Preamplificador de micrófono, corrección de ruido y problemas de ganancia

Estoy tratando de arreglar un preamplificador (hecho por un colega) que es ruidoso y de alguna manera no amplifica lo suficiente. Debo decir de inmediato que este proyecto está superando mis conocimientos de electrónica, por lo que tengo muchas preguntas. En realidad, hay 2 copias en 2 placas, para un electret y un micrófono dinámico, pero el diseño era el mismo, excepto por la "alimentación enchufable" para el electret (no la alimentación fantasma, esto espera alrededor de 5 V, aunque supongo que actualmente está recibiendo 12V). Este es el circuito actual (solo R3 es diferente entre las 2 placas).

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

A partir de mi investigación, encontré algunas cosas que tal vez deberían hacerse de manera diferente. En primer lugar, parece que lo que recibo es principalmente ruido de la línea eléctrica. (Intenté obtener fuentes de alimentación más limpias pero con un presupuesto pequeño que no funcionó). En cambio, podría agregar un poco de filtrado en el divisor de voltaje y en el circuito de polarización de electret. Tampoco me gusta la idea de atenuar después de amplificar, así que movería el potenciómetro para controlar la ganancia, como tal:

esquemático

simular este circuito

Pero estos cambios significan que tengo que rehacer prácticamente todo, y el producto está en un estado "terminado" (en una caja con conectores y todo), así que me gustaría minimizar los cambios si es posible.
1) (pregunta principal) Me preguntaba si "prefiltrar" la fuente de alimentación sería equivalente/mejor/peor que tener los filtros en los circuitos del preamplificador.
Estaba pensando, por ejemplo, en agregar un filtro RC de segundo orden en un tablero pequeño separado. Reduciría un poco el voltaje, pero puedo usar resistencias pequeñas y luego hacer un buen filtro en lugar de 3.

El otro tema es la ganancia. Tenga en cuenta que el objetivo es obtener audio de nivel de línea, de modo que la voz de los micrófonos tenga un volumen comparable al de otros sonidos provenientes de una computadora. Las salidas van a los altavoces (esto es parte de un intercomunicador/mezclador). La ganancia ya está en 2k y sigue siendo bastante débil. Estoy pensando que tal vez el micrófono electret no está recibiendo la potencia adecuada. Creo que se supone que debe rondar los 5 V, pero leí en otro hilo algo que no entendí del todo sobre el funcionamiento interno del electret y cómo el valor de la resistencia cambiaría la amplitud que generaría.
2) ¿Algún consejo sobre qué valor usar para la polarización de electret?
Tenga en cuenta que la placa de micrófono dinámico (sin R3) también suena débil, pero tendré que verificar, su R5 podría tener un valor diferente.

Finalmente, también leí sobre el ruido de la resistencia y cómo es mejor no subir demasiado (y usar una película metálica) con ganancias tan altas. Pero no estoy seguro de qué resistencias serían las más críticas. En el segundo esquema, supongo que R8, R4... ¿No estoy seguro si el divisor de voltaje también, R3, R9/11? Relacionado con eso, no estoy seguro de qué valores usar para el divisor de voltaje.
3) Además de no desperdiciar demasiada energía (preferir valores grandes) o ruido de resistencia (preferir valores bajos), ¿hay otros factores a considerar?
Tenga en cuenta que el micrófono dinámico tiene una impedancia de salida de 600 Ω pero el electret, 5 kΩ.
4) ¿Debería "sintonizar" los circuitos de manera diferente, o simplemente ir con el más alto y darles una impedancia de entrada de aproximadamente 50kΩ (R8)?

¡Cualquier otro comentario o consejo sobre el circuito sería apreciado!

5) En el segundo circuito, ¿debería dejarse "flotante" la salida después de Cout o agregarse una R al neutro y, de ser así, qué valor de R?

