PL209433B1

PL209433B1 - Preamplifier for the condenser microphone

Info

Publication number: PL209433B1
Application number: PL374069A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Starecki
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2011-09-30
Also published as: PL374069A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest przedwzmacniacz do mikrofonów pojemnościowych, stosowany zwłaszcza do pomiaru sygnałów akustycznych.The subject of the invention is a preamplifier for condenser microphones, used in particular for the measurement of acoustic signals.

Znany jest przedwzmacniacz do mikrofonów pojemnościowych, w którym pojemność mikrofonu jest połączona ze źródłem napięcia stałego za pomocą rezystora polaryzującego. Sygnał elektryczny z mikrofonu odbierany jest z punktu połączenia tego rezystora z pojemnoś cią mikrofonu, ską d podawany jest na wzmacniacz, często przez inne elementy dodatkowe, jak kondensator sprzęgający. Wszelkie zmiany potencjału w tym punkcie względem napięcia zasilającego powodują pojawienie się prądu, czyli przepływ ładunku przez rezystor polaryzujący, co prowadzi do wyrównania tych potencjałów. Aby ten przepływ nie skompensował zmian sygnału użytecznego w tym to punkcie ogranicza się go przez dobór odpowiednio dużej wartości tego rezystora, która jest zwykle rzędu kilku - kilkudziesięciu gigaomów.There is a known preamplifier for condenser microphones in which the capacitance of the microphone is connected to a DC voltage source by means of a polarizing resistor. The electric signal from the microphone is received from the point of connection of this resistor with the microphone capacity, from where it is fed to the amplifier, often through other additional elements, such as a coupling capacitor. Any changes in the potential at this point in relation to the supply voltage cause the appearance of a current, i.e. a flow of charge through the polarizing resistor, which leads to the equalization of these potentials. In order for this flow not to compensate for changes in the useful signal at this point, it is limited by selecting a sufficiently large value of this resistor, which is usually of the order of a few - several dozen gigaohms.

Wadą znanych przedwzmacniaczy jest wprowadzanie znacznych szumów przez rezystor, co przy pomiarze słabych sygnałów akustycznych, zwłaszcza małej częstotliwości może znacznie ograniczyć czułość przedwzmacniacza. Ponadto znany przedwzmacniacz wymaga długiego czasu stabilizowania się warunków pracy po załączeniu zasilania, który może sięgać minut.The disadvantage of known preamplifiers is the introduction of significant noise through the resistor, which, when measuring weak acoustic signals, especially low frequency, can significantly reduce the sensitivity of the preamplifier. In addition, the known preamplifier requires a long time to stabilize the operating conditions after switching on the power, which can reach minutes.

Istota przedwzmacniacza według wynalazku polega na tym, że rezystor łączący końcówkę mikrofonu pojemnościowego i źródła napięcia stałego połączony jest szeregowo z kluczem. Punkt połączenia szeregowej gałęzi rezystora i klucza z końcówką mikrofonu pojemnościowego połączony jest ze wzmacniaczem o dużej impedancji wejściowej poprzez kondensator sprzęgający, a wejście wzmacniacza połączone jest z drugim źródłem napięcia stałego poprzez szeregową gałąź złożoną z drugiego klucza i drugiego rezystora.The essence of the preamplifier according to the invention is that the resistor connecting the end of the condenser microphone and the DC voltage source is connected in series with the key. The connection point of the series branch of the resistor and key to the tip of the condenser microphone is connected to the high input impedance amplifier through a coupling capacitor, and the input of the amplifier is connected to a second DC voltage source through a series branch of the second key and a second resistor.

