?

Gruß,
Burkhard

[ArnoR (Gast)]

Burkhard K. schrieb:
> und dummerweise schaffe ich es nicht, die
> Komponentenwerte so anzupassen, dass Verstärkung und Frequenzgang gleich
> wie bei dem ursprünglichen Vorschlag für 12V bleiben.

Mit der gleichen Schaltung und nur veränderter Dimensionierung geht das 
auch nicht. Du brachst eine zweistufige Verstärkung. Im Anhang ein 
Vorschlag (grün = obere Schaltung, rot = untere). Keine Ahnung, ob die 
Überhöhung bei 80kHz sein muss. Notfalls bekommt man die auch noch 
eingebaut.

[voltwide (Gast)]

AC-Analyse basiert aus linearen Schaltungselementen. Bei nichtlinearen 
Elementen, wie Transistoren, kann da auch schon mal Unsinn rauskommen.
Wobei man aber nicht gewarnt wird.
Um sicher zu gehen, mach Transientenanalyse und generiere mehrere 
Frequenzen. Dies erreichst Du, indem Du die Frequenz des Generators zu 
einem Parameter machst, z.B {freq}, der dann im step Kommando gesetzt 
wird.

[Burkhard K. (buks)]

Ganz vielen Dank für den Vorschlag. Wenn die Frage noch erlaubt ist: wie 
sollte besten mit dem hohen Innenwiderstand (bis zu 6800 kOhm) der 
Mikrofonkapsel umgegangen werden?

Übrigens, mit LTspice sehe ich bei der Originalschaltung keine 
Überhöhung bei 80kHz.

[Josef (Gast)]

Zuerste einmal, ich bin kein Experte und lasse mich gerne korrigieren.

Fuer mich liegt der Grund fuer die zu kleine Verstaerkung einfach in dem
anderen Frequenzgang des FG-23629.

Angehaengt sind 3 Simulationen.
V(mic) = Frequenzgang des Mikrofons (gruen)
V(out) = Frequenzgang des Verstaerkers (blau)
V(mic)*V(out) = Gesamtfrequenzgang (rot)

Wenn der Frequenzgang des Mikrofons abfaellt, muesste der Verstarker
schon mehr verstaerken.

[voltwide (Gast)]

In Reihe mit dem idealen Signalgenerator schaltest Du einen Widerstand 
von 6k8 - alternativ kannst Du der Signalquelle auch einen 
Innenwiderstand von 6k8 als Attribut mitgeben.

[voltwide (Gast)]

Mir scheint, dass Du mit der Syntax von LTSpice noch Probleme hast.
Deine "tran" Kommandos sind keine, sondern nur KommentarTexte, zu 
erkennen an der blauen Schriftfarbe.
LTSpice Kommandos/directiven erscheinen in schwarzer Schrift
Paramater werden deklariert mit der Anweisung
.param ParameterName ParameterWert
Parameter werden "gestepped" mit
.step param ParameterName list ListeDerParameterWerte
eingebaut werden solche Parameter anstelle eines Zahlenwertes in der 
Form {MeinParameter}
spice-direktiven werden auskommentiert mit vorangestelltem #

Das findest Du alles in der mitgelieferten SwitcherCad-PDF-Datei.

[Mark S. (voltwide)]

Lade mal Deine asc-Datei hoch, evtl mußt Du die umbenennen in 
***.asc.txt,
damit der DateiFilter sie schluckt

[Josef (Gast)]

voltwide schrieb:
> Deine "tran" Kommandos sind keine, sondern nur KommentarTexte, zu
> erkennen an der blauen Schriftfarbe.

@voltwide:
Meinst du mich? Sorry ist mir jetzt nicht ganz klar.

Ich mache in den Simulationen oben nur ac Analyse
(und .op und der Rest sind Kommentare).

Und der Punkt auf den ich wollte, ist das mit dem
SPM0404 Mikrofon Verstaerkungen um die 30dB erreicht werden.

