Mikrofonverstärker

USB-gespeiste Stereo-Mikrofonverstärker⚓

Zunächst geht es um dynamische Mikrofone.

Es geht darum, zwei Singstar™-Mikrofone am Line-In-Eingang der Soundkarte zu betreiben. Gut geeignet sind auch alte, formschöne DDR-Mikrofone. Eine bequeme Speisung der notwendigen Verstärkerschaltung führte zur USB-Buchse, die leicht zweckentfremdet verwendet wird.

Im Gegensatz zu USB-Mikrofonen oder separaten USB-Soundkarten hat man die einfache Möglichkeit, das Gesungene direkt (verzögerungsfrei, ohne Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung) dem Ausgangssignal zuzumischen. Der Versuch, das Tonsignal von USB auf den Sound-Ausgang per Software mit dem extra geschriebenen Programm AudioPipe (Aussehen) zu transferieren, hatte den unangenehmen Effekt der Signalverzögerung. Günstiger bezüglich Laufzeiteffekte ist das Programm Virtual Audio Cable, leider Crippleware.

Viele Mikrofoneingänge von Soundkarten sind entweder mono (betrifft AC97, im Gegensatz zu HD-Audio) oder kommen mit dynamischen Mikrofonen nicht richtig zurecht. Andernfalls ist der Aufwand für einen solchen Mikrofonverstärker ungerechtfertigt, und es genügt ein einfaches Y-Kabel zum Anschluss zweier (Mono-) Mikrofone an den Stereo-Mikrofoneingang.

Einigermaßen preiswert fertig zu kaufen gab's einen bei Pollin unter der Bestellnummer 660498, Bezeichnung „VIVANCO MA222“. Eingangs- und ausgangsseitige Adapter hierzu werden zusätzlich benötigt. Gespeist wird dieser Verstärker mit 12 V vom mitgelieferten Steckernetzteil. Naja, schon wieder eine Wandwarze.

Mit OPV⚓

Rauscharme OPVs zu finden, die bei knapp 5 V Betriebsspannung funktionieren, ist gar nicht so einfach. Von einer Texas-Instruments-Musterbestellung lagen noch einige Doppel-OPV OPA2277 in der Bastelkiste. Mit ihren 15 nV/√Hz sind sie – naja – hinreichend rauscharm.

Normalerweise nimmt man für Mikrofone gerne NE5534A mit 3,5 nV/√Hz, dieser benötigt jedoch 6 V Speisespannung. (Er geht versuchsweise auch an 5 V.) Zwei LTC1028 wären wahrscheinlich Overkill und brauchen ± 5 V Speisespannung, beispielsweise einen DC/DC-Wandler ICL7660 für die negative Versorgungsspannung.

Weil es bei Reichelt aufrecht stehende logarithmische Mini-Potis nur mit 10 kΩ gibt, wurden der Rückkopplungszweig für diesen Wert dimensioniert. Als Eingangsspannungsteiler würde er zusätzliches Rauschen einbringen, bis zu 9 nV/√Hz in Mittelstellung.

Der rauscharme Doppel-OPV MC33078 mit 4,5 nV/√Hz, erhältlich bei Reichelt, funktioniert genauso gut, obwohl er laut Datenblatt die doppelte Speisespannung benötigt.

Eine Spannungsverstärkung von 34 (Potenziometer voll aufgedreht) erwies sich im Test als völlig ausreichend. Die minimale einstellbare Verstärkung ist hier 1, nicht 0.

Schaltplan⚓

Der Mikrofonverstärker arbeitet in simpler nichtinvertierender Grundschaltung. Der Massebezug erfolgt durchgehend auf Audio-Seite; die USB-Masse dient lediglich der Stromversorgung und dem Gleichstrompfad für den Bias-Spannungsteiler aus R₁ und R₂. Eine zusätzliche Siebung der USB-Spannung mittels L₁ und C₂ erwies sich im Praxistest als umumgänglich; die Betriebsspannungsunterdrückung des OPV ist zu gering.

Schaltplan des Zweikanal-Mikrofonverstärkers

Der Schaltplan wurde in Eagle 4.11 erstellt; wie man sieht, man kann in Eagle Version 4 (!) auch Ω-Symbole darstellen und mittels SCH2WMF.ULP via Symbol-Zeichensatz korrekt exportieren.

