Construya el preamplificador de micrófono con alimentación fantasma SSM2019 de cuatro canales: 9 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

Como habrás notado en algunos de mis otros Instructables, tengo una pasión por el audio. También soy un tipo de bricolaje desde hace mucho tiempo. Cuando necesité cuatro canales más de preamplificadores de micrófono para expandir mi interfaz de audio USB, supe que era un proyecto de bricolaje.

Hace varios años, compré una interfaz de audio USB Focusrite. Tiene cuatro preamplificadores de micrófono y entradas de nivel de cuatro líneas junto con algunas entradas digitales. Es una gran pieza de hardware y satisfizo mis necesidades. Eso fue hasta que construí un montón de micrófonos. Entonces, me propuse resolver esta discrepancia. ¡Así nació el preamplificador de micrófono de cuatro canales SSM2019!

Tenía algunos objetivos de diseño para este proyecto.

Sería lo más simple posible y utilizaría un mínimo de componentes

Tendría alimentación fantasma para permitirme usar todos los micrófonos de Pimped Alice que he construido

Tendría una entrada de alta impedancia (Hi-Z) en cada canal para transductores piezoeléctricos, un proyecto futuro mío. Este sería un complemento fácil si la carcasa y la fuente de alimentación ya fueran parte del proyecto principal

Tendría especificaciones de audio profesional: limpio, baja distorsión y bajo ruido. Tan bueno o mejor que los preamplificadores existentes en mi interfaz Focusrite

Paso 1: el diseño

Empecé a estudiar lo que ya existía. Estoy muy familiarizado con el diseño analógico y tenía el ojo puesto en el SSM2019, ya que había usado anteriormente su primo mayor, el ahora obsoleto SSM2017. El SSM2019 está disponible en un paquete DIP de 8 pines, lo que significa que se puede montar fácilmente. Encontré información fantástica sobre el diseño de preamplificadores de micrófono de That Corp. (Consulte la sección de referencia). Desafortunadamente, todos sus chips de preamplificador específicos son pequeños paquetes de montaje en superficie. Y, las especificaciones son solo un poco mejores que las del SSM2019. Los aplaudo por compartir conocimientos e información sobre el diseño. Las especificaciones del SSM2019 son fantásticas y, como la mayoría de los amplificadores operacionales de audio en estos días, superarán al resto de la cadena de señales en cuanto a rendimiento. Usé dos etapas de ganancia fija con un potenciómetro que permitía ajustar la señal entre ellas. Esto mantiene el diseño simple y elimina la necesidad de desafiar la búsqueda de piezas; como potenciómetros antilogaritmo e interruptores de contactos múltiples con valores de resistencia únicos. También mantiene el ruido THD + muy por debajo del 0,01%

Durante mi proceso de diseño, tuve una epifanía sobre la alimentación fantasma. La mayoría de la gente piensa en 48 voltios como el "estándar". Esto se remonta a mucho tiempo atrás y fue importante cuando se utilizó el voltaje de alimentación fantasma para polarizar la cápsula de los micrófonos de condensador. Actualmente, la mayoría de los micrófonos de condensador utilizan alimentación fantasma para crear una fuente estable de voltaje más bajo. Usan un Zener internamente para generar 6-12 VCC. Ese voltaje se usa para hacer funcionar la electrónica interna y generar un voltaje más alto para polarizar la cápsula. En realidad, esta es la mejor forma de hacerlo. Obtiene un voltaje de cápsula estable y agradable que puede ser superior a 48 V si es necesario. La especificación de alimentación fantasma para micrófonos indica 48V, 24V y 12V. Cada uno usa diferentes valores de resistencias de acoplamiento. 48V usa 6.81K, 24V con 1.2K y 12V usa 680 Ohm. En esencia, se necesita alimentación fantasma para obtener una cierta cantidad de energía en el micrófono. Mi epifanía fue la siguiente: el voltaje debe ser lo suficientemente alto para que funcione el Zener interno de 12V. Si utilicé los + 15V disponibles en mi proyecto y el valor de resistencia de acoplamiento apropiado, debería funcionar bien. En realidad, esto resuelve otros dos problemas. En primer lugar, no se necesita una fuente de alimentación separada solo para la alimentación fantasma. En segundo lugar, y más importante para mi diseño, es la simplicidad. Al mantener el voltaje de alimentación fantasma en o menos que el voltaje de suministro para el SSM2019, eliminamos muchos circuitos adicionales que se necesitan para la protección. Los chicos de That Corp presentaron dos trabajos en AES titulados “The Phantom Menace” y “The 48V Phantom Menace Returns”. Estos tratan específicamente los desafíos de tener un capacitor de 47-100uF cargado a 48V en un circuito. Cortarlo accidentalmente puede causar muchos problemas. La energía almacenada en el condensador es función del voltaje al cuadrado, por lo que con solo pasar de 48V a 15V reducimos la energía almacenada en un factor de 10. También evitamos un voltaje por encima del voltaje de suministro en cualquiera de los pines de entrada de señal del SSM2019. Lea la guía de diseño de That Corps para ver ejemplos de lo que se necesita para hacer un preamplificador a prueba de balas.

Para ser transparente, comencé este proyecto pensando que iba a usar alimentación fantasma de 24 VCC y luego, en el proceso de resolución de problemas de la fuente de alimentación, se me ocurrió la idea de usar el +15 ya disponible. Inicialmente puse la fuente de alimentación dentro de la caja del preamplificador. Esto provocó múltiples problemas de zumbidos y zumbidos. Terminé con la mayor parte de la fuente de alimentación en una caja externa con solo los reguladores de voltaje en la caja. El resultado final es un preamplificador muy silencioso que está a la par, si no mejor, que los internos de mi interfaz Focusrite. ¡Objetivo de diseño n. ° 4 logrado!

Echemos un vistazo al circuito y veamos qué está sucediendo. El bloque SSM2019 en el rectángulo azul es el circuito principal. Las dos resistencias de 820 ohmios se acoplan a la alimentación fantasma del área verde claro donde el interruptor de palanca aplica +15 al condensador de 47 uF a través de una resistencia de 47 ohmios. Ambas resistencias de 820 ohmios están en el lado "+" de los condensadores de acoplamiento de 47uF que traen la señal del micrófono. En el otro lado de los condensadores de acoplamiento hay dos resistencias de 2,2 K que unen el otro lado de los condensadores a tierra y mantienen las entradas al SSM2019 a un potencial de tierra de CC. La hoja de datos muestra 10K pero menciona que deben ser lo más bajos posible para minimizar el ruido. Elegí 2.2K para que sea más bajo, pero no afecta en gran medida la impedancia de entrada de todo el circuito. La resistencia de 330 ohmios establece la ganancia del SSM2019 en + 30db. Elegí este valor porque proporciona la ganancia mínima que necesitaría. Con esta ganancia y el recorte de los rieles de suministro de +/- 15V no debería ser un problema. El condensador de 200pf en los pines de entrada es para protección EMI / RF para el SSM2019. Esto está directamente en la hoja de datos para la protección de RF. También hay dos condensadores de 470pf en el conector XLR para protección de RF. En el lado de la entrada de señal, tenemos un interruptor de palanca DPDT que actúa como nuestro interruptor de selección de fase. Quería poder usar una pastilla de contacto piezoeléctrica en una guitarra (u otros instrumentos acústicos) mientras usaba simultáneamente un micrófono. Esto permite la inversión de fase del micrófono si es necesario. Si no fuera por eso, lo habría eliminado ya que la mayoría de los programas de grabación te permiten invertir la fase posterior a la grabación. La salida del SSM2019 va a un potenciómetro de 10K para ajustar el nivel a la siguiente etapa.

Ahora pasemos al lado de alta impedancia. En el rectángulo rojo, tenemos un búfer no inversor clásico basado en una sección de un amplificador operacional dual OPA2134. Este es mi amplificador operacional favorito para audio. Muy poco ruido y distorsión. Al igual que el SSM2019, no será el eslabón más débil de la cadena de señales. El capacitor de.01uF acopla la señal del conector de entrada de ¼”. La resistencia de 1M proporcionó una referencia a tierra. Curiosamente, el ruido de la resistencia de 1M se puede escuchar al subir el nivel de la entrada Z alta al máximo. Sin embargo, cuando se conecta una pastilla piezoeléctrica, la capacitancia de la pastilla piezoeléctrica forma un filtro RC con la resistencia de 1M. Eso reduce el ruido (y no está mal en primer lugar). Desde la salida del amplificador operacional, pasamos a un potenciómetro de 10K para el ajuste de nivel final.

La sección final del circuito es el amplificador sumador de la etapa de ganancia final construido alrededor de la segunda sección del amplificador operacional OPA2134. Vea el rectángulo verde en las ilustraciones. Esta es una etapa de inversión con la ganancia establecida por la relación de la resistencia de 22K y la (s) resistencia (es) de 2.2K, lo que nos da una ganancia de 10 o + 20dB. El capacitor de 47pf a través de la resistencia de 22K es para estabilidad y protección de RF. Los potenciómetros de 10K son lineales. Lo que significa que cuando el limpiaparabrisas se mueve a lo largo del rango de rotación, la resistencia desde el punto de partida varía linealmente con el cambio de rotación. En el medio, obtienes 5K para cada extremo. Sin embargo, escuchamos de manera diferente. Escuchamos logarítmicamente. Por eso se utilizan decibelios (dB) para medir los niveles de sonido. Al usar un potenciómetro lineal de 10K que alimenta una resistencia de 2.2K, logramos un cambio de nivel que suena mucho más natural. El amplificador operacional mantiene la entrada inversora en un suelo virtual. Para señales de CA, la resistencia de 2.2K está vinculada a la tierra virtual. El punto medio de rotación tiene una atenuación de aproximadamente -12dB con el último octavo de rotación solo 1.2db de diferencia. Esto se siente mucho más suave que muchos otros preamplificadores donde el potenciómetro está cambiando la ganancia del preamplificador. Funciona mejor que los preamplificadores que tienen un potenciómetro de ajuste de ganancia. Por lo general, el último aumento provoca un aumento rápido en la ganancia final y un poco de ruido notable. El Focusrite responde de esta manera. El mío no. La señal se acopla fuera del amplificador operacional a través de una resistencia de 47 ohmios. Esto protege el amplificador operacional y lo mantiene estable cuando se conduce un cable largo en caso de que necesite hacerlo. Una última cosa para los dos chips IC. Ambos son dispositivos de alta ganancia de gran ancho de banda. Deben tener una buena derivación de la fuente de alimentación con condensadores de.1uF montados cerca de los pines de suministro. Esto evita que sucedan cosas extrañas y las mantiene agradables y estables.

En resumen, hay dos etapas de ganancia fija, una de 30 dB y una de 20 dB para una ganancia total de 50 dB. El ajuste de nivel se realiza variando el nivel de la señal entre las dos etapas de ganancia. También hay una entrada de alta impedancia disponible en cada canal que es perfecta para pastillas piezoeléctricas y otros instrumentos (guitarra y bajo) que necesitan un poco de ajuste de nivel antes de la grabación. Todo con muy poca distorsión y ruido. La alimentación fantasma es de 15 VCC, lo que debería funcionar con la mayoría de los micrófonos de condensador modernos. Una excepción notable es el Neumann U87 Ai. Ese micrófono es mi orgullo y alegría. Internamente tiene un Zener de 33V para una fuente de alimentación intermedia. Para mí, eso no es un problema, ya que mi Focusrite tiene alimentación fantasma de 48V. Todo el resto del mío funciona bien.

La fuente de poder:

La fuente de alimentación es un diseño clásico de la vieja escuela. Utiliza un transformador con derivación central, un puente rectificador y dos condensadores de filtro grandes. El transformador tiene una toma central de 24 VCA. Lo que significa que podemos conectar a tierra el grifo central y obtener 12VAC de cada pata. Espera, ¿no estamos usando +/- 15VDC? ¿Como funciona esto? Suceden dos cosas: primero, el 12VAC es un valor RMS. Para una onda sinusoidal, el voltaje pico es 1.4 veces más alto (técnicamente la raíz cuadrada de dos), por lo que da un pico de 17 voltios. En segundo lugar, el transformador está clasificado para suministrar 12 V CA a plena carga. Lo que significa que con una carga ligera (y este circuito no usa mucha energía) tenemos un voltaje aún más alto. Todo esto da como resultado aproximadamente 18 VCC disponibles para los rectificadores de voltaje. Estamos usando reguladores de voltaje lineal 7815 y 7915 y elegí unos de National Japan Radio que tienen una carcasa de plástico. Esto significa que no necesita un aislante entre el regulador y la caja al montarlos. Inicialmente construí la fuente de alimentación interna a la caja del preamplificador de micrófono. Eso no funcionó muy bien ya que tuve algunos zumbidos y zumbidos, todo relacionado con lo cerca que estaba mi transformador del cableado interno del micrófono. Terminé colocando el transformador, el rectificador y las tapas de filtro grandes en una caja separada. Usé un conector XLR de 4 terminales que tenía en el contenedor de piezas para llevar la CC no regulada a la caja principal donde los reguladores están montados cerca de la placa de circuito principal. Como se mencionó anteriormente, inicialmente iba a usar 24 VCC para la alimentación fantasma y terminé sin hacerlo, simplificando así mi circuito y deshaciéndome del regulador de 24 V (¡y un transformador de voltaje más alto!)

Paso 2: Construcción: el caso

El caso:

Si aún no lo ha notado, mi esquema de pintura y etiquetado son bastante extravagantes. Mi hijo estaba haciendo un proyecto escolar y teníamos los tres colores de pintura en aerosol disponibles, así que por un capricho usé los tres. Entonces se me ocurrió la idea de pintar el etiquetado a mano con esmalte amarillo y un pincel pequeño. ¡Prácticamente el único en el mundo que se ve así! Conseguí mi caso de Tanner Electronics en Dallas, una tienda de excedentes. Lo encontré en línea en Mouser y otros lugares. Es Hammond P / N 1456PL3. Es posible que desee etiquetarlo y pintarlo de manera diferente, ¡eso depende de usted!

Paso 3: Construcción: placa de circuito

Panel de computadora personal:

Construí el circuito en una placa de prototipos. Primero construyendo un canal para asegurar que el diseño funcionó como se esperaba. Luego construyó los otros tres canales. Vea la foto 1 y 2 para el diseño. Mis OPA2134 son de Burr Brown, que fue adquirido por TI en 2000. Compré 100 de estos en su día y todavía tengo algunos. Observe que las tapas de derivación de.1uF están todas montadas en la parte inferior de la placa. Estos son importantes para la estabilidad de los chips IC.

Paso 4: Construcción: Controles y conectores del panel frontal:

Controles y conectores del panel frontal:

Dependiendo de su elección de caso, su diseño puede variar. Usé conectores de ¼”de montaje en panel Switchcraft que conectarán el panel frontal a tierra. Para minimizar los bucles de tierra, conecte la tierra del conector XLR (Pin-1) con la longitud más corta posible al panel frontal. Para mi diseño, los conecté al cable de tierra de las tomas de entrada “Hi Z”. Precableé los interruptores de inversión de fase mediante la conexión cruzada de las dos conexiones exteriores del interruptor bipolar de doble tiro (DPDT). Luego, la entrada de micrófono del XLR irá a los cables centrales y una de las conexiones externas a la placa de circuito. De esta forma, cuando se cambia la posición del interruptor, la fase se invierte. Antes de montar los conectores XLR, suelde los dos condensadores de 470pf para blindaje RF / EMI. ¡Esto lo hace mucho más fácil más adelante! Monte los potenciómetros en el panel frontal. Usé un marcador pequeño u otro marcador para etiquetar cosas en el panel interior para ayudar con las conexiones más adelante. Y para recordarme qué terminal de los potenciómetros debe conectarse a tierra. Luego, conecte todas las conexiones a tierra de las macetas juntas utilizando un cable desnudo común no aislado. Más tarde, esa conexión se ejecutará hasta el punto de tierra común.

Paso 5: Construcción: cableado interno

Conexiones internas:

Para los cables de señal del micrófono, trencé los cables de calibre 22 y conecté las tomas XLR de entrada a los interruptores de palanca de selección de fase. Torcerlos juntos minimiza cualquier EMI y RF perdidas. En teoría, dentro de la caja metálica no deberíamos tener ninguno, ya que todo en este proyecto es pura circuitería analógica. No se preocupe específicamente por la fase todavía. Sea coherente en cómo se conectan todos los canales. Al probar, averiguaremos qué posición del interruptor será "normal" y cuál es la inversa.

Para el resto del cableado de audio, utilicé un solo conductor blindado y conecté el blindaje a tierra en un solo extremo. Esto mantiene nuestras señales protegidas y evita bucles de tierra. Tenía un rollo de cable blindado Tipo “E” de calibre 26 que obtuve en exceso de Skycraft en Orlando hace mucho tiempo. Hay proveedores que lo venden en línea o puede usar un solo conductor blindado diferente. Para cada conexión, preparé un tramo con el blindaje expuesto en un extremo y el otro solo el conductor central. Puse un poco de termorretráctil sobre el escudo en el extremo no conectado para aislarlo. Mira las fotos. Trabaja metódicamente y conecta una cosa a la vez. Luego ato envuelto cada grupo de cuatro cables juntos para mantener las cosas lo más ordenadas posible.

Paso 6: Construcción: Fuente de alimentación

Fuente de alimentación:

Construí mi suministro en una caja de proyecto más pequeña. Hay UNA cosa que debe hacer para que esto sea seguro y cumpla con el código. Debe tener un fusible en el primario del transformador. Usé un portafusibles en línea con un fusible de ¼ amperios. Eso explotará si el transformador consume más de 25 W, lo cual no debería. Todo esto usa como máximo 2W con cuatro micrófonos conectados.

Reguladores de voltaje:

Prepare los reguladores de voltaje antes de montarlos en el panel soldando los dos condensadores de filtro, 10uF para la entrada y.1uF en la salida. También les adjunté cables de entrada para evitar confusiones más adelante. Recuerde: El 7815 y el 7915 están conectados de manera diferente. Consulte las hojas de datos para conocer la numeración de los pines y las conexiones. Una vez que todo está montado, es hora de realizar todas las conexiones internas.

Conexiones de energía y tierra:

Usé un cable codificado por colores para conectar los cables de alimentación de CC a la placa de circuito. Todas las conexiones a tierra regresan a un punto de conexión en el caso del proyecto. Este es un esquema de puesta a tierra típico de "estrella". Porque ya había construido la fuente de alimentación internamente. Todavía tenía dos condensadores de filtro grandes dentro de la carcasa. Los guardé y los usé para la alimentación de CC entrante. Ya tenía un interruptor de encendido en el estuche (DPDT) y lo usé para cambiar la energía de CC no regulada +/- a los reguladores. Conecté directamente el cable de tierra.

Una vez que todas las conexiones estén completas, ¡tómate un descanso y vuelve más tarde para comprobarlo todo! Este es el paso más crítico.

Le recomiendo que pruebe la fuente de alimentación y se asegure de que las polaridades sean las correctas y que tenga + 15VDC y -15VDC de los reguladores antes de conectarlos a la placa de circuito. Monté dos LED en mi panel para mostrar que había energía. No es necesario que haga esto, pero es un buen complemento. Necesitará una resistencia limitadora de corriente en serie con cada LED. De 680 ohmios a 1 K funcionará bien.

Paso 7: Construcción: Cables de conexión

Cables de conexión:

Esta parte podría ser un Instructable separado. Para que esto sea utilizable, debe conectar los cuatro canales a las entradas de línea de la interfaz Focusrite. Planeo tenerlos uno al lado del otro, así que necesitaba cuatro cables de conexión cortos. Encontré un gran cable de un solo conductor que era resistente y no costoso en Redco. También tienen buenos enchufes de ¼”. El cable tiene un blindaje trenzado de cobre exterior y un blindaje interior de plástico conductor. Eso debe eliminarse al hacer los cables de conexión. Vea la secuencia de fotos para mi método de ensamblaje de cables. Me gusta tomar el blindaje y envolverlo alrededor de la conexión a tierra del conector de ¼”y luego soldarlo. Esto hace que el cable sea bastante resistente. Aunque siempre debe desenchufar un cable de conexión sujetando el conector, a veces ocurren accidentes. Este método ayuda.

Paso 8: Prueba y uso

Prueba y uso:

Lo primero que debemos hacer es determinar la polaridad de los interruptores de fase. Para hacer esto, necesitará dos micrófonos idénticos. ¡Lo cual supongo que tiene, o no necesitaría un preamplificador de cuatro canales! Conecte uno a una entrada de preamplificador de micrófono Focusrite y el otro al canal uno de los cuatro canales de preamplificador de micrófono. Mueva ambos hacia el centro. Sostenga los micrófonos uno cerca del otro y hable, cante o tararee mientras mueve la boca más allá de los dos micrófonos. Los auriculares realmente ayudan con esta parte. No debería escuchar un nulo o una caída en la salida si los micrófonos están en fase entre sí. Cambia la fase del micrófono y repite. Si están fuera de fase, escuchará un nivel nulo o caída. Debería poder decir muy rápidamente qué posición está en fase y fuera de fase.

Me di cuenta de que con el potenciómetro de nivel a mitad de camino obtengo una ganancia nominal para mis micrófonos y eso coincide aproximadamente con el lugar donde normalmente coloco la perilla de ganancia del preamplificador de Focusrite en aproximadamente 1-2 en punto. Curiosamente, la especificación del Focusrite es de hasta 50 dB de ganancia. Cuando lo tengo completamente hacia arriba (sin micrófono conectado), escucho un leve silbido. Es un poco más fuerte que mi preamplificador basado en SSM2019. No tengo disponible equipo de prueba elaborado. Sin embargo, tengo mucha experiencia tanto en el estudio como en el sonido en vivo y este preamplificador tiene un rendimiento superior.

Para las entradas Hi-Z, soldé un Piezo Disc a un jack de 1/4 y verifiqué que todo funciona y que el rango de ganancia es correcto. Planeo probar esto en una guitarra acústica en un futuro cercano.

Estoy emocionado de tener ocho canales completos de entradas de micrófono disponibles para grabar. Tengo un par de micrófonos MS y 8 de mis micrófonos Pimped Alice. Esto me permitirá experimentar con diferentes ubicaciones de micrófono al mismo tiempo. También abre la puerta a un proyecto que he querido probar durante mucho tiempo: un micrófono Ambisonic. Uno con cuatro cápsulas internas destinadas a capturar sonido envolvente y sonido multidireccional.

¡Estén atentos para varios Instructables de micrófono más!

Paso 9: referencias

Se trata de una gran cantidad de información para audio analógico, diseño de preamplificador de micrófono y conexión a tierra adecuada para circuitos de audio.

Referencias:

Hoja de datos SSM2019

Hoja de datos OPA2134

Wikipedia de Phantom Power

That Corp "Phantom Menace"

Los secretos de los análogos corporativos que tu madre nunca te contó

That Corp más secretos análogos que tu madre nunca te contó

That Corp diseña preamplificadores de micrófono

Conexión a tierra de audio Whitlock, Whitlock

Rane "nota 151": puesta a tierra y blindaje