Bygg den fyrkanaliga SSM2019 Phantom Powered Mic Preamp: 9 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Som du kanske har märkt av några av mina andra instruktioner har jag en passion för ljud. Jag är också en DIY -kille som går långt tillbaka. När jag behövde ytterligare fyra kanaler med mikrofonförstärkare för att utöka mitt USB -ljudgränssnitt visste jag att det var ett DIY -projekt.

För flera år sedan köpte jag ett Focusrite USB -ljudgränssnitt. Den har fyra mikrofonförstärkare och fyra-linjers ingångar tillsammans med några digitala ingångar. Det är en bra bit hårdvara och uppfyllde mina behov. Det var tills jag byggde ett gäng mikrofoner. Så jag bestämde mig för att lösa denna skillnad. Således föddes SSM2019 Four Channel Mic Preamp!

Jag hade några designmål för detta projekt.

Det skulle vara så enkelt som möjligt och använda ett minimum av komponenter

Det skulle ha fantomkraft att tillåta mig att använda alla Pimped Alice -mikrofoner jag har byggt

Det skulle ha en hög impedans (Hi-Z) ingång på varje kanal för piezo-givare, ett framtida projekt för mig. Detta skulle vara ett enkelt tillägg om fallet och strömförsörjningen redan var en del av huvudprojektet

Den skulle ha pro -ljudspecifikationer: ren, låg distorsion och lågt ljud. Lika bra eller bättre än de befintliga förförstärkarna i mitt Focusrite -gränssnitt

Steg 1: Designen

Jag började studera det som redan fanns där ute. Jag är mycket bekant med analog design och hade koll på SSM2019, efter att tidigare ha använt sin äldre kusin, den nu föråldrade SSM2017. SSM2019 finns i ett 8 -stifts DIP -paket, vilket innebär att den enkelt kan brödas. Jag stötte på fantastisk information om mikrofonförförstärkardesign från That Corp. (Se referensavsnittet) Tyvärr är alla deras specifika förförstärkarchips små ytmonterade paket. Och specifikationerna är bara marginellt bättre än SSM2019. Jag applåderar dem för deras kunskapsdelning och designinformation. Specifikationerna på SSM2019 är fantastiska och kommer som de flesta ljudoperativa förstärkare nuförtiden att överstiga resten av signalkedjan för prestanda. Jag använde två steg med fast förstärkning med en potentiometer som möjliggör justering av signalen mellan dem. Detta håller designen enkel och eliminerar behovet av utmanande att hitta delar; såsom antilogpotentiometrar och multikontaktbrytare med unika motståndsvärden. Det håller också THD + brus långt under.01%

Under min designprocess hade jag en uppenbarelse om fantomkraft. De flesta människor tänker på 48 volt som "standarden". Detta går långt tillbaka och var viktigt när fantomspänningen användes för att förspänna kapseln för kondensatormikrofoner. För närvarande använder de flesta kondensatormikrofoner fantomkraft för att skapa en stabil lägre spänningskälla. De använder en Zener internt för att generera 6-12VDC. Den spänningen används för att driva den interna elektroniken och för att generera en högre spänning för att polarisera kapseln. Detta är faktiskt det bästa sättet att göra detta. Du får en fin stabil kapselspänning som kan vara högre än 48V om det behövs. Phantom power spec för mikrofoner ropar ut 48V, 24V och 12V. Var och en använder olika värden för kopplingsmotstånd. 48V använder 6,81K, 24V med 1,2K och 12V använder 680 Ohm. I huvudsak behövs fantomkraft för att få en viss mängd ström till mikrofonen. Min uppenbarelse var följande: Spänningen måste vara tillräckligt hög för att den interna 12V Zener ska fungera. Om jag använde +15V som finns i mitt projekt och lämpligt kopplingsmotståndsvärde bör det fungera bra. Detta löser faktiskt två andra problem. För det första behöver du inte en separat strömförsörjning bara för fantomkraft. För det andra, och viktigare för min design är enkelhet. Genom att hålla fantomspänningen vid eller mindre än matningsspänningen för SSM2019 eliminerar vi en massa extra kretsar som behövs för skydd. Killarna på That Corp presenterade två artiklar på AES med titeln "The Phantom Menace" och "The 48V Phantom Menace Returns". Dessa hanterar specifikt utmaningarna med att ha en 47-100uF kondensator laddad till 48V i en krets. Att stänga av det av misstag kan orsaka många problem. Energi lagrad i kondensatorn är funktion av spänning i kvadrat så bara genom att gå från 48V till 15V sänker vi den lagrade energin med en faktor 10. Vi förhindrar också en spänning över matningsspänningen på någon av signalingångarna på SSM2019. Läs That Corps designguide för exempel på vad som behövs för att göra en förförstärkare skottsäker.

