Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik rauscharmer ECM-Vorverstärker


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von Berny (Gast)


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Hallo,

ich möchte für Hobbyzwecke einen rauscharmen ECM-Vorverstärker für 
Line-In aufbauen.

Gefunden habe ich den Schaltplan im Anhang. Er stammt von dieser Seite:
https://www.electronics-lab.com/project/low-noise-mini-electret-microphone-preamplifier/
1
Zitat: "The single supply microphone pre-amplifier amplifies the output signal of an electret capsule microphone to audio line levels. An op amp is used as a trans-impedance amplifier to convert the output current from the microphone in to a signal level voltage."

Das klingt schon mal gut. Aber ist diese Schaltung so wirklich zu 
empfehlen (also mit OP als Transimpedanz-Verstärker)?

von Dieter (Gast)


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Vielleicht mal mit diesen Schaltungen vergleichen und in LTspice hacken.
Beitrag "Mikrofonvorverstärker Verständnisfrage"

von ArnoR (Gast)


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Berny schrieb:
> Aber ist diese Schaltung so wirklich zu
> empfehlen (also mit OP als Transimpedanz-Verstärker)?

Die ist mMn besser als die Version mit hochohmiger Signalabnahme, also 
nichtinvertierendem OPV dahinter. So wie gezeichnet arbeitet der JFET in 
der Kapsel im virtuellen Ausgangskurzschluß, seine 
Drain-Source-Wechselspannung ist praktisch =0 und daher wird das Signal 
nicht durch den Early-Effekt verzerrt.

von Helmut S. (helmuts)


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Berny schrieb:

> Das klingt schon mal gut. Aber ist diese Schaltung so wirklich zu
> empfehlen (also mit OP als Transimpedanz-Verstärker)?

Die Schaltung passt. Das Mikrofon wird dabei AC-mäßig im Kurzschluss 
betrieben. Dadurch fließt 100% des Wechselstromes des Mikrofons in den 
Verstärker.

Uausgang = Imikrofon * 75kOhm

von Berny (Gast)


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Vielen Dank für die Einschätzungen!

Dann baue ich die Schaltung für einen Test auf.

(mit einem LM833, einen OPA172 habe ich leider nicht zur Hand)

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Helmut S. schrieb:
> Das Mikrofon wird dabei AC-mäßig im Kurzschluss
> betrieben.

Nicht ganz. Es wird über 2,2 µF "kurzgeschlossen" und abhängig von 
seiner Ausgangsimpedanz ergibt das einen Hochpass oder sogar einen 
Differenzierer im Audiobereich. Z. B. bei 10 Ohm Ausgangsimpedanz 
Hochpass ab 10 kHz(!) mit V = 7500, bei 1 kOhm Ausgangsimpedanz Hochpass 
ab 100 Hz mit V = 75 (ziemlich wenig) und wenn es um Musik geht, darf 
die Ausgangsimpedanz nur bei ca. 5 kOhm liegen, womit eine Verstärkung 
von gerade mal 25 übrig bleibt. Nix mit "auf Line Level"...

von Berny (Gast)


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Der Zahn der Zeit schrieb:
>> Das Mikrofon wird dabei AC-mäßig im Kurzschluss
>> betrieben.
>
> Nicht ganz. Es wird über 2,2 µF "kurzgeschlossen" und abhängig von
> seiner Ausgangsimpedanz ergibt das einen Hochpass oder sogar einen
> Differenzierer im Audiobereich. Z. B. bei 10 Ohm Ausgangsimpedanz
> Hochpass ab 10 kHz(!) mit V = 7500, bei 1 kOhm Ausgangsimpedanz Hochpass
> ab 100 Hz mit V = 75 (ziemlich wenig) und wenn es um Musik geht, darf
> die Ausgangsimpedanz nur bei ca. 5 kOhm liegen, womit eine Verstärkung
> von gerade mal 25 übrig bleibt. Nix mit "auf Line Level"...

Wenn dem so ist sollte man C3 vielleicht von 2,2uF auf 100uF 
vergrößern?!?
In welchem Ausgangsimpedanzbereich liegen denn übliche EC-Mikros?

von Dieter (Gast)


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Berny schrieb:
> In welchem Ausgangsimpedanzbereich liegen denn übliche EC-Mikros?