Przedwzmacniacz według wynalazku eliminuje wady znanego przedwzmacniacza.The preamplifier according to the invention overcomes the disadvantages of the known preamplifier.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ przedwzmacniacza do mikrofonów pojemnościowych z kluczem bezpośrednio włączonym do pojemności mikrofonu, fig. 2 przedstawia ten układ z dodatkową gałęzią określającą punkt pracy wzmacniacza, fig. 3 przedstawia układ przedwzmacniacza do mikrofonów pojemnościowych z kluczem bezpoś rednio włączonym do źródła napięcia, a fig. 4 - układ przedwzmacniacza z fig. 3 z dodatkową gałęzią określającą punkt pracy wzmacniacza.The subject of the invention is presented in the example in the drawing, in which Fig. 1 shows the preamplifier circuit for condenser microphones with the key directly connected to the microphone capacitance, Fig. 2 shows this system with an additional branch defining the operating point of the amplifier, Fig. 3 shows the preamplifier circuit for condenser microphones with the key directly connected to the voltage source, and Fig. 4 - the preamplifier circuit from Fig. 3 with an additional branch defining the operating point of the amplifier.

Przedwzmacniacz przedstawiony na fig. 1 ma mikrofon pojemnościowy Cm w postaci kondensatora, gdyż mikrofon ten stanowi dla sygnału akustycznego kondensator płaski, którego pojemność jest zmieniana pod wpływem zmian odległości między jego okładkami pod wpływem sygnału akustycznego. Jedna końcówka mikrofonu pojemnościowego Cm jest połączona ze wzmacniaczem W i końcówką klucza K mechanicznego, którego druga końcówka jest połączona poprzez rezystor R ze źródłem napięcia stałego Upo. Druga końcówka mikrofonu pojemnościowego Cm połączona jest do masy. Rolę wzmacniacza W pełni wtórnik. Rezystor R ogranicza prąd płynący przez klucz K do wartości bezpiecznej.The preamplifier shown in Fig. 1 has a condenser microphone Cm, because this microphone is a flat capacitor for the acoustic signal, the capacitance of which is changed due to changes in the distance between its plates under the influence of the acoustic signal. One end of the condenser microphone Cm is connected to the amplifier W and the tip of the mechanical key K, the other end of which is connected via a resistor R to a constant voltage source Upo. The other end of the Cm condenser microphone is grounded. The role of the amplifier. Fully a follower. The resistor R limits the current flowing through the key K to a safe value.

W przedwzmacniaczu przedstawionym na fig. 3 jedna końcówka mikrofonu pojemnościowego Cm jest połączona ze wzmacniaczem W i końcówką rezystora R, którego druga końcówka jest połączona poprzez klucz mechaniczny K ze źródłem napięcia stałego Upo. Druga końcówka mikrofonu pojemnościowego Cm połączona jest do masy. Rolę wzmacniacza W pełni wtórnik. Rezystor R ogranicza prąd płynący przez klucz K do wartości bezpiecznej.In the preamplifier shown in Fig. 3, one end of a condenser microphone Cm is connected to the amplifier W and the end of a resistor R, the other end of which is connected via a mechanical key K to a constant voltage source Upo. The other end of the Cm condenser microphone is grounded. The role of the amplifier. Fully a follower. The resistor R limits the current flowing through the key K to a safe value.