Dagegen mit dem FG-23629 Mikrofon nur ca. 7 dB erreicht werden,
mit den vorgeschlagenen Schaltungen.

Allerdings ist mir auch nicht ganz klar auf was der TO optimieren will.

[Burkhard K. (buks)]

Josef schrieb:
> Allerdings ist mir auch nicht ganz klar auf was der TO optimieren will.

Ich brauch einen ungefähr linearen Frequenzgang, d.h. der Abfall um 
12dB/Oktave soll vor dem ADC kompensiert werden - möglichst rauscharm. 
Als ADC ist ein ADS127L01 vorgesehen (24bit /512kSamples/s --> 17.5 
ENOB). Für die Signalaufbereitung bis zum ADC brauche sind folgende 
Anpassungen erforlich:

 a. Ausgleich des Innenwiderstands des FG-23629 (2800 bis 6800 Ohm / 
13pF; max 50 uA)
 b. Frequenzgangkorrektur
 c. Signalspreizung auf max. +/- 1.25 V
 d. Antialias Filter vor dem ADC
 e. differentielles Signal

Die Aufgaben d./e. wird ein FDA (wahrscheinlich THS4541) übernehmen. In 
diesem Thread geht es mir insbesondere um b. (und a.). Ein OpAmp 
basierter Hochpass müsste dafür mehrer 100 MHz Bandbreitenprodukt haben, 
daher mein Interesse an der Transistor-Schaltung von thosch, da hier die 
Verstärkung um 12dB passt.

Leider verstehe ich die Schaltung nicht ganz. Für die Lage der Pole ist 
wohl die Rückkopplung von Q2 über R4 mitentscheidend?

Beim Vorschlag von Arno ist tatsächlich die Gesamtverstärkung/Anhebung 
nicht ausreichend.

[axel r. (Gast)]

alles mit 3.3V? Weis nicht...
Dem analogen Kram vorn würd ich eine 9V-Lithium BlockBatterie 
spendieren.
Wobei - ist "MEMS" noch analog :)? Einen Emitterfolger und danach direkt 
in eine Basisschaltung hinein, wenn man es mit Transistoren und 
rauscharm machen will? (so würde ich es probieren)

StromTuner

[ArnoR (Gast)]

Burkhard K. schrieb:
> In
> diesem Thread geht es mir insbesondere um b. (und a.). Ein OpAmp
> basierter Hochpass müsste dafür mehrer 100 MHz Bandbreitenprodukt haben,
> daher mein Interesse an der Transistor-Schaltung von thosch, da hier die
> Verstärkung um 12dB passt.
>
> Beim Vorschlag von Arno ist tatsächlich die Gesamtverstärkung/Anhebung
> nicht ausreichend.

Wie das? Die beiden Schaltungen liefern doch den gleichen Frequenzgang 
(von der Überhöhung bei 80kHz mal abgesehen) und die gleiche 
Verstärkung.

Im Anhang mal beide Schaltungen mit 5k Quellwiderstand und meine 
Schaltung etwas abgeändert.

[ArnoR (Gast)]

@ buks

Wenn dir der Frequenzgang bei 100kHz nun zu "scharf" verläuft, baust du 
einfach einen kleinen Widerstand (1...2Ohm) in Reihe zu den 470n ein.

Die Änderung vom BC559 zu BC560 hat nur den Grund, dass das Modell in 
TINA beim BC559 eine sehr viel kleinere Stromverstärkung hat (obwohl 
real der BC559 besser ist) und ich daher zum Simulieren immer den BC560 
nehme, aber tatsächlich den BC559 einbauen würde und das daher 
normalerweise auch im Schaltbild ändere, diesmal aber vergessen.

[Burkhard K. (buks)]

ArnoR schrieb:
> und meine
> Schaltung etwas abgeändert.
Im Deinem ersten Vorschlag war die "Überhöhung" - bei näherem Hinsehen - 
weit näher am gewünschten Frequenzgang als die untere Kurve.

