Costruisci il preamplificatore microfonico con alimentazione Phantom a quattro canali SSM2019: 9 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Come avrai notato da alcuni dei miei altri Instructables, ho una passione per l'audio. Sono anche un ragazzo fai-da-te da molto tempo. Quando avevo bisogno di altri quattro canali di preamplificatori microfonici per espandere la mia interfaccia audio USB, sapevo che era un progetto fai-da-te.

Diversi anni fa, ho acquistato un'interfaccia audio USB Focusrite. Ha quattro preamplificatori microfonici e ingressi a livello di quattro linee insieme ad alcuni ingressi digitali. È un ottimo hardware e ha soddisfatto le mie esigenze. Questo finché non ho costruito un mucchio di microfoni. Quindi, ho deciso di risolvere questa discrepanza. Così è nato il preamplificatore microfonico a quattro canali SSM2019!

Avevo alcuni obiettivi di design per questo progetto.

Sarebbe il più semplice possibile e utilizzerebbe un minimo di componenti

Avrebbe l'alimentazione phantom per permettermi di utilizzare tutti i microfoni Pimped Alice che ho costruito

Avrebbe un ingresso ad alta impedenza (Hi-Z) su ogni canale per trasduttori piezoelettrici, un mio progetto futuro. Questa sarebbe un'aggiunta facile se il case e l'alimentatore facessero già parte del progetto principale

Avrebbe specifiche audio professionali: pulito, a bassa distorsione e basso rumore. Buono o migliore dei preamplificatori esistenti nella mia interfaccia Focusrite

Passaggio 1: il design

Ho iniziato a studiare ciò che era già là fuori. Ho molta familiarità con il design analogico e ho tenuto d'occhio l'SSM2019, avendo precedentemente utilizzato il suo cugino più anziano, l'ormai obsoleto SSM2017. L'SSM2019 è disponibile in un pacchetto DIP a 8 pin, il che significa che può essere facilmente imbarcato. Mi sono imbattuto in alcune fantastiche informazioni sul design del preamplificatore microfonico da That Corp. (Vedi la sezione di riferimento) Sfortunatamente, tutti i loro chip preamplificatori specifici sono piccoli pacchetti a montaggio superficiale. E le specifiche sono solo marginalmente migliori di SSM2019. Li applaudo per la condivisione delle loro conoscenze e le informazioni sul design. Le specifiche dell'SSM2019 sono fantastiche e, come la maggior parte degli amplificatori operazionali audio in questi giorni, supereranno il resto della catena del segnale per le prestazioni. Ho usato due stadi a guadagno fisso con un potenziometro che consente la regolazione del segnale tra di loro. Ciò mantiene il design semplice ed elimina la necessità di trovare parti difficili; come potenziometri antilog e interruttori multicontatto con valori di resistenza univoci. Mantiene anche il rumore THD + ben al di sotto dello 0,01%

Durante il mio processo di progettazione, ho avuto un'illuminazione sull'alimentazione phantom. La maggior parte delle persone pensa ai 48 Volt come allo "standard". Questo risale a molto tempo fa ed era importante quando la tensione dell'alimentazione phantom veniva utilizzata per polarizzare la capsula per i microfoni a condensatore. Attualmente, la maggior parte dei microfoni a condensatore utilizza l'alimentazione phantom per creare una sorgente di tensione più bassa stabile. Usano uno Zener internamente per generare 6-12VDC. Quella tensione viene utilizzata per far funzionare l'elettronica interna e per generare una tensione più elevata per polarizzare la capsula. Questo è in realtà il modo migliore per farlo. Ottieni una bella tensione stabile della capsula che può essere superiore a 48 V se necessario. Le specifiche dell'alimentazione phantom per i microfoni richiedono 48V, 24V e 12V. Ciascuno utilizza valori diversi di resistori di accoppiamento. 48 V utilizza 6,81 K, 24 V con 1,2 K e 12 V utilizza 680 Ohm. In sostanza, è necessaria l'alimentazione phantom per fornire una certa quantità di energia al microfono. La mia epifania è stata questa: la tensione deve essere sufficientemente alta per il funzionamento dello Zener interno a 12V. Se ho usato il +15V disponibile nel mio progetto e il valore del resistore di accoppiamento appropriato, dovrebbe funzionare bene. Questo in realtà risolve altri due problemi. Innanzitutto non è necessario un alimentatore separato solo per l'alimentazione phantom. In secondo luogo, e più importante per il mio design, è la semplicità. Mantenendo la tensione dell'alimentazione phantom pari o inferiore alla tensione di alimentazione per l'SSM2019, eliminiamo molti circuiti aggiuntivi necessari per la protezione. I ragazzi di That Corp hanno presentato due documenti all'AES intitolati "The Phantom Menace" e "The 48V Phantom Menace Returns". Questi affrontano specificamente le sfide di avere un condensatore da 47-100uF caricato a 48V in un circuito. Il cortocircuito accidentale può causare molti problemi. L'energia immagazzinata nel condensatore è funzione della tensione al quadrato, quindi semplicemente passando da 48V a 15V abbassiamo l'energia immagazzinata di un fattore 10. Inoltre evitiamo una tensione superiore alla tensione di alimentazione su uno qualsiasi dei pin di ingresso del segnale dell'SSM2019. Leggi la guida alla progettazione di That Corps per esempi di ciò che è necessario per realizzare un preamplificatore a prova di proiettile.

