PL219586B1

PL219586B1 - Electret microphone signal amplifier

Info

Publication number: PL219586B1
Application number: PL392996A
Authority: PL
Inventors: Jerzy Nabielec; Michał Jabłoński
Original assignee: Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2015-05-29
Also published as: PL392996A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest wzmacniacz sygnału mikrofonu elektretowego przeznaczony do pracy w torze wzmocnienia sygnałów sondy natężenia dźwięku.The subject of the invention is an electret microphone signal amplifier intended to work in the amplification path of the signals of a sound intensity probe.

Znane są z literatury firmowej układy wzmacniaczy współpracujących z mikrofonem elektretowym. Typowy mikrofon elektretowy zawiera elektretowy przetwornik ciśnienia oraz konwerter impedancji zrealizowany w oparciu o złączowy tranzystor połowy z kanałem typu N. Układ wkładki mikrofonowej zasilany jest zazwyczaj ze źródła napięcia stałego o wysokiej stabilności poprzez rezystor polaryzujący, natomiast sygnał wyjściowy zbierany jest z drenu tranzystora polowego, do którego dołączony jest również rezystor polaryzujący. Ponieważ drugi koniec rezystora polaryzującego dołączony jest do źródła napięcia stałego, sygnał wyjściowy układu zawiera składową stałą napięcia, której wartość jest uzależniona od wartości napięcia dostarczanego przez źródło napięcia stałego oraz wartości spoczynkowego prądu płynącego przez dren tranzystora. W celu wyeliminowania składowej napięcia niezależnej od sygnału z elektretowego czujnika ciśnienia zazwyczaj stosuje się kondensator separujący.There are known circuits of amplifiers cooperating with an electret microphone from the company literature. A typical electret microphone includes an electret pressure transducer and an impedance converter based on a half junction transistor with an N channel. The microphone cartridge system is usually powered from a DC voltage source with high stability through a polarizing resistor, while the output signal is collected from the FET drain to which also includes a polarizing resistor. Since the other end of the bias resistor is connected to the DC voltage source, the output of the circuit includes a DC voltage component whose value depends on the value of the voltage supplied by the DC voltage source and the value of the rest current flowing through the transistor drain. A separation capacitor is usually used to eliminate the voltage component independent of the signal from the electret pressure sensor.

Z opisu patentowego amerykańskiego nr US 5577129 znany jest układ wzmacniacza mikrofonowego przeznaczonego do współpracy z mikrofonem elektretowym. Obwód wzmacniacza składa się z wzmacniacza operacyjnego oraz obwodu polaryzacji i obwodu zasilania. Do wejścia nieodwracającego wzmacniacza doprowadzone jest napięcie polaryzacji będące napięciem wyjściowym dzielnika napięcia zbudowanego z dwóch rezystorów i kondensatora połączonego równolegle do rezystora określającego napięcie wyjściowe dzielnika. Napięcie wyjściowe dzielnika poprzez rezystor szeregowy zasila wkładkę mikrofonu elektretowego. Sygnał wyjściowy mikrofonu elektretowego podawany jest poprzez szeregowo połączony kondensator i rezystor na wyjście odwracające wzmacniacza operacyjnego. Wyjście wzmacniacza operacyjnego poprzez sprzężenie zwrotne w postaci rezystora połączone jest z wejściem nieodwracającym. Układ wzmacniacza cechuje się dużą prostotą i małą liczbą elementów.US Patent No. 5,577,129 discloses a microphone amplifier system designed to cooperate with an electret microphone. The amplifier circuit consists of an operational amplifier and a bias circuit and a power supply circuit. The bias voltage is applied to the input of the non-inverting amplifier, being the output voltage of a voltage divider built of two resistors and a capacitor connected in parallel to the resistor defining the divider's output voltage. The output voltage of the divider, through a series resistor, powers the electret microphone insert. The output of the electret microphone is fed through a series-connected capacitor and resistor to the inverting output of the op-amp. The op amp output is connected to a non-inverting input through a resistor feedback. The amplifier circuit is characterized by great simplicity and a small number of components.

