Untersuchung eines Mikrofonverstärkers    

von Dieter Drewanz                
 
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Diese Untersuchung beschäftigt sich mit dem im Elektronik-Labor gezeigten Mikymaus-Mikrofonverstärker und der für mehr Verstärkung veränderten Schaltung. Die beiden Schaltungen wurden mittels des freien Schaltungssimulators QUCS auf die Verstärkungseigenschaften untersucht.

Der Aufbau der ersten Stufe besteht aus einer Spannungs-Gegenkopplung. Auch mit einer Spannungs-Gegenkopplung kann ein Teil des Ausgangssignals gegensinnig zum Eingang zurückgeführt werden, um den Einfluss von Temperatur und Exemplarstreuung zu reduzieren um die Stabilität zu erhöhen.
Diese sehr einfache Schaltung ist brauchbar für kleine Signalamplituden.

Für U_C ≈ U_b /2 muss R_B = β typisch ⋅R_C gewählt werden.
Mit dem Spannungs-Gegenkopplungs-Konzept wird bei Operationsverstärker-Schaltungen über einen Widerstandsspannungsteiler ein Teil des Ausgangssignals zum invertierenden Eingang zurückgeführt. Über das Spannungsteiler-Verhältnis kann der Verstärkungsfaktor eingestellt werden. 

Jedoch entscheidend für das Rauschverhalten ist das Rauschen der ersten Stufe. Gemäß Datenblatt liegt der Bereich meist im Bereich eines Kollektorstroms von 0,1 bis 0,2 mA. Im Datenblatt wurde meist ein Generatorwiderstand von 2 kOhm angegeben und es ist kein Zufall, dass der Widerstand des Elektretmikrofons, bzw. genauer des Drain-Source-Widerstandes des integrierten Feldeffekttransistors im entsprechenden Widerstandsbereich liegt.


Auch hochohmige Widerstände neigen zu höherem Widerstandsrauschen, so dass es hier auch nicht sinnvoll ist für eine höhere Verstärkung diesen Widerstand deutlich höher zu wählen. Das zweite Schaltbild zeigt eine Variante mit höherer Verstärkung, allerdings muss dabei beachtet werden, dass der Widerstand R_B1 so gewählt wird, dass die Eingangsquelle nicht zu sehr belastet wird (weniger als 1/10). Die Rückkopplung betrifft hier eigentlich nur noch den Arbeitspunkt, da die Wechselstromkomponente durch den Kondensators quasi kurzgeschlossen wird. Die höhere Verstärkung geht zu Lasten des Klirrfaktors. 

Die Variante eine Darlingtonschaltung (ohne Komplementärtransistor) wird ohne Erhöhung der Betriebsspannung auf 3 Volt ausgesschlossen.

Im folgenden wurden die beiden Schaltungen im Simulator eingegeben und simuliert. Die Verstärkungen wurden jeweils gegenübergestellt. Die Kondensatoren jeweils an den Abgriffspunkten sind eine Maßnahme um nur die Anteile des wechselförmigen Signals auszufiltern.

 

Das Ergebnis der Simulation war eine Spannungsverstärkung von ingesamt ungefähr 100 fach.



Folgende Diagramme zeigen, wie umständlich aus den Absolutwerten eine Ermittlung der Spannungsverstärkung wäre. Das letzte Diagramm belegt die Angaben von 5 mA als Ruhestrom durch die letzte Verstärkerstufe.



Der Vollständigerhalber sei noch die ursprüngliche Schaltung angeführt. 



Das Ergebnis der Simulation ergab nur eine Spannungsverstärkung von ingesamt ungefähr 4 fach. Der Ruhestrom der Ausgangsstufe ist auch wesentlich höher.

Vermutlich spielte bei der Schaltung nicht nur der Geiz und mangelnde Elektronikkenntnisse eine Rolle. Als weiterer Faktor sei noch angeführt, dass eine Schwächung aus Sicherheitsgründen die Schaltung getroffen haben könnte, damit die Kinder nicht wirklich richtig abhören. 

Die Verbesserung der Gegenkopplung von Norbert Renz ergibt eine noch höhere Verstärkung. Im Prinzip wird hierbei die Rückkopplung (bestehend aus zwei Widerständen in Serie und einen Kondensator) der aufgeführten Schaltung statt über eine Stufe über drei Stufen (ungerade Zahl) zurückgekoppelt.



In dem Falle wird eine Verstärkung von ungefähr 400-fach erreicht. Die Schwingung entsteht durch das Umladen der Kondensatoren am Eingang und des Rückkopplungpfades. Die Verzögerung bewirkt auch ein weiches Einschalten des Verstärkers ohne Einschaltknacken. Zur Simulation und besseren Darstellung wurde das Eingangssignal um den Faktor 10 erhöht. Im zweiten Diagramm wurde ein Teil des ersten Diagrammes herausgeschnitten und manuell skaliert um die gesamte Verstärkung abzulesen. Die Schaltung an sich ist stabil so lange keine Wechselspannungssignale den Rückkopplungspfad passieren.  

