Construir o pré-amplificador de microfone Phantom Powered SSM2019 de quatro canais: 9 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Como você deve ter notado em alguns dos meus outros Instructables, tenho paixão por áudio. Eu também sou um cara DIY há muito tempo. Quando precisei de mais quatro canais de pré-amplificadores de microfone para expandir minha interface de áudio USB, soube que era um projeto DIY.

Vários anos atrás, comprei uma interface de áudio USB Focusrite. Possui quatro pré-amplificadores de microfone e quatro entradas de nível de linha junto com algumas entradas digitais. É um ótimo hardware e atendeu às minhas necessidades. Isso foi até eu construir um monte de microfones. Então, eu me propus a resolver essa discrepância. Assim, nasceu o pré-amplificador de microfone de quatro canais SSM2019!

Eu tinha alguns objetivos de design para este projeto.

Seria o mais simples possível e usaria o mínimo de componentes

Teria alimentação fantasma para me permitir usar todos os microfones Pimped Alice que construí

Teria uma entrada de alta impedância (Hi-Z) em cada canal para transdutores piezo, um projeto futuro meu. Isso seria um acréscimo fácil se o gabinete e a fonte de alimentação já fizessem parte do projeto principal

Teria especificações de áudio profissionais: limpo, baixa distorção e baixo ruído. Tão bom ou melhor do que os pré-amplificadores existentes na minha interface Focusrite

Etapa 1: o design

Comecei a estudar o que já estava lá fora. Estou muito familiarizado com o design analógico e estava de olho no SSM2019, tendo usado anteriormente seu primo mais velho, o agora obsoleto SSM2017. O SSM2019 está disponível em um pacote DIP de 8 pinos, o que significa que pode ser facilmente embalado. Eu encontrei algumas informações fantásticas sobre o design do pré-amplificador de microfone da That Corp. (Veja a seção de referência) Infelizmente, todos os seus chips pré-amplificadores específicos são pequenos pacotes de montagem em superfície. E as especificações são apenas marginalmente melhores do que o SSM2019. Eu os aplaudo por seu compartilhamento de conhecimento e informações de design. As especificações do SSM2019 são fantásticas e, como a maioria dos amplificadores operacionais de áudio atualmente, excederão o resto da cadeia de sinal para desempenho. Usei dois estágios de ganho fixo com um potenciômetro permitindo o ajuste do sinal entre eles. Isso mantém o design simples e elimina a necessidade de desafios para encontrar peças; como potenciômetros anti-log e interruptores de múltiplos contatos com valores de resistor exclusivos. Ele também mantém o ruído THD + bem abaixo de 0,01%

Durante meu processo de design, tive uma epifania sobre a alimentação fantasma. A maioria das pessoas pensa em 48 Volts como o “padrão”. Isso é muito antigo e era importante quando a voltagem da alimentação fantasma era usada para polarizar a cápsula para microfones condensadores. Atualmente, a maioria dos microfones condensadores usa alimentação fantasma para criar uma fonte de voltagem mais baixa estável. Eles usam um Zener internamente para gerar 6-12 VCC. Essa tensão é usada para operar os componentes eletrônicos internos e gerar uma tensão mais alta para polarizar a cápsula. Esta é realmente a melhor maneira de fazer isso. Você obtém uma boa voltagem de cápsula estável, que pode ser superior a 48 V, se necessário. As especificações de alimentação fantasma para microfones indicam 48V, 24V e 12V. Cada um usa diferentes valores de resistores de acoplamento. 48 V usa 6,81 K, 24 V com 1,2 K e 12 V usa 680 Ohm. Em essência, a alimentação fantasma é necessária para fornecer uma certa quantidade de energia ao microfone. Minha epifania foi esta: a voltagem precisa ser alta o suficiente para que o 12V Zener interno funcione. Se eu usar o + 15V disponível em meu projeto e o valor do resistor de acoplamento apropriado, ele deve funcionar bem. Na verdade, isso resolve dois outros problemas. Em primeiro lugar, não é necessária uma fonte de alimentação separada apenas para alimentação fantasma. Em segundo lugar, e mais importante para o meu design, é a simplicidade. Ao manter a tensão da alimentação fantasma igual ou inferior à tensão de alimentação do SSM2019, eliminamos muitos circuitos extras necessários para proteção. Os caras da That Corp apresentaram dois artigos na AES intitulados “The Phantom Menace” e “The 48V Phantom Menace Returns”. Eles lidam especificamente com os desafios de ter um capacitor de 47-100 uF carregado a 48 V em um circuito. Fazer um curto-circuito acidentalmente pode causar muitos problemas. A energia armazenada no capacitor é função da tensão ao quadrado, então apenas indo de 48 V para 15 V, reduzimos a energia armazenada por um fator de 10. Também evitamos uma tensão acima da tensão de alimentação em qualquer um dos pinos de entrada de sinal do SSM2019. Leia o guia de design do That Corps para obter exemplos do que é necessário para fazer um pré-amplificador à prova de bala.