Po załączeniu zasilania w przedwzmacniaczach przedstawionych na fig. 1 i 3, przy zwartym kluczu K, następuje ładowanie pojemności mikrofonu pojemnościowego Cm do wartości bliskiej napięciu źródła napięcia stałego Upo. W trakcie wykonywania pomiarów, zwłaszcza krótkotrwałych, klucz jest rozwarty. Ze względu na to, że wszelkie upływności układu, na przykład montażowe, mogą powodować rozpływ ładunku i powolną zmianę punktu pracy mikrofonu i wtórnika, w przypadku pomiarów długotrwałych klucz K zwiera się na chwilę co pewien czas. Przy rozwartym kluczu K o wartości ładunku odpływającego z mikrofonu decyduje upływność samego klucza K, a nie wartość rezystora R. Wartość tej rezystancji jest nieduża i może być zredukowana o kilka rzędów wielkości w stosunku do znanych układów. Dzięki zastosowaniu małej wartości rezystancji R czas stabilizowania się punktu pracy wzmacniacza i mikrofonu po załączeniu zasilania jest krótki. Ze względu na to, że klucz, zwłaszcza mechaniczny nie wytwarza szumów, a szumy termiczne wywołane rezystorem R są pomijalne układ charakteryzuje się minimalnymi szumami i wysoką czułością.After switching on the power in the preamplifiers shown in Figures 1 and 3, with the key K closed, the capacitance of the condenser microphone Cm is charged to the value close to the voltage of the DC voltage source Upo. When taking measurements, especially short-term measurements, the key is open. Due to the fact that any leakage of the system, e.g. assembly leakages, can cause the flow of the charge and the slow change of the working point of the microphone and the repeater, in the case of long-term measurements, the K key shortens for a while from time to time. With the K switch open, the leakage value of the K switch itself determines the value of the charge flowing from the microphone, and not the value of the resistor R. The value of this resistance is small and can be reduced by several orders of magnitude in relation to known systems. Thanks to the application of a low resistance value R, the stabilization time of the amplifier and microphone operating point after switching on the power supply is short. Due to the fact that the key, especially the mechanical one, does not generate noise, and the thermal noise caused by the R resistor is negligible, the system is characterized by minimal noise and high sensitivity.

PL 209 433 B1PL 209 433 B1

Przedwzmacniacz przedstawiony na fig. 2 ma mikrofon pojemnościowy Cm w postaci kondensatora. Jedna końcówka mikrofonu pojemnościowego Cm jest połączona ze wzmacniaczem W i końcówką klucza K mechanicznego, którego druga końcówka jest połączona poprzez rezystor R ze źródłem napięcia stałego Upo. Druga końcówka mikrofonu pojemnościowego Cm połączona jest do masy. Klucz K i mikrofon pojemnościowy Cm połączony jest z wejściem wzmacniacza W za pośrednictwem kondensatora sprzęgającego C. Druga okładka kondensatora sprzęgającego C połączona jest z drugim kluczem mechanicznym K2, którego druga końcówka połączona jest poprzez drugi rezystor R2 z drugim źródłem napięcia stałego U2, który ustanawia punkt pracy wzmacniacza W. Wzmacniacz W charakteryzuje się dużą impedancją wejściową. Rezystor R ogranicza prąd płynący przez klucz K do wartości bezpiecznej.The preamplifier shown in Fig. 2 has a Cm condenser microphone. One end of the condenser microphone Cm is connected to the amplifier W and the tip of the mechanical key K, the other end of which is connected via a resistor R to a constant voltage source Upo. The other end of the Cm condenser microphone is grounded. The K key and the condenser microphone Cm are connected to the input of the amplifier W via a coupling capacitor C. The second plate of the coupling capacitor C is connected to the second mechanical key K2, the second end of which is connected through a second resistor R2 to a second DC voltage source U2, which establishes a point work of the W amplifier. The W amplifier is characterized by high input impedance. The resistor R limits the current flowing through the key K to a safe value.

W przedwzmacniaczu przestawionym na fig. 4 jedna końcówka mikrofonu pojemnościowego Cm jest połączona ze wzmacniaczem W i końcówką rezystora R, którego druga końcówka jest połączona poprzez klucz K mechaniczny ze źródłem napięcia stałego Upo. Druga końcówka mikrofonu pojemnościowego Cm połączona jest do masy. Klucz K i mikrofon pojemnościowy Cm połączony jest z wejściem wzmacniacza W za pośrednictwem kondensatora sprzęgającego C. Druga okładka kondensatora sprzęgającego C połączona jest z drugim rezystorem R2, którego druga końcówka połączona jest poprzez klucz K2 z drugim źródłem napięcia stałego U2, który ustanawia punkt pracy wzmacniacza W. Wzmacniacz W charakteryzuje się dużą impedancją wejściową. Rezystor R ogranicza prąd płynący przez klucz K do wartości bezpiecznej.In the preamplifier shown in Fig. 4, one end of a condenser microphone Cm is connected to the amplifier W and the end of a resistor R, the other end of which is connected via a mechanical key K to a DC voltage source Upo. The other end of the Cm condenser microphone is grounded. The K key and the condenser microphone Cm are connected to the input of the amplifier W through a coupling capacitor C. The second plate of the coupling capacitor C is connected to the second resistor R2, the second end of which is connected through the K2 key to a second DC voltage source U2, which sets the amplifier's operating point W. The W amplifier is characterized by high input impedance. The resistor R limits the current flowing through the key K to a safe value.

