Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik FDA Mikrophonverstärker - Bitte um Review


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von Burkhard K. (buks)


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Mikrophonverstärker mit Anhebung um 12 dB/Oktave.


Meine Versuche mit aus diskreten Transistoren aufgebauten Verstärker 
haben bei einem vorgegebenen Spannungshub von 3,3 Volt keine brauchbare 
THD ergeben. Da der vorgesehene ADC ein differentielles Signal erwartet, 
lag es nahe FDAs für die gesamte Schaltung einzusetzen. Da ich mit FDAs 
keine Erfahrung habe, hier die Bitte um Review. Vorschläge und Kritik 
sind willkommen.

Anmerkungen zum Design:
  1. Das Mikrofon dient zur Detektierung von Ultraschallsignalen bis ca. 
150 kHz.
  2. Der Hersteller gibt Rs mit 4kOhm bis 6,8kOhm an. Dieser Widerstand 
macht eine Impedanzanpassung vor dem Hochpass erforderlich.
  3. Das DC-Offset des Mikrophonsignals (ca. 0,4 Volt) ergibt sich bei 
einer Spannungsversorgung des Mikros mit ca. 1,3 Volt.
  4. Die Dimensionierung beider Tiefpässe sind dem Datenblatt des ADC 
ADS127L01 von TI entnommen.
  5. Vorgesehene Spannungsversorgung: 3,3 Volt

von Mark S. (voltwide)


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Der Aufwand erscheint mir übertrieben.
Es reicht völlig, die asymm Quelle durch einen asym, d.h. einkanaligen 
Filterverstärker zu schicken und erst ganz am Schluß einen FDA zu 
platzieren der das symm ADC-Signal liefert.
Das würde den Filter schon mal erheblich vereinfachen.

von Burkhard K. (buks)


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Mark S. schrieb:
> Der Aufwand erscheint mir übertrieben.

Grundsätzlich wäre ich froh um jeden FDA, der sich einsparen lässt.

Der HP wäre so ein Kandidat, allerdings beträgt das benötigte GBW 500 
MHz (36 dB Verstärkung bei 80 kHz). Der LTC6363 schafft das gut, bei 
nicht-differentiellen OpAmps bin ich in dieser Region nicht so recht 
fündig geworden.

von Burkhard K. (buks)


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Mark S. schrieb:
> Es reicht völlig, die asymm Quelle durch einen asym, d.h. einkanaligen
> Filterverstärker zu schicken und erst ganz am Schluß einen FDA zu
> platzieren der das symm ADC-Signal liefert.

Danke für den Hinweis, den ersten OpAmp zur Impedanzanpassung habe ich 
entsprechend ersetzt.

Wenn ich das mit dem Hochpass versuche, schaffe ich in der Simulation 
die vom ADC erwartete Dämpfung auf -100dB bei 16 MHz nicht mehr, das 
Biasing gestaltet sich deutlich schwieriger und das Rauschen nimmt zu.

von Lurchi (Gast)


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Das Mikrofon als Signalquelle hat nur wenig Amplitude bei hohen 
Frequenzen. Entsprechend muss der AA filter bei 16 MHz keine so hohe 
Dämpfung haben. Vermutlich würde da auch schon die Hälfte ausreichen. Im 
> 10 MHz Bereich wäre im Zweifelsfall eine LC-Filter effektiver und 
deutlich einfacher.

Das aktive Hochpassfilter ist schon für sich genommen problematisch. 
Wenn es geht würde ich den vermeiden und die Hochpassfunktion durch 
Koppelkondensatoren erreichen - ich glaube eher nicht dass man den 
scharfen Übergang braucht, 2 Filter 1. Ordnung sollten ausreichen. Die 
Kompensation des Frequenzganges des Mikrofons kann man vermutlich besser 
digital machen - das Rauschen wird mit abnehmender Empfindlichkeit des 
Mikrofons eher nicht mit kleiner. D.h für den dynamischen Bereich 
braucht man das Filter nicht.

So viel Gain sollte eigentlich nicht nötig sein. Es reicht eigentlich 
aus, wenn das Rauschen des ADCs und Eingangsverstärkers deutlich unter 
dem Rauschen des Mikrofons selber liegt. Einen kleinen Teil des Gains 
könnte ggf. der Treiber am ADC übernehmen. Bei einem 24 Bit ADC ist da 
eigentlich nicht mehr viel Gain nötig um das Rauschlimit zu erreichen. 
Nicht umsonst braucht man schon als Puffer Rauscharme OPs.

von Thorsten S. (thosch)


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Lurchi schrieb:
> Das Mikrofon als Signalquelle hat nur wenig Amplitude bei hohen
> Frequenzen. Entsprechend muss der AA filter bei 16 MHz keine so hohe
> Dämpfung haben.
Das ist sicher richtig...