Só para ser transparente, comecei este projeto pensando que usaria phantom power 24VDC e então, no processo de solução de problemas da fonte de alimentação, tive a ideia de usar o +15 já disponível. Inicialmente coloquei a fonte de alimentação dentro do gabinete do pré-amplificador. Isso causou vários problemas de zumbido. Acabei com a maior parte da fonte de alimentação em uma caixa externa com apenas os reguladores de tensão na caixa. O resultado final é um pré-amplificador muito silencioso que está no mesmo nível, senão melhor, do que os internos na minha interface Focusrite. Objetivo de design nº 4 alcançado!

Vamos dar uma olhada no circuito e ver o que está acontecendo. O bloco SSM2019 no retângulo azul é o circuito principal. Os dois resistores de 820 Ohm acoplam-se na alimentação fantasma da área verde claro onde a chave seletora aplica +15 ao capacitor de 47uF por meio de um resistor de 47 Ohm. Os dois resistores de 820 Ohms estão no lado “+” dos capacitores de acoplamento 47uF que trazem o sinal do microfone. Do outro lado dos capacitores de acoplamento estão dois resistores de 2.2K que ligam o outro lado dos capacitores ao aterramento e mantêm as entradas para o SSM2019 em um potencial de aterramento CC. A folha de dados mostra 10K, mas menciona que eles devem ser o mais baixo possível para minimizar o ruído. Eu escolhi 2,2K para ser menor, mas não afetou muito a impedância de entrada de todo o circuito. O resistor de 330 Ohm define o ganho do SSM2019 para + 30db. Escolhi esse valor porque fornece o ganho mínimo de que preciso. Com este ganho e +/- 15V, o corte dos trilhos de alimentação não deve ser um problema. O capacitor 200pf entre os pinos de entrada são para proteção EMI / RF para o SSM2019. Isso está na folha de dados para proteção de RF. Existem também dois capacitores de 470pf no conector XLR para proteção de RF. No lado da entrada do sinal, temos uma chave seletora DPDT atuando como nossa chave seletora de fase. Eu queria poder usar um captador de contato piezoelétrico em um violão (ou outros instrumentos acústicos) ao mesmo tempo em que usava um microfone. Isso permite a reversão de fase do microfone, se necessário. Se não fosse por isso, eu o teria eliminado, pois a maioria dos programas de gravação permite que você inverta a fase pós-gravação. A saída do SSM2019 vai para um potenciômetro de 10K para ajuste de nível para o próximo estágio.

Agora, para o lado da alta impedância. No retângulo vermelho, temos um buffer não inversor clássico baseado em uma seção de um amplificador operacional duplo OPA2134. Este é meu amplificador operacional favorito para áudio. Muito baixo ruído e distorção. Semelhante ao SSM2019, não será o elo mais fraco na cadeia de sinal. O capacitor de.01uF acopla o sinal do conector de entrada de ¼”. O resistor de 1M forneceu uma referência de aterramento. Curiosamente, o ruído do resistor de 1M pode ser ouvido aumentando o nível da entrada Z alta. No entanto, quando um pickup piezo é conectado, a capacitância do pickup piezo forma um filtro RC com o resistor de 1M. Isso diminui o ruído (e não é ruim em primeiro lugar). A partir da saída do amplificador operacional, vamos para um potenciômetro de 10K para o ajuste de nível final.