Bara för att vara genomskinlig, började jag med det här projektet och tänkte att jag skulle använda 24VDC fantomkraft och sedan i felsökningsprocessen kom jag på idén att använda +15 som redan finns. Inledningsvis satte jag strömförsörjningen inuti förförstärkaren. Detta orsakade flera surr och surrproblem. Jag slutade med huvuddelen av strömförsörjningen i ett externt fodral med bara spänningsregulatorerna i fodralet. Slutresultatet är en väldigt tyst förförstärkare som är lika bra om inte bättre än de interna i mitt Focusrite -gränssnitt. Designmål #4 uppnått!

Låt oss titta på kretsen och se vad som händer. SSM2019 -blocket i den blå rektangeln är huvudkretsen. De två 820 Ohm -motstånden kopplar ihop fantomeffekten från det ljusgröna området där vippomkopplaren applicerar +15 på 47uF -kondensatorn via ett 47 Ohm -motstånd. Båda 820 Ohm -motstånden finns på "+" - sidan av 47uF -kopplingskondensatorer som tar in mikrofonsignalen. På den andra sidan av kopplingskondensatorerna finns två 2,2K motstånd som binder kondensatorns andra sida till jord och håller ingångarna till SSM2019 vid en likströmspotential. Databladet visar 10K men nämner att de ska vara så låga som möjligt för att minimera buller. Jag valde att 2.2K skulle vara lägre men inte påverka ingångsimpedansen för hela kretsen kraftigt. Motståndet på 330 Ohm sätter förstärkningen för SSM2019 till +30db. Jag valde detta värde eftersom det ger den minsta vinst jag skulle behöva. Med denna förstärkning och +/- 15V matningsskenor ska klippning inte vara ett problem. 200pf -kondensatorn över ingångsstiften är för EMI/RF -skydd för SSM2019. Detta är precis utanför databladet för RF -skydd. Det finns också två 470pf -kondensatorer vid XLR -uttaget för RF -skydd. På signalingångssidan har vi en DPDT -omkopplare som fungerar som vår fasväljare. Jag ville kunna använda en piezokontaktupptagning på en gitarr (eller andra akustiska instrument) samtidigt som jag använde en mikrofon. Detta möjliggör fasomvändning av mikrofonen vid behov. Om det inte vore för det hade jag eliminerat det eftersom de flesta inspelningsprogram låter dig invertera fas efter inspelning. Utgången från SSM2019 går till en 10K potentiometer för nivåjustering till nästa steg.

Nu vidare till högimpedanssidan. I den röda rektangeln har vi en klassisk icke-inverterande buffert baserad på en del av en OPA2134 dubbel op-förstärkare. Detta är min favorit op -amp för ljud. Mycket lågt ljud och distorsion. I likhet med SSM2019 kommer det inte att vara den svagaste länken i signalkedjan..01uF -kondensatorn kopplar in signalen från ¼”-ingången. 1M -motståndet gav en markreferens. Intressant nog kan bruset från 1M -motståndet höras genom att vrida nivån på den höga Z -ingången hela vägen upp. Men när en Piezo -pickup är ansluten bildar kapacitansen för piezo -pickupen ett RC -filter med 1M -motståndet. Det slår ner bullret (och det är inte dåligt i första hand.) Från utgången från op -förstärkaren går vi till en 10K potentiometer för slutlig nivåjustering.