Giusto per essere trasparente, ho iniziato questo progetto pensando di utilizzare l'alimentazione phantom a 24VDC e poi, nel processo di risoluzione dei problemi dell'alimentatore, mi è venuta l'idea di utilizzare il +15 già disponibile. Inizialmente ho messo l'alimentatore all'interno del case del preamplificatore. Ciò ha causato molteplici problemi di ronzio e ronzio. Ho finito con la maggior parte dell'alimentatore in un case esterno con solo i regolatori di tensione nel case. Il risultato finale è un preamplificatore molto silenzioso che è alla pari se non migliore di quelli interni della mia interfaccia Focusrite. Obiettivo di progettazione n. 4 raggiunto!

Diamo un'occhiata al circuito e vediamo cosa sta succedendo. Il blocco SSM2019 nel rettangolo blu è il circuito principale. I due resistori da 820 Ohm si accoppiano nell'alimentazione phantom dall'area verde chiaro dove l'interruttore a levetta applica +15 al condensatore da 47uF tramite un resistore da 47 Ohm. Entrambi i resistori da 820 Ohm sono sul lato “+” dei condensatori di accoppiamento da 47uF che portano il segnale del microfono. Dall'altro lato dei condensatori di accoppiamento ci sono due resistori da 2,2 K che collegano l'altro lato dei condensatori a terra e mantengono gli ingressi all'SSM2019 a un potenziale di terra CC. La scheda tecnica mostra 10K ma menziona che dovrebbero essere il più basso possibile per ridurre al minimo il rumore. Ho scelto 2,2K per essere inferiore ma non influisce notevolmente sull'impedenza di ingresso dell'intero circuito. La resistenza da 330 Ohm imposta il guadagno dell'SSM2019 a +30db. Ho scelto questo valore in quanto fornisce il guadagno minimo di cui avrei bisogno. Con questo guadagno e il clipping delle linee di alimentazione di +/-15V non dovrebbe essere un problema. Il condensatore da 200 pf sui pin di ingresso è per la protezione EMI/RF per l'SSM2019. Questo è appena uscito dalla scheda tecnica per la protezione RF. Ci sono anche due condensatori da 470pf al jack XLR per la protezione RF. Sul lato di ingresso del segnale, abbiamo un interruttore a levetta DPDT che funge da interruttore di selezione della fase. Volevo essere in grado di utilizzare un pickup piezo a contatto su una chitarra (o altri strumenti acustici) mentre contemporaneamente utilizzavo un microfono. Ciò consente l'inversione di fase del microfono, se necessario. Se non fosse per questo, l'avrei eliminato poiché la maggior parte dei programmi di registrazione consente di invertire la fase post registrazione. L'uscita dell'SSM2019 va a un potenziometro da 10K per la regolazione del livello alla fase successiva.