Nach alten Kennlinien von Datenbüchern (Telefunken, Valvo, Siemens) 
waren die rauscharmen Transistoren für solche kleinen Signale auf 
Rauschminimum bei 2kOhm Eingangsimpedanz ausgelegt. Das könnte damit 
etwas zu tun haben, muss es aber nicht.

von Michael B. (laberkopp)


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Berny schrieb:
> (mit einem LM833, einen OPA172 habe ich leider nicht zur Hand)

Der OPA172 ist rail-to-rail am Ausgang, der LM833 ein stinknormaler 
OpAmp der bei 9V (am Ende der Batterir 5.6V) 3V von der positoven und 3V 
von der negtaiven Versorgung frisst, also 3V bis nix liefern kann.

von Robert M. (r0bm)


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Berny schrieb:
> Wenn dem so ist sollte man C3 vielleicht von 2,2uF auf 100uF
> vergrößern?!?

Nicht notwendig. Man kann durchaus annehmen, dass die die Impedanz der 
Quelle hauptsächlich von R1 (10k) bestimmt wird, wodurch die untere 
Grenzfrequenz bei ca. 7Hz liegt.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Robert M. schrieb:
> Man kann durchaus annehmen, dass die die Impedanz der
> Quelle hauptsächlich von R1 (10k) bestimmt wird, wodurch die untere
> Grenzfrequenz bei ca. 7Hz liegt.

... was bedeuten würde, dass die Verstärkung des Vorverstärkers gerade 
mal 7,5 wäre. Damit wird man wahrscheinlich nicht mal ein Signal dann 
auf Line-Level bekommen, wenn das Mikro direkt vor der PA auf einem 
Rockkonzert hängt...

von Robert M. (r0bm)


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Der Zahn der Zeit schrieb:
> ... was bedeuten würde, dass die Verstärkung des Vorverstärkers gerade
> mal 7,5 wäre. Damit wird man wahrscheinlich nicht mal ein Signal dann
> auf Line-Level bekommen, wenn das Mikro direkt vor der PA auf einem
> Rockkonzert hängt...

Meiner Meinung nach reicht die Verstärkung. Die Stromquelle 
(genaugenommen Stromsenke)  in der Kapsel muss nur etwa 4,3uA liefern 
(aufnehmen) können damit am Ausgang des OPV Line-Level (0,32V) anliegt. 
Eine Kleinigkeit für den in der Kapsel integrierten FET-Vorverstärker.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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So, meinst du. So ist das mit Meinungen. Aber Zahlen können eventuell 
besser überzeugen:

Ich habe mal ein eine durchschnittliche ECM-Kapsel gesucht, und zwar 
eine CMEJ-4622-25-L082 
(https://www.mouser.de/ProductDetail/CUI-Devices/CMEJ-4622-25-L082). Die 
hat 2,2 kOhm Nennimpedanz und eine Empfindlichkeit von -36 dBV/Pa = 15 
mV/Pa.

Das gibt bei der gewählten Schaltungsdimensionierung eine untere 
Grenzfrequenz von 30 Hz (akzeptabel auch für Musik) und eine Verstärkung 
von 34 = ~31 dB. (Am Verstärkerausgang also ~510 mV/Pa.)

Lt. Wikipedia (also nicht meiner Meinung) erzeugt ein Sprecher in 1 m 
Abstand größenordnungsmäßig ca. 6 mPa. Aus dem Mikro kommen also 
ungefähr 90 µV.

Die mit 34 verstärkt ergeben ~3 mV. Da fehlen noch 40 dB für Line-Level. 
Dafür wäre schon ein Schalldruck erforderlich, der langfristig 
Gehörschäden verursacht. Ok, "direkt vor der PA auf einem Rockkonzert", 
wie ich oben schrieb, war um ca. 20 dB übertrieben - aber besser als 40 
dB untertrieben.

So viel zu "Meinungen".

von Lurchi (Gast)


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Das Prinzip der Schaltung sollte passen. Die Electretkapseln sollten 
schon einen relativ hohen Ausgangswiderstand haben, eher deutlich höher 
als die 10 K von R1. Vergleichbare JFETs liegen eher so im Bereich 100 
K.
Damit bestimmt R1 im wesentlichen die untere Grenzfrequenz und etwas 
über 7.5 Hz kommt schon hin.

Für die Verstärkung muss man da eher mit der normalen Schaltung mit etwa 
5 K am Ausgang des Mikrofons vergleichen. Im Vergleich dazu hat man ein 
etwa 25 fach höheres Ausgangssignal. Das könnte noch etwas knapp werden 
für Line Level, aber die Richtung stimmt schon mal. Im Zweifelsfall kann 
man eine 2. Verstärkerstufe dahinter schalten - je nach Anwendung will 
man die Verstärkung auch noch anpassen.

von Berny (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Berny schrieb:
>> (mit einem LM833, einen OPA172 habe ich leider nicht zur Hand)
>
> Der OPA172 ist rail-to-rail am Ausgang, der LM833 ein stinknormaler
> OpAmp der bei 9V (am Ende der Batterir 5.6V) 3V von der positoven und 3V
> von der negtaiven Versorgung frisst, also 3V bis nix liefern kann.