Den sista delen av kretsen är den slutliga förstärkningsstegs summeringsförstärkaren byggd runt den andra sektionen av OPA2134 op -förstärkaren. Se den gröna rektangeln i illustrationerna. Detta är ett inverterande steg med förstärkningen inställd av förhållandet mellan 22K -motståndet och 2,2K -motståndet (erna) som ger oss en förstärkning på 10 eller +20dB. 47pf -kondensatorn över 22K -motståndet är för stabilitet och RF -skydd. 10K -potentiometrarna är linjära. Vilket innebär att när torkaren rör sig över rotationsområdet varierar motståndet från startpunkten linjärt med förändring i rotation. I mitten får du 5K till endera änden. Men vi hör olika. Vi hör logaritmiskt. Därför används decibel (dB) för att mäta ljudnivåer. Genom att använda en 10K linjär potentiometer som matar ett 2.2K motstånd uppnår vi en nivåförändring som låter mycket mer naturlig. Op -förstärkaren håller den inverterande ingången på en virtuell mark. För AC -signaler är 2.2K -motståndet knutet till den virtuella marken. Halvvägs rotationspunkt är cirka -12dB dämpning med den sista åttonde av rotationen endast 1,2 db skillnad. Detta känns mycket smidigare än många andra förförstärkare där potten förändrar förstärkarens förstärkning. Det fungerar bättre än förförstärkare som har en förstärkningsjusteringspotentiometer. Vanligtvis orsakar den sista ökningen en snabb bump i den slutliga förstärkningen och lite märkbart brus. Focusrite svarar så här. Min gör inte det. Signalen kopplas ut från förstärkaren via ett 47 Ohm motstånd. Detta skyddar op -förstärkaren och håller den stabil när du kör en lång kabeldragning om du skulle behöva göra det. En sista sak för de två IC -chipsen. Dessa är båda enheter med hög förstärkning med hög bandbredd. De måste ha bra strömförsörjning som förbikopplas med.1uF -kondensatorer monterade nära matningsstiften. Detta förhindrar att konstiga saker händer och håller dem snygga och stabila.

För att sammanfatta det hela finns det två fasta förstärkningssteg, en 30dB och 20dB för en total vinst på 50dB. Nivåjusteringen görs genom att variera signalnivån mellan de två förstärkningsstegen. Det finns också en hög impedansingång på varje kanal som är perfekt för piezo -pickuper och andra instrument (gitarr och bas) som behöver lite nivåjustering innan inspelning. Alla med mycket låg distorsion och brus. Phantom power är 15VDC vilket borde fungera med de flesta moderna kondensatormikrofoner. Ett anmärkningsvärt undantag är Neumann U87 Ai. Den mikrofonen är min stolthet och glädje. Internt har den en 33V Zener för en mellanliggande strömförsörjning. För mig är det inte lika viktigt eftersom min Focusrite har 48V fantommatning. Alla mina andra fungerar bra.

Strömförsörjningen:

Strömförsörjningen är en klassisk design från gamla skolan. Den använder en transformator i mitten, en brygglikriktare och två stora filterkondensatorer. Transformatorn är 24VAC centrerad. Det betyder att vi kan jorda mittkranen och få 12VAC från varje ben. Vänta- använder vi inte +/- 15VDC? Hur fungerar detta? Det är två saker som händer: Först är 12VAC ett RMS -värde. För en sinusvåg är toppspänningen 1,4X högre (tekniskt kvadratroten av två) så det ger en topp på 17 volt. För det andra är transformatorn klassad för att leverera 12VAC vid full belastning. Vilket betyder att vid låg belastning (och denna krets inte använder mycket ström) har vi en ännu högre spänning. Allt detta resulterar i cirka 18VDC tillgängligt för spänningslikriktarna. Vi använder 7815 och 7915 linjära spänningsregulatorer och jag valde sådana från National Japan Radio som är plasthölje. Det betyder att du inte behöver någon isolator mellan regulatorn och höljet när du monterar dem. Ursprungligen byggde jag strömförsörjningen internt i mikrofonförstärkaren. Det fungerade inte så bra eftersom jag hade lite nynning och surr, allt relaterat till hur nära min transformator var för den interna mikrofonen. Det slutade med att jag lade transformatorn, likriktaren och stora filterlock i en separat låda. Jag använde en 4 -terminal XLR -kontakt som jag hade i reservdelsfacket för att föra den oreglerade DC -enheten in i huvudhöljet där regulatorerna är monterade nära kretskortet. Som nämnts tidigare tänkte jag till en början använda 24VDC för fantommatning och det slutade med att jag inte gjorde det för att förenkla min krets och bli av med 24V -regulatorn (och en högre spänningstransformator!)

Steg 2: Konstruktion: fallet

Fallet:

Om du inte har märkt det ännu är mitt färgschema och märkning ganska funky. Mitt barn höll på med ett skolprojekt och vi hade de tre färgerna med sprayfärg tillgängliga så på ett infall använde jag alla tre. Då fick jag idén att bara måla etiketten för hand med gul emalj och en liten pensel. Nästan den enda i världen som ser ut så här! Jag fick mitt fall från Tanner Electronics i Dallas, en överskottsbutik. Jag hittade den online på Mouser och andra ställen. Det är Hammond P/N 1456PL3. Du kanske vill märka den och måla den annorlunda, det är upp till dig!