¿Qué tipo de ruido es? ¿Cómo suena? ¿Hay alguna forma de pasar banda y encontrar la frecuencia? Esto podría ayudar a localizar el problema en el circuito o posiblemente dentro de su configuración completa.
El ruido en realidad suena diferente con diferentes fuentes de alimentación, zumbidos de varias frecuencias en su mayoría, y desaparece con una fuente regulada de escritorio grande (cara). También comencé a probar agregando un filtro antes de los preamplificadores con resultados alentadores, pero algunas otras partes en la misma caja no funcionaron con el filtro. Ahora me estoy preparando para desmontar algunas piezas más, de ahí mi publicación.
¿Qué tipo de micrófono de condensador estás usando? ¿Es adecuada la ganancia cuando se utiliza con un micrófono dinámico?
Para continuar con @ThreePhaseEel, también verifique la entrada esperada en cualquier equipo que esté usando para ver lo que puede tomar. También verifique dos veces el preamplificador para asegurarse de que pueda funcionar con alimentación fantasma de 48 V. De hecho, no veo el poder fantasma. ¿Puedes verificar?
@zorgkang Además, un consejo rápido de depuración, conecte el preamplificador del micrófono con un elevador de tierra. Deshacerse de la ruta de retorno a tierra puede ayudar. Sugeriría no agregar un filtro de antemano. Básicamente, está diciendo que el ruido está en el micrófono o el cable en ese punto. Si ese es el caso, arregla eso, no el preamplificador. Si quieres jugar con eso, prueba con diferentes micrófonos y cables mejor blindados.
¿Es este audio de alta fidelidad? ¿O el micrófono es solo para captura de voz (similar al teléfono)? En este último caso, puede aumentar la frecuencia de corte del micrófono a 500 Hz o más utilizando una tapa de acoplamiento de CA más pequeña en la entrada. Si su ruido es de baja frecuencia, eso debería ayudar un poco.
Parece que el primer circuito tiene una ganancia de 2201. Dado que el TL071 tiene un GBW de 3 MHz, limita el ancho de banda del amplificador a menos de 1400 Hz. Definitivamente no es de alta fidelidad. El segundo circuito es mejor, pero con mayores ganancias aún tendrá un ancho de banda limitado. ¿Cuánta ganancia necesitas realmente?
@Three No recuerdo cuál fue peor, pero ambos no fueron lo suficientemente fuertes.
@mcmiln No hay alimentación fantasma, lo siento por no dejarlo en claro, se trata de "alimentación enchufable" para un viejo micrófono electret de Sony que fue diseñado para conectarse a una cámara de video. Espera alrededor de 5V, creo. Esa es la parte claramente indicada "solo para micrófono electret". No entendí tu segundo comentario. Estaba hablando de filtrar la fuente de alimentación, no la señal del micrófono. Tendré que leer sobre lo que podría ser un elevador de tierra ... En este momento, nada está conectado a tierra en mi preamplificador. Finalmente, editaré la pregunta para aclarar que el preamplificador debe emitir a nivel de línea, va a los altavoces.
@mkeith Es para voz (un intercomunicador). Sin embargo, los zumbidos no solo eran de baja frecuencia, ¿eso también filtraría el ruido del divisor de voltaje? Pensé que se necesitaba C5 para eso. De hecho, estaba pensando en esa gorra de Cin después de publicar. ¿No es la polaridad incorrecta en la configuración electret? ¿El electret recibe 12V mientras que el otro lado tiene aproximadamente 6V? ¿O me falta algo básico sobre los condensadores polarizados?
@John Eso parece muy relevante, pero no tengo idea de cómo funciona GBW (¿ganar ancho de banda?). Tendré que leer sobre eso. Necesito la ganancia que hará que la voz suene a un volumen "normal" a nivel de línea. Específicamente, hay un interruptor que interrumpe el audio de otro nivel de línea proveniente de una computadora cuando deseo hablar en el intercomunicador, por lo que el nivel de voz debe ser comparable (audible y no demasiado alto).
Me refiero al esquema original. Sugeriría cambiar Cin a un límite mucho más pequeño. No hay razón para amplificar todo el sonido de baja frecuencia. Creo que 0.022uF establecerá su límite de baja frecuencia en 300 Hz, lo que debería ser razonable. No veo ninguna razón para agregar resistencia en la salida. Así que me desharía de R6 y R7 con seguridad, al menos para fines de prueba. (Reemplazarlos con pantalones cortos). ¿Adónde va la salida, de todos modos? ¿Quizás esas resistencias son para protección contra cortocircuitos? La ganancia parece excesivamente alta, pero dado que usted dice que la señal es débil, manténgala alta, por ahora.
Oh, ¿estás seguro de que tienes la polaridad correcta en el micrófono? Los micrófonos de condensador tienen polaridad DC.
Para un circuito de intercomunicación, unos pocos kHz de ancho de banda probablemente estén bien, aún así el segundo circuito es mejor (suponiendo que el potenciómetro esté realmente conectado como una resistencia variable, el esquema no muestra eso). Puede obtener información sobre la ganancia de ancho de banda en cualquier referencia sobre amplificadores operacionales. Si hay algo que no está claro, siempre puede comenzar una nueva pregunta aquí.
@John Sí, me di cuenta después de publicar cómo se supone que se dibuja el bote en el circuito. Lo arreglaré en ambos circuitos.
Lo siento, la pregunta es muy larga y me da pereza leerlo todo. Pero sé que sesgar un micrófono puede ser mucho más limpio si usa un opamp que amortigua una referencia de voltaje. Echa un vistazo a MAX9814. Muestran exactamente eso en el diagrama.
@zorgkang ¿Alguna vez probaste una dinámica? Podría estar equivocado aquí, pero estaba bastante seguro de que los condensadores de estado sólido no funcionan sin fantasma. Es posible que tenga algo de energía alimentada al micrófono que le proporcione señales pequeñas, pero no lo suficiente (a menos que tenga un micrófono de válvula). --Interesante wiki sobre electrets. Phantom no es necesario, pero muchos preamplificadores lo usan para ellos. ¿Y hay una batería en este micrófono? Si es así, verifique el voltaje y vea si es necesario reemplazarlo.
@mkeith Gracias. ¿Qué componentes componen este filtro de paso alto con Cin? Por los números que das, creo que es la resistencia de polarización de 22k, pero eso solo filtraría esa potencia de polarización, ¿no? ¿No pasaría el mismo ruido de la fuente de alimentación a través del divisor de voltaje? ¿Y la señal del micrófono no obtendría el mismo filtro (probablemente dependa de su impedancia de salida)? En cuanto a la salida, es a altavoces con conector TRS, así que creo que tienes razón, debe haber sido por protección corta. Sin embargo, no tengo idea de cuánto R se necesita para eso, o cuál es el riesgo. Una vez más, más lectura para hacer sobre eso.
@zorgkang Y un elevador de suelo simplemente se deshace del suelo. Esencialmente, si tomó un enchufe de tres puntas y arrancó el tercer enchufe. No es algo malo si tiene cuidado y, a menudo, se realiza en espacios de estudio muy reducidos. Incluso puedes deshacerte del zumbido del amplificador como ese. Todo es cuestión de corriente de retorno.
@mcmiln Compruebe PiP en.wikipedia.org/wiki/… . Y nuevamente, la otra placa sin R3 es para un micrófono dinámico. Haré algunas pruebas más hoy para aclarar las diferencias entre las dos placas.
@mcmiln Gracias por la aclaración del elevador de tierra. Pero como dije, nada conectado a tierra actualmente, solo usando + y - de la fuente de alimentación según el circuito. En realidad, esa es otra cosa más que me pregunto: qué conectar a tierra, en todo caso. Me inclinaba solo a poner a tierra el blindaje en la caja y los cables, si ayuda.
En referencia al primer esquema, Cin, R1 y R2 forman un filtro de paso alto. La constante de tiempo es Cin * la resistencia paralela de R1 y R2. Entonces, es Cin * 47k/2.
Hice varias sugerencias en uno de mis comentarios. ¿Probaste alguno de ellos? Sé que quieres entender lo que está pasando, pero también quieres solucionar el problema, ¿verdad? Traté de sugerir cosas que eran relativamente fáciles de probar.
@mkeith Sí, gracias, probaré con una gorra diferente. Aún no he tenido tiempo, eso es todo. Verifiqué la polaridad del micrófono, está bien.