> Vermutlich würde da auch schon die Hälfte ausreichen. Im
> > 10 MHz Bereich wäre im Zweifelsfall eine LC-Filter effektiver und
> deutlich einfacher.
Auch das stimmt sicherlich. Vor allem aber würde ich mir überlegen, ob 
es nicht auch ein bezüglich Anti-Aliasing Filter viel unkritischerer ADC 
Typ tun würde, wie z.B. ein Delta-Sigma ADC.
Für die reicht normalerweise ein RC-Tiefpaß erster Ordnung dafür.
Mögliche Kandidaten wären z.B.:
AD7760: 24 Bit / 2,5MSPS (Analog Devices)
ADS1672: 24 Bit / 625kSPS (Ti)


> Die Kompensation des Frequenzganges des Mikrofons kann man vermutlich besser
> digital machen - das Rauschen wird mit abnehmender Empfindlichkeit des
> Mikrofons eher nicht mit kleiner. D.h für den dynamischen Bereich
> braucht man das Filter nicht.
Doch, genau das ist der Fall: Das Rauschen der Mikrofonkapsel wird mit 
zunehmender Frequenz, praktisch gleichlaufend mit der 
Mikrofonempfindlichkeit, ebenfalls kleiner.
Ich zitiere mal aus der Application Note 17 des Mikrofonherstellers 
Knowles:
1
Although the sensitivity of these microphones is decreasing with frequency above 10kHz, the self-noise is also decreasing so that even at 100kHz the signal-to-noise ratio is high. By taking these response curves into account one can design an amplifier with bandpass characteristics appropriate for the application to maximize signal quality and performance.

(Siehe auch die angehängte Grafik aus besagter AppNote 17)


Hier gibts die ganze AppNote:
http://www.knowles.com/eng/content/download/2818/32917/version/8/file/AN-17-Issue01.pdf

Ich würde also unbedingt versuchen, den Mikrofonfrequenzgang zumindest 
grob analog vor dem ADC zu korrigieren, um das mögliche an SNR zu 
erreichen und nicht unnötig ADC Auflösung zu verschenken.

Gruß,
Thorsten

: Bearbeitet durch User
von Burkhard K. (buks)


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Thorsten S. schrieb:
> Für die reicht normalerweise ein RC-Tiefpaß erster Ordnung dafür.
> Mögliche Kandidaten wären z.B.:
> AD7760: 24 Bit / 2,5MSPS (Analog Devices)
> ADS1672: 24 Bit / 625kSPS (Ti)

Hallo Thorsten, was ist bei den beiden oben genannten Typen anders als 
beim ADS127L01? Muss ich nicht in jedem Fall dafür sorgen, das bei Fmod 
das Signal soweit gedämpft wird, dass Aliasing keine Rolle mehr spielt?

(Nur ganz nebenbei - der ADS127L01 läuft charmanterweise bereits mit 3.3 
Volt)

: Bearbeitet durch User
von Thorsten S. (thosch)


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Burkhard K. schrieb:
> Hallo Thorsten, was ist bei den beiden oben genannten Typen anders als
> beim ADS127L01? Muss ich nicht in jedem Fall dafür sorgen, das bei Fmod
> das Signal soweit gedämpft wird, dass Aliasing keine Rolle mehr spielt?

Ähm ja. Hast natürlich recht.
Irgendwie hab ich den ADC Typ in deinem Beitrag überlesen und ging bei 
dem Filteraufwand davon aus, daß du einen SAR ADC verwenden wolltest...


Deine Designvorgabe, mit einer einfachen 3,3V Versorgung auskommen zu 
wollen, verkompliziert die Sache natürlich, insbesonsere die 
Bsuteilauswahl.

Wozu genau soll das Mikrofon dienen?
Willst du technischen Ultraschall aufnehmen oder Fledermauslaute?
Eher in einer Laborumgebung oder draußen im Feld?

Für einen Einsatz im Feld würde ich unbedingt die untere Grenzfrequenz 
beschränken, sonst macht der kleinste Windhauch am Mikro große Probleme 
und auch Umgebungsgeräusche stören erheblich, da sie im Frequenzbereich 
unter 1kHz oft sehr viel lauter als die Ultraschallsignale am Mikro 
ankommen.

Zumindest würde ich den Koppel-C am Mikro von 4u7 in den nF Bereich 
verkleinern...

von Burkhard K. (buks)


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Thorsten S. schrieb:
> Zumindest würde ich den Koppel-C am Mikro von 4u7 in den nF Bereich
> verkleinern...

Danke für den Hinweis, 470 pF reichen tatsächlich (12 kHz ist für mich 
persönlich bereits Ultraschall) - es geht mir tatsächlich um 
Ultraschallsignale aus natürlichen Quellen.