Steg 3: Konstruktion: kretskort

PC -kort:

Jag byggde kretsen på en prototypbrödbräda. Byggde först en kanal för att säkerställa att designen fungerade som förväntat. Byggde sedan de tre andra kanalerna. Se bild 1 och 2 för layout. Mina OPA2134 är från Burr Brown, som förvärvades av TI år 2000. Jag köpte 100 av dessa på dagen och har fortfarande några. Lägg märke till.1uF bypass -locken som alla är monterade på undersidan av kortet. Dessa är viktiga för stabiliteten hos IC -chipsen.

Steg 4: Konstruktion: Frontpanelens uttag och kontroller:

Jackor och kontroller på frontpanelen:

Beroende på ditt fallval kan din layout variera. Jag använde Switchcraft panelmonterade ¼”-uttag som ansluter frontpanelen till marken. För att minimera jordslingor, anslut marken på XLR-uttaget (Pin-1) med kortast möjliga längd till frontpanelen. För min layout kopplade jag dem till jordledningen för "Hi Z" -ingångarna. Jag förkontrollerade fasomkopplingsomkopplarna genom att tväransluta de två yttre anslutningarna på Double Pole Double Throw (DPDT) -brytaren. Då går mikrofoningången från XLR till mittledningarna och en av de yttre anslutningarna till kretskortet. På detta sätt när fasens omkopplare ändras, vänder fasen. Innan du monterar XLR -uttagen, löd på de två 470pf -kondensatorerna för RF/EMI -skärmning. Detta gör det mycket lättare senare! Montera potentiometrarna på frontpanelen. Jag använde en liten skärpa eller annan markör för att märka saker på insidan för att hjälpa till med anslutningar senare. Och för att påminna mig vilken flik av potentiometrarna som ska anslutas till jord. Anslut sedan alla jordanslutningar för krukorna tillsammans med en vanlig oisolerad bar tråd. Senare kommer anslutningen att köras till den gemensamma markpunkten.

Steg 5: Konstruktion: Intern ledning

Interna anslutningar:

För mikrofonsignaltrådarna tvinnade jag 22 mätarkablar ihop och kopplade XLR -ingångarna till fasväljaren. Att vrida ihop dem minimerar eventuella avvikande EMI och RF. I teorin borde vi inte ha något internt i metallhöljet, eftersom allt i detta projekt är ren analog krets. Oroa dig inte om fasen specifikt än. Var konsekvent i hur alla kanaler är anslutna. Vi kommer att ta reda på när vi testar vilken position på omkopplaren som är "normal" och vilken som är omvänd.

För resten av ljudkablarna använde jag en enda ledare skärmad och kopplade skärmen till jord endast i ena änden. Detta håller våra signaler skyddade och förhindrar jordslingor. Jag hade en rulle med 26-gauge skärmad typ "E" -tråd som jag fick överskott från Skycraft i Orlando för länge sedan. Det finns leverantörer som säljer det online eller så kan du använda en annan enskild ledare skärmad. För varje anslutning förberedde jag en längd av den med skölden exponerad i ena änden och den andra bara mittledaren. Jag lägger lite värmekrymp över skölden på den icke-anslutna änden för att isolera den. Se fotona. Arbeta metodiskt och anslut en sak i taget. Jag knyter sedan ihop varje grupp med fyra trådar för att hålla sakerna så snygga som möjligt.

Steg 6: Konstruktion: Strömförsörjning

Strömförsörjning:

Jag byggde mitt förråd i en mindre projektlåda. Det finns en sak du måste göra för att göra detta säkert och uppfylla koden. Du måste ha en säkring på transformatorns primär. Jag använde en in-line säkringshållare med en ¼ amp säkring. Det kommer att blåsa om transformatorn drar mer än 25W, vilket den inte borde. Det hela använder högst 2W med fyra mikrofoner anslutna.

Spänningsregulatorer:

Förbered spänningsregulatorerna innan de monteras på panelen genom att lödas på de två filterkondensatorerna, 10uF för ingången och.1uF på utgången. Jag kopplade också ingångskablar till dem för att förhindra förvirring senare. Kom ihåg: 7815 och 7915 är kopplade annorlunda. Se datablad för pin -nummerering och anslutningar. När allt är monterat är det dags att göra alla interna anslutningar.

Ström- och jordanslutningar:

Jag använde färgkodad tråd för att ansluta likströmsledningarna till kretskortet. Alla jordanslutningar går tillbaka till en anslutningspunkt i projektfallet. Detta är ett typiskt "Star" -jordningsschema. För jag hade redan byggt strömförsörjningen internt. Jag hade fortfarande två stora filterkondensatorer interna i höljet. Jag behöll dessa och använde dem för inkommande likström. Jag hade redan en strömbrytare i fodralet (DPDT) och jag använde den för att växla +/- oreglerad likström till regulatorerna. Jag kopplade jordkabeln direkt.