Stückliste⚓

Stück	Bauelement	Wert	Bauelement	Reichelt-Bestellkode	Einzelpreis (ohne Gewähr)
1	Kleingehäuse	72 × 50 × 21 mm³	–	GEH KS 21	0,72
4	Blechschraube	Ø2,9 × 5 mm²	–	SBL 29065-100	1,35 (100 Stück; kürzen!)
2	Klinkenbuchse mono 3,5 mm	–	BU1, BU2	EBV 35 EB 35	0,22 0,12
½	Klinkenkabel stereo 3,5 mm	0,75 m	ST1	AVK 119	0,63
½	USB-Kabel mit Stecker A	1 m	ST2	AK 670/2-2,0	0,71
1	Leiterplatten-Anschluss	3polig	BU3 + ST3	PS 25/3G br	0,43
½	Lochrasterplatte	66 × 44 mm²	–	H25PS050	0,66
2	Widerstand	330 kΩ	R12, R22	1/4W 330k	0,033
2	Widerstand	33 kΩ	R13, R23	1/4W 33k	0,033
2	Widerstand	1 kΩ	R14, R24	1/4W 1k	0,033
2	Widerstand	10 kΩ	R15, R25	1/4W 10k	0,033
2	Widerstand	150 kΩ	R1, R2	1/4W 150k	0,033
2	Potenziometer	10 kΩ log.	R11, R21	RK09K113-log10k	0,95
2	Elektrolytkondensator	4,7 µF	C13, C23	rad 4,7/35	0,04
3	Elektrolytkondensator	47 µF	C1, C12, C22	rad 47/16	0,04
1	Elektrolytkondensator	100 µF	C2	rad 100/16	0,04
2	Kondensator	220 nF	C11, C21	MKS-2 220n	0,13
1	Drossel	4,7 mH	L1	L-07P 4,7m	0,33
1	Doppeloperationsverstärker	OPA2277	IC1	Muster von Texas Instruments	kostenlos

Aufbau⚓

Die Leiterplatte wird passend für das Gehäuse gesägt und gebohrt. Die Potenziometer bestimmen die Löcher im Gehäusedeckel. Weitere Löcher im Deckel sind passend für die Kabeldurchführungen anzufertigen. Deren eigentliche Zugentlastung übernimmt ein kleiner Kabelbinder.

Das Etikett ist in Word erstellt, per Laserdrucker auf Papier gedruckt, mit breitem Tesafilm beklebt (laminiert), danach ausgeschnitten und mit „Uhu Flinke Flasche“ (oder „Pritt Alleskleber“) wie ein Stück Tapete aufgeklebt:

lichtfest, wischfest
hält bombenfest
Kleber greift Plastik nicht an
lässt sich mit heißem Wasser abrubbeln

Der teure Steckverbinder (mit niedriger Bauhöhe!) wurde aus ausgeschlachteten Geräten genommen, wie auch alle Widerstände und Kondensatoren. Zu den Klinkenbuchsen sollte der Draht so kurz wie möglich sein.

Auf peinliche Abschirmung ist zu achten. Dies wurde im Muster mittels Alufolie erreicht. Konkakt mit Masse hat diese Folie an den Klinkenbuchsen. Die Halbschalen kontaktieren sich untereinander.

Wer hat, kann auch leitfähigen Lack verwenden, bspw. Reichelt Kontakt 260 (20,45 €).

Betriebserfahrungen⚓

Die zunächst auf 330 festgelegte Verstärkung wurde auf 34 reduziert; damit verringerte sich auch das Rauschen.

Der Verstärker ist nicht allzu übersteuerungsfest; die Begrenzung setzt offenbar bei unter 1 V_SS Ausgangsspannung ein; damit ist der Line-In-Eingang der Soundkarte noch nicht voll ausgesteuert. Der OPA2277 ist eben kein Rail-To-Rail-OPV.

Dank der Ableitwiderstände an Ein- und Ausgang gibt es kaum hörbare An- und Absteckgeräusche. Nur das Stecken des USB-Steckers ergibt erwartungsgemäß einen lauten, dumpfen Knall.