3,3 Volt deshalb, weil ich die Signal-Verarbeitungskette (Ringmischer + 
Zeitdehnung) bereits auf einem FPGA-Basisboard habe und damit erstmal 
weiterentwickeln will. Ein ADS127L01 Eval-Board habe ich bereits.

Meine ersten Versuche hatte ich mit einem 12bit-ADC Pmod und einem 
gekauften Mikro+Headstage (Dodotronic) mit 3.3V-Ausgang unternommen, 
beides konnte ich einfach auf einen Pmod-Port des Boards stecken. Dass 
die Dynamik nicht reicht, ist auf der angehängten Aufnahme 
(Zwergfledermaus?, ab 10. Sekunde in 20facher Zeitdehnung) nicht zu 
überhören - inzwischen ist mir das Mikro weggestorben und nicht mehr 
erhältlich - daher jetzt meine Versuche mit dem FG-23629.

von Lurchi (Gast)


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Statt den Koppelkondensator so klein zu machen, sollte man auch die 
Widerstände etwas kleiner machen. Der LT6202 ist für so hochohmige 
Signale nicht wirklich Rauscharm - der ist mehr für Quellimpedanzen im 
1-5 kOhm Bereich. Schon so wird es bei tiefen Frequenzen zusätzliches 
Rauschen geben.

Der Abfall der Empfindlichkeit entspricht mehr einem Tiefpass 1. 
Ordnung. Da muss man also nicht mehr kompensieren als verloren geht.

von Thorsten S. (thosch)


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Burkhard K. schrieb:
> 3,3 Volt deshalb, weil ich die Signal-Verarbeitungskette (Ringmischer +
> Zeitdehnung) bereits auf einem FPGA-Basisboard habe und damit erstmal
> weiterentwickeln will. Ein ADS127L01 Eval-Board habe ich bereits.
Ah, ok. Das ist natürlich ein Grund, wenn man nicht die komplette 
Schaltung selbst entwickelt, sondern teilweise auf fertige Baugruppen 
zurückgreift.

Ich würde vermutlich dennoch darüber nachdenken, die Analogstufen mit 
+/-3,3V zu versorgen, die -3,3V lassen sich recht unproblematisch mit 
'nem invertierenden Schaltregler machen. Muß man nur ein wenig aufpassen 
mit
eventuellen Störeinstrahlungen. Sollte aber kein großes Problem sein, 
auf dem FPGA Basisbord werden ja ebenfalls schon Schaltregler werkeln...

> Meine ersten Versuche hatte ich mit einem 12bit-ADC Pmod und einem
> gekauften Mikro+Headstage (Dodotronic) mit 3.3V-Ausgang unternommen,
> beides konnte ich einfach auf einen Pmod-Port des Boards stecken.
Ist doch kein schlechter Einstieg...

> Dass die Dynamik nicht reicht, ist auf der angehängten Aufnahme
> (Zwergfledermaus?, ab 10. Sekunde in 20facher Zeitdehnung) nicht zu
> überhören - inzwischen ist mir das Mikro weggestorben und nicht mehr
> erhältlich - daher jetzt meine Versuche mit dem FG-23629.
Jo, da muß man bei nur 12 Bit den Pegel zurücknehmen.
Ich sehe in einem 24 Bit Wandler auch mehr den Dynamikvorteil,
denn wirklich die nutzbare Auflösung.

Deine Aufnahme ist ganz interessant, da sind mindestens zwei 
unterschiedliche Arten drauf, vermutlich 3 verschiedene...
Auch erscheinen alle Rufe mit einem extrem starken Echo, hast Du die 
Aufnahme wenige Meter vor einer Wand gemacht?
Kann das gerade nicht anhören, muß ich zu Hause mal tun.

Das gestorbene Mikro ... laß mich mal raten: ein Knowles SPM0204UD5
Die sind ziemlich gut, sehr empfindlich, leider allerdings auch gegen 
Wasser. Ein Tropfen drauf und das Teil ist hin.

Ich habe davon noch ein paar, hab mir glücklicherweise rechtzeitig noch 
ein welche hingelegt...

Die MEMS Ersatztypen, die Knowles jetzt für Ultraschall anbietet, sind 
leider Backside-Typen mit Port durch die Leiterplatte und auch nicht so 
empfindlich für höhere Frequenzen...

Von den einigermaßen erschwinglichen Mikros ist das FG-23629 wohl 
momentan das beste für Ultraschall. Wird in ziemlich vielen 
professionellen Detektoren und Loggern verwendet. Hat vor allem aufgrund 
der winzigen Abmessungen einen halbwegs glatten Frequenzgang...

Ich hab auch mal mit Großmembran Mikros rumprobiert (Polaroid 
Transducer),
die brauchen aber rund 200V Polarisationsspannung und haben eine 
frequenzabhängige Richtwirkung.

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