Respuestas (1)

Su pregunta es demasiado larga para leer, así que solo estoy respondiendo al esquema. No está claro sobre qué esquema está preguntando, así que agarré el primero. Para mantener esta respuesta consistente si se edita la pregunta, aquí está el esquema:

  1. 12 V es bastante alto para controlar un micrófono electret. 3-5 V es más normal. Verifique la hoja de datos.
  2. 22 kΩ es bastante alto para controlar un micrófono electret. ¿Incluso miraste la hoja de datos?
  3. El ruido en el suministro se acoplará directamente a la entrada a través de R3.
  4. C4 y R5 forman un filtro de paso alto a 1,6 kHz que afecta la respuesta de frecuencia general del amplificador. Las frecuencias por debajo de 1,6 kHz tendrán menos ganancia. Esto no tiene sentido. Bajar la ganancia por debajo de 20 Hz está bien y todavía se considera audio "HiFi". En algunos casos, puede ser aceptable una reducción gradual a 100 Hz aproximadamente. Rodar a 1,6 kHz es simplemente malo.
  5. Estás pidiendo demasiada ganancia de una sola etapa. La ganancia que está tratando de lograr (por encima del paso alto de 1,6 kHz) es (R4+R5)/R5 = 2,2k, lo cual es absurdo para una sola etapa. Digamos que solo le importan las frecuencias de hasta 10 kHz (HiFi llega al doble de eso) y desea un margen de ganancia de 10x para que la retroalimentación funcione bien. Espera que el producto de ancho de banda de ganancia del opamp sea 2200*(10 kHz)*10 = 220 MHz. Incluso sin el factor de 10 para la retroalimentación que está fuera de lugar.
  6. R6 no tiene sentido en absoluto. Ni siquiera puedo adivinar lo que crees que hace, pero lo que realmente hace es desperdiciar la mitad de la ganancia.
  7. El control de volumen en la salida no es una buena idea, especialmente cuando espera una ganancia tan grande. Las señales fuertes se cortarán antes de que pueda atenuarlas con el control de volumen.