Dein neuer Vorschlag ist da näher an der Anforderung, danke nochmal. 
Kannst Du bitte kurz skizzieren, wie der Frequenzgang zustande kommt?

[Burkhard K. (buks)]

axel r. schrieb:
> Dem analogen Kram vorn würd ich eine 9V-Lithium BlockBatterie
> spendieren.

Daran hatte ich auch schon gedacht; allerdings soll das ganze irgendwann 
mal auf einem PMOD landen, da wäre ein 9-Block ziemlich klobig. Die 3,3V 
habe ich "umsonst".

> Wobei - ist "MEMS" noch analog :)?
Das FG-23629 ist kein MEMS, oder zumindest kein "normales". Das Teil ist 
winzig, die Länge beträgt 2,5mm. Knowles hält sich mit dem Innenleben 
bedeckt; ich vermute, da steckt nicht mehr als ein einzelner JFET drin.

> Einen Emitterfolger und danach direkt in eine Basisschaltung hinein ...
Naja, ich bin sowieso kaum "bipolar", da noch eine Basisschaltung mit 
Hochpass 2. Ordnung - ich fürchte dazu langt es bei mir (noch) nicht.

[ArnoR (Gast)]

Burkhard K. schrieb:
> Kannst Du bitte kurz skizzieren, wie der Frequenzgang zustande kommt?

Unterhalb 100kHz ist der Frequenzgang der Schaltung der eines Hochpass 
2. Ordnung und wird durch 2 Hochpässe 1. Ordnung erzeugt. Einer ist die 
Eingangskoppelkapazität 100p mit dem Eingangswiderstand der Schaltung 
und der andere ist die Überbrückung des Emitterwiderstandes mit den 
470n.

Oberhalb 100kHz ist der Frequenzgang der Schaltung der eines Tiefpass 1. 
Ordnung. Dazu bräuchte man eigentlich einen Tiefpass 3. Ordnung, wenn 
das Hochpassverhalten noch wirken würde. Die Schaltung liefert aber nur 
etwa 45dB Leerlaufverstärkung, sodass der Frequenzgang oberhalb ~100kHz 
nicht weiter ansteigen kann und daher "von selbst" frequenzunabhängig 
wird. Man braucht nur noch einen Tiefpass 1.Ordnung, was durch die 
Millerkapazität (47p) in Verbindung mit den 4k7 erreicht wird.

[Stromtuner (Gast)]

http://www.knowles.com/eng/content/download/4634/63784/version/4/file/FG-23629-C36.pdf

sprechen "wir" vom gleichen Mikrofon?

StromTuner

[Stromtuner (Gast)]

Ich frage, weil das Mikrofon nur bis 10Khz offiziell spezifiziert ist.
Aber es wird ja wohl hinreichend Erfahrung zur Anwendung im 
Ultraschallbereich jenseits der genannten 10Khz geben, sonst wäre es ja 
nicht in die engere Wahl gefallen, oder?

http://www.ti.com/product/OPA358

StromTuner

[ArnoR (Gast)]

ArnoR schrieb:
> in Verbindung mit den 4k7 erreicht wird.

Eingangswiderstand des pnp parallel natürlich noch.

[Josef (Gast)]

Stromtuner schrieb:
> Ich frage, weil das Mikrofon nur bis 10Khz offiziell spezifiziert ist.

Hier ist die Fortsetzung bis 100kHz:

www.knowles.com/eng/content/download/2818/32917/version/8/file/AN-17-Iss 
ue01.pdf

[Stromtuner (Gast)]

aah, ok.
Na denn los.
Erste Tests schon erfolgverschrechend? Was nimmt man als "Sender"?
Ich hatte einen 40khz Piezo mit einer Induktivität parallel "breit" 
gezogen.
Ob der bis 100khz ging,m weis ich nicht mehr.
Kann ich ja mal raussuchen, wenns interessiert. war auch hier iwo.