Po załączeniu zasilania przedwzmacniacza z fig. 2 i z fig. 4, przy zwartych kluczach K i K2, następuje ładowanie pojemności mikrofonu pojemnościowego Cm do wartości bliskiej napięciu źródła napięcia stałego Upo oraz kondensatora C do napięcia bliskiego różnicy napięć Upo - U2. W trakcie wykonywania pomiarów, zwłaszcza krótkotrwałych, klucze są rozwarte. Ze względu na to, że wszelkie upływności układu, na przykład montażowe, mogą powodować rozpływ ładunku i powolną zmianę punktu pracy mikrofonu i wtórnika, w przypadku pomiarów długotrwałych klucze K i K2 zwiera się na chwilę co pewien czas. Przy rozwartych kluczach K i K2 o wartości ładunku odpływającego z mikrofonu oraz z pojemności C decyduje upływność samych kluczy K i K2, a nie wartość rezystorów rezystorów R i R2. Wartość tych rezystancji jest nieduża i może być zredukowana o kilka rzędów wielkości w stosunku do znanych układów. Dzięki zastosowaniu małych wartości rezystancji R i R2 czas stabilizowania się punktu pracy wzmacniacza i mikrofonu po załączeniu zasilania jest krótki. Ze względu na to, że klucze, zwłaszcza mechaniczne nie wytwarzają szumów, a szumy termiczne wywołane rezystorami R i R2 są pomijalne układ charakteryzuje się minimalnymi szumami i wysoką czułością.After switching on the power of the preamplifier shown in Fig. 2 and Fig. 4, with the keys K and K2 shorted, the capacitance of the condenser microphone Cm is charged to the value close to the voltage of the DC source Upo and the capacitor C to the voltage close to the voltage difference Upo - U2. When taking measurements, especially short-term measurements, the keys are open. Due to the fact that any leakage of the system, for example assembly leakages, may cause the flow of the charge and the slow change of the working point of the microphone and the repeater, in the case of long-term measurements the keys K and K2 are short-circuited from time to time. With the K and K2 keys open, the leakage value of the K and K2 keys themselves determines the value of the charge flowing from the microphone and the capacitance C, and not the value of the resistors of R and R2 resistors. The value of these resistances is small and can be reduced by several orders of magnitude in relation to known systems. Due to the use of low values of the R and R2 resistances, the stabilization time of the amplifier and microphone operating point after switching on the power supply is short. Due to the fact that the keys, especially the mechanical ones, do not generate noise, and the thermal noise caused by R and R2 resistors is negligible, the system is characterized by minimal noise and high sensitivity.

Claims

1. Preamplifier for condenser microphones, in which the tip of this microphone is connected to an amplifier with high input impedance and through a resistor is connected to a DC voltage source, characterized in that the resistor (R) connecting the end of the condenser microphone and the DC voltage source (Upo) is connected is in series with the key (K).

2. Preamplifier according to claim 3. The method of claim 1, characterized in that the connection point of the series branch of the resistor (R) and the key (K) with the tip of the condenser microphone (Cm) is connected to an amplifier (W) with high input impedance through a coupling capacitor (C), and the input of the amplifier is connected to the second DC voltage source (U2) through the serial branch of the second key (K2) and the second resistor (r2).