Download: 1017VerstMicro_prj.zip
<Qucs Schematic 0.0.19>
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<R R1 1 310 120 -26 -55 1 0 "100 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<C C7 1 180 120 -87 -26 0 3 "470 nF" 1 "" 0 "neutral" 0>
<R R10 1 880 10 -26 -55 1 0 "100 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
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<VProbe U_out 1 700 -70 28 -31 0 0>
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<C C8 1 760 -20 -87 -26 0 3 "470 nF" 1 "" 0 "neutral" 0>
<R R5 1 660 50 15 -26 0 1 "2.2 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<.TR TR1 1 960 140 0 61 0 0 "lin" 1 "0" 1 "5 ms" 1 "301" 0 "Euler" 0 "2" 0 "1 ns" 0 "1e-16" 0 "150" 0 "0.001" 0 "1 pA" 0 "1 uV" 0 "26.85" 0 "1e-3" 0 "1e-6" 0 "1" 0 "CroutLU" 0 "no" 0 "yes" 0 "0" 0>
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<660 270 910 270 "" 0 0 0 "">
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<140 100 140 150 "" 0 0 0 "">
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<760 10 790 10 "" 0 0 0 "">
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<660 80 660 100 "" 0 0 0 "">
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<760 -50 760 -50 "U_out_ac" 790 -80 0 "">
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<Diagrams>
</Diagrams>
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<R R4 1 140 180 -91 -26 1 1 "3 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<_BJT BC549BP_1 1 360 180 8 -26 0 0 "npn" 0 "1.8e-14" 0 "0.9955" 0 "1.005" 0 "0.14" 0 "0.03" 0 "80" 0 "12.5" 0 "5e-14" 0 "1.46" 0 "1.72e-13" 0 "1.27" 0 "400" 0 "35.5" 0 "0" 0 "0" 0 "0.25" 0 "0.6" 0 "0.56" 0 "1.3e-11" 0 "0.75" 0 "0.33" 0 "4e-12" 0 "0.54" 0 "0.33" 0 "1" 0 "0" 0 "0.75" 0 "0" 0 "0.5" 0 "6.4e-10" 0 "0" 0 "0" 0 "0" 0 "5.072e-08" 0 "26.85" 0 "0" 0 "1" 0 "1" 0 "0" 0 "1" 0 "1" 0 "0" 0 "0" 0 "3" 0 "1.11" 0 "26.85" 0 "1" 0>
<C C2 2 490 150 -26 17 0 0 "470 nF" 1 "" 0 "neutral" 0>
<_BJT BC549BP_2 1 660 150 8 -26 0 0 "npn" 0 "1.8e-14" 0 "0.9955" 0 "1.005" 0 "0.14" 0 "0.03" 0 "80" 0 "12.5" 0 "5e-14" 0 "1.46" 0 "1.72e-13" 0 "1.27" 0 "400" 0 "35.5" 0 "0" 0 "0" 0 "0.25" 0 "0.6" 0 "0.56" 0 "1.3e-11" 0 "0.75" 0 "0.33" 0 "4e-12" 0 "0.54" 0 "0.33" 0 "1" 0 "0" 0 "0.75" 0 "0" 0 "0.5" 0 "6.4e-10" 0 "0" 0 "0" 0 "0" 0 "5.072e-08" 0 "26.85" 0 "0" 0 "1" 0 "1" 0 "0" 0 "1" 0 "1" 0 "0" 0 "0" 0 "3" 0 "1.11" 0 "26.85" 0 "1" 0>
<C C7 1 180 120 -87 -26 0 3 "470 nF" 1 "" 0 "neutral" 0>
<C C9 1 460 120 17 -26 1 3 "470 nF" 1 "" 0 "neutral" 0>
<R R2 1 360 70 15 -26 0 1 "10 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<Vdc V2 1 50 240 18 -26 0 1 "1.5 V" 1>
<_BJT BC549BP_4 1 870 100 8 -26 0 0 "npn" 0 "1.8e-14" 0 "0.9955" 0 "1.005" 0 "0.14" 0 "0.03" 0 "80" 0 "12.5" 0 "5e-14" 0 "1.46" 0 "1.72e-13" 0 "1.27" 0 "400" 0 "35.5" 0 "0" 0 "0" 0 "0.25" 0 "0.6" 0 "0.56" 0 "1.3e-11" 0 "0.75" 0 "0.33" 0 "4e-12" 0 "0.54" 0 "0.33" 0 "1" 0 "0" 0 "0.75" 0 "0" 0 "0.5" 0 "6.4e-10" 0 "0" 0 "0" 0 "0" 0 "5.072e-08" 0 "26.85" 0 "0" 0 "1" 0 "1" 0 "0" 0 "1" 0 "1" 0 "0" 0 "0" 0 "3" 0 "1.11" 0 "26.85" 0 "1" 0>
<R R12 1 870 40 15 -26 1 3 "16 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<C C8 1 960 100 17 -26 0 1 "470 nF" 1 "" 0 "neutral" 0>
<IProbe I_out 1 760 10 -26 16 0 0>
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<R R13 1 640 -90 -26 -55 1 0 "120 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<R R14 1 410 -90 -26 -55 1 0 "100 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<VProbe U_out 1 950 30 -16 28 0 3>
<C C10 1 520 -60 17 -26 0 1 "270 nF" 1 "0.0 V" 0 "neutral" 0>
<.TR TR1 1 1110 10 0 61 0 0 "lin" 1 "0" 1 "150 ms" 1 "9001" 0 "Euler" 0 "2" 0 "1 ns" 0 "1e-16" 0 "150" 0 "0.001" 0 "1 pA" 0 "1 uV" 0 "26.85" 0 "1e-3" 0 "1e-6" 0 "1" 0 "CroutLU" 0 "no" 0 "yes" 0 "0" 0>
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