När alla anslutningar är klara, ta en paus och kom tillbaka senare för att kontrollera allt! Detta är det mest kritiska steget.

Jag rekommenderar att du testar strömförsörjningen och ser till att polariteterna är rätt och att du har +15VDC och -15VDC från regulatorerna innan du ansluter dem till kretskortet. Jag monterade två lysdioder på min panel för att visa att det var ström. Du behöver inte göra detta men det är en trevlig tillägg. Du behöver ett strömbegränsande motstånd i serie med varje LED. En 680 Ohm till 1K fungerar bra.

Steg 7: Konstruktion: Patch -kablar

Patchkablar:

Denna del kan vara en separat instruerbar. För att göra detta användbart måste du ansluta alla fyra kanalerna till linjeingångarna i Focusrite -gränssnittet. Jag planerar att ha dem bredvid varandra så jag behövde fyra korta patchkablar. Jag hittade en fantastisk enkel ledarkabel som var robust och inte dyr på Redco. De har också bra ¼”pluggar. Kabeln har en yttre kopparflätad skärm och en ledande inre skärm av plast. Det måste tas bort när patchkablarna görs. Se fotosekvensen för min kabelmonteringsmetod. Jag gillar att ta skölden och linda den runt jordanslutningen på ¼”-uttaget och sedan lödda den. Detta gör kabeln ganska robust. Även om du alltid ska dra ur en patchkabel genom att hålla i kontakten händer det ibland olyckor. Denna metod hjälper.

Steg 8: Testning och användning

Testning och användning:

Det första vi behöver göra är att avgöra fasomkopplarnas polaritet. För att göra detta behöver du två identiska mikrofoner. Vilket jag antar att du har, eller om du inte skulle behöva en fyrkanals förförstärkare! Anslut den ena till en Focusrite mikrofonförstärkareingång och den andra för att kanalisera en av de fyra kanalerna mic-pre. Panera båda till mitten. Håll mikrofonerna nära varandra och prata sjung eller nynna medan du flyttar munnen förbi de två mikrofonerna. Hörlurar hjälper verkligen med den här delen. Du ska inte höra noll eller ett dopp i utgången om mikrofonerna är i fas med varandra. Byt mikrofonens fas och upprepa. Om de är ur fas kommer du att höra en noll eller ett dopp i nivå. Du borde kunna berätta riktigt snabbt vilken position som är i fas och ur fas.

Jag märkte att med nivåpotten ungefär halvvägs får jag nominell förstärkning för mina mikrofoner och det stämmer ungefär med där jag normalt ställer in förstärkningsratten för Focusrite förförstärkare till cirka 1-2. Intressant nog är specifikationen på Focusrite upp till 50dB vinst. När jag har vridit det hela vägen (utan mikrofon ansluten) får jag ett litet väsande. Det är bara lite högre än min SSM2019 -baserade förförstärkare. Jag har inte utarbetad testutrustning tillgänglig. Jag har dock mycket erfarenhet av både studion och levande ljud och denna förförstärkare är en toppresterande.

För Hi-Z-ingångarna lödde jag en Piezo-skiva till en 1/4 jack och verifierade att allt fungerar och förstärkningsområdet är korrekt. Jag planerar att testa detta på en akustisk gitarr inom en snar framtid.

Jag är upphetsad över att ha hela åtta kanaler med mikrofoningångar tillgängliga för inspelning. Jag har ett par MS -mikrofoner och 8 av mina Pimped Alice -mikrofoner. Detta låter mig experimentera med olika mikrofonplaceringar samtidigt. Det öppnar också dörren för ett projekt som jag har velat prova länge - en Ambisonic mikrofon. En med fyra interna kapslar avsedda att fånga surroundljud och multidirektionellt ljud.

Håll utkik efter fler mikrofoninstruktioner!

Steg 9: Referenser

Dessa är en mängd information för analogt ljud, mikrofonförförstärkardesign och korrekt jordning för ljudkretsar.

Referenser:

Datablad SSM2019

Datablad OPA2134

Phantom Power Wikipedia

That Corp "Phantom Menace"

Att Corp Analog Secrets Din mamma aldrig berättade för dig

Att Corp mer analoga hemligheter som din mamma aldrig berättade för dig

That Corp Designing Microphone Preamps

Whitlock Audio Grounding, Whitlock

Rane “not 151”: Jordning och avskärmning