Mancherorts gibt es Einstreuungen von Radiosendern (hier in Chemnitz tschechisches Gebabel), das sich verstärkt, wenn man die Abschirmung (die Klinkenbuchse) anfasst.

Diskret mit Transistoren⚓

Siehe unten (ergibt sich durch Ersetzen der Speisebatterie mit USB-Spannung).

Ferngespeiste Mikrofonverstärker⚓

Bisweilen auch Phantomspeisung genannt, aber hier geht es immer um Tonaderspeisung, typischerweise von einer geeigneten Soundkarte.

Gesehen auch im Handapparat einer Türsprechanlage.

Ferngespeister Mikrofonverstärker für ferngespeiste Elektretmikrofone ⚓

Zum Einbau in ein batteriegespeistes aber zu leises Elektretmikrofon (hier: Philips-Mikrofon „SBC 3050 Stereo“, also 2×) ist diese einfach gehaltene Schaltung. Die Speisung sollte automatisch von einer HD-Audio-Soundkarte erfolgen, die die im Schaltplan rechts angegebene Speiseeinheit bereits beinhaltet. Das erspart die Batterie vollends. Für AC97-kompatible Soundkarten (= Mono-Mikrofoneingang mit Speisung {U_L = 5 V, I_K = 7 mA im Test} auf Mittelring des Klinkensteckers) sowie für Line-In-Eingänge ist eine externe Speiseeinheit vorgesehen.

Schaltplan des Verstärkers (links) und der im Mikrofon vorgefundenen Speisung (rechts)

Diese mit dem Original-Einschalter des Mikrofons zuschaltbare Verstärkerschaltung begnügt sich mit 1,5 V Speisespannung und konsumiert ca. 1 mA, während das ursprüngliche Mikrofon gemessene 200 µA Speisestrom schluckt.

Schaltungsbeschreibung⚓

In der gezeichneten Schalterstellung (AUS) liegt nur noch R2 in der Mikrofonleitung und dämpft das Nutzsignal minimal. Die Reduktion der Speisespannung liegt bei 0,1 V. Der Kondensator C2 „arbeitet“ auf die mit 0 V belegte Transistorbasis von T1 und ist damit wirkungslos, weil bei den kleinen Wechselspannungsamplituden der Transistor komplett gesperrt bleibt.

Die Zener-Diode D1 schützt in Verbindung mit R2 das Mikrofon vor zu hoher sowie negativer Phantomspannung. Bei 1,6 V fließen hierin immerhin noch 10 µA ab, deshalb konnte kein Typ mit kleinerer Z-Spannung ausgewählt werden. Die maximal zulässige Spannung für die Mikrofonkapsel ist leider unbekannt.

In der anderen Schalterstellung (EIN) wird eine Siebschaltung für die Fernspeisung aus R2 und C3 erstellt und diese Spannung über R3 dem Mikrofon zugeführt. Über R4 wird der rauscharme Transistor T1 gerade so weit geöffnet, dass sich seine Kollektorspannung auf 1,0 V absenkt. Das ergab im Test eine optimale Betriebssituation mit ca. 1 mA Kollektorstrom. Der Wert von R4 muss probeweise ermittelt werden. Der angegebene Wert von 330 kΩ bezieht sich auf ein β von 600.

Der Widerstand R5 dient schließlich dazu, beim Ausschalten des Verstärkers den Siebkondensator C3 zu entladen, um den Transistor T1 zügig (nach ca. 1 s) und sicher zu sperren.

Für Stereobetrieb sollten die Transistoren nach ihrer Stromverstärkung gepaart ausgesucht werden. Die einfache Schaltung arbeitet einfach mit ihrer maximalen Verstärkung. Über den Klirrfaktor habe ich mir keine Gedanken gemacht; er sollte bei den kleinen Signalamplituden im A-Betrieb keine Rolle spielen.

