PREAMPLIFICADOR PARA EL ECM8000

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INTRODUCCIÓN

Esta pensado originalmente para un ECM8000 de Berhingher, pero puede adaptarse fácilmente a otros micrófonos electret, especialmente lo que lleven transformador a la salida.

Este preamplificador es completamente excesivo en todas sus características: rechazo al ruido de interferencia, relación señal-ruido, ancho de banda, desde luego para el ECM8000 sobra, se garantiza que los humbrales mínimos del micrófono están alrededor de 40dB por encima de los del preamplificador y a la altura de las mejores tarjetas de sonido no profesionales.

 

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CÓMO FUNCIONA EL ECM8000

El ECM800 lleva una cápsula electret-condensador. Estas cápsulas constan de un micrófono propiamente dicho de condensador, y de una amplificación propia hecha con un transistor JFET en una etapa clase A single-ended.

De ahí la necesidad de una alimentación phantom, que por supuesto debe ser de ultrabajo ruido ya que esta etapa no tiene rechazo al ruido. Lo mejor es utilizar una batería. (con dos o tres pilas de 9V es suficiente).

Aquí la carga no es una resistencia sino el primario de un transformador. En el secundario está la salida, perfectamente balanceada, y llega a un conector XLR.

La alimentación debe llegar a los dos pines del secundario, y se toma de un punto medio. De esta manera se cancela el flujo DC creado por la circulación de corriente, lo que permitirá al pequeño núcleo tener una menor distorsión por saturación.

 

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DIAGRAMA DE BLOQUES

Se ven los bloques principales. Conector, cable de entrada, trafo de entrada, amplificación, búffers de salida, línea de salida y trafo de fin de línea.


Hay varias características a destacar: la primera de ellas es el uso de transformadores de entrada y fin de línea. Nada tiene un mejor CMRR que un transformador, y en esta aplicación, su uso es crítico y sólo los óptimos resultados obtenidos justifican su elevado coste.

Hay dos, uno de entrada que impide que el ruido recogido por el cable del micrófono sea amplificado y otro al final de la línea, que impide que el ruido recogido por la línea (que puede ser bastante larga, hemos probado con 10 metros de cable) se sume a la señal útil.

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ESQUEMA COMPLETO

El conector es un conector XLR hembra de aire, y el cable es un cable de micrófono de bajo ruido, muy estándar y cuya longitud es muy recomendable que no exceda 1.5 metros, 1 metro preferiblemente.

La alimentación phantom se introduce por los dos conductores del cable, así los flujos magnéticos en los transformadores se cancelarán y no habrá que lidiar con saturaciones. Para evitar que la corriente circule por el bobinado del primer transformador, se introduce en el circuito a través de dos resistencias.

Sirve para que si se produce un cortocircuito entre tierra y las entradas, no circule corriente por el débil bobinado del primario, puede quemarse ya que su RDC es muy baja y los voltajes de la alimentación phantom pueden ser de hasta 50V, con 600 Ohm crearían una corriente de 83mA y una disipación de potencia de 4,16W, lo que destruiría el primario. En ese caso, mejor que sea una resistencia, es más fácil de soldar y cuesta 500 veces menos.

Con un interruptor se puede interrumpir el paso de corriente a la cápsula. El hecho de que la línea sea balanceada hace que no halla ningún ruido al encender y apagar esta alimentación.

 

A la entrada, el primer transformador de relación 1:1 cancela los ruidos de interferencia recogidos por ese cable.

Los circuitos de amplificación y driver de línea requieren una alimentación regulada de entre 9 y 18V simétricos. Se puede hacer con dos pilas de 9V, el consumo en reposo es de unos 20mA, para una batería de 9V y 500mAh suponene una vida esperada de más de 25 horas. O también, se puede alimentar preferiblemente con una fuente simétrica, la potencia disipada al atacar la línea hará que dure menos.

La sección de la amplificación consta de un OP37, un operacional de bajo ruido y precisión, con varias características muy importantes. Es estable para ganacias mayores que 5, lo que le permite tener un producto ganacia x ancho de banda de 67MHz y un slew rate muy alto, lo que elimina distorsiones como la inducida por falta de slew-rate y permite amplificar con ganancia 1000 y tener un ancho de banda útil de 67kHz, y 670kHz con ganancia 100.

Al ser de precisión, el pequeño offset de entrada y las bajas resistencias utilizadas hacen que el offset de DC a la salida sea muy bajo, del orden de 1mV, por lo que prescindimos de corregirlo. Su precio es el muy bajo comparado con otros operacionales de caracterísiticas semejantes o levemente mejores como el LT1011, TL1012.

Su nivel de ruido está a 3.5nV/Hz^.5, y un tema muy importante, la esquina de ruido está a 2.7Hz, lejos de la banda audible y medible, lo que evitará los errores habiuales generados con operacionales más económicos como el TL071 a bajas frecuencias. En todo caso, el NE5534 puede valer, pero no se asegura una precisión DC tan grande, de hecho el offset de salida puede llegar a 1V.


