Einige Fragen zu einem Mikrofon Pre-Amplifier (OpAmp)?
Hallo ich habe einige Fragen zu folgender Schaltung: (Stammt aus einem Datenblatt von Texas Instruments)
Also R1 ist doch einfach nur der Widerstand für den invertierenden Verstärker, wieso wird der vom dem C3, der die Gleichspannung filtert, eingebaut? Wofür ist C2, ich habe gehört für die Filterung von hohen Frequenzen, aber wie funktioniert das? Wofür ist R4? Kann man den nicht einfach weglassen? Wofür braucht man nochmal einen Kondensator am Ende von der Schaltung? Rest der Schaltung versteh ich. Es scheinen viele Fragen zu sein, aber ich bin wirklich sehr dankbar wenn einer alle beantworten kann. Vielen Dank nochmals!
LG!
6 Antworten
So ein Mikro hat meist einen eingebauten JFET, mit R1 stellst du den Arbeitpunkt dieses FETs ein.
https://en.wikipedia.org/wiki/Electret_microphone
Nun ist aber zu beachten, dass der JFET die Spannungsschankungen des Elektret Kondensators in Stromschwankungen umsetzt: In erster Näherung verhält sich der FET nämlich wie eine spannungsgesteuerte Stromquelle. Die Aufgabe des nachfolgenden OPV Verstärkers ist es, die Stromschwankungen des Electrets in Spannungsschwankungen umzuwandeln. Das nennt man "Transimpedanzverstärker", denn die Verstärkung wird hier in V/A angegeben, was einer Impedanz entspricht.
Die Anordnung ist kein invertierender Verstärker, wie du annimmst, sondern eben ein Transimpedanzverstärker. Das ist nicht ganz das selbe, aber das Prinzip ist einfach: Der Signalstrom Is aus dem FET muss durch R2 fließen (der OPV hat ja sehr hohe Eingansimpedanz) und die Ausgangsspannung ist daher zunächst
Nun hat die durch den FET eingestellte Stromquelle den Innenwiderstand R1. Damit der Strom Is weitgehend gegen die virtuelle Masse am nicht invertierenden Eingang abfließt, darf nur ein kleiner Teil durch R1 abfließen. Die Bedingung ist, dass die Impedanz von C1 viel kleiner ist als R1. Damit legt man die untere Grez(kreis)frequenz fest:
Man wird diese mit etwa ~10Hz dimensionieren.
Die obere Grenzfrequenz wird durch die Parallelschaltung von C2 und R2 gegeben:
Die Übertragungsfunktion ist dann (mit der Antwort von Lutz28213 bin ich eigentlich nicht ganz einverstanden, und ich weiß auch nicht, wie er auf seine Beziehung C3/C2 kommt - das musst du aber evtl. mit ihm ausmachen)
mit
Der linke Faktor bestimmt die untere, der rechte die obere Grenzfrequenz.
Für Frequenzen zwischen unterer und oberer Grenzfrequenz wird das einfach wieder
Auf R2 normiert sieht das so aus:
Würde man die obere Grenzfrequenz nicht begrenzen, könnte die Schaltung aufgrund des Frequenzgangs des OPVs schwingen. Das wird in Büchern zur Halbleiter Schaltungstechnik beschrieben.
C5 ist dann bloß noch zur galvanischen Trennung mit der nächsten Stufe. Damit sich C5 auch entladen kann, dient wahrscheinlich R5; dieser wird etwa 100k bis 1M Ohm gewählt, ist aber eigentlich irrelevent für das Verständnis. Damit beim Zusammenschalten der Stufen kein allzu großer Stromstoß in C5 fließt, wird der Strom durch wahrscheinlich durch R4 begrenzt, dieser wird vermutlich nur ein paar 10 bis 100 Ohm betragen und ist denke ich ebenfalls irrelavant für das Verständnis. Kann auch sein, dass das mit Anpassung zu tun hat (Commodore64); mit Tontechnik kenne ich mich nicht aus...newcomer scheint da mehr zu wissen.
Erweiterte Antwort:
Der OPV verstärkt den Strom, der vom Mikrofon geliefert wird. Das Kleinsignal-Ersatzschaltbild des Mikros ist links oben im Bild: Is ist der Signalstrom, dieser soll in den Transimpedanzverstärker als Is' fließen und in eine Spanung umgewandelt werden. Da der OPV hochohmig ist, fließt der selbe Strom auch durch R2 (vernachlässigen wir mal C2 und C3). Die Ausgangsspannung ist daher
Die Verstärkung wird also (im Prinzip...) durch R2 vorgegeben.