A seção final do circuito é o amplificador de soma de estágio de ganho final construído em torno da segunda seção do amplificador operacional OPA2134. Veja o retângulo verde nas ilustrações. Este é um estágio de inversão com o ganho definido pela relação entre o resistor de 22K e o (s) resistor (es) de 2,2K, dando-nos um ganho de 10 ou + 20dB. O capacitor de 47pf através do resistor de 22K é para estabilidade e proteção de RF. Os potenciômetros de 10K são lineares. O que significa que quando o limpador se move ao longo da faixa de rotação, a resistência do ponto inicial varia linearmente com a mudança na rotação. No meio, você obtém 5K para cada extremidade. No entanto, ouvimos de forma diferente. Ouvimos logaritmicamente. É por isso que decibéis (dB) são usados para medir os níveis de som. Usando um potenciômetro linear de 10K alimentando um resistor de 2,2K, alcançamos uma mudança de nível que parece muito mais natural. O amplificador operacional mantém a entrada inversora em um aterramento virtual. Para sinais CA, o resistor 2.2K é conectado ao aterramento virtual. O ponto intermediário de rotação é de cerca de -12dB de atenuação com o último oitavo de rotação de apenas 1,2 dB de diferença. Isso parece muito mais suave do que muitos outros pré-amplificadores, onde o potenciômetro está alterando o ganho do pré-amplificador. Funciona melhor do que os pré-amplificadores que possuem um potenciômetro de ajuste de ganho. Normalmente, o último bit de aumento causa um salto rápido no ganho final e um pouco de ruído perceptível. O Focusrite responde dessa forma. O meu não. O sinal é acoplado fora do amplificador operacional por meio de um resistor de 47 Ohm. Isso protege o amplificador operacional e o mantém estável ao dirigir um longo cabo, caso seja necessário. Uma última coisa sobre os dois chips IC. Ambos são dispositivos de alto ganho de alta largura de banda. Eles devem ter uma boa fonte de alimentação contornando com capacitores.1uF montados próximos aos pinos de alimentação. Isso evita que coisas estranhas aconteçam e as mantém boas e estáveis.

Para resumir tudo, existem dois estágios de ganho fixo, um 30dB e 20dB para um ganho total de 50dB. O ajuste de nível é feito variando o nível do sinal entre os dois estágios de ganho. Há também uma entrada de alta impedância disponível em cada canal que é perfeita para captadores piezoelétricos e outros instrumentos (guitarra e baixo) que precisam de um pouco de ajuste de nível antes da gravação. Tudo com distorção e ruído muito baixos. A alimentação fantasma é de 15 VCC, que deve funcionar com a maioria dos microfones condensadores modernos. Uma exceção notável é o Neumann U87 Ai. Esse microfone é meu orgulho e alegria. Internamente possui um Zener 33V para uma fonte de alimentação intermediária. Para mim, isso não é tão problema quanto meu Focusrite tem phantom power de 48V. Todo o resto do meu trabalho muito bem.

A fonte de energia:

A fonte de alimentação é um design clássico da velha escola. Ele usa um transformador com derivação central, uma ponte retificadora e dois grandes capacitores de filtro. O transformador é com derivação central de 24 VCA. O que significa que podemos aterrar a torneira central e obter 12 VCA de cada perna. Espere - não estamos usando +/- 15VDC? Como é que isso funciona? Há duas coisas acontecendo: primeiro, 12VAC é um valor RMS. Para uma onda senoidal, a tensão de pico é 1,4 vezes maior (tecnicamente, a raiz quadrada de dois), de modo que dá um pico de 17 volts. Em segundo lugar, o transformador é classificado para fornecer 12 VCA em carga total. O que significa que com carga leve (e este circuito não está usando muita energia) temos uma tensão ainda maior. Tudo isso resulta em cerca de 18 VCC disponíveis para os retificadores de tensão. Estamos usando reguladores de tensão linear 7815 e 7915 e eu escolhi alguns da National Japan Radio que são revestidos de plástico. Isso significa que você não precisa de um isolador entre o regulador e a caixa ao montá-los. Inicialmente, eu construí a fonte de alimentação interna para a caixa do pré-amplificador do microfone. Isso não funcionou muito bem porque eu tinha alguns zumbidos e zumbidos, todos relacionados à proximidade do meu transformador da fiação do microfone interno. Acabei colocando o transformador, o retificador e as tampas dos filtros grandes em uma caixa separada. Usei um conector XLR de 4 terminais que tinha na caixa de peças para trazer a CC não regulada para a caixa principal, onde os reguladores são montados perto da placa de circuito principal. Como mencionei antes, inicialmente eu iria usar 24 VCC para alimentação fantasma e acabei não fazendo isso, simplificando meu circuito e me livrando do regulador de 24 V (e um transformador de tensão maior!)

Etapa 2: Construção: o caso

O caso:

Se você ainda não percebeu, meu esquema de pintura e rotulagem são bem descolados. Meu filho estava fazendo um projeto escolar e tínhamos as três cores de tinta spray disponíveis, então por capricho usei todas as três. Então tive a ideia de pintar o rótulo à mão com esmalte amarelo e um pincel pequeno. Praticamente o único no mundo que se parece com isso! Peguei minha caixa na Tanner Electronics em Dallas, uma loja de artigos de sobra. Eu o encontrei online na Mouser e em outros lugares. É Hammond P / N 1456PL3. Você pode querer rotulá-lo e pintá-lo de forma diferente, isso é com você!

