Construisez le préampli micro à alimentation fantôme SSM2019 à quatre canaux : 9 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Comme vous l'avez peut-être remarqué dans certains de mes autres Instructables, j'ai une passion pour l'audio. Je suis aussi un bricoleur depuis longtemps. Lorsque j'ai eu besoin de quatre canaux supplémentaires de préamplificateurs de microphone pour étendre mon interface audio USB, j'ai su que c'était un projet de bricolage.

Il y a plusieurs années, j'ai acheté une interface audio USB Focusrite. Il possède quatre préamplis micro et quatre entrées de niveau ligne ainsi que quelques entrées numériques. C'est un excellent matériel et a répondu à mes besoins. C'était jusqu'à ce que je construise un tas de microphones. J'ai donc entrepris de résoudre cette divergence. Ainsi, le préampli micro à quatre canaux SSM2019 est né !

J'avais quelques objectifs de conception pour ce projet.

Ce serait aussi simple que possible et utiliser un minimum de composants

Il aurait une alimentation fantôme pour me permettre d'utiliser tous les microphones Pimped Alice que j'ai construits

Il aurait une entrée haute impédance (Hi-Z) sur chaque canal pour les transducteurs piézo, un futur de mes projets. Ce serait un ajout facile si le boîtier et l'alimentation faisaient déjà partie du projet principal

Il aurait des spécifications audio professionnelles: propre, faible distorsion et faible bruit. Aussi bon ou meilleur que les préamplis existants dans mon interface Focusrite

Étape 1: la conception

J'ai commencé à étudier ce qui existait déjà. Je connais très bien la conception analogique et j'avais l'œil sur le SSM2019, ayant déjà utilisé son cousin plus âgé, le SSM2017 désormais obsolète. Le SSM2019 est disponible dans un boîtier DIP à 8 broches, ce qui signifie qu'il peut être facilement embarqué. Je suis tombé sur des informations fantastiques sur la conception du préamplificateur de microphone de That Corp. (Voir la section de référence) Malheureusement, toutes leurs puces de préamplificateur spécifiques sont de petits boîtiers à montage en surface. Et, les spécifications ne sont que légèrement meilleures que celles du SSM2019. Je les félicite pour leur partage de connaissances et leurs informations de conception. Les spécifications du SSM2019 sont fantastiques et, comme la plupart des amplificateurs opérationnels audio de nos jours, dépasseront le reste de la chaîne de signal en termes de performances. J'ai utilisé deux étages à gain fixe avec un potentiomètre permettant de régler le signal entre eux. Cela maintient la conception simple et élimine le besoin de trouver des pièces difficiles; tels que les potentiomètres antilog et les commutateurs à contacts multiples avec des valeurs de résistance uniques. Il maintient également le bruit THD + bien en dessous de 0,01%

Au cours de mon processus de conception, j'ai eu une révélation sur l'alimentation fantôme. La plupart des gens pensent que le 48 volts est la « norme ». Cela remonte à loin et était important lorsque la tension d'alimentation fantôme était utilisée pour polariser la capsule pour les microphones à condensateur. Actuellement, la plupart des microphones à condensateur utilisent une alimentation fantôme pour créer une source de tension inférieure stable. Ils utilisent un Zener en interne pour générer 6-12VDC. Cette tension est utilisée pour faire fonctionner l'électronique interne et pour générer une tension plus élevée pour polariser la capsule. C'est en fait la meilleure façon de le faire. Vous obtenez une belle tension de capsule stable qui peut être supérieure à 48V si nécessaire. La spécification d'alimentation fantôme pour les microphones appelle 48V, 24V et 12V. Chacun utilise des valeurs différentes de résistances de couplage. 48V utilise 6,81K, 24V avec 1,2K et 12V utilise 680 Ohm. Essentiellement, l'alimentation fantôme est nécessaire pour fournir une certaine quantité d'énergie au microphone. Mon épiphanie était la suivante: la tension doit être suffisamment élevée pour que le Zener 12V interne fonctionne. Si j'ai utilisé le +15V disponible dans mon projet et la valeur de résistance de couplage appropriée, cela devrait fonctionner correctement. Cela résout en fait deux autres problèmes. Premièrement, il n'est pas nécessaire d'avoir une alimentation séparée uniquement pour l'alimentation fantôme. Deuxièmement, et le plus important pour ma conception, c'est la simplicité. En maintenant la tension d'alimentation fantôme égale ou inférieure à la tension d'alimentation du SSM2019, nous éliminons de nombreux circuits supplémentaires nécessaires à la protection. Les gars de That Corp ont présenté deux documents à AES intitulés "The Phantom Menace" et "The 48V Phantom Menace Returns". Ceux-ci traitent spécifiquement des défis d'avoir un condensateur 47-100uF chargé à 48V dans un circuit. Un court-circuit accidentel peut causer beaucoup de problèmes. L'énergie stockée dans le condensateur est fonction de la tension au carré, donc en passant simplement de 48V à 15V, nous réduisons l'énergie stockée d'un facteur 10. Nous empêchons également une tension supérieure à la tension d'alimentation sur l'une des broches d'entrée de signal du SSM2019. Lisez le guide de conception That Corps pour des exemples de ce qui est nécessaire pour fabriquer un préampli à l'épreuve des balles.

