¿Para qué sirven estos pasivos en un circuito preamplificador de micrófono?

Question

Este es el circuito de aplicación típico del op-amp MAX4466 "preamplificador de micrófono".

¿Estas resistencias/condensadores sirven únicamente para generar una tensión de polarización? Si es así, ¿no hay formas mucho más sencillas de hacerlo, como un simple divisor de tensión? ¿Sirven para limitar la corriente?

Estoy planeando usar esto con un micrófono MEMS. ¿Esto cambia mucho? Sé que hay que ajustar los valores para adaptarlos al micrófono y al ADC que lo leería.

Actualización: He encontrado un micrófono que se ajusta a mi aplicación, pero no estoy seguro sobre el circuito y el amplificador.
Estos son los rangos de voltaje de entrada del ADC del ESP32, de este en la documentación de Espressif.

El micrófono ficha técnica dice que su salida DC es de 0.69V, en la página 2

¿Significa esto que el voltaje sólo oscila de .69V, por unos pocos mV? Si es así, ¿funcionaría este circuito?
No sé qué valores se necesitan para R1 y R2, y si son siquiera necesarios.

He calculado los valores de R3 y R4 según esta fórmula:
Ganancia = 1+Rfb/Rin Supuse que Rin era 10k según la hoja de datos del micrófono, que decía carga mínima de salida 10k pero esto podría estar completamente equivocado.
Con una sensibilidad de -44dbV/Pa y un SPL máximo probable de 120dbSPL, la tensión máxima de pico a pico sería de 41mV. Para amplificar esto al ajuste de atenuación de 2,5db del ADC, que parece más centrado en los 0,69V, calculé una ganancia de aproximadamente 13, lo que entonces hace que Rfb sea de 120k.

Esto es posiblemente completa BS, pero como usted probablemente sabe al leer esto, yo no sé mucho acerca de los micrófonos y preamplificadores (oops)

Answer 1

El primer grupo está predispuesto para la cápsula del micrófono.

los 2K superiores reducen el ruido de alimentación en el condensador, y los 2K inferiores proporcionan corriente de polarización

El segundo grupo establece la tensión de polarización para el op-amp que controla la tensión media en el terminal de salida.

Casi seguro que hay formas más sencillas, por ejemplo: podrías perder los dos resustores de 1M y sustituir los 10nF por cable, pero entonces la tensión continua a la entrada del op-amp dependería del micrófono y esto podría no comportarse bien. esto provocaría que la parte continua en el terminal de salida también derivara.

Answer 2

Me refiero a esta ficha técnica . Empezando por el micrófono y su alimentación/distribución:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

El micrófono deja caer unas décimas de voltio (supongo que 0,2 V aquí, pero es una suposición, ya que no tenemos ni idea de qué JFET hay en el micrófono). Los 4,8V restantes pasan por R1 y R2, dejando unos +2,6V en su unión A.

Estos son niveles medios de CC, y podemos crear un circuito equivalente Thevenin para la región del recuadro azul. Es más fácil ver cómo C1 estabiliza el potencial en A, atenuando cualquier fluctuación de la fuente de alimentación por encima de 1,6 kHz.

La resistencia R2 proporciona corriente de polarización \$I=\frac{2.6-0.2}{2k} = 1.2mA\$ para el JFET dentro del micrófono, que en última instancia decide el potencial medio de CC en B.

Esa frecuencia parece bastante alta, ¿por qué no cortar a 20 Hz? Supongo que la razón es doble:

1. Mantener C1 × Rth pequeño permite que C1 se cargue rápidamente, estableciendo el punto de funcionamiento de CC rápidamente, y manteniendo el "golpe de encendido" (no sé cuál es el nombre técnico para eso) corto.

2. Es una tontería no tener una alimentación extremadamente estable para este circuito, así que no espero que haya mucho ruido de todos modos. Sin embargo, el rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) de este dispositivo se degrada rápidamente por encima de 1 kHz (página 4):
   A bajas frecuencias, el circuito integrado se encarga del ruido, pero C1 evita inyectar ese mismo ruido en la entrada del amplificador y agravar el problema. Ayuda a aplanar la PSRR general del sistema en todo el espectro.