Etapa 3: Construção: Placa de circuito

Placa PC:

Eu construí o circuito em uma placa de ensaio de prototipagem. Construir primeiro um canal para garantir que o projeto funcionou conforme o esperado. Em seguida, construiu os outros três canais. Veja as fotos 1 e 2 para o layout. Meus OPA2134 são da Burr Brown, que foi adquirida pela TI em 2000. Comprei 100 deles naquela época e ainda tenho alguns. Observe as tampas de desvio de.1uF, todas montadas na parte inferior da placa. Eles são importantes para a estabilidade dos chips IC.

Etapa 4: Construção: Tomadas e controles do painel frontal:

Tomadas e controles do painel frontal:

Dependendo da sua escolha de caso, seu layout pode variar. Eu usei conectores de ¼”para montagem em painel Switchcraft que irão conectar o painel frontal ao aterramento. Para minimizar loops de aterramento, conecte o aterramento do conector XLR (Pin-1) com o menor comprimento possível ao painel frontal. Para o meu layout, eu os conectei ao fio terra dos conectores de entrada “Hi Z”. Eu pré-conectei os interruptores de reversão de fase através da conexão cruzada das duas conexões externas do interruptor Double Pole Double Throw (DPDT). Em seguida, a entrada do microfone do XLR irá para os condutores centrais e uma das conexões externas para a placa de circuito. Dessa forma, quando a posição da chave é alterada, a fase é invertida. Antes de montar os conectores XLR, solde os dois capacitores 470pf para blindagem RF / EMI. Isso torna muito mais fácil depois! Monte os potenciômetros no painel frontal. Usei um pequeno marcador ou outro marcador para rotular as coisas no painel interno para ajudar nas conexões mais tarde. E para me lembrar qual terminal dos potenciômetros deve ser conectado ao aterramento. Em seguida, conecte todas as conexões de aterramento dos potenciômetros usando um fio desencapado comum não isolado. Mais tarde, essa conexão será executada até o ponto de aterramento comum.

Etapa 5: Construção: Fiação interna

Conexões internas:

Para os fios de sinal do microfone, torci 22 fios de calibre e conectei os conectores XLR de entrada aos interruptores de seleção de fase. Torcê-los juntos minimiza qualquer EMI e RF dispersos. Em teoria, interno à caixa de metal não deveríamos ter nenhum, já que tudo neste projeto são circuitos puramente analógicos. Não se preocupe com a fase especificamente ainda. Seja consistente em como todos os canais são conectados. Nós descobriremos nos testes qual posição da chave será “normal” e qual é a reversa.

Para o resto da fiação de áudio, usei um único condutor blindado e conectei a blindagem ao aterramento em apenas uma extremidade. Isso mantém nossos sinais protegidos e evita loops de aterramento. Eu tinha um rolo de fio blindado Tipo “E” de calibre 26 que recebi em excesso da Skycraft em Orlando há muito tempo. Existem fornecedores que vendem online ou você pode usar um único condutor blindado diferente. Para cada conexão, preparei um pedaço dela com a blindagem exposta em uma extremidade e na outra apenas o condutor central. Eu coloquei um pouco de termorretrátil sobre o escudo na extremidade não conectada para isolá-lo. Veja as fotos. Trabalhe metodicamente e conecte uma coisa de cada vez. Em seguida, amarro cada grupo de quatro fios juntos para manter as coisas o mais organizadas possível.

Etapa 6: Construção: Fonte de alimentação

Fonte de energia:

Construí meu suprimento em uma caixa de projeto menor. Há UMA coisa que você deve fazer para tornar este código seguro e compatível. Você deve ter um fusível no primário do transformador. Usei um porta-fusível em linha com um fusível de ¼ ampere. Isso explodirá se o transformador consumir mais de 25W, o que não deveria acontecer. Essa coisa toda usa no máximo 2W com quatro microfones conectados.

Reguladores de tensão:

Prepare os reguladores de tensão antes de montá-los no painel soldando os dois capacitores de filtro, 10uF para a entrada e.1uF na saída. Também conectei fios de entrada a eles para evitar confusão mais tarde. Lembre-se: o 7815 e o 7915 têm fiação diferente. Veja as folhas de dados para numeração de pinos e conexões. Depois que tudo estiver montado, é hora de fazer todas as conexões internas.

Conexões de energia e aterramento:

Usei fio codificado por cores para conectar os cabos de alimentação DC à placa de circuito. Todas as conexões de aterramento retornam a um ponto de conexão no caso do projeto. Este é um esquema típico de aterramento em “estrela”. Porque eu já havia montado a fonte de alimentação internamente. Eu ainda tinha dois grandes capacitores de filtro internos ao gabinete. Eu os guardei e os usei para a entrada de energia DC. Eu já tinha um interruptor de alimentação no gabinete (DPDT) e usei-o para ligar a alimentação CC +/- não regulada para os reguladores. Liguei diretamente o fio terra.