Juste pour être transparent, j'ai commencé ce projet en pensant que j'allais utiliser une alimentation fantôme 24VDC puis, en train de dépanner l'alimentation, j'ai eu l'idée d'utiliser le +15 déjà disponible. Au départ, j'ai mis l'alimentation à l'intérieur du boîtier du préampli. Cela a causé de multiples problèmes de bourdonnement et de bourdonnement. Je me suis retrouvé avec la majeure partie de l'alimentation dans un boîtier externe avec juste les régulateurs de tension dans le boîtier. Le résultat final est un préampli très silencieux qui est à égalité sinon meilleur que ceux internes de mon interface Focusrite. Objectif de conception n° 4 atteint !

Regardons le circuit et voyons ce qui se passe. Le bloc SSM2019 dans le rectangle bleu est le circuit principal. Les deux résistances 820 Ohm se couplent dans l'alimentation fantôme de la zone vert clair où l'interrupteur à bascule applique +15 au condensateur 47uF via une résistance 47 Ohm. Les deux résistances de 820 ohms se trouvent du côté « + » des condensateurs de couplage de 47 uF qui amènent le signal du microphone. De l'autre côté des condensateurs de couplage se trouvent deux résistances de 2,2 K qui relient l'autre côté des condensateurs à la terre et maintiennent les entrées du SSM2019 à un potentiel de terre CC. La fiche technique indique 10K mais mentionne qu'ils doivent être aussi bas que possible pour minimiser le bruit. J'ai choisi 2,2K pour être inférieur mais n'affecte pas beaucoup l'impédance d'entrée de l'ensemble du circuit. La résistance de 330 Ohm règle le gain du SSM2019 à +30db. J'ai choisi cette valeur car elle fournit le gain minimum dont j'aurais besoin. Avec ce gain et +/-15V, l'écrêtage des rails ne devrait pas être un problème. Le condensateur 200pf sur les broches d'entrée est destiné à la protection EMI/RF pour le SSM2019. C'est juste à côté de la fiche technique de la protection RF. Il y a également deux condensateurs 470pf sur la prise XLR pour la protection RF. Du côté de l'entrée du signal, nous avons un interrupteur à bascule DPDT agissant comme notre interrupteur de sélection de phase. Je voulais pouvoir utiliser un micro à contact piézo sur une guitare (ou d'autres instruments acoustiques) tout en utilisant simultanément un microphone. Cela permet une inversion de phase du microphone si nécessaire. S'il n'y avait pas eu cela, je l'aurais éliminé car la plupart des programmes d'enregistrement vous permettent d'inverser la phase après l'enregistrement. La sortie du SSM2019 va à un potentiomètre 10K pour le réglage du niveau à l'étape suivante.

