В сверхмалошумящем источнике фантомного питания микрофона используется миниатюрный DC/DC преобразователь и «хитрость» с конденсатором

Профессиональным конденсаторным микрофонам требуется напряжение 48 В для зарядки внутреннего емкостного преобразователя и питания внутреннего буфера высокоимпедансного выхода преобразователя. Чтобы создать компактный, сверхмалошумящий источник фантомного питания 48 В, работающий от входного напряжения 5, 12 или 24 В, можно использовать простой повышающий преобразователь, схему фильтра для снижения электромагнитных помех (ЭМП) и небольшую хитрость. Это напряжение часто обеспечивается так называемой схемой «фантомного» питания, которая для подачи питания использует существующие микрофонные подключения, поэтому дополнительные провода питания не требуются.

Обратите внимание, что конденсаторный микрофон не следует путать с электретным микрофоном, для внутреннего предусилителя которого иногда используется источник фантомного питания, но другого типа. Если вы не знакомы с принципом и применением фантомного питания для конденсаторных микрофонов, см. раздел «Ссылки на фантомное питание» в конце статьи, где представлены различные точки зрения.

Источник фантомного питания рассчитан на небольшой ток, типичное значение которого составляет несколько миллиампер. Однако он должен быть очень малошумящим, поскольку уровень выходного сигнала микрофона довольно низок, а микрофонный буфер не обеспечивает достаточного подавления пульсаций напряжения питания. Кроме того, фантомное питание не должно вносить электромагнитных помех в соседние низкоуровневые цепи, что всегда является проблемой в плотно упакованных устройствах.

Этот очень высококачественный источник питания построен с использованием микросхемы LT8362 – повышающего преобразователя, который содержит мощный транзистор, способный коммутировать ток 2 А при напряжении 60 В, работает на частоте до 2 МГц и выпускается в корпусе размером всего 3 × 3 мм. Схема основана на стандартной демонстрационной плате DC2628A для микросхемы LT8362 (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Эта схема демонстрационной платы DC2628 является основой для схемы фантомного питания.

Входной фильтр ЭМП на демонстрационной плате совместно с дросселем преобразователя хорошо справляются с высокочастотными помехами, возникающими последовательно с входом. На выходе ситуация не так хороша.

Выходной фильтр ЭМП эффективно подавляет шум в мегагерцовом диапазоне, но на шум в звуковом диапазоне влияет мало. Этот шум возникает в основном из-за 30-кратного усиления в контуре обратной связи, увеличивающего шум опорного источника LT8362.

Один из способов устранения этого шума – добавление емкости на выходе. При достаточной емкости это сработает. Однако при выходном напряжении 48 В минимальное практическое рабочее напряжение конденсатора 63 В означает, что необходимые конденсаторы будут большими и дорогими.

Второй подход мог бы состоять в том, чтобы увеличить выходное напряжение микросхемы LT8362 на вольт или два и добавить к ее выходу LDO регулятор. Однако для этого требуется высоковольтный LDO регулятор, который обычно стоит дороже, чем его низковольтный аналог. Кроме того, хотя при более низких выходных напряжениях эти стабилизаторы могут иметь низкий уровень шума, при умножении шума опорного напряжения возникают те же проблемы, которые характерны для LT8362.

Третий подход заключается в использовании того факта, что чувствительность микрофонного выхода не сильно зависит от напряжения питания, поэтому фантомное питание не требует идеальной стабилизации. Это означает, что последовательно с выходными конденсаторами можно установить какое-то сопротивление, чтобы увеличить эффективность подавления шумов; однако это только частично уменьшает размер высоковольтных конденсаторов.

Вместо этого лучше сделать так, чтобы выходные конденсаторы казались больше, чем они есть на самом деле. Этого можно добиться с помощью «старого доброго» метода, называемого умножением емкости, – простой схемы, показанной в серой затененной области на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Умножитель емкости (серая область), добавленный на выходе исходной схемы, подавляет шумы звуковой частоты, создаваемые импульсным регулятором.

Здесь конденсатор емкостью 100 мкФ контролирует пульсации тока базы, поэтому его влияние на ток коллектора усиливается коэффициентом бета n-p-n-транзистора. Эффект впечатляющий. На Рисунке 3а показано выходное напряжение схемы LT8362 на конденсаторе C4 (до фильтра) при нагрузке 1 кОм (50 мА).

Рисунок 3.	Сигнал до и после фильтра. На выходе повышающего преобразователя уровень шума составляет около 0.2% при измерении на конденсаторе C4 (до фильтра) (а). После фильтра уровень шума значительно ниже и составляет всего 0.002% (б).

Шум равен 80 мВ пик-пик, что составляет около 0.2% от общего уровня шума. Хотя этого может быть достаточно для некритичных приложений, выходной шум после фильтра значительно лучше и составляет примерно 1 мВ пик-пик (Рисунок 3б). Это соответствует уровню шума порядка 0.002% или 20 ppm, что достаточно мало даже для самых требовательных приложений. На Рисунке 4 показана испытательная установка.

Рисунок 4.	На установке для испытания схемы источника чистого фантомного питания, основанного на демонстрационной плате DC2628, показан добавленный фильтр.

Транзистор SBCP56-16T1G был выбран из-за его высокого допустимого напряжения коллектор-эмиттер (80 В) и большого коэффициента бета при малых токах. Большой коэффициент передачи тока бета обеспечивает умножителю емкости высокую кажущуюся емкость и относительно постоянное падение напряжения при изменении выходного тока. Выходное напряжение падает с 47.8 В при нагрузке 2 кОм до 47.5 В при нагрузке 500 Ом, что вполне достаточно для микрофонных приложений. Не заменяйте транзистор никаким другим без проверки на шумы и качество стабилизации.

Тесты проводились при входном напряжении 16 В, но характеристики будут аналогичными при напряжении от 12 В до 24 В. В некоторых приложениях может потребоваться повышение напряжения с 5 В, что можно сделать, снизив частоту переключения LT8362 с 2 МГц до 1 МГц, чтобы обеспечить минимальное время выключенного состояния 75 нс. Это также потребовало бы увеличения индуктивности дросселя L1 примерно до 10–15 мкГн и удвоения емкости выходного конденсатора C4 для сохранения эквивалентных характеристик.

Ссылки

1. Nelson, Carl, Application Note 19: LT1070 Design Manual. Analog Devices Inc., June 1986.
2. Williams, Jim, Application Note 101: Minimizing Switching Regulator Residue in Linear Regulator Outputs. Analog Devices Inc., July 2005.

Ссылки на фантомное питание

1. Wikipedia, "Phantom power"
2. Sage Audio, "The Basics of Phantom Power for Microphones"
3. Audio Solutions, "What Is Phantom Power and Why Do I Need It? "
4. Shure Inc., "What is Phantom Power?"

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LT8362
2. Datasheet ON Semiconductor SBCP56-16T1G