Quando todas as conexões estiverem concluídas, faça uma pausa e volte mais tarde para verificar tudo! Esta é a etapa mais crítica.

Eu recomendo que você teste a fonte de alimentação e verifique se as polaridades estão corretas e se você tem + 15VDC e -15VDC dos reguladores antes de conectá-los à placa de circuito. Montei dois LEDs no meu painel para mostrar que havia energia. Você não precisa fazer isso, mas é uma boa adição. Você precisará de um resistor limitador de corrente em série com cada LED. De 680 Ohm a 1K funcionará perfeitamente.

Etapa 7: Construção: Cabos de remendo

Patch Cables:

Esta parte pode ser um Instructable separado. Para tornar isso utilizável, você precisa conectar todos os quatro canais às entradas de linha da interface Focusrite. Estou pensando em tê-los um ao lado do outro, então preciso de quatro cabos curtos. Encontrei um ótimo cabo único condutor que era resistente e barato na Redco. Eles também têm bons plugues de ¼”. O cabo possui uma blindagem trançada de cobre externa e uma blindagem interna de plástico condutivo. Isso deve ser removido ao fazer os cabos de correção. Veja a sequência de fotos do meu método de montagem de cabos. Eu gosto de pegar a blindagem e envolvê-la ao redor da conexão de aterramento do conector de ¼”e depois soldá-la. Isso torna o cabo bastante resistente. Embora você deva sempre desconectar um patch cable segurando o conector, às vezes acontecem acidentes. Esse método ajuda.

Etapa 8: Teste e uso

Teste e uso:

A primeira coisa que precisamos fazer é determinar a polaridade das chaves de fase. Para fazer isso, você precisará de dois microfones idênticos. O que estou assumindo que você tem, ou você não precisaria de um pré-amplificador de quatro canais! Conecte um a uma entrada de pré-amplificador de microfone Focusrite e o outro para canalizar um dos pré-amplificadores de microfone de quatro canais. Movimente ambos para o centro. Segure os microfones próximos um do outro e fale, cante ou murmure enquanto passa sua boca pelos dois microfones. Os fones de ouvido realmente ajudam nessa parte. Você não deve ouvir um nulo ou queda na saída se os microfones estiverem em fase um com o outro. Mude a fase do microfone e repita. Se estiverem fora de fase, você ouvirá um valor nulo ou uma queda no nível. Você deve ser capaz de dizer muito rapidamente qual posição está em fase e fora de fase.

Percebi que com o potenciômetro de nível cerca de meio caminho eu obtenho ganho nominal para meus microfones e que corresponde aproximadamente onde eu normalmente configuro o botão de ganho do pré-amplificador Focusrite para cerca de 1-2 horas. Curiosamente, a especificação do Focusrite é de até 50dB de ganho. Quando o coloco no máximo (sem microfone conectado), recebo um leve chiado. É um pouco mais alto do que meu pré-amplificador baseado em SSM2019. Não tenho equipamentos de teste elaborados disponíveis. No entanto, eu tenho muita experiência em estúdio e som ao vivo e este pré-amplificador tem um desempenho superior.

Para as entradas Hi-Z, soldei um Piezo Disc a um jack de 1/4 e verifiquei se tudo funciona e a faixa de ganho está correta. Planejo testar isso em um violão em um futuro próximo.

Estou animado por ter oito canais completos de entradas de microfone disponíveis para gravação. Eu tenho alguns microfones MS e 8 dos meus microfones Pimped Alice. Isso me permitirá experimentar diferentes posicionamentos de microfone ao mesmo tempo. Ele também abre a porta para um projeto que eu há muito queria experimentar - um microfone Ambisonic. Um com quatro cápsulas internas destinadas a capturar som surround e som multidirecional.

Fique ligado em vários outros Instructables de microfone!

Etapa 9: Referências

Trata-se de uma riqueza de informações para áudio analógico, design de pré-amplificador de microfone e aterramento adequado para circuitos de áudio.

Referências:

Folha de Dados SSM2019

Folha de Dados OPA2134

Phantom Power Wikipedia

Essa "ameaça fantasma" Corp

Os segredos analógicos desse Corp que sua mãe nunca lhe contou

That Corp mais segredos analógicos que sua mãe nunca lhe contou

That Corp projetando pré-amplificadores de microfone

Whitlock Audio Grounding, Whitlock

Rane "nota 151": Aterramento e Blindagem