StromTuner

[Stromtuner (Gast)]

auch schon wieder 10Jahre her...
hehe :)
Beitrag "Re: Bandpassunterabtastung für Bat-Detektor?"


StromTuner

[Josef (Gast)]

Hier mal ein Vorschlag mit 3 Transistoren mit etwas mehr Verstaerkung.

Zum Rauschen kann ich nichts sagen.

[Burkhard K. (buks)]

Stromtuner schrieb:
> Ich hatte einen 40khz Piezo mit einer Induktivität parallel "breit"
> gezogen.

Wie "breit" lässt der sich ziehen? 20 bis 80 kHz?

Ansonsten habe ich hier einen Ultraschall-Vergrämer für unter 20 Euro, 
dessen Hochtöner ist bis 50 kHz spezifiert. Ganz schick wäre natürlich 
eine Mimik mit flacher Charakteristik bis 100 kHz.

BTW: Eigentlich ist jedes Mikro auch ein US-Mikro - nur machen sich die 
wenigsten Hersteller die Mühe, oberhalb der menschlichen Hörschwelle 
nachzumessen.

Zum Aufbauen bin ich noch nicht gekommen, muss erstmal einkaufen.

[Abdul K. (ehydra)]

Nein, die normalen Elektretmikrofone taugen nicht für Ultraschall. Das 
wäre sogar kontraproduktiv fürs Sprachband. Der Bandpaß durch das Mikro 
vorgegeben, erleichtert es einem in normalen Schaltungen für 
Anwendungen, wofür das Mikro gedacht war.

Und bei den Murata-Kapseln: Das kann auch nicht wirklich gut 
funktionieren, denn die Resonanz ist auch mechanisch stark definiert als 
Helmholtz-Resonator. Da wird man sicherlich mächtig Abstriche machen 
müssen. Probiert habe ich das noch nicht.
Die Resonanzfrequenz definiert sich hauptsächlich über den Durchmesser 
der Piezoscheibe und der Länge des Helmholtz-Resonators. Daher kann man 
die Nutzfrequenz auch außen über den Durchmesser des Wandlers erkennen.
Der Trichter auf der Scheibe ist der akustische Impedanzwandler.

[Burkhard K. (buks)]

Abdul K. schrieb:
> Nein, die normalen Elektretmikrofone taugen nicht für Ultraschall.

Könnte man denken. Auch das FG-23629, um das er hier geht ist für den 
Sprachbereich konzipiert (Hörgeräte); der Frequenzgang ist flach bis 
10kHz mit 12dB/Oktave ABfall oberhalb von 12.5kHz.

Tatsächlich gibt es einige, wohl auch kommerziell erfolgreiche 
Ultraschall-/Fledermausdetektoren, die dieses Mikro verwenden. Oder 
andere Elektret-Mikros, die nie für Ultraschall gedacht waren. Das geht, 
solange das Signal-Rausch-Verhältnis, wie beim FG-23629, auch bei hohen 
Frequenzen in etwa konstant bleibt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Richtcharakteristik. Mikros mit 
stark gerichteter Empfindlichkeit sind wenig geeignet, sich schnell 
umherbewegende Tiere zu erfassen. Bin kein Fachmann, aber das scheint 
wohl gerade bei Kondensatormikrophonen, mit an sich hoher Empflichkeit 
im US-Bereich, der Fall zu sein.

[Burkhard K. (buks)]

Da bin ich wieder :-) Zunächst nochmal ein großes Danke für die 
bisherigen Vorschläge - sie haben mir wertvolle Anstöße geliefert.