Nun fließt aber ein Teil von Is durch R1 ab und steht nicht mehr als Eingangsstrom des Transimpedanzwandlers zur Verfügung. Wäre die Impedanz von C3 Null, wäre dies der Fall, denn Is sucht sich den Weg des kleinsten Widerstands gegen (die virtuelle) Masse. Man wählt daher C3 für die tiefsten Frequenzen noch ausreichend groß, dass man die Impedanz Xc3 gegenüber R1 vernchlässigen kann. Das führt auf eine untere Eckfrequenz: Hochpassverhalten
C2 bewirkt, dass die Transimpedanzverstärkung bei hohen Frequenzen kleiner wird, da ja R2||XC2 kleiner wird. Man dimensioniert die obere Eckfrequenz wieder so, dass das Ausgangs-Signal ab irgendeiner Frequenz ab sagen wir mal ~20kHz abgeschächt wird und dann mit zunehmender Frequenz kleiner wird: Tiefpassverhalten
R1 ist die Spannungsversorgung für das Electret-Mikrofon.
C2 verhindert auch eventuelle Schwingneigung der Schaltung.
C5 trennt galvanisch was immer dahinter kommt, so dass U1 bzw. das was dahinter kommt, sich nicht gegenseitig stören.
R₁ bildet mit dem Mikrofon einen Spannungsteiler, das erzeugt dann das Signal auf der geteilten Gleichspannung.
C₃ blockiert die Gleichspannung so dass nur das Sprechsignal weiter verarbeitet wird, nicht die Gleichspannung.
C₂ ist eine Korrektur des Frequenzganges. Der OPV reagiert nur endlich schnell. Je höher die Frequenz, desto langsamer reagiert der im Verhältnis. Das führt dann dazu, dass der "zu viel Gas" gibt bevor der merkt, dass das Signal zu hoch verstärkt wurde. Je höher die Frequenz, desto mehr Signal wird am R₂ vorbei gelassen und desto stärker wirkt das als Rückkopplung. Da die Rückkopplung über R₂ "bremst", sorgt C₂ dafür, dass diese Bremse bei hohen Frequenzen stärker wirkt.
C₅ ist wieder eine Gleichspannungssperre. Kann ja sein, dass das was daran angeschlossen ist ebenfalls eine Phantomspannung für das Mikrofon liefert oder auch so eine ähnliche Schaltung ist die aber den C₃ nicht hat.
R₄/R₆ ist dann die Anpassung. Fehlt die kann es zu Reflektionen im Kabel kommen die dann die Signale verzerren. Im Audiobereich wird meistens 75Ω oder manchmal auch 1kΩ oder nur 50Ω verwendet. Viele AUX Anschlüsse die auch gleichzeitig für Kopfhörer verwendet werden sind extrem niederohmig und damit immer falsch "angepasst". Manchmal ist das so schlimm, dass man das deutlich merkt, dann klingt die Musik irgendwie Dumpf.
Zum Verständnis der OPV-Schaltung und zur Rolle von C2:
Der Opamp wirkt als Hochpass (C3 ist viel größer als C2) und die Verstärkung (weit genug) oberhalb der Eckfrequenz (bei w1=1/R2C2) ist dann konstant mit V=-C3/C2.
Die Überragungsfunktion ist H(s)=-sR2C3/(1+sR2C2).
Die Hauptaufgabe von C2 ist die Begrenzung der Verstärkung auf diesen Wert. Ohne diesen Rückkopplungskondensator würde die Verstärkung bei steigender Frequenz ansonsten kontinuierlich ansteigen - bis zur maximal möglichen open-loop-Verstärkung des OPV (natürlich ungewünscht).
PS: Die angegebene Verstärkungsfunktion H(s) bezieht sich auf den Eingang von C3 - also ohne den Einfluss der Impedanz des Mikrofons (und des dazu parallel wirkenden widerstands R1).
C3 soll Vcc vom Eingang des OPAMP trennen. C2 und R2 sind das frequenzbestimmende Glied. C5 soll den Ausgang vor eventuellen DC schützen.