Passiamo ora al lato dell'alta impedenza. Nel rettangolo rosso, abbiamo un classico buffer non invertente basato su una sezione di un doppio amplificatore operazionale OPA2134. Questo è il mio amplificatore operazionale preferito per l'audio. Rumore e distorsione molto bassi. Simile all'SSM2019, non sarà l'anello più debole nella catena del segnale. Il condensatore da.01uF accoppia il segnale dal jack di ingresso da”. Il resistore da 1 M ha fornito un riferimento di massa. È interessante notare che il rumore del resistore da 1 M può essere sentito alzando completamente il livello dell'ingresso Z alto. Tuttavia, quando è collegato un pickup piezoelettrico, la capacità del pickup piezoelettrico forma un filtro RC con il resistore da 1M. Questo riduce il rumore (e non è male in primo luogo.) Dall'uscita dell'amplificatore operazionale, andiamo a un potenziometro da 10K per la regolazione del livello finale.

La sezione finale del circuito è l'amplificatore sommatore dello stadio di guadagno finale costruito attorno alla seconda sezione dell'amplificatore operazionale OPA2134. Vedere il rettangolo verde nelle illustrazioni. Questo è uno stadio invertente con il guadagno impostato dal rapporto tra il resistore da 22K e il resistore da 2,2K che ci dà un guadagno di 10 o +20dB. Il condensatore 47pf attraverso il resistore da 22K serve per la stabilità e la protezione RF. I potenziometri da 10K sono lineari. Ciò significa che quando il tergicristallo si sposta lungo l'intervallo di rotazione, la resistenza dal punto di partenza varia linearmente con il cambiamento di rotazione. Nel mezzo, ottieni 5K a entrambe le estremità. Tuttavia, sentiamo diversamente. Ascoltiamo in modo logaritmico. Ecco perché i decibel (dB) vengono utilizzati per misurare i livelli sonori. Usando un potenziometro lineare da 10K che alimenta un resistore da 2.2K, otteniamo un cambiamento di livello che suona in modo molto più naturale. L'amplificatore operazionale mantiene l'ingresso invertente su una massa virtuale. Per i segnali AC, il resistore da 2,2K è collegato alla terra virtuale. Il punto di rotazione a metà è di circa -12dB di attenuazione con l'ultimo ottavo di rotazione di soli 1.2dB di differenza. Questo sembra molto più fluido rispetto a molti altri preamplificatori in cui il potenziometro cambia il guadagno del preamplificatore. Funziona meglio dei preamplificatori che hanno un potenziometro per la regolazione del guadagno. Di solito l'ultimo bit di aumento provoca un rapido aumento del guadagno finale e un po' di rumore evidente. Il Focusrite risponde in questo modo. Il mio no. Il segnale viene accoppiato all'amplificatore operazionale tramite un resistore da 47 Ohm. Questo protegge l'amplificatore operazionale e lo mantiene stabile durante la guida di un lungo cavo, se necessario. Un'ultima cosa per i due chip IC. Questi sono entrambi dispositivi ad alto guadagno ad alta larghezza di banda. Devono avere un buon bypass dell'alimentazione con condensatori.1uF montati vicino ai pin di alimentazione. Questo impedisce che accadano cose strane e le mantiene belle e stabili.

Per riassumere, ci sono due stadi a guadagno fisso, uno da 30dB e uno da 20dB per un guadagno totale di 50dB. La regolazione del livello viene effettuata variando il livello del segnale tra i due stadi di guadagno. C'è anche un ingresso ad alta impedenza disponibile su ciascun canale che è perfetto per pickup piezo e altri strumenti (chitarra e basso) che necessitano di un po' di regolazione del livello prima della registrazione. Il tutto con distorsione e rumore molto bassi. L'alimentazione phantom è 15VDC che dovrebbe funzionare con la maggior parte dei moderni microfoni a condensatore. Un'eccezione degna di nota è il Neumann U87 Ai. Quel microfono è il mio orgoglio e la mia gioia. Internamente ha uno Zener da 33V per un'alimentazione intermedia. Per me questo non è un problema in quanto il mio Focusrite ha l'alimentazione phantom a 48V. Tutto il resto funziona bene.