Die Betriebsspannung kann problemlos auf 12V oder noch mehr erhöht 
werden, habe nur neben LM833 und NE5532 keinen anderen rauscharmen OP in 
der Bastelkiste.

von Berny (Gast)


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Danke auch für die Überlegungen und Berechnungen zur Mikrophonimpedanz 
und Verstärkung!

Ich werde die Schaltung einfach mit ein paar handelsüblichen ECMs 
durchtesten.

Kann man, wen die Verstärkung zu gering ist, R2 (75k) noch weiter 
vergrößern, um die Verstärkung noch mehr anzuheben oder verringert sich 
dann die Bandbreite oder etwas ähnliches zu sehr im negativen Sinn?

von Lurchi (Gast)


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je größer der Widerstand in der Gegenkopplung desto geringer wird die 
Bandbreite ausfallen. Die 75 K im Schaltungsvorschlag sollten noch 
passen, viel mehr wird dann aber ggf. ein Problem. Bei 50 facher 
Verstärkung hat ein OP wie LM833 auch nur noch etwa 15 MHz/50 = 300 kHz 
an Bandbreite, und nur noch einen loop gain vom 30 um bei 10 kHz 
Nichlinearitäten auszugleichen.

D.h. für mehr Verstärkung eher eine 2. Stufe dahinter. Der LM833 / 
NE5532 hat schließlich auch noch einen 2. OP.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Was willst du denn "hören", bzw. welche Empfindlichkeit soll es haben? 
Sprache mit Mikrofon vor dem Mund (Headset)? Da würde man nicht so 
viel mehr Verstärkung brauchen, schätzen mag ich das aber auch nicht 
gerne. 75 kOhm entsprechend zu vergrößern wird gehen, aber nicht 
unbegrenzt. Vielleicht bis 1 Meg.

Ehrlich gesagt, ich käme nicht auf die Idee, einen 
Mikrofon-Impedanz-abbängigen TIA als VV zu nehmen. Es hat nur Nachteile. 
Für Rauscharmut gibt es andere, wichtigere Kriterien, angefangen bei der 
Kapsel, über die Dimensionierung der Gegenkopplung und der Auswahl des 
(Operations-)Verstärkers.

von Berny (Gast)


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Der Zahn der Zeit schrieb:
> Was willst du denn "hören", bzw. welche Empfindlichkeit soll es haben?

Ich möchte gerne Umgebungsgeräusche mit dem Laptop aufnehmen. Wenn man 
den Mikroeingang vom Laptop benutzt (wie ich es aktuell mache) und die 
Aussteuerung hoch einstellt (wie ich es brauche), dann rauscht es schon 
sehr.

Letztendlich möchte ich an beiden Line-In-Eingängen jeweils eine 
Mikrofonkapsel mit Verstärker anschließen, einen Mikrokanal mit geringer 
Aussteuerung und einen mit hoher Aussteuerung (sozusagen um die 
Dynamikbreite zu erhöhen: der eine Kanal nimmt auch sehr leise Geräusche 
auf und der zweite Kanal bleibt unverzerrt, selbst wenn der erste, 
empfindlichere Kanal schon übersteuert). Die Geräusche sind 
unterschiedlich laut und oft nur eine halbe Sekunde lang, deshalb denke 
ich, das ein Dynamikkompressor nicht weiterhilft.

von Mohandes H. (Firma: مهندس) (mohandes)


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Mal was anderes: am Ein- & Ausgang C3/C5 sitzen Elkos 2u2/16 im 
Signalweg. Wäre es nicht sinnvoller die beiden durch Folien-Cs zu 
ersetzen? Oder spielt das für die Qualität des Signals keine Rolle?

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Dann solltest du dir auf jeden Fall eine Kapsel mit geringen 
Eigenrauschen aussuchen. Üblicherweise spielt der nachfolgende 
Vorverstärker mit seinem Rauschen ohnehin eine untergeordnete Rolle, 
denn der "Flaschenhals" ist das Eigenrauschen des Mikrofons. Aber völlig 
ignorieren darf man natürlich nicht, was im VV passiert.

Bei der Auswahl der Kapsel ist das Verhältnis Empfindlichkeit zu 
Eigenrauschspannung entscheidend. Es ist wahrscheinlich, dass der 
Dynamikbereich, der dabei erreicht wird, nicht größer ist, als der der 
üblichen ADCs in PCs. Sehr gute ADCs verfügen über einen Dynamikbereich, 
der größer ist, als selbst der der teuersten Mikrofone. Das bedeutet, 
dass, wenn es richtig gemacht wird, keine Einstellung der Vorverstärkung 
mehr notwendig ist, weil durch rein digitales multiplizieren (= 
"verstärken") der Störspannungsabstand nicht verschlechtert wird(!).

Das kann man anhand der technischen Daten und auch mit eigenen Messungen 
alles gut durchrechnen und so bestimmen, wo die günstigsten 
Arbeitsparameter liegen. Man muss nicht raten, Meinungen einholen oder 
hoffen.

Nebenbei: Für deine Idee mit zwei Zweigen mit unterschiedlicher 
Verstärkung brauchst du nur eine Kapsel.

Mohandes H. schrieb:
> Oder spielt das für die Qualität des Signals keine Rolle?
Ich sehe das eher als High-End-Esotherik an.

von Dieter (Gast)


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Wenn es noch empfindlicher und rauscharm werden soll, dann denke darüber 
nach mit zwei Verstärkern hintereinander das Signal auf die gewünschte 
Amplitude zu bringen.

Wer mal Datenblätter wälzt, da steht meist 2.2K als Widerstand.
https://www.ltt-versand.de/Ton/Mikrofone/Zubehoer-fuer-Mikrofone/Mikrofon-Kapseln/MONACOR-MCE-4001-Elektret-Mikrofonkapsel::100523.html

Je nach Kapsel können insgesamt bis zu 20dB unterschiedliche 
Empfindlichkeiten vorhanden sein. Viel Signal liefern Kapseln mit 6mV/Pa 
(0,6mV/µbar). Geht meist aber auf Kosten des S/N.
Der S/N Wert liegt meist um die >58dB (nur >34dB gibt es auch).

Was im ECM drin ist:
http://www.b-kainka.de/bastel42.htm

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Dieter schrieb:
> Wenn es noch empfindlicher und rauscharm werden soll, dann denke darüber
> nach mit zwei Verstärkern hintereinander das Signal auf die gewünschte
> Amplitude zu bringen.
Hä? Rauschärmer??? Hast du dich vertippt?

von Ach Du grüne Neune (Gast)


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Der Zahn der Zeit schrieb:
> Hä? Rauschärmer??? Hast du dich vertippt?

Er hat sich nicht vertippt. Das funktioniert schon. Hier ein Beispiel 
mit einem zusätzlichen Transistor, allerdings für ein dynamisches 
Mikrophon.

Beitrag "Re: rauschen Dynamisches Mic (250 Ohm) am Differenzverstärker"

von Dieter (Gast)


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Der Zahn der Zeit schrieb:
> Hä? Rauschärmer??? Hast du dich vertippt?

Wenn R2 der Eingangsschaltung für hohe Verstärkung hochohmiger wird, 
hast Du noch eine weitere Rauschquelle am Eingang.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Ach Du grüne Neune schrieb:
> Er hat sich nicht vertippt. Das funktioniert schon. Hier ein Beispiel
> mit einem zusätzlichen Transistor, allerdings für ein dynamisches
> Mikrophon.
>
> Beitrag "Re: rauschen Dynamisches Mic (250 Ohm) am Differenzverstärker"
Das ist lediglich eine (vermutlich) rauschärmere Eingangsstufe für einen 
Verstärker (was nicht schwer bei einer 741 ist). Nicht mehrere Stufen 
hintereinander sind die Lösung - die erste Stufe muss die rauschärmste 
sein, und solange die genügend verstärkt, spielt das Rauschen aller 
folgenden Stufen keine Rolle mehr! Die können doch nicht das Rauschen, 
das am Anfang der Kette entsteht, wieder entfernen...

Apropos Anfang der Kette: Geh davon aus, dass eine "normale" (billige) 
ECM Kapsel mehr Rauschen erzeugt, als ein vernünftig gemachter, 
nachfolgender Vorverstärker.

Dieter schrieb:
> Wenn R2 der Eingangsschaltung für hohe Verstärkung hochohmiger wird,
> hast Du noch eine weitere Rauschquelle am Eingang.
Erklär' das mal. Ich habe keine Erklärung dafür.

von Dieter (Gast)


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Der Zahn der Zeit schrieb:
> Dieter schrieb:
>> Wenn R2 der Eingangsschaltung für hohe Verstärkung hochohmiger wird,
>> hast Du noch eine weitere Rauschquelle am Eingang.
> Erklär' das mal. Ich habe keine Erklärung dafür.