La media de CC en B es cercana a 0 V, pero lo suficientemente alta como para que las componentes de CA (de sólo unas decenas de milivoltios) nunca hagan que B salga del rango de entrada de modo común del amplificador. Sin embargo, esta configuración tiene una ganancia de 10, por lo que la amplitud de salida puede ser de cientos de milivoltios. Por lo tanto, debe centrar la salida muy por encima de eso, para mantener la salida significativamente por encima de 0V y por debajo de +5V.

Esto se consigue gracias a las dos resistencias de 1MΩ, que no están ahí para limitar la corriente, salvo en el sentido de que sus valores se mantienen altos para minimizar la carga de la señal del micrófono. Son sólo un divisor de potencial para proporcionar una polarización estable de +2,5V CC a la entrada del amplificador. El condensador de 0,01μF aísla la CC de 0,2 V de un lado de la CC de 2,5 V del otro, al tiempo que permite que las fluctuaciones de CA del micrófono se transmitan al otro lado. Este uso del condensador se denomina "bloqueo de CC" o "acoplamiento de CA".

Vale la pena señalar que el condensador 1μF es responsable de mantener un potencial medio en el invirtiendo de entrada igual al potencial medio en la unión de las dos resistencias de 1MΩ (la entrada no inversora), por lo que la salida global también está centrada alrededor de +2,5V. Este condensador, aunque no está insertado directamente en la ruta de la señal, como parte de la red de realimentación realiza la misma función que el "acoplamiento AC". Esto significa que no avoir utilizar dos resistencias de 1MΩ; su relación puede elegirse para proporcionar cualquier tensión media en torno a la cual se desee centrar la salida global.

Ese condensador provoca un comportamiento de filtro de paso alto, pero no afecta a la respuesta en frecuencia en la gama audible, ya que proporciona al amplificador una frecuencia de corte de unos 16 Hz.

Esa no es la única razón por la que los diseñadores optaron por desplazar la señal hacia arriba en potencial, a medio camino entre los potenciales de alimentación, con las dos resistencias de 1MΩ. Además, este dispositivo sólo es capaz de absorber/suministrar su corriente de salida nominal cuando la salida está muy por encima de +1,5V. En la página 6:

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Como puedes ver, cada elemento desempeña un papel muy específico, y no es trivial simplificar la polarización sin comprometer el comportamiento de alguna manera. Eso no quiere decir que sea imposible. Hay opciones cuando se utiliza un MEMS.

Por lo que he leído, los micrófonos MEMS no necesitan polarización y se pueden alimentar directamente de los carriles de alimentación. Obviamente, su salida se centra en algún potencial entre esos extremos. Por ejemplo, el IM68A130V01 está polarizado para tener una salida de CC de 1,3 V.

Esto significa que las dos resistencias de 2kΩ y la caperuza de 100nF ya no son necesarias. Cómo afecta esto al ruido de la fuente de alimentación que aparece en la salida no lo sé. Las hojas de datos son esenciales para averiguar este tipo de cosas.

Digamos que tienes un dispositivo MEMS analógico con una salida media de 2V CC. Si la amplitud máxima esperada de su salida es de 100 mV, entonces oscila entre +2,1V y +1,9V. La salida del amplificador sería 11 veces mayor en amplitud, pero con una entrada de 2V DC promedio, sería perfectamente correcto conectar esta señal directamente al amplificador:

simular este circuito

Sólo recuerda que tienes que mantener OUT dentro de los potenciales de la fuente de alimentación. Por lo tanto, esta conexión directa sólo es posible si la salida MEMS se centra en algún lugar cerca del medio de los suministros. Si está demasiado cerca de cualquiera de los suministros, obtendrá recorte, y el MAX4466 tiene una extraña resistencia de salida dinámica cuando su salida está por debajo de 1,5V o así.

Answer 3

El divisor resistivo de 1MOhm es para proporcionar a la entrada del amplificador operacional un camino para que fluyan las corrientes de polarización de CC. Recuerde que hay transistores en esa entrada que requieren que fluyan corrientes para que el circuito funcione correctamente. Sin un camino de CC a tierra, cuando ese condensador de bloqueo de CC de 0,01uF se cargue, bloqueará esas corrientes de polarización para que no fluyan hacia o desde tierra y el amplificador óptico dejará de funcionar correctamente. Dado que las corrientes de polarización de entrada de los amplificadores operacionales pueden ser muy bajas, el condensador puede tardar varios minutos en cargarse completamente y, por lo tanto, pueden pasar varios minutos antes de que el circuito deje de funcionar.