Obecność kondensatora w torze przesyłu sygnału nie jest korzystna, ponieważ powoduje ona modyfikację charakterystyki amplitudowo fazowej szczególnie w zakresie niskich częstotliwości. Problem ten jest szczególnie istotny w urządzeniach pomiarowych, dla których dolna wartość częstotliwości granicznej jest znacznie mniejsza aniżeli dla typowych urządzeń akustycznych. W związku z tym faktem wartość stałej czasowej RC, która jest iloczynem wartości pojemności separującej i wartości rezystancji polaryzującej powinna przybierać bardzo duże wartości. Ponieważ kondensator separujący winien charakteryzować się dużą stabilnością i małym prądem upływu nie mogą być zastosowane kondensatory z dielektrykiem o dużej wartości stałej dielektrycznej, elektrolityczne i kondensatory ceramiczne. Z kolei kondensatory wykonane z materiałów niepolarnych posiadają duże gabaryty. Osobnym zagadnieniem jest problem doboru wartości rezystancji rezystora polaryzującego wejście wzmacniacza. Podczas gdy wysoka wartość rezystancji jest korzystna ze względu na mniejsze tłumienie sygnału, jak również charakterystykę przejściową dzielnika (kondensator - rezystor polaryzujący) dla zakresu niskich częstotliwości, to jednocześnie niekorzystnie wpływa na wartości generowanych szumów, ponadto uniemożliwia utrzymanie stabilnej wartości napięcia na wyjściu wzmacniacza, z uwagi na zależność tego parametru od wartości prądu polaryzacji i wartości rezystancji rezystora polaryzującego.The presence of a capacitor in the signal transmission path is not advantageous because it modifies the amplitude-phase characteristics, especially in the low frequency range. This problem is particularly important in measuring devices, for which the lower value of the cut-off frequency is much lower than for typical acoustic devices. Due to this fact, the value of the RC time constant, which is the product of the value of the separating capacitance and the value of the polarizing resistance, should assume very large values. Since the separating capacitor should be highly stable and with a low leakage current, capacitors with a dielectric with a high dielectric constant, electrolytic capacitors and ceramic capacitors cannot be used. On the other hand, capacitors made of non-polar materials have large dimensions. Another issue is the selection of the resistance value of the resistor polarizing the input of the amplifier. While the high value of the resistance is beneficial due to the lower attenuation of the signal, as well as the transient characteristic of the divider (capacitor - polarizing resistor) for the low frequency range, it also adversely affects the noise generated and prevents the voltage at the output of the amplifier from being kept stable. due to the dependence of this parameter on the value of the polarization current and the resistance value of the polarizing resistor.

Celem wynalazku jest opracowanie możliwie prostego układu wzmacniacza sygnału przeznaczonego do współpracy z mikrofonem elektretowym i znajdującego zastosowanie w torze wzmocnienia sygnałów sondy natężenia dźwięku, który wykorzystuje zalety pracy wzmacniaczy przy zasilaniu symetrycznym i charakteryzuje się wysoką impedancją wejściową, niskim poziomem szumów, wysoką liniowością w szerokim zakresie amplitud sygnału wyjściowego. Wymagania te spełnia wzmacniacz mikrofonowy według wynalazku.The aim of the invention is to develop as simple a signal amplifier system as possible for cooperation with an electret microphone and applicable in the amplification path of the sound intensity probe signals, which uses the advantages of working amplifiers with symmetrical power supply and is characterized by high input impedance, low noise level, high linearity in a wide range output signal amplitudes. These requirements are met by the microphone amplifier according to the invention.