Guck mal das Diagramm ungefähr in der Mitte:
https://www.beis.de/Elektronik/Nomograms/R-Noise/ResistorNoise.html

von Lurchi (Gast)


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Das Rauschen von R2 ist relativ zum Ausgang. Ein größerer Widerstand 
führt damit zu weniger Rauschen, wenn man es wie üblich auf den Eingang 
bezieht.
Wenn man z.B. den Widerstandes verdoppelt, steigt das Rauschen des 
Widerstandes um den Faktor 1.4 , die Verstärkung verdoppelt sich aber 
und auf den Eingang bezogen hat man nur 70% des Rauschens vom 
Widerstand.

In der Regel dürfte die Mikrofonkapsel die dominierende Rauschquelle 
sein.

Die Schaltung als Transimpedanzverstärker ist ungewöhnlich, aber nicht 
schlecht für eine Elektretkapsel.

Ob man für die Koppelkondensatoren große Folienkondensatoren oder Elkos 
nutzt macht keinen wirklichen Unterschied im normalen Frequenzbereich. 
Nichtlineare Effekte unter 10 Hz interessieren eher weniger. Die 
Kondensatoren sehen erst unterhalb der Grenzfrequenz eine merkliche 
Wechsel-Spannung und könnte da Fehler verursachen.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Lurchi schrieb:
> Wenn man z.B. den Widerstandes verdoppelt, steigt das Rauschen des
> Widerstandes um den Faktor 1.4 , die Verstärkung verdoppelt sich aber
> und auf den Eingang bezogen hat man nur 70% des Rauschens vom
> Widerstand.
Das hätte ich auch gerne geantwortet. Lurchi war schneller. Auch sonst 
muss ihm Recht geben, außer - was ist den der Vorteil eines TIAs in 
dieser Applikation? Abgesehen davon, dass es keine 
Gleichtakt-Verzerrungen gibt, die  ja wohl nur in extrem anspruchsvollen 
Designs eine Rolle spielen?

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Der Zahn der Zeit schrieb:
> Abgesehen davon, dass es keine
> Gleichtakt-Verzerrungen gibt, die  ja wohl nur in extrem anspruchsvollen
> Designs eine Rolle spielen?
Ich verbessere mich: Die Verzerrungen durch die Nichtlinearität eines 
Spannungsausgangs, sei es, einer Emitter- bzw. Source-Schaltung oder 
eines Emitter- bzw. Source-Folgers, sind hier zwar immer noch 
vernachlässigbar, aber immer noch viel größer als die durch die 
Gleichtakt-Verzerrungen eines Op-Amps verursachten und werden in einer 
TIA-Schaltung vermieden.

von Dieter (Gast)


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Für das thermische Rauschen ist zu berechnen:
Widerstand Rges aus R1||R2||Rim  (Rim: Innenwiderstand Mikro)

An diesem Faktor ändert R2 nicht viel, wenn dieser bereits schon ein 
vielfaches von R1||Rim hat. Es wird aber nicht weniger!

Pro Volt angelegter Spannung tritt ein sogenanntes Stromrauschen von x 
μV auf. Das gesamte Rauschen eines Widerstands kann man berechnen, indem 
man dieses Stromrauschen auf Basis der Datenblattangaben berechnet und 
zusätzlich nach das thermische Rauschen berechnet.

Das Stromrauschen tritt jedoch an R2 nur während einer Signalamplitude 
auf. Ohne Signal nicht. (Das ist auch eine der Ideen beim 
Transimpedanz-Verstärker.)

Bei einem Sinussignal ist das Stromrauschen am stärksten im 
Scheitelpunkt. Bei Baßtönen läßt sich das Rauschen am besten hören, wenn 
es stark genug ist.

von Lurchi (Gast)


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Dieter schrieb:
> Das gesamte Rauschen eines Widerstands kann man berechnen, indem
> man dieses Stromrauschen auf Basis der Datenblattangaben berechnet

Die Angaben zum Stromrauschen (zusätzliches Rauschen durch Schwankungen 
des Widerstandes) in den meisten Datenblättern sind eher dünn und grobe 
obere Grenzen. Zur wirklichen Berechnung eines typischen Wertes taugen 
zu Zahlen eher nicht.
Eine wesentliche Spannung sieht eigentlich nur R1, aber selbst da ist 
die Spannung nicht so groß und beim Mikrofon ist man auch weniger an den 
sehr niedrigen Frequenzen interessiert.

R1 dürfte auch beim thermischen Rauschen schon mehr Beitragen als R2.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Dieter schrieb:
> An diesem Faktor ändert R2 nicht viel, wenn dieser bereits schon ein
> vielfaches von R1||Rim hat. Es wird aber nicht weniger!
Ja, das stimmt. Es kommt allerdings zum gesamten Rauschen am Ausgang 
noch das thermische Rauschen von R2 hinzu, das der Op-Amp kompensieren 
muss.