Para arreglar los puntos 1-3, use un divisor de resistencia para generar el voltaje correcto para el electreto. 20 kΩ en la parte superior y 10 kΩ en la parte inferior dividirán el suministro por 3 para generar 4 V, que probablemente esté en el rango previsto del electret. Para filtrar el ruido del suministro, divida la resistencia superior de 20 kΩ en dos resistencias de 10 kΩ y ponga una tapa a tierra entre ellas. La impedancia del divisor en la tapa es de 10 kΩ//20 kΩ = 6,7 kΩ. Eso requiere al menos 1,2 µF para que la frecuencia de caída sea de 20 Hz o menos. Parece que tienes un montón de tapas de 10 µF, que funcionarían bien.

Conecte el lado + del electreto a la unión de las dos resistencias inferiores. Esto impulsa el electret con 4 V a una impedancia dinámica de 5 kΩ, que es mucho mejor que el circuito existente.

Para arreglar la ganancia, es bueno comenzar con lo que puede hacer el opamp. El TL071 tiene una ganancia típica *ancho de banda de 3 MHz. Digamos que queremos una ganancia de 10 headroom para que la retroalimentación funcione bien, por lo que quedan 300 kHz. Suponiendo audio de alta fidelidad, la ganancia debería ser plana a 20 kHz. Eso deja una ganancia de (300 kHz)/(20 kHz) = 15. Esto se basó en la ganancia típica, no mínima garantizada. Sin embargo, el factor de 10 para la retroalimentación no es exacto. Si es solo 5 a 20 kHz, la ganancia de bucle cerrado seguirá siendo razonablemente plana, así que apuntemos a una ganancia de voltaje de 15x.

La ganancia de voltaje 15x significa que R4/R5 = 14. Mantener el R4 existente significa que R5 debería ser 1,57 kΩ, por lo que es 1,6 kΩ. El filtro C4-R5 debe funcionar a 20 Hz o menos, lo que significa que C4 debe ser de 5 µF o más. Mantenga los 10 µF.

Con una ganancia sana, necesita etapas adicionales para obtener el nivel de línea y más allá. Una ventaja de esto es que puede dejar el control de volumen donde está, inmediatamente después de la primera etapa. Las señales en la primera etapa no serán lo suficientemente grandes como para causar problemas, incluso si son muy fuertes. 10 mV de un micrófono sería mucho, que multiplicado por 15 es solo 150 mV, así que está bien.

O trabajarlo al revés. El TL071 podría oscilar 8 Vpp en esta configuración. Eso dividido por 15 significa que no se recortará siempre que la entrada sea de 500 mVpp. Ningún micrófono electret o dinámico va a producir tanto.

Gracias @Olin. Tu respuesta es tan larga como mi pregunta, solo me tomó 2 minutos leerla atentamente ;). Un comentario anterior señaló el problema del ancho de banda de ganancia. Creo que entiendo todo lo que ha dicho, pero ¿el ruido de la fuente de alimentación no estaría llegando también a través de R1/R2? Es por eso que agregué C5 (y R8) en el segundo diagrama.
@zorg: si se hace bien, R1//R2 debería tener una impedancia lo suficientemente alta para que cualquier cosa que pase por Cin inunde cualquier ruido de la fuente de alimentación. Hacer lo que hiciste en el segundo esquema no duele más que agregar complejidad, podría ayudar un poco. Solucionaría esto haciendo R1 y R2 más grandes. Después de todo, solo necesitan superar la corriente de fuga de la entrada del amplificador operacional, que es bastante pequeña para este amplificador. 1 MOhm cada uno suena bien. Sin embargo, el ruido definitivamente proviene del suministro a través de R3, que debe corregir. Es por eso que dije que usara un divisor y rompiera la resistencia superior en dos para permitir el filtrado.
Con respecto a 12V en el electret, para abreviar, la idea del divisor de voltaje no funciona bien. El micrófono en sí hace un divisor con R3. A través de las pruebas, descubrí que obtengo la mejor salida del micrófono con suministro de 12 V (probado de 3 a 12 con suministro limpio) y 43 k (probado de 0 a 50 k), lo que da 4 V en el micrófono. Tendré que probar más para averiguar cuánta ganancia necesito y dónde se requiere el filtrado, según sus sugerencias y las de otros. (Y no tengo una hoja de datos, es un micrófono Sony, encontré algunas especificaciones para él. Tuve que recurrir a las pruebas).
Preamplificador de micrófono, corrección de ruido y problemas de ganancia
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