Wzmacniacz sygnału mikrofonu elektretowego według wynalazku ma konwerter impedancji wkładki mikrofonowej, którego źródło połączone jest z ujemnym biegunem źródła zasilania, natomiast dren konwertera impedancji wkładki mikrofonowej dołączony jest do wejścia nieodwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego, które poprzez pierwszy rezystor połączone jest z wyjściem drugiego wzmacniacza, którego wejście odwracające poprzez drugi rezystor połączone jest z wyjściem pierwszego wzmacniacza operacyjnego. Ponadto wyjście i wejście nieodwracające drugiego wzmacniacza są ze sobą połączone za pośrednictwem kondensatora.The electret microphone signal amplifier according to the invention has a microphone plug impedance converter, the source of which is connected to the negative pole of the power source, while the microphone plug impedance converter drain is connected to the non-inverting input of the first operational amplifier, which through a first resistor is connected to the output of the second amplifier, the input of which is the inverting through a second resistor is connected to the output of the first operational amplifier. In addition, the output and non-inverting input of the second amplifier are connected to each other via a capacitor.

PL 219 586 B1PL 219 586 B1

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie wykonania, który uwidoczniony jest na rysunku, który przedstawia schemat układu wzmacniacza sygnału mikrofonu elektretowego przeznaczonego do pracy w torze wzmocnienia sygnałów sondy natężenia dźwięku.The subject matter of the invention is explained in an embodiment, which is shown in the drawing, which shows a diagram of an electret microphone signal amplifier circuit designed to work in the amplification path of the signals of a sound intensity probe.

Wkładka mikrofonowa 1, typu WM61a jest połączona z ujemnym biegunem źródła zasilania oraz z wejściem nieodwracającym pierwszego wzmacniacza operacyjnego 2 typu OP27. Do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego 2 dołączony jest również pierwszy rezystor 7 o wartości 2.2 kQ, który połączony jest także z wyjściem integratora, który stanowią drugi wzmacniacz operacyjny 3 typu NE5534, kondensator 8 o pojemności 6.8 gF i drugi rezystor 6 o rezystancji 143 kQ. Ponieważ wymienione elementy łączą wyjście pierwszego wzmacniacza operacyjnego 2 z wejściem nieodwracającym drugiego wzmacniacza 3 stanowią one pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego, która utrzymuje średnią wartość napięcia wyjściowego na wyjściu pierwszego wzmacniacza operacyjnego 2 równą zero, ponieważ wejście nieodwracające drugiego wzmacniacza 3 jest przyłączone bezpośrednio do zerowego potencjału odniesienia V₀. Drugą pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego stanowią szeregowo połączone rezystory 4 i 5 o wartościach odpowiednio 2.2 kQ, i 220 kQ. Ponieważ wspólny węzeł łączący oba te rezystory połączony jest z wejściem odwracającym pierwszego wzmacniacza operacyjnego 2, rezystory 4 i 5 ustalają wartość wzmocnienia pierwszego wzmacniacza operacyjnego 2.The microphone insert 1, type WM61a, is connected to the negative pole of the power source and to the non-inverting input of the first op-amp 2 type OP27. Also connected to the input of the non-inverting operational amplifier 2 is a first 2.2 kΩ resistor 7, which is also connected to the integrator output, which is a second NE5534 type op-amp 3, a 6.8 gF capacitor 8, and a second 143 kΩ resistor 6. Since said elements connect the output of the first op-amp 2 to the non-inverting input of the second op-amp 3, they constitute a negative feedback loop that keeps the average value of the output voltage at the output of the first op-amp 2 equal to zero, since the non-inverting input of the second op-amp 3 is connected directly to the zero reference potential V ₀ . The second negative feedback loop consists of series connected resistors 4 and 5 with values of 2.2 kΩ and 220 kΩ, respectively. Since the common node connecting both these resistors is connected to the inverting input of the first operational amplifier 2, the resistors 4 and 5 set the gain value of the first operational amplifier 2.

Pierwszy wzmacniacz pełni funkcję stałoprądowego wzmacniacza sygnału uzyskanego z mikrofonu. Drugi wzmacniacz w połączeniu z kondensatorem stanowi integrator, którego celem jest takie spolaryzowanie drenu tranzystora w mikrofonie, aby wartość składowej stałej napięcia wyjściowego pierwszego wzmacniacza była równa zero. Dzięki temu, pomimo galwanicznego sprzężenia pomiędzy drenem a wejściem pierwszego wzmacniacza operacyjnego 2, zmiany wartości prądu drenu tranzystora złączowego na skutek temperatury nie wpływają na średnią wartość napięcia wyjściowego pierwszego wzmacniacza 2. Dzięki działaniu pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego następuje automatyczny dobór wartości napięcia polaryzującego tak, aby przy braku sygnału z mikrofonu elektretowego, wartość napięcia wyjściowego była równa zero. Ponieważ również średnia wartość napięcia wyjściowego jest równa zero możliwe jest uzyskanie maksymalnej wartości napięcia międzyszczytowego na wyjściu bliskiej wartości napięcia zasilania wzmacniacza operacyjnego.The first amplifier functions as a constant current amplifier for the signal obtained from the microphone. The second amplifier in conjunction with the capacitor forms an integrator, the purpose of which is to polarize the drain of the transistor in the microphone such that the DC component of the output voltage of the first amplifier is equal to zero. Thanks to this, despite the galvanic coupling between the drain and the input of the first operational amplifier 2, changes in the value of the drain current of the junction transistor due to temperature do not affect the average value of the output voltage of the first amplifier 2. Due to the negative feedback loop, the bias voltage is automatically selected so that in the absence of an electret microphone signal, the output voltage was zero. Since the average value of the output voltage is also zero, it is possible to obtain a maximum peak-to-peak voltage value close to the op-amp supply voltage.

Zaletą układu według wynalazku jest zminimalizowana ilość elementów mających bezpośredni wpływ na parametry sygnału wyjściowego. Elementami tymi są rezystory 4, 5, 7, i wzmacniacz operacyjny 2. W tym przypadku, zastosowanie trzech niskoszumowych rezystorów oraz nisko-szumowego wzmacniacza zapewnia wysoką jakość pracy kompletnego układu wzmacniającego. Pozostałe elementy, wchodzące w skład integratora, nie wymagają starannego doboru, możliwe jest więc zastosowanie typowych elementów. Przykładowo, wartość rezystora 6 i jego parametry szumowe nie mają istotnego wpływu na parametry całego układu. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia zastosowanie taniego małogabarytowego kondensatora 8 z polarnym dielektrykiem i standardowego wzmacniacza 3 wchodzącego w skład integratora.The advantage of the system according to the invention is the minimized number of elements having a direct impact on the parameters of the output signal. These elements are resistors 4, 5, 7, and an operational amplifier 2. In this case, the use of three low-noise resistors and a low-noise amplifier ensures high-quality operation of the complete amplification circuit. Other elements included in the integrator do not require careful selection, so it is possible to use typical elements. For example, the value of the resistor 6 and its noise parameters do not significantly affect the parameters of the entire system. The solution according to the invention allows the use of a cheap small-size capacitor 8 with a polar dielectric and a standard amplifier 3 included in the integrator.

Układ według wynalazku umożliwia zastosowanie małych wartości rezystancji co korzystnie wpływa na niskie wartości SEM szumów tychże rezystorów.The system according to the invention allows the use of low resistance values, which has a positive effect on the low SEM noise values of these resistors.