Gesamte, durch thermisches Rauschen verursachte Ausgangsspannung = 
(geometrische) Summe von U(R1||R2||Rim * Gain) und U(R2).

Zahlenwerte:
R1||Rim = 1,7 kOhm (~2,2 k || 10k) angenommen.
75 kOhm||R1||Rim  = 1,6666... 1,7 kOhm ->  5.257 nV/√Hz
750 kOhm||R1||Rim  = 1,6961 1,7 kOhm ->  5.303 nV/√Hz
75 kOhm: 73,53 nV/√Hz Rauschspannung am Ausgang
750 kOhm: 748,3 nV/√Hz Rauschspannung am Ausgang
Letzteres bei genau 10-facher Ausgangsspannung. Danach ist der 
hochohmigere R2 ungünstiger.

Jetzt kommt noch R2 dazu:
75 kOhm:  35.26 nV/√Hz
750 kOhm:  111.5 nV/√Hz
Also:
√((35.26 nV/√Hz)² + (73,53 nV/√Hz)²) = 81,54 nV/√Hz
√((111.5 nV/√Hz)² + (748,3 nV/√Hz )²) = 756,56 nV/√Hz

also weniger, also weniger die 10-fache Rauschspannung während die 
Verstärkung 10-fach ist.  Danach ist der hochohmigere R2 günstiger. 
(Rauschspannungen aus 
https://www.beis.de/Elektronik/Nomograms/R-Noise/ResistorNoise.html)

Nächstes Thema: Rauschstrom. Normalerweise nennt man Rauschstrom den 
Strom, der aus einem Verstärker-Eingang kommt und über einen 
Quellwiderstand > 0 eine Rauschspannung (U = R * I) verursacht (Input 
Noise Current). Den könnte man auch noch diskutieren.

Du meinst aber das, was auf 
https://www.beis.de/Elektronik/ResistorCurrentNoise/WiderstandsStromrauschen.html 
"Strominduziertes Widerstandsrauschen" genannt wird. Das ist sehr stark 
von der Bauart des Widerstands abhängig. Was sich dabei ergibt und ob 
sich überhaupt etwas dabei ergibt, ist im Abschnitt "Abhängigkeit vom 
Widerstandswert" zu sehen. Die Kurven dort sind bei konstantem Strom, 
nicht bei konstanter Spannung aufgenommen. Danach ist es wahrscheinlich, 
dass ein hochohmigerer Widerstand weniger Rauschstrom verursacht als ein 
niederohmigerer.

So, das musste ich selber erst einmal durchrechnen, um zu sehen, was nun 
wirklich passiert.

von Dieter (Gast)


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Der Zahn der Zeit schrieb:
> Zahlenwerte:
> R1||Rim = 1,7 kOhm (~2,2 k || 10k) angenommen.
> 75 kOhm||R1||Rim  = 1,6666... 1,7 kOhm ->  5.257 nV/√Hz
> 750 kOhm||R1||Rim  = 1,6961 1,7 kOhm ->  5.303 nV/√Hz
> 75 kOhm: 73,53 nV/√Hz Rauschspannung am Ausgang
> 750 kOhm: 748,3 nV/√Hz Rauschspannung am Ausgang
> Letzteres bei genau 10-facher Ausgangsspannung. Danach ist der
> hochohmigere R2 ungünstiger.

Jetzt nehme ich mal an, das Eingangssignal sei so groß gewesen, dass der 
OP genau im ersten Fall 73,53mV ausspuckt. Dann ist das S/N 1000:1.
Im zweiten Fall spuckt der OP 735.3mV für das Signal aus. Dann ist das 
S/N 1000:1.0176
Also nur minimal ungünstiger bei hochohmigeren R2.

Damit ist die Berechnung schon am Ende für Pin 4 des OP.
Nicht doppelt berechnen.

Im folgenden hast Du die Rauschspannung berechnet die R2 an dem Pin 1 
des noch einbringt berechnet. Korrekterweise ist diese Rauschspannung 
aber als R2||R4 zu berechnen (und Ri_Output des OP müßte auch noch 
berücksichtigt werden). Und diese wäre mit 1/Verstärkungsfaktor auf den 
Eingang zurückzuübertragen. Aber das macht man nicht mehr, weil das 
nicht mehr ins Gewicht fällt.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Du hast mich ganz schön ins Grübeln gebracht. Aber am Schluss muss ich 
dir Recht geben. Asche auf mein Haupt. Ich sollte es wissen, denn 
prinzipiell gilt: Je hochohmiger das Gegenkopplungsnetzwerk, desto mehr 
thermisches Rauschen am Eingang. So einfach ist das, es ist mir seit 
langer Zeit vollkommen bewusst, es gilt auch hier, und warum ich das 
nicht gleich so gesehen habe, obwohl es so offensichtlich ist, ist mir 
auch nicht ganz klar. Allerdings ahne ich es - aber das führt hier zu 
weit.