Inzwischen sind die FG-23629 bei mir eingetroffen. Bei einer empfohlenen 
Versorgungsspannung von 1.3 V sehe ich ca. 350 mV pp maximalen Signalhub 
(anblasen mit Hundepfeife). Daraus ergeben sich folgende Anforderungen 
an die Signalverstärkung:

  * Grundverstärkung (12.5kHz):  15 dB  --> 2V pp
  * Frequenzabhängig (100kHz):  15+36 = 54 dB

Um eine rauschfördernde Signalabschwächung durch den ersten Hochpass zu 
vermeiden, habe ich die Schaltung dreiteilig angedacht:

  1. Eingangspuffer (CFP + Bootsstrapping: Q5/Q6) - könnte evtl. durch 
einen geeigneten OpAmp ersetzt werden
  2. 15dB Grundverstärkung +HP 6dB/Oktave (Siklai-Paar Q1/Q2)
  3. HP +6dB Oktave HP +Dämpfung für Frequenzen >200kHz (Q3)

(Enkoppelkondensator und Lastwiderstand am Ausgang habe ich hier 
weggelassen.)

In Hinblick auf das Rauschverhalten soll die frequenzabhängige Anhebung 
auf zwei Verstärkungsstufen mit jeweils 6dB aufgeteilt werden. Der 
Hochpass vor der ersten Stufe ist so ausgelegt, dass Signalfrequenzen 
oberhalb von 12.5kHz vor der weiteren Verstärkung nicht abgeschwächt 
werden.

Auf dem Steckbrett aufgebaut: Der Eingangspuffer tut das was er soll 
ohne das Signalrauschen wesentlich zu erhöhen.

Die zweite Stufe mit Q1/Q2 verstärkt wie vorgesehen - nur leider auch 
das Grundrauschen! Die angehängten Snapshots von Oszi und 
Spektrumanalyse zeigen das Eingangsignal (statt Mikro) von 50kHz am 
Eingang in Orange und nach der ersten Verstärkerstufe in Blau. Die 
zweite Stufe (Q3) habe ich gleich wieder rausgezogen - das kam kein 
brauchbares Signal raus.

Ist es möglich, die Rauschverstärkung spezifisch zu unterdrücken - oder 
zumindest auf ein erträgliches Maß abzusenken?

[voltwide (Gast)]

Dein Eingangspuffer mit dem PNP kann imho so nicht funktionieren.
Davon abgesehen wozu ein Eingangspuffer?
Ist rauschmäßig nie der Bringer und ist bei 5kOhm Quellimpedanz 
verzichtbar.
Ich würde gleich eingangsseitig mit 20dB verstärken um das Eigenrauschen 
zu minimieren.

[Burkhard K. (buks)]

voltwide schrieb:
> Davon abgesehen wozu ein Eingangspuffer?

Ganz einfach - die Exemplarstreuung reicht laut Datenblatt von 2.8k bis 
6.8k, das von mir eingesetzte Exemplar könnte sogar bei 7k zu liegen. 
Ohne Puffer müsste die Verstärkung an das jeweils individuelle Mikrophon 
angepasst werden.

Warum sollte der Puffer nicht funktionieren?  Ich sehe keine Probleme 
und auch beim Rauschen macht er sich (zumindest mit meinen Messmitteln) 
nicht bemerkbar.

[voltwide (Gast)]

Burkhard K. schrieb:
> Ganz einfach - die Exemplarstreuung reicht laut Datenblatt von 2.8k bis
> 6.8k, das von mir eingesetzte Exemplar könnte sogar bei 7k zu liegen.
> Ohne Puffer müsste die Verstärkung an das jeweils individuelle Mikrophon
> angepasst werden.

Nö. Ganz vorne ein Verstärker mit einfacher Spannungsverstärkung ist 
unter dem Rauschaspekt generell suboptimal. Die unterschiedliche 
Quell-Impedanz ist für einen integrierten Operationsverstärker überhaupt 
kein Problem, dessen Eingangswiderstand ist weit oberhalb Deiner max 
7kOhm.