Passons maintenant au côté haute impédance. Dans le rectangle rouge, nous avons un tampon classique non inverseur basé sur une section d'un double ampli op OPA2134. C'est mon ampli op préféré pour l'audio. Très faible bruit et distorsion. Semblable au SSM2019, ce ne sera pas le maillon le plus faible de la chaîne du signal. Le condensateur de 0,01 uF couple le signal provenant de la prise d'entrée ¼ . La résistance 1M a fourni une référence à la terre. Fait intéressant, le bruit de la résistance 1M peut être entendu en augmentant complètement le niveau de l'entrée Z élevée. Cependant, lorsqu'un capteur piézo est connecté, la capacité du capteur piézo forme un filtre RC avec la résistance 1M. Cela fait baisser le bruit (et ce n'est pas mal en premier lieu.) De la sortie de l'ampli op, nous passons à un potentiomètre 10K pour le réglage final du niveau.

La section finale du circuit est l'amplificateur de sommation de l'étage de gain final construit autour de la deuxième section de l'ampli op OPA2134. Voir le rectangle vert dans les illustrations. Il s'agit d'un étage d'inversion avec le gain défini par le rapport de la résistance de 22K et de la ou des résistances de 2,2K nous donnant un gain de 10 ou +20dB. Le condensateur 47pf à travers la résistance 22K est pour la stabilité et la protection RF. Les potentiomètres 10K sont linéaires. Ce qui signifie que lorsque l'essuie-glace se déplace sur la plage de rotation, la résistance du point de départ varie linéairement avec le changement de rotation. Au milieu, vous obtenez 5K à chaque extrémité. Cependant, nous entendons différemment. Nous entendons logarithmiquement. C'est pourquoi les décibels (dB) sont utilisés pour mesurer les niveaux sonores. En utilisant un potentiomètre linéaire de 10K alimentant une résistance de 2,2K, nous obtenons un changement de niveau qui semble beaucoup plus naturel. L'ampli op maintient l'entrée inverseuse à une masse virtuelle. Pour les signaux CA, la résistance de 2,2K est liée à la terre virtuelle. Le point à mi-chemin de la rotation est d'environ -12 dB d'atténuation avec le dernier huitième de rotation à seulement 1,2 dB de différence. Cela semble beaucoup plus fluide que beaucoup d'autres préamplificateurs où le potentiomètre modifie le gain du préampli. Cela fonctionne mieux que les préamplis qui ont un potentiomètre de réglage de gain. Habituellement, la dernière augmentation provoque une augmentation rapide du gain final et un peu de bruit perceptible. Le Focusrite réagit de cette façon. Le mien ne le fait pas. Le signal est couplé hors de l'ampli op via une résistance de 47 Ohm. Cela protège l'ampli op et le maintient stable lorsque vous conduisez un long câble si vous en avez besoin. Une dernière chose pour les deux puces IC. Ce sont tous deux des appareils à haut gain et à large bande passante. Ils doivent avoir une bonne alimentation en bypass avec des condensateurs.1uF montés à proximité des broches d'alimentation. Cela empêche les choses étranges de se produire et les maintient agréables et stables.

Pour résumer, il y a deux étages de gain fixe, un 30dB et 20dB pour un gain total de 50dB. Le réglage du niveau se fait en faisant varier le niveau du signal entre les deux étages de gain. Il y a aussi une entrée haute impédance disponible sur chaque canal qui est parfaite pour les micros piézo et autres instruments (guitare et basse) qui ont besoin d'un peu de réglage de niveau avant l'enregistrement. Le tout avec une distorsion et un bruit très faibles. L'alimentation fantôme est de 15VDC, ce qui devrait fonctionner avec la plupart des microphones à condensateur modernes. Une exception notable est le Neumann U87 Ai. Ce microphone est ma fierté et ma joie. En interne, il dispose d'un Zener 33V pour une alimentation intermédiaire. Pour moi, ce n'est pas un problème car mon Focusrite a une alimentation fantôme 48V. Tout le reste du mien fonctionne très bien.