Układ wzmacniacza sygnału mikrofonu elektretowego według wynalazku wykazuje szereg zalet w stosunku do układów stosowanych dotychczas w praktyce. We wzmacniaczu według wynalazku, dzięki bezpośredniemu galwanicznemu połączeniu wkładki mikrofonowej z wejściem nieodwracającym pierwszego wzmacniacza operacyjnego uzyskano wysoki współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego. Układ wzmacniacza sygnału mikrofonu elektretowego według wynalazku znacznie poszerza pasmo przenoszenia w kierunku niskich częstotliwości. Brak stosowania pasywnego filtru górno przepustowego w torze wejściowym wzmacniacza mikrofonowego pozwala na pracę w szerszym zakresie częstotliwości i eliminuje elementy stanowiące źródła szumów. Rolę układu eliminującego częstotliwości poniżej zakresu pomiarowego spełnia we wzmacniaczu układ całkujący pozwalający na ustalenie dolnej częstotliwości granicznej zgodnie z potrzebami w dość szerokim zakresie poprzez zmianę wartości drugiego rezystora 6 oraz kondensatora 8 stanowiących elementy układu całkującego. Dobór wartości tych elementów nie wpływa na obciążenia mikrofonu. Zastosowana pętla sprzężenia zwrotnego zrealizowana za pośrednictwem układu całkującego stabilizuje średnie napięcie wyjściowe na wyjściu wzmacniacza mikrofonowego. Nawet w zmiennych warunkach pracy układu działa ona stabilizująco, ponieważ zmiany poziomu zasilania czy wpływ temperatury, które powodują zmiany w poziomach napięć i prądów niezrównoważenia wzmacniacza są kompensowane. W układzie według wynalazku występuje zmniejszenie wpływu zakłóceń w zasilaniu wkładki, ponieważ dodatni potencjał zasilania zapewnia stabilne, względem masy, napięcie wyjściowe integratora, natomiast wysokaThe circuit of the electret microphone signal amplifier according to the invention has several advantages over those previously used in practice. In the amplifier according to the invention, due to the direct galvanic connection of the microphone insert with the non-inverting input of the first operational amplifier, a high coefficient of attenuation of the common mode signal is achieved. The circuit of the electret microphone signal amplifier according to the invention significantly broadens the frequency response towards the low frequencies. The lack of a passive high-pass filter in the input path of the microphone amplifier allows it to operate in a wider frequency range and eliminates the elements that are the source of noise. The role of the circuit eliminating frequencies below the measuring range is performed by an integrator in the amplifier that allows to set the lower limit frequency as needed in a fairly wide range by changing the value of the second resistor 6 and the capacitor 8, which are elements of the integrating circuit. The selection of values for these elements does not affect the microphone loads. The applied feedback loop realized through the integrator stabilizes the average output voltage at the output of the microphone amplifier. Even under fluctuating operating conditions, it has a stabilizing effect because changes in the power level or temperature effects that cause changes in the voltage levels and off-balance currents of the amplifier are compensated. In the system according to the invention, there is a reduction in the impact of disturbances in the cartridge supply, because the positive supply potential ensures a stable, in relation to ground, output voltage of the integrator, while high

PL 219 586 B1 stabilność ujemnego bieguna zasilania nie jest wymagana, ponieważ rezystancja wyjścia wkładki jest stosunkowo wysoka.The stability of the negative supply pole is not required because the output resistance of the cartridge is relatively high.

Pozwala to na ograniczenie zasilania całego układu wraz z mikrofonem do jednego zasilacza symetrycznego bez konieczności stosowania zasilania bateryjnego wkładki mikrofonowej.This allows the power supply of the entire system, including the microphone, to be limited to one symmetrical power supply without the need to use a battery power supply for the microphone insert.

Zaletą układu według wynalazku jest niewielka ilość elementów decydujących o jakości sygnału wyjściowego. Stanowią je tylko trzy rezystory o stosunkowo niskich wartościach oraz jeden wzmacniacz operacyjny. Dla pozostałych elementów układu dopuszczalny jest szeroki margines tolerancji dla takich parametrów jak stabilność temperaturowa, upływność, SEM szumów.The advantage of the system according to the invention is the small number of elements determining the quality of the output signal. They are only three resistors with relatively low values and one operational amplifier. For the remaining elements of the system, a wide margin of tolerance is allowed for parameters such as temperature stability, leakage, noise EMF.

Claims

Electret microphone signal amplifier, designed to work in the amplification path of the sound intensity probe signals, containing an operational amplifier and a feedback loop, characterized in that the source of the impedance converter of the microphone insert (1) is connected to the negative pole of the power source, while the drain of the impedance converter of the microphone insert ( 1) is connected to the non-inverting input of the first operational amplifier (2), which through the first resistor (7) is connected to the output of the second amplifier (3), the inverting input of which, through the second resistor (6), is connected to the output of the first operational amplifier (2) furthermore, the output and the non-inverting input of the second amplifier (3) are connected to each other via a capacitor (8).