L'alimentatore:

L'alimentatore è un design classico della vecchia scuola. Utilizza un trasformatore a presa centrale, un raddrizzatore a ponte e due grandi condensatori di filtro. Il trasformatore è a 24 V CA con presa centrale. Ciò significa che possiamo mettere a terra il rubinetto centrale e ottenere 12 V CA da ciascuna gamba. Aspetta, non stiamo usando +/- 15VDC? Come funziona? Ci sono due cose che accadono: in primo luogo il 12VAC è un valore RMS. Per un'onda sinusoidale, la tensione di picco è 1,4 volte superiore (tecnicamente la radice quadrata di due) in modo che fornisca un picco di 17 volt. In secondo luogo, il trasformatore è valutato per fornire 12 V CA a pieno carico. Il che significa che a un carico leggero (e questo circuito non utilizza molta potenza) abbiamo una tensione ancora più alta. Tutto ciò si traduce in circa 18VDC a disposizione dei raddrizzatori di tensione. Usiamo regolatori di tensione lineari 7815 e 7915 e ho scelto quelli della National Japan Radio che hanno una custodia in plastica. Ciò significa che non è necessario un isolante tra il regolatore e la custodia durante il montaggio. Inizialmente ho costruito l'alimentatore interno alla custodia del preamplificatore microfonico. Non ha funzionato molto bene perché avevo un po' di ronzii e ronzii, tutti legati alla vicinanza del mio trasformatore al cablaggio del microfono interno. Alla fine ho messo il trasformatore, il raddrizzatore e i grandi cappucci del filtro in una scatola separata. Ho usato un connettore XLR a 4 terminali che avevo nel cestino delle parti per portare la CC non regolata nel case principale dove i regolatori sono montati vicino alla scheda del circuito principale. Come accennato in precedenza, inizialmente avrei usato 24VDC per l'alimentazione Phantom e ho finito per non farlo, semplificando così il mio circuito ed eliminando il regolatore 24V (e un trasformatore di tensione più alto!)

Fase 2: Costruzione: il caso

Il caso:

Se non l'hai ancora notato, il mio schema di pittura e l'etichettatura sono piuttosto stravaganti. Mio figlio stava facendo un progetto scolastico e avevamo a disposizione i tre colori di vernice spray, quindi per capriccio li ho usati tutti e tre. Poi mi è venuta l'idea di dipingere a mano le etichette con smalto giallo e un pennellino. Praticamente l'unico al mondo che assomiglia a questo! Ho preso il mio caso da Tanner Electronics a Dallas, un negozio di eccedenze. L'ho trovato online su Mouser e in altri posti. È Hammond P/N 1456PL3. Potresti volerlo etichettare e dipingerlo in modo diverso, dipende da te!

Passaggio 3: costruzione: circuito stampato

Scheda del pc:

Ho costruito il circuito su una breadboard di prototipazione. Prima costruire un canale per garantire che il progetto abbia funzionato come previsto. Poi costruito gli altri tre canali. Vedi foto 1 e 2 per il layout. I miei OPA2134 provengono da Burr Brown, che è stata acquisita da TI nel 2000. Ne ho acquistati 100 in passato e ne ho ancora alcuni. Notare i tappi di bypass.1uF tutti montati sul lato inferiore della scheda. Questi sono importanti per la stabilità dei chip IC.

Fase 4: Costruzione: Prese e controlli del pannello frontale:

Prese e controlli del pannello frontale:

A seconda della scelta del caso, il layout può variare. Ho usato jack da " per montaggio a pannello Switchcraft che collegheranno il pannello anteriore a terra. Per ridurre al minimo i loop di massa, collegare la massa del jack XLR (Pin-1) con la lunghezza più breve possibile al pannello anteriore. Per il mio layout, li ho collegati al cavo di massa dei jack di ingresso "Hi Z". Ho precablato gli interruttori di inversione di fase incrociando i due collegamenti esterni dell'interruttore Double Pole Double Throw (DPDT). Quindi l'ingresso del microfono dall'XLR andrà ai cavi centrali e uno dei collegamenti esterni al circuito. In questo modo, quando si cambia la posizione dell'interruttore, la fase si inverte. Prima di montare i jack XLR, saldare i due condensatori da 470pf per la schermatura RF/EMI. Questo lo rende molto più facile in seguito! Montare i potenziometri sul pannello frontale. Ho usato un piccolo pennarello o un altro pennarello per etichettare le cose sul pannello interno per aiutare con le connessioni in seguito. E per ricordarmi quale capocorda dei potenziometri deve essere collegato a massa. Quindi collegare insieme tutte le connessioni di terra per i vasi utilizzando un comune filo nudo non isolato. Successivamente tale connessione verrà eseguita al punto di massa comune.

Fase 5: Costruzione: cablaggio interno

Collegamenti interni:

Per i cavi del segnale del microfono, ho intrecciato insieme cavi di calibro 22 e collegato i jack XLR di ingresso agli interruttori a levetta per la selezione della fase. Torcendoli insieme riduce al minimo qualsiasi EMI e RF vaganti. In teoria, all'interno del case metallico non dovremmo averne, poiché tutto in questo progetto è puro circuito analogico. Non preoccuparti ancora della fase in particolare. Sii coerente nel modo in cui tutti i canali sono cablati. Scopriremo nel test quale posizione dell'interruttore sarà "normale" e quale è invertita.

Per il resto del cablaggio audio ho usato un singolo conduttore schermato e ho collegato lo schermo a massa solo ad un'estremità. Ciò mantiene i nostri segnali schermati e previene i loop di massa. Avevo un rotolo di filo schermato di tipo "E" di calibro 26 che ho ottenuto in eccedenza da Skycraft a Orlando molto tempo fa. Ci sono venditori che lo vendono online oppure si può usare un diverso conduttore singolo schermato. Per ogni connessione ne ho preparato un tratto con la schermatura esposta a un'estremità e all'altra solo il conduttore centrale. Ho messo un po' di termoretraibile sopra lo schermo sull'estremità non collegata per isolarlo. Guarda le foto. Lavora con metodo e collega una cosa alla volta. Quindi lego avvolto ogni gruppo di quattro fili insieme per mantenere le cose il più ordinate possibile.

Fase 6: Costruzione: Alimentazione

Alimentazione elettrica:

Ho costruito la mia fornitura in una scatola di progetto più piccola. C'è UNA cosa che devi fare per renderlo sicuro e rispettare il codice. Devi avere un fusibile sul primario del trasformatore. Ho usato un portafusibile in linea con un fusibile da amp. Ciò esploderà se il trasformatore assorbe più di 25 W, cosa che non dovrebbe. L'intera cosa utilizza al massimo 2 W con quattro microfoni collegati.

Regolatori di tensione:

Preparare i regolatori di tensione prima del montaggio a pannello saldando i due condensatori di filtro, 10uF per l'ingresso e.1uF per l'uscita. Ho anche collegato loro i cavi di ingresso per evitare confusione in seguito. Ricorda: il 7815 e il 7915 sono cablati in modo diverso. Consultare le schede tecniche per la numerazione dei pin e le connessioni. Dopo aver montato tutto, è il momento di effettuare tutti i collegamenti interni.

Connessioni di alimentazione e di terra:

Ho usato un cavo codificato a colori per collegare i cavi di alimentazione CC al circuito. Tutte le connessioni di terra tornano a un punto di connessione nel caso del progetto. Questo è un tipico schema di messa a terra "Star". Perché avevo già costruito l'alimentatore internamente. Avevo ancora due grandi condensatori di filtro interni al case. Li ho tenuti e li ho usati per l'alimentazione CC in entrata. Avevo già un interruttore di alimentazione nella custodia (DPDT) e l'ho usato per commutare l'alimentazione CC +/- non regolata ai regolatori. Ho collegato direttamente il filo di terra.

Una volta completati tutti i collegamenti, prenditi una pausa e torna più tardi per controllare tutto! Questo è il passaggio più critico.

Ti consiglio di testare l'alimentatore e assicurarti che le polarità siano giuste e di avere +15VDC e -15VDC dai regolatori prima di collegarli al circuito. Ho montato due LED sul mio pannello per mostrare che c'era corrente. Non devi farlo, ma è una bella aggiunta. Avrai bisogno di un resistore di limitazione della corrente in serie con ciascun LED. Un 680 Ohm a 1K funzionerà bene.