Die 180-°-Phasendrehung muss nur bei der Anordnung mehrerer Mikrofone beachtet werden. Von Vorteil ist dabei die Stabilität der Schaltung im Tiefstfrequenzbereich (also kein Blubbern durch Mitkopplung auf der Speiseleitung, sondern schlimmstenfalls ein Verstärkungsabfall bei tiefen Frequenzen) und eine Stabilisierung des Transistorarbeitspunktes.

Der Kondensator C3 muss ein geringes ESR aufweisen, sonst wirkt die Kette aus R2 und R3 als starke Gegenkopplung, und die mögliche Verstärkung nimmt drastisch ab. C3 muss deshalb ein Tantal-Elko oder — noch besser — ein keramischer Kondensator sein. Der Kontaktwiderstand von S1 muss ebenfalls möglichst klein sein.

Betriebserfahrung⚓

Die erreichte Signalverstärkung liegt bei 50 (36 dB), bei einer Speisung mit 3,3 V und 1 kΩ. Für die meisten Anwendungen erübrigt sich ein nachfolgender Verstärker. Erwartungsgemäß ist die Schaltung schön rauscharm, so dass man mit einer nachgeschalteten OPV-Verstärkerstufe (mit TLV341 für 1,5 V Batteriespeisung) schon „Flöhe husten“ hören kann. Insgesamt bin ich von der Rauscharmut solcher Transistorschaltungen sehr angetan, so dass ich OPV-Schaltungen seither gar nicht mehr mag.

Die in Soundkarten und PC-Mainboards eingebaute Stromversorgung erweist sich für die Verstärkerschaltung als zu schwach (zu hochohmig)! Gemessen wurden exemplarisch U_L = 2,5 .. 3,3 V sowie I_K = 450 .. 750 µA. Hier besteht also noch Verbesserungsbedarf. Siehe nächster Bauplan. Der Schalter S1 ist also ganz nützlich für den direkten Betrieb am PC.

Im Einsatzfall speise ich das Mikro per USB, einem 3,3-V-Längsregler und Widerständen 1 kΩ. Damit ist auch der Einsatz an Bühnentechnik möglich, die keine Tonaderspeisung anbietet. Das gilt auch für Line-In-Eingänge älterer Soundkarten, deren Mikrofoneingang nicht stereotüchtig ist.

Am einfachsten wäre die Vergrößerung von R4; dabei nimmt leider die Verstärkung entsprechend ab. Stabilisierend für verschiedene Generatorwiderstände R1 wäre eine Diode in Reihe zu einem viel kleineren R4. Problematisch sind auch R2 und R3. Diese sollten etwa dem Generatorwiderstand entsprechen, da diese das Nutzsignal am Transistorausgang bedämpfen. Im Mikrofon befindlich ist jedoch kein vernünftiges Herankommen mehr.

Anders als beim dynamischen Mikrofon ist das Ausgangssignal genügend niederohmig, so dass man sich trotz kurzer ungeschirmter Drahtabschnitte kein Brummen einfängt; eine penible Abschirmung wie im obigen Mikrofonverstärker 1.1 war hier gar nicht notwendig.

Das gleiche noch einmal⚓

Im Prinzip die gleiche Schaltung, nur anders dimensioniert. Damit genügt die Tonaderspeisung der Soundkarte. Allerdings ist die Verstärkung deutlich niedriger als bei der vorhergehenden Lösung. Die Speisespannung für das Mikrofon beträgt eine(!) Diodenflussspannung, also rund 0,6 V.

Die Schaltung ist derart simpel, dass man sie „fliegend“ aufbauen kann. Wer Platz hat, kann statt der Widerstände Potenziometer benutzen und diese auf maximale Verstärkung einstellen. Das habe ich im Versuch gemacht und bin auf die angegebenen 2,2 kΩ gekommen. Der Transistor sollte nach maximaler Stromverstärkung ausgesucht werden. Eine versuchsweise Darlingtonschaltung brachte hier keine Verbesserung.

Schaltplan eines Einbauverstärkers mit Speisung von der Soundkarte

Die Betriebsstromaufnahme und der Arbeitspunkt stellt sich hierbei gerade so ein, dass sich aus der Soundkarte der maximal entnehmbare Strom einstellt. Dieser, minus dem Speisestrom für das Elektretmikrofon, fließt dann durch den Kollektor von T1. Die übrigen Gleichströme sind vernachlässigbar.