L'alimentation:

L'alimentation est une conception classique de la vieille école. Il utilise un transformateur à prise centrale, un pont redresseur et deux gros condensateurs de filtrage. Le transformateur est à prise centrale 24VAC. Cela signifie que nous pouvons mettre à la terre le robinet central et obtenir 12 VCA de chaque jambe. Attendez - n'utilisons-nous pas +/- 15VDC ? Comment cela marche-t-il? Il se passe deux choses: d'abord le 12VAC est une valeur RMS. Pour une onde sinusoïdale, la tension de crête est 1,4 fois plus élevée (techniquement la racine carrée de deux), ce qui donne un pic de 17 volts. Deuxièmement, le transformateur est conçu pour fournir 12 V ca à pleine charge. Ce qui signifie qu'à faible charge (et ce circuit n'utilise pas beaucoup d'énergie), nous avons une tension encore plus élevée. Tout cela se traduit par environ 18VDC disponibles pour les redresseurs de tension. Nous utilisons des régulateurs de tension linéaires 7815 et 7915 et j'en ai choisi ceux de National Japan Radio qui sont dans un boîtier en plastique. Cela signifie que vous n'avez pas besoin d'un isolant entre le régulateur et le boîtier lors de leur montage. Au départ, j'ai construit l'alimentation interne au boîtier du préampli micro. Cela n'a pas très bien fonctionné car j'avais un bourdonnement et un bourdonnement, tous liés à la proximité de mon transformateur avec le câblage interne du microphone. J'ai fini par mettre le transformateur, le redresseur et les gros capuchons de filtre dans une boîte séparée. J'ai utilisé un connecteur XLR à 4 bornes que j'avais dans le bac à pièces pour amener le courant continu non régulé dans le boîtier principal où les régulateurs sont montés près du circuit imprimé principal. Comme mentionné précédemment, j'allais initialement utiliser du 24VDC pour l'alimentation fantôme et j'ai fini par ne pas le faire, simplifiant ainsi mon circuit et me débarrassant du régulateur 24V (et d'un transformateur à tension plus élevée !)

Étape 2: Construction: le cas

L'affaire:

Si vous ne l'avez pas encore remarqué, mon schéma de peinture et mon étiquetage sont plutôt funky. Mon enfant faisait un projet scolaire et nous avions les trois couleurs de peinture en aérosol disponibles, alors sur un coup de tête, j'ai utilisé les trois. Puis j'ai eu l'idée de peindre l'étiquette à la main avec de l'émail jaune et un petit pinceau. C'est à peu près le seul au monde qui ressemble à ça ! J'ai eu ma valise chez Tanner Electronics à Dallas, un magasin de surplus. Je l'ai trouvé en ligne chez Mouser et ailleurs. C'est Hammond P/N 1456PL3. Vous voudrez peut-être l'étiqueter et le peindre différemment, c'est à vous de décider !

Étape 3: Construction: Circuit imprimé

Conseil pc:

J'ai construit le circuit sur une maquette de prototypage. Première construction d'un canal pour s'assurer que la conception a fonctionné comme prévu. Puis construit les trois autres canaux. Voir photo 1 et 2 pour la disposition. Mes OPA2134 proviennent de Burr Brown, qui a été acquis par TI en 2000. J'en ai acheté 100 à l'époque et j'en ai encore quelques-uns. Remarquez les capuchons de dérivation.1uF tous montés sur la face inférieure de la carte. Ceux-ci sont importants pour la stabilité des puces IC.

Étape 4: Construction: Prises et commandes du panneau avant:

Prises et commandes du panneau avant:

Selon votre choix de cas, votre mise en page peut varier. J'ai utilisé des prises jack 6,35 mm à montage sur panneau Switchcraft qui connecteront le panneau avant à la terre. Pour minimiser les boucles de masse, connectez la masse de la prise XLR (Pin-1) avec la longueur la plus courte possible au panneau avant. Pour ma mise en page, je les ai connectés au fil de terre des prises d'entrée "Hi Z". J'ai précâblé les commutateurs d'inversion de phase en croisant les deux connexions externes du commutateur Double Pole Double Throw (DPDT). Ensuite, l'entrée du microphone du XLR ira aux fils centraux et à l'une des connexions externes à la carte de circuit imprimé. De cette façon, lorsque la position du commutateur est modifiée, la phase s'inverse. Avant de monter les prises XLR, soudez les deux condensateurs 470pf pour le blindage RF/EMI. Cela rend les choses beaucoup plus faciles plus tard! Montez les potentiomètres sur le panneau avant. J'ai utilisé un petit marqueur ou un autre marqueur pour étiqueter les éléments sur le panneau intérieur afin de faciliter les connexions plus tard. Et pour me rappeler quelle cosse des potentiomètres doit être reliée à la masse. Ensuite, connectez toutes les connexions à la terre des pots ensemble à l'aide d'un fil nu commun non isolé. Plus tard, cette connexion se dirigera vers le point de masse commun.