Das es nur minimale Unterschiede sind, es hier aber um die prinzipiellen 
Zusammenhänge geht, ist ja auch klar.

Bleibt mein Einwand: Op-Amps spucken nicht - schon gar nicht in diesen 
Zeiten:-)

von Dieter (Gast)


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Alles halb so wild. Und mit Deinen Berechnungen hast Du uns hier eine 
ganze Menge an Arbeiten abgenommen.

Der TO muss halt jetzt das Datenblatt für sein Mikro ECM suchen und 
nachsehen, was für Rauschwerte dort angegeben sind. Je nach dem lohnt 
sich der Aufwand oder ist sinnlos.

von Dieter (Gast)


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Mit Vss 9V gaebe es noch obige Schaltung.

von Dieter (Gast)


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IMG_20200425_102027.jpg:
- nur Spannungsverstärkung (Vss > 5V),
- für Eingänge mit ca. 50k oder mehr Eingangswiderstand.
- niedriger Stromverbrauch (gleicher Strom für Mikro und Schaltung)
- niedriges Rauschen.

Diese ist aber nicht als Vorverstärkerschaltung für einen 
Transimpedanzverstärker geeignet. Dafür müsste noch eine zweite Stufe 
mit einem weiteren Transistor ergänzt werden.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Ich denke, das wird nicht klappen, weil die Kapsel nur ~0,6 V 
Betriebsspannung bekommt.

Generell frage ich mich, wie ECMs intern aufgebaut sind. Bislang habe 
ich auf die Schnelle nur gefunden:
Wikipedia: "Man unterscheidet zwischen zweipoligen und dreipoligen 
Kapseln. Dreipolige Kapseln werden vorzugsweise in Drainschaltung 
betrieben, während zweipolige Kapseln nur in Sourceschaltung (siehe 
Bild) betrieben werden können."

Die Verhaltensweisen sind ja prinzipiell unterschiedlich: In 
Source-Schaltung ist der Arbeitswiderstand für die Verstärkung über die 
Steilheit des FETs im Arbeitspunkt entscheidend. Gekoppelt mit einem TIA 
wirkt der Gegenkopplungswiderstand des TIAs als Arbeitswiderstand und 
würde, z.B. in diesem Fall, die Verstärkung um 75k : 10k erhöhen. Also 
ziemlich wenig. Vernachlässigt habe ich hier die Ausgangsimpedanz des 
FETs. Wenn die mit 2,2k angegeben ist, wäre sie natürlich entscheidend, 
und wir kämen auf 75k : 2,2k.

2,2k scheint mir aber eine arg niedrige Ausgangsimpedanz für einen 
N-JFET.

Ich sehe nicht ein, warum zweipolige Kapseln nur in Sourceschaltung 
betrieben werden können. Mit einem P-JFET geht es auch zweipolig in 
Drain-Schaltung als Source-Folger, der externe Widerstand ist dann der 
Source-Widerstand. Dann wäre die Ausgangsimpedanz viel kleiner, da 
kommen mir 2,2k wieder arg hoch vor.

In einigen Datenblättern habe ich dazu nichts besseres als das auf dem 
Bild gefunden. Das kann beides sein. Vielleicht sind P-JFETs in solchen 
Anwendungen ja prinzipiell ungeeigneter.

von Lurchi (Gast)


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Soweit ich weiß haben die 2 poligen Kapseln den Kondensator mit Elektret 
für die "Vorspannung" zwischen Source und gate. Der Leckstrom am Gate 
sorgt auch für die DC Vorspannung, sonst ist da ggf. noch ein sehr 
hochohmiger Widerstand parallel. Durch die Interne Schaltung ist quasi 
vorgeben eine Source-schaltung zu nutzen. Wenn man das Mikrifon anders 
herum polt passe die DC Spannung nicht mehr so richtig. Im Prinzip 
könnte man aber wohl noch ein Signal sehen.

Die Ausgangsimpedanz der Kapseln sollte auch deutlich höher als die 
genannten 2.2 K sein (eher so 100 K - 1 Meg). Die 2.2 K sind ggf. 
relevant weil für einen ähnlichen Widerstand die Empfindlichkeit 
angegeben ist. Man würde auch mit einem größeren Widerstand bei der 
normalen Schaltung noch mehr Signal bekommen. Allerdings überwiegt dann 
ggf. irgendwann die Kapazitive Last. Auch muss der Strom ja irgendwo her 
kommen. D.h. viel mehr als die 10 K gehen nicht um etwa 0.5 mA zu 
bekommen.

von Dieter (Gast)


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Rätselt mal nicht lange weiter. Schaut Euch den letzten Link vom Beitrag
 24.04.2020 14:50 an. Dort wurde eines zerlegt.

von Burkhard (Gast)


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Der Zahn der Zeit schrieb:
> Generell frage ich mich, wie ECMs intern aufgebaut sind. Bislang habe
> ich auf die Schnelle nur gefunden:

Hallo ZdZ, es gibt ein paar Seiten mit Mikrophon-"Teardowns", z.B. 
http://www.firstpr.com.au/rwi/mics/2009-09-a/ . Dort werden ein paar der 
verbauten JFETs identifiziert (bzw. erraten): z.B. n-Typen: 2SK1109, 
2SK596. Beim 596 dürfte Ron eher im Bereich 20k liegen (Idss@5V ~ 250uA, 
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/2SK596S-D.PDF).

Beim FG-23629 von Knowles (JFET unbekannt) messe ich ca. 22k von Out zu 
GND. Bei einem Kapseldurchmesser von 2.6mm scheint mir ein Teardown 
wenig aussichtsreich :-)

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Der Link ist informativ. Wenn ich mal davon ausgehe, dass alle 2-poligen 
so gebaut sind (also Source-Schaltung), und die Transistordaten wie die 
vom K1109 sind, dann müsste die DC-Ausgangsimpedanz des FETs bei 250 
kOhm liegen, also eine reine Konstantstromsenke sein. Allerdings dürfte 
die Verstärkung der gesamten Schaltung durch den Miller-Effekt bestimmt 
(Cdg/Ccaps) sein, und damit eine erhebliche Gegenkopplung bei höheren 
Frequenzen im Audio-Bereich entstehen, die die Ausgangsimpedanz der 
gesamten Schaltung wiederum senkt - was die mir zuvor schleierhaften 
2,2k erklärt. Mit ganz wenigen pF für Cdg (Drain-Gate) zu ~15pF für 
Ccaps wird die Ladung, die sonst in 15pF entsteht, jetzt in wenige pF 
übertragen, wodurch die Spannung höher ist. Nebenbei: Der FET wirkt bei 
Audio-Frequenzen also auch als TIA.

(Bleibt die unwichtige Frage, ob es nicht auch 2-polige Kapseln mit 
P-JFET als Source-Folger gibt, oder warum nicht.)

von Berny (Gast)


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Bei Youtube hat jemand ein Video zum Thema "Elektret Mikrofonkapsel 
umbauen auf 3 Polig, Sourceschaltung und Drainschaltung" eingestellt:

https://www.youtube.com/watch?v=VdGFPjPq5mw

von Harald W. (wilhelms)


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Der Zahn der Zeit schrieb:

> Vielleicht sind P-JFETs in solchen
> Anwendungen ja prinzipiell ungeeigneter.

P-Fets und PNP-Transistoren haben bei gleichem Aufbau grund-
sätzlich schlechtere Daten als gleichgrosse N-Ausführungen.
Das ist physikalisch bedingt und deshalb wird man normaler-
weise keine P-Typen verwenden, wenn es schaltungstechnisch
nicht notwendig ist.

von Dieter (Gast)


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Dortige Schaltung zu Beginn und Bemerkung hierzu rauscharme Variante 
ohne 1G Widerstand:
Beitrag "Re: Wie Bauteile rund um FET dimensionieren?"

von Gerhard H. (ghf)


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Harald W. schrieb:
> Der Zahn der Zeit schrieb:
>
>> Vielleicht sind P-JFETs in solchen
>> Anwendungen ja prinzipiell ungeeigneter.
>
> P-Fets und PNP-Transistoren haben bei gleichem Aufbau grund-
> sätzlich schlechtere Daten als gleichgrosse N-Ausführungen.
> Das ist physikalisch bedingt und deshalb wird man normaler-
> weise keine P-Typen verwenden, wenn es schaltungstechnisch
> nicht notwendig ist.

Das ist gerade in Bezug auf Rauschen und PNP-Transistoren grundfalsch.
Interessante p-Fets sind ausgestorben.

Gruß, Gerhard

von Nichtverzweifelter (Gast)


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Der Elko im Signalausgang der Schaltung ist verpolt eingezeichnet. Am 
OP-Ausgang steht ständig die halbe, positive Betriebsspannung an.

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