Ein Großteil der Sprechwechselspannung wird in den Speisewiderständen R1, R2 und R3 verheizt. Richtiger wären hier Drosseln, mit einigen Henry Induktivität wären diese allerdings unmöglich groß. Außerdem können diese Brummen einfangen. (Bei Gelegenheit werde ich eine 150-mF-Drossel an Stelle von R2+R3 austesten, C2 entfällt. Mal hören, wie sich die untere Grenzfrequenz von rechnerisch 7 kHz bemerkbar macht.)

Bedingt durch den Arbeitspunkt von 0,7 V am Mikrofon dürfte der Klirrfaktor ungünstig sein. Deshalb ist diese Schaltung nicht für hochwertige Aufnahmen geeignet, ich würde dazu wieder zu der vorher gehenden Lösung tendieren. Für Skype und sonstige Internet-Telefonie reicht es aber allemal.

Noch ein Versuch mit OPV⚓

OPVs für niedrige Speisespannungen (1,5 V) und kleine Ströme gibt es nicht sonderlich viele, und wirklich rauscharme Typen gibt es keine.

Der gewählte TLV341 (SMD-Gehäuse: SOT23-6, Stempel-Markierung: YCGE) übernimmt deutlich mehr Verstärkung als die einzelne Transistorstufe von vorhin. Auch verspeist er mit 70 µA noch weniger Strom als das Mikrofon, aber 60 nV/√Hz (bei 100 Hz) ist schon recht viel Rauschbeitrag. Als Speisespannung für den OPV habe ich 1,5 V gemessen, für das Mikrofon 1,35 V. Das hängt etwas vom PC ab, an dem die Schaltung erprobt wird.

Lässt man R3 weg sind die Schaltungen auch für dynamische Mikrofone geeignet.

Schaltplan eines Einbauverstärkers mit Speisung von der Soundkarte

Nur OPV (links)⚓

Diesmal in invertierender Grundschaltung. Signalinvertierung ist immer gut für stabilen Betrieb an der wackligen Versorgungsspannung. Die Verstärkung kann mit R4 in weiten Grenzen zwischen 0 und schätzungsweise 300 (≈ 50 dB) eingestellt werden. Der andere bestimmende Widerstand ist die Impedanz des Mikrofons, parallel zu R3.

Hinweis: Ohne Transistorstufe voraus rauscht es wieder recht stark. Daher sind für R4 eher 47 kΩ sinnvoll. Sehr praktisch ist hier ein logarithmisches Potenziometer.

Mit Transistorvorstufe (rechts), gewissermaßen BiFET⚓

Die erste Spannungsverstärkung wird vom Transistor T1 übernommen, bei dem man ein Exemplar mit möglichst hoher Stromverstärkung aussucht. Dieser invertiert das Signal auch. Es ist hier egal on npn (linkes Beispiel) oder pnp (rechtes Beispiel).

Der OPV arbeitet als Spannungsfolger und Impedanzwandler. Dabei kann er sein geringes Stromrauschen als Trumpf ausspielen; sein rauschmäßig idealer Quellenwiderstand liegt im MΩ-Bereich. Über den Widerstand R4 ist der Transistor in eine Gleichspannungs-Gegenkopplung einbezogen, so dass sich ein optimaler Arbeitspunkt von selbst einstellt. Gemessen fällt an R5 etwas mehr als die halbe Betriebsspannung ab, demnach fließen 0,8 µA Kollektorstrom. Der Spannungsabfall an R4 ist trotz seines hohen Wertes vernachlässigbar: Gerade mal 4 mV habe ich gemessen. Das ergibt 4 nA Basisstrom für T1.
Der Gleichtakteingangsspannungsbereich des TLV341 ist nicht symmetrisch. Daher erweist sich die npn-Lösung als günstiger.

Die Verstärkung der OPV-Stufe lässt sich an R7 von 1 bis 22 einstellen. Die Verstärkung der Transistorstufe ist fest. Das angenehm geringe Rauschen entspricht etwa dem vom Abschnitt 2.1.