Passaggio 7: costruzione: cavi patch

Cavi patch:

Questa parte potrebbe essere un Instructable separato. Per renderlo utilizzabile, è necessario collegare tutti e quattro i canali agli ingressi di linea dell'interfaccia Focusrite. Ho intenzione di averli uno accanto all'altro, quindi avevo bisogno di quattro cavi patch corti. Ho trovato un ottimo cavo a conduttore singolo robusto e non costoso da Redco. Hanno anche buone spine da”. Il cavo ha uno schermo esterno intrecciato in rame e uno schermo interno in plastica conduttiva. Questo deve essere rimosso quando si realizzano i cavi patch. Guarda la sequenza di foto per il mio metodo di assemblaggio del cavo. Mi piace prendere lo scudo e avvolgerlo attorno alla connessione di terra del jack da , quindi saldarlo. Questo rende il cavo abbastanza robusto. Anche se dovresti sempre scollegare un cavo patch tenendo il connettore, a volte si verificano incidenti. Questo metodo aiuta.

Passaggio 8: test e utilizzo

Test e utilizzo:

La prima cosa che dobbiamo fare è determinare la polarità degli interruttori di fase. Per fare ciò avrai bisogno di due microfoni identici. Cosa che presumo tu abbia, o non avresti bisogno di un preamplificatore a quattro canali! Collegane uno a un ingresso del preamplificatore microfonico Focusrite e l'altro al canale uno dei quattro canali del preamplificatore. Pan entrambi al centro. Tieni i microfoni vicini l'uno all'altro e parla, canta o canticchia mentre muovi la bocca oltre i due microfoni. Le cuffie aiutano davvero in questa parte. Non dovresti sentire un nulla o un tuffo nell'uscita se i microfoni sono in fase tra loro. Cambia la fase del microfono e ripeti. Se sono fuori fase, sentirai un nulla o un calo di livello. Dovresti essere in grado di dire molto rapidamente quale posizione è in fase e fuori fase.

Ho notato che con il potenziometro del livello circa a metà ottengo un guadagno nominale per i miei microfoni e che corrisponde all'incirca a dove normalmente imposto la manopola del guadagno del preamplificatore Focusrite a circa 1-2 in punto. È interessante notare che le specifiche del Focusrite sono fino a 50 dB di guadagno. Quando l'ho alzato completamente (senza microfono collegato) sento un leggero sibilo. È solo un po' più rumoroso del mio preamplificatore basato su SSM2019. Non ho a disposizione apparecchiature di prova elaborate. Tuttavia, ho molta esperienza sia in studio che dal vivo e questo preamplificatore è un esecutore di prim'ordine.

Per gli ingressi Hi-Z, ho saldato un Piezo Disc a un jack da 1/4 e ho verificato che tutto funzionasse e che il range di guadagno fosse corretto. Ho intenzione di testarlo su una chitarra acustica nel prossimo futuro.

Sono entusiasta di avere otto canali completi di ingressi microfonici disponibili per la registrazione. Ho un paio di microfoni MS e 8 dei miei microfoni Pimped Alice. Questo mi permetterà di sperimentare contemporaneamente diversi posizionamenti del microfono. Apre anche le porte per un progetto che volevo provare da molto tempo: un microfono Ambisonic. Uno con quattro capsule interne destinate a catturare il suono surround e il suono multidirezionale.

Resta sintonizzato per molti altri Instructables del microfono!

Passaggio 9: riferimenti

Queste sono una ricchezza di informazioni per l'audio analogico, il design del preamplificatore microfonico e la messa a terra adeguata per i circuiti audio.

Riferimenti:

Scheda tecnica SSM2019

Scheda tecnica OPA2134

Wikipedia Energia fantasma

Quella "minaccia fantasma" di Corp

I segreti di That Corp Analog che tua madre non ti ha mai detto

Quella Corp più segreti analogici che tua madre non ti ha mai detto

That Corp progetta preamplificatori microfonici

Messa a terra audio Whitlock, Whitlock

Rane “nota 151”: messa a terra e schermatura