Étape 5: Construction: Câblage interne

Connexions internes:

Pour les fils de signal du microphone, j'ai torsadé des fils de calibre 22 et connecté les prises XLR d'entrée aux commutateurs à bascule de sélection de phase. Les torsader ensemble minimise les EMI et RF parasites. En théorie, à l'intérieur du boîtier métallique, nous ne devrions pas en avoir, car tout dans ce projet est un pur circuit analogique. Ne vous inquiétez pas pour la phase en particulier pour le moment. Soyez cohérent dans la façon dont tous les canaux sont câblés. Nous découvrirons en testant quelle position du commutateur sera «normale» et laquelle est inversée.

Pour le reste du câblage audio, j'ai utilisé un seul conducteur blindé et connecté le blindage à la terre à une seule extrémité. Cela permet de protéger nos signaux et d'éviter les boucles de masse. J'avais un rouleau de fil blindé de type "E" de calibre 26 que j'ai obtenu en surplus de Skycraft à Orlando il y a longtemps. Il existe des vendeurs qui le vendent en ligne ou vous pouvez utiliser un conducteur unique blindé différent. Pour chaque connexion, j'en ai préparé une longueur avec le blindage exposé à une extrémité et l'autre juste le conducteur central. J'ai mis un peu de thermorétractable sur le blindage du côté non connecté pour l'isoler. Voir les photos. Travaillez méthodiquement et connectez une chose à la fois. J'ai ensuite noué chaque groupe de quatre fils ensemble pour que les choses soient aussi nettes que possible.

Étape 6: Construction: Alimentation

Source de courant:

J'ai construit mon approvisionnement dans une boîte de projet plus petite. Il y a UNE chose que vous devez faire pour rendre cela sûr et respecter le code. Vous devez avoir un fusible sur le primaire du transformateur. J'ai utilisé un porte-fusible en ligne avec un fusible de ¼ amp. Cela va exploser si le transformateur consomme plus de 25W, ce qu'il ne devrait pas faire. Le tout utilise au maximum 2W avec quatre micros connectés.

Régulateurs de tension:

Préparez les régulateurs de tension avant de les monter sur le panneau en soudant les deux condensateurs de filtrage, 10uF pour l'entrée et.1uF sur la sortie. Je leur ai également attaché des fils d'entrée pour éviter toute confusion plus tard. N'oubliez pas: les 7815 et 7915 sont câblés différemment. Voir les fiches techniques pour la numérotation des broches et les connexions. Une fois que tout est monté, il est temps d'effectuer toutes les connexions internes.

Connexions d'alimentation et de terre:

J'ai utilisé un fil à code couleur pour connecter les câbles d'alimentation CC à la carte de circuit imprimé. Toutes les connexions au sol reviennent à un point de connexion dans le cas du projet. Il s'agit d'un schéma de mise à la terre « Star » typique. Parce que j'avais déjà construit l'alimentation en interne. J'avais encore deux gros condensateurs de filtrage internes au boîtier. Je les ai conservés et je les ai utilisés pour le courant continu entrant. J'avais déjà un interrupteur d'alimentation dans le boîtier (DPDT) et je l'ai utilisé pour commuter l'alimentation CC +/- non régulée vers les régulateurs. J'ai directement connecté le fil de terre.

Une fois toutes les connexions effectuées, faites une pause et revenez plus tard pour tout vérifier ! C'est l'étape la plus critique.

Je vous recommande de tester l'alimentation et de vous assurer que les polarités sont correctes et que vous avez +15VDC et -15VDC des régulateurs avant de les connecter au circuit imprimé. J'ai monté deux LED sur mon panneau pour montrer qu'il y avait du courant. Vous n'êtes pas obligé de le faire, mais c'est un bon ajout. Vous aurez besoin d'une résistance de limitation de courant en série avec chaque LED. Un 680 Ohm à 1K fonctionnera très bien.

Étape 7: Construction: Câbles de raccordement

Câbles de raccordement:

Cette partie pourrait être un Instructable séparé. Pour rendre cela utilisable, vous devez connecter les quatre canaux aux entrées ligne de l'interface Focusrite. Je prévois de les avoir juste à côté l'un de l'autre, j'avais donc besoin de quatre câbles de raccordement courts. J'ai trouvé un excellent câble monoconducteur robuste et pas cher chez Redco. Ils ont aussi de bonnes prises ¼ . Le câble a un blindage extérieur en cuivre tressé et un blindage intérieur en plastique conducteur. Cela doit être enlevé lors de la fabrication des câbles de raccordement. Voir la séquence de photos pour ma méthode d'assemblage de câbles. J'aime prendre le blindage et l'enrouler autour de la connexion à la terre de la prise jack 6, puis le souder. Cela rend le câble assez solide. Bien que vous deviez toujours débrancher un câble de raccordement en tenant le connecteur, des accidents se produisent parfois. Cette méthode aide.

Étape 8: Test et utilisation

Test et utilisation:

La première chose que nous devons faire est de déterminer la polarité des commutateurs de phase. Pour ce faire, vous aurez besoin de deux microphones identiques. Ce que je suppose que vous avez, ou vous n'auriez pas besoin d'un préampli à quatre canaux ! Connectez-en un à une entrée de préampli micro Focusrite et l'autre à l'un des quatre canaux de préampli micro. Déplacez les deux vers le centre. Tenez les microphones proches l'un de l'autre et parlez, chantez ou fredonnez tout en passant votre bouche devant les deux microphones. Les écouteurs aident vraiment avec cette partie. Vous ne devriez pas entendre de zéro ou de creux dans la sortie si les micros sont en phase les uns avec les autres. Changez la phase du micro et répétez. S'ils sont déphasés, vous entendrez un niveau nul ou un creux. Vous devriez être capable de dire très rapidement quelle position est en phase et hors phase.

J'ai remarqué qu'avec le potentiomètre de niveau à peu près à mi-chemin, j'obtenais un gain nominal pour mes micros et cela correspond à peu près à l'endroit où je règle normalement le bouton de gain du préampli Focusrite sur environ 1-2 heures. Fait intéressant, la spécification du Focusrite atteint jusqu'à 50 dB de gain. Quand je l'ai tourné au maximum (sans micro connecté), j'obtiens un léger sifflement. Il est juste un peu plus fort que mon préampli basé sur SSM2019. Je n'ai pas d'équipement de test élaboré disponible. Cependant, j'ai beaucoup d'expérience à la fois en studio et en live et ce préampli est très performant.

Pour les entrées Hi-Z, j'ai soudé un Piezo Disc à une prise jack 1/4 et vérifié que tout fonctionne et que la plage de gain est correcte. Je prévois de tester cela sur une guitare acoustique dans un avenir proche.

Je suis ravi d'avoir huit canaux complets d'entrées micro disponibles pour l'enregistrement. J'ai quelques micros MS et 8 de mes micros Pimped Alice. Cela me permettra d'expérimenter avec différents placements de micros en même temps. Cela ouvre également la porte à un projet que je voulais essayer depuis longtemps – un microphone Ambisonic. Une avec quatre capsules internes destinées à capturer le son surround et le son multidirectionnel.

Restez à l'écoute pour plusieurs autres Instructables de microphone !

Étape 9: Références

Ce sont une mine d'informations pour l'audio analogique, la conception du préampli micro et la mise à la terre appropriée des circuits audio.

Les références:

Fiche technique SSM2019

Fiche technique OPA2134

Wikipédia sur l'alimentation fantôme

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