La etapa de salida consta de dos operacionales que se encargan de atacar la línea. El trafo de fin de línea tiene ganancia 20dB, por lo que hemos amplificado de más, previamente. El operacional de salida empleado es un NE5534, elegido por dos motivos. Cumple con las características esperadas de ruido, ancho de banda, SR, y tiene otra característica muy especial: su etapa de salida es muy buena para su precio. Consta de una limitación de corriente que permite entregar al menos 40mA en cualquier situación, y en general permite atacar cargas de 600 Ohm con amplitudes de 15VP.

El motivo de usar dos operacionales para la salida es que permite trabajar mucho más cómodamente al OP37, recordemos que tiene una gran ganancia y no se puede confiar al 100% en la realimentación negativa. Una de las formas de facilitar su trabajo es evitar que su etapa de salida (nada en especial) cargue con una baja impedancia. Una versión anterior de este mismo circuito así lo demuestra.

Prototipo

EL NE5534 tiene un problema, no es estable para ganancia unidad, pero es fácil compensarlo con un condensador de 22pF entre sus pines 5 y 8 (crean un polo dominante aprovechando el efecto Miller).

Para la etapa inversora es posible compensarlo con un condensador menor, ya que la ganancia -1 es en realidad ganancia 2, y con el margen de fase de 45º, acaba siendo estable. Pero dado que va a cargar con un cable de gran capacidad y con una baja impedancia, es mejor asegurarse

Representación 3D

 

Respecto a la PCB, se ha utilizado un diseño de bajo ruido.

Todos los op-amp tienen pistas de alimentación y tierra independientes, y condensadores de 1000uF, aparte de condensadores de cerámica multicapa de 100nF opcionales.

La señal está protegida en todas las etapas por planos de tierra a través de pistas propias.

Las pistas

El cable de línea no tiene ningún requerimiento especial en cuanto a calidad. Es un cable de dos conductores trenzados y con malla. La malla sólo se conecta en uno de los extremos.

Al otro lado, se conectan los conductores al primario del transformador, dejando la tierra al aire. El lado del secundario, con máximo 20 cm de cable de micrófono de bajo ruido, se conectan los pines a los cables, sin conectar la malla a nada. En el jack mono de 3.5mm, se conecta uno de los cables del secundario a la señal y el otro a tierra, a través de uno de los cables. Y la malla, se conecta a la tierra del jack.

Cable de línea con transformador al final

 

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Resultados

El nivel de ruido obtenido es símplemente ínfimo, sobra para el ECM8000 y para las cápsulas electret, incluso con 10 metros de cable el nivel de ruido de interferencia sigue estando muy por debajo del las posibilidades de medición del micrófono.

Por una parte, el circuito está muy sobrado, tenemos la garantía de que no se va a colar absolutamente nada de ruido por medios externos y de que podemos colocar el micrófono en la sala de medición y el ordenador en otra, lo que evita el constante fondo de ruido de los ventiladores..

A la derecha se puede ver una muestra del ruido eléctrico captado por la tarjeta de sonido con el control del meclador al máximo, un metro de cable de entrada y seis metros de salida.

El fondo de ruido aleatorio creado por la electrónica está a menos de 100dB, a partir de 500Hz ya está por debajo de 110dB. Las interferencias son el ruido de la red de 50Hz y los múltiples armónicos, pudiendo asegurar que quedarán por debajo de -80dB.

En la gráfica de la derecha se puede observar la comparación entre el ruido de la tarjeta de sonido (SB16) y el ruido captado por el preamplificador.

Por otra, sobra y se paga, aunque su precio está bastante comedido para la calidad.

  • Ancho de banda: 10-100kHz (limitado por los transformadores, electrónica DC-670kHz)
  • Distorsión armónica ~0.1% (limitado por los transformadores, 0,05% teórico)
  • Relación señal ruido (SNR)
    • Electrónica: -105dB(media): Mínmo -100dB, máximo 115dB
    • Montaje completo (con cables de 1 metro (entrada) y 6 metros (salida)): -85dB
  • Alimentación: Fuente simétrica entre 9 y 15V
  • Consumo de corriente:
    • Reposo 15mA
    • Máxima señal de salida: 65mA
  • Voltaje de pico de salida: Vcc/11 (siendo Vcc el voltaje de alimentación)

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PCBs

Se ofrecen las máscaras de las PCBs para construir este preamplificador de uso personal y no lucrativo.

Descargar PDF con las máscaras.

La primera hoja es la capa superior, la segunda es la capa inferior, la tercera es el silkscreen superior, la cuarta correspondería al silkscreen inferior (no hay nada); el resto son guías para taladros y demás indicaciones de grosores, etc. Se puede taladrar toda con una broca de 0.8mm o 1mm

Entiendo que está destinado a proyectos amateur, no todo el mundo estará dispuesto a fabricarse la PCB porque para los no iniciados es problemático. Por eso, a pesar de ofrecer las máscaras, se ofrece también la posibilidad de adquirir la PCB, el kit con la PCB y los componentes o el montaje completo verificado. Para consulta de precios y plazos los interesados deben digirse por e-mail a la siguiente dirección: consultas

Los derechos de explotación pertenecen exclusivamente al autor

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