Nízkošumový předzesilovač

Nízkošumový předzesilovač: řešíme konstrukci předzesilovače, který by mohl sloužit jako vstupní část měřícího zařízení pro záznam signálů nízké úrovně pro různá akustická, biofyzikální, elektrotechnická aj. měření.

Následují excerpce z různých zdrojů. Internetové odkazy byly vyhledávány pomocí frází:

"nízkošumový předzesilovač"
"low-noise preamplifier"
"low-noise preampl"

Cremmel: MP3-Preamp

CREMMEL, Marcel. MP3-Preamp: Mikrofonverstärker für MP3-Player. Elektor, únor 2007, roč. 2007, čís. 434, s. 38 - 43. Vychází v šesti jazykových mutacích. Dostupné online. ISSN 0932-5468. (německy, anglicky, francouzsky, holandsky, španělsky, řecky)

Autor je profesorem elektroniky na lyceu Couffignal ve Strasbourgu a působí jako redaktor časopisu Elektor.

Článek řeší možnost využití běžně dostupného MP3 rekordéru s linkovým vstupem k nahrávání zvuku za pomoci externího mikrofonu, např. pro lovce zvuku. Tato problematika se velmi blíží našim potřebám nízkošumového měřícího předzesilovače.

Mikrofon

Návrh zesilovače je optimalizován pro dynamický mikrofon, jako příklad je uváděn reportážní mikrofon MD 21 fy. Sennheiser. Parametry:

citlivost: 1.8 mV/Pa

Naměřené hodnoty:

výstupní napětí 0.36 uV v tichém prostoru
výstupní napětí 3.6 mV v bezprostřední blízkosti pneumatického kladiva

Z toho vyplývají nároky na předzesilovač:

zpracovat dynamický rozsah 20.log (3600/0.36) = 80 dB
šumový rozkmit na vstupu musí ležet výrazně pod hladinou 0.36 uV, abychom získali dobrý poměr signál/šum
při rozkmitu vstupního signálu 3.6 mV nesmí dojít k přebuzení

K minimalizaci rušení vlivem přípojných kabelů od mikrofonu je předzesilovač řešen s diferenciálními vstupy.

Napájecí napětí

Přenosné zařízení, napájené destičkovou baterií 9V. Zapíná se automaticky při zasunutí vstupních kabelů do 3.5mm konektoru prostřednictvím spínacích MOSFETů 2N7002.

Důležité vlastnosti

stereo
kompatibilita s dynamickými a elektretovými mikrofony
max. citlivost nastavitelná ve stupních 50, 60, 70 dB
nastavení rozkitu dvěma drátovými potenciometry
šířka pásma: 50 Hz ... 50 kHz při max. zesílení 70 dB
zkreslení: 0.04% při -10 dB (316 mV _ef) / 0.12% při 0dB (1 V_ef)
hladina vstupního šumu: -124 dB (0.63 uV_ef)
napájení 9 V baterie
odběr proudu: 3 mA/kanál

Koncepce předzesilovače

Maximální napětí linkového vstupu MP3 nahrávače obnáší typicky 1 V, tj. max. rozkmit 2 V, který je digitalizován 16-ti bitovým A/D převodníkem, takže jeho rozlišení je 30 uV/hladinu. Uspokojivého poměru S/N (signál/šum) při A/D převodu je dosaženo, pokud je vstupní napětí alespoň 100x větší než je tato hodnota rozdílu hladin u nejnižšího bitu, tj. v našem případě musí být alespoň 3 mV, a tím pádem vychází požadované napěťové zesílení předzesilovače A_U = 833. Zvolíme přepínatelné zesílení:

minimální: A_U = 315 (50 dB)
střední: A_U = 1000 (60 dB)
maximální: A_U = 3150 (70 dB)

Proč tranzistory?

Řeší se, zda vstup osadit tranzistory anebo operačním zesilovačem, a srovnání šumových vlastností vychází ve prospěch varianty s tranzistory:

Varianta s nízkošumovým operačním zesilovačem TL071: šumový rozkmit 500 . 10^-18 V²/Hz, tj. 22 nV.Hz^-1/2, v rozsahu 100Hz - 20 kHz, z čehož plyne V_eff = (500 . 10^-18 . 20000)^1/2 = 3.2 uV
Varianta s tranzistory: šumový rozkmit 11.5 . 10^-18 V²/Hz, tj. 3.4 nV.Hz^-1/2, v rozsahu 100Hz - 20 kHz, z čehož plyne V_eff = (11.5 . 10^-18 . 20000)^1/2 = 0.48 uV

Šumový rozkmit v tranzistorové variantě vychází 6.6-krát příznivější.

V potaz je nutno brát i tepelný šum mikrofonu, který při jeho impedanci 200 Ohm, pokojové teplotě 25°C a 20 kHz šířce pásma obnáší: 8.6 . 10^-9 . R^1/2 = 0.12 uV.

Na prvním stupni autor použil epitaxní planární křemíkové PNP tranzistory BC856 (konstrukční provedení SMD), aniž by jejich volbu nějak zdůvodnil. Tranzistory pracují v zapojení se společným emitorem; kolektorové odpory jsou 10 kOhm, emitorové edpory 2 kOhm vytváří zápornou zpětnou vazbu, která omezuje zesílení. Při pořadavku většího zesílení se mezi emitory vřazují odpory 470 Ohm resp. 33 Ohm. Pracovní bod tohoto páru trzanzistorů je řízen dalším párem traznistorů stejného typu.

Druhý stupeň již může být osazen operačním zesilovačem, použitý je TL071, který může být nahrazen i TL081.