Bei Verzicht auf die zweite Verstärkung und Betrieb des OPV als Spannungsfolger ließe sich die Gegenkopplung via R4 auch direkt vom Ausgang des OPV herstellen. Das linearisiert die Schaltung (weniger Klirrfaktor), aber reduziert die Gesamtverstärkung.

Nachträgliches: Die Reduktion von R5 auf 47 kΩ lässt den Kollektorstrom auf immer noch günstige 15 µA steigen. Laut Siemens-Datenblatt des Transistors BC549C ergibt sich bei einem angenommenen Wechselstrom-Quellwiderstand von 500 Ω ein Rauschbeitrag von 6 dB, d.h. das Quellenrauschen wird gerade verdoppelt. Das entspricht 2,8 nV/√Hz. Der sich erhöhende Spannungsabfall über R4 bewirkt eine Entsättigung von T1 und damit wahrscheinlich eine Linearisierung, also weniger Klirrfaktor. Wichtig bleibt nur, dass der Spannungsabfall bei der npn-Variante über R5 ≥ 0,5 V bleibt.
Der ideale Kollektorstrom von 1 mA (für 4 dB) lässt sich nicht aus der Soundkarte herausziehen. Auch gibt es deutlich rauschärmere Transistoren, etwa den 2SC2545.

Die Lösung mit Vortransistor und CMOS-OPV (rechts) ergibt ein recht brauchbares Resultat an verfügbarer Verstärkung, Rauschbeitrag, Klirrfaktor und Stromaufnahme. An die Qualität einer gesondert gespeisten OPV-Stufe kommt diese aber nicht heran.

Zubehör für Diktierfunktionen⚓

Ein-Tasten-Tastatur⚓

Bisweilen wünscht man sich für eine Diktiergeräte-Software eine gesonderte Schaltfunktion. Dafür bietet sich eine 1-Tasten-USB-Tastatur an.

Aufbau-Foto der USB-Tastatur mit 1 Taste

Ich habe das Projekt etwas umgemodelt und mit meinen typischen h#s-Features ausgestattet:

Anschluss des ATtiny45 an USB ohne Leitungskreuzungen, mit DATA– an INT0 (ein ATtiny25 reicht auch)
Sauberer USB-Schlafmodus (hier ohne Remote-Wakeup)
Einbau in den USB-Stecker
Auslösender Tastenkode: ScrollLock (sollte am wenigsten stören)
Durchdachter, Firmware-Kode sparender HID-Report-Deskriptor

Schaltplan des Universal-Interfaces für SPI, hier für die Tastatur missbraucht. Auf der rechten Seite gedrehter Chip für echte SPI-Anschlüsse. Die Lötpads sind zum Programmieren der Firmware da

Firmware „OneKey.zip“ und Board-Layout für den linken Schaltplan. Die Taste ist an Pin 2 (und Masse) angeschlossen.

Ursprünglich diente das Gerät zum Aufwecken des Bildschirms beim Durchschreiten einer Lichtschranke.

Erfahrungsbericht⚓

Das Ding funktioniert einwandfrei und löst das Problem auf elegante Weise. Dass diese Ein-Tasten-Tastatur eigentlich 3 oder 4 Tasten unterstützt ist dabei ohne Belang.

Siehe auch:

DCF77-Empfänger, 1-Tasten-Joystick emulierend, zum Stellen der Systemuhr ohne Internet; dazu Wetterprognose
1-Tasten-Joystick in Buzzerform (3D-gedruckte gelbe Halbkugel) als Not-Aus (hier ist der Buzzer kein Piezosummer sondern ein Grobhandtaster, aber eben rastend und manuell zu lösen)
Handschuhe mit Fingerkontakten, wobei alle Kontakte untereinander erfasst werden
7-Tasten-Tastatur mit V-USB und ATtiny24 mit robusten Tasten in Bopla-Industriegehäuse
4-Tasten-Tastatur mit V-USB und ATtiny24, drahtlos mit RFM69, zum Einbau in einen Holzrahmen
Joystick mit 2 Tasten, mit Kabel oder drahtlos mit RFM12B, in einem VR-Zeigegerät

Telefon-Mithörverstärker⚓

Die ehemals hier folgenden Abschnitte wurden verschoben nach: