Messtechnik-Tipp So lassen sich Mikrofon-Vorverstärker fehlerfrei messen

Autor / Redakteur: Adam Liberman* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bei Mikrofon-Vorverstärkern lassen wird die Gleichspannung über die gleiche Leitung übertragen, wie auch der Ton. Wir zeigen eine Messmöglichkeit, damit es nicht zu Problemen kommen kann.

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Phantomspeisung: Mit einem speziellen Phantomspeisungs-Prüfgerät lässt sich für professionelle und semiprofessionelle die Phantomspeisung von 48 V messen.
Phantomspeisung: Mit einem speziellen Phantomspeisungs-Prüfgerät lässt sich für professionelle und semiprofessionelle die Phantomspeisung von 48 V messen.
(Bild: Audio Precision)

Sowohl professionelle als auch handelsübliche Mikrofon-Vorverstärker liefern oft eine Gleichspannung zurück über die gleichen Leitungen, die auch den Ton transportieren, um die Elektronik in Kondensatormikrofonen mit Strom zu versorgen. Oft wird beim Prüfen von Mikrofon-Vorverstärkern diese Gleichspannung entweder einfach ausgeschaltet oder ignoriert. Das bedeutet allerdings auch, dass nicht unter realen Betriebsbedingungen geprüft wird, was wiederum zu überlagerten Problemen oder zu ungenauen Ergebnissen führen kann.

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Ein spezieller Prüfadapter für die Phantomspeisung

Im folgenden Beitrag wird eine Vorrichtung beschrieben, die sich problemlos selbst herstellen lässt. Damit lässt sich sowohl das Mikrofon an sich und der Ton überprüfen. Dazu wird der Stromversorgung eine echte Last gegeben. Zu Mikrofon-Vorverstärkern gehören eigenständige Geräte, Audio-Mixer sowie die Eingangselektronik, die in jedem Gerät integriert ist, das eine Verbindung mit einem Mikrofon herstellt oder diese aufnimmt. Bei symmetrischen Verbindungen, die sich in professionellen und semi-professionellen Geräten befinden, ist die häufigste Spannungsversorgung für Kondensatormikrofone eine Phantomspeisung von 48 V.

Mit einem speziellen Messgerät lässt sich diese Art von Spannung überprüfen. Asymmetrische Verbindungen, die in handelsüblichen Geräten verwendet werden, nutzen oft sogenannte „Plug-in-Power“ (PiP) oder ähnliche Variationen. Die Prinzipien und Verfahren, die in diesem Text erläutert werden, lassen sich auch dafür anpassen. Die Konstruktion und Qualität der Komponenten muss sorgfältig bedacht werden, um eine Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Störbeeinflussung zu vermeiden, welche die Genauigkeit der Lärmmessungen reduzieren könnte.

Die Details der Schaltung im Überblick

Das Prüfgerät hat vier Hauptmerkmale:

  • Die Koppelkondensatoren CB blockieren die Gleichspannungs-Phantomspeisung und verhindern, dass sie vom Generator reduziert wird.
  • Die Lastwiderstände RL nehmen 10 mA von der Phantomspeisung ab (das erforderliche Minimum, um IEC-Spezifikationen gerecht zu werden).
  • Die Reihenwiderstände RC ermöglichen es, die Audioquellenimpedanz genau einzustellen.
  • Über die Buchsen J2 und J3 wird die Phantomspannung gemessen, die an das Mikrofon gelegt wird.

Die Widerstände RC gleichen die Wirkung der Lastwiderstände RL aus, um den Bemessungs-Generatorwiderstand zu halten. Zudem dienen die beiden Widerstände als zusätzliche Ausgangsimpedanz, um die Generatoren anzuzeigen, die nicht die gewünschte Ausgangsimpedanz-Einstellung haben. Die Entladewiderstände RD sorgen für eine Erdung der Phantomspannung, wenn der Generator nicht an das Prüfgerät angeschlossen ist.

Zu beachten ist, dass CB und RL ein RC-Glied bilden, das für den Abfall von niedrigen Frequenzen sorgt. Der für CB gewählte Wert ist groß genug, um die Reaktion gleichmäßig bei einer Frequenz von 20 Hz zu halten und nicht mit dem RC-Filter in Wechselwirkung zu treten, der bei den meisten Mikrofon-Vorverstärkern bereits intern besteht, um die Phantomspeisung vor Erreichen der Eingangsstufe zu blockieren.

Die Quellimpedanz des Audiogenerators sorgfältig einstellen

Beim Messen von Mikrofon-Vorverstärkern muss die Quellimpedanz des Audiogenerators sorgfältig eingestellt werden, da sonst die Geräuschmessungen falsch sind. Das erklärt sich aus zwei Gründen:

  • Das thermische Rauschen, das über der Quellimpedanz erzeugt wird, bestimmt den niedrigsten Rauschpegel, der erreicht werden kann und
  • Die Rauschleistung der Eingangselektronik wird durch die Quellimpedanz beeinflusst.

Die Standard-Quellimpedanz für die Prüfung und Herstellung von Messwerten für symmetrische Mikrofon-Vorverstärker beträgt 150 Ohm. Viele Kondensatormikrofone und vor allem die mit extrem niedrigem Eigenrauschen (3 bis 14 dB SPL), haben eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz in der Größenordnung von 25 bis 50 Ohm. Obwohl es nicht Standard ist, die Quellimpedanz mit 50 Ohm zu prüfen, führt das zu Ergebnissen, welche die tatsächliche Nutzung besser wiedergeben.

Unsymmetrische Mikrofoneingänge werden mit einer Quelle von 150 oder 600 Ohm getestet. Bei den semi-professionellen Geräten, hierzu gehören tragbare Digitalrecorder, werden unsymmetrische Eingänge mit einem Widerstand von 150 Ohm getestet, während handelsübliche Geräte, wozu Computer-Soundkarten gehören, bei 600 Ohm getestet werden. Soll der zu prüfende Vorverstärker mit einem internen Mikrofon verwendet werden, dann sollte die Quellenimpedanz so eingestellt werden, dass die tatsächlichen Betriebsbedingungen imitiert werden.

Die Phantomspeisung wird durch zwei Widerstände mit 6,8 kOhm auf die Audio-Leiter angelegt, die den Strom begrenzen. Das angeschlossene Mikrofon wird nicht belastet. Die Phantomspeisung ohne Last sollte bei 48,0 VDC (±4,0 VDC) liegen. Einige günstigere Geräte geben zwar an, dass sie eine Phantomspeisung leisten können, verwenden allerdings Nicht-Standard-Spannungen, welche die Phantom-Spezifikation IEC P48 nicht erfüllen. Diese Geräte beziehen den Mikrofonstrom oft von einer Stromschiene, die im Inneren des Gerätes verfügbar ist und verfügen nicht über eine eigene 48-V-Versorgung.

Die verschiedenen Mikrofon-Vorverstärker

Die Phantomspannung wird an einem freien Mikrofoneingangskanal mit einem speziellen Kabel vermessen. Obwohl die Widerstände 6,8 kOhm messen, ist durch die hohe Eingangsimpedanz des Prüfgerätes sichergestellt, dass der Spannungsabfall durch die Widerstände vernachlässigbar ist.

Eine Last von 10 mA wird nun durch Verbinden des Prüfgeräts angelegt. Das Display zeigt die Phantomspannung zusammen mit den Spannungen, die mit dem Prüfgerät an den symmetrischen Audioleitungen des Vorverstärker-Eingangskanals gemessen wurden. Wenn 10 mA von der Phantomspeisung genommen werden, sollte die Spannung an den Audioleitungen 14,0 VDC sein.

Das ist auch nach dem Spannungsabfall über die Phantomspeisungs-Widerstände von 6,8 kOhm. Auch hier besteht das erste DUT, das zweite aber nicht. Nicht nur die Spannung ist insgesamt niedrig, sondern auch die Phantomspeisung selbst ist von 37,44 auf 17,96 VDC unter der Last von 10 mA gefallen. Mit dieser Messung lässt sich prüfen, ob sowohl Pin 2 (HI) als auch Pin 3 (LO) des Audiokabels die gleiche Spannung liefern.

Messen bei hoher Verstärkungseinstellung

Ein Unterschied zwischen den beiden könnte einen Fehler in einem der beiden Widerstände von 6,8 kOhm oder deren zugehörigen Signalpfaden anzeigen. Mit zusätzlichen Messungen lässt sich überprüfen, ob es mit oder ohne Audio-Signal irgendwelche Änderungen in der Phantomspannung und ob es Änderungen in der Audio-Leistung gibt, wenn die Phantomspeisung eingeschaltet oder ausgeschaltet ist.

Diese speziellen Messungen sollten bei einer hohen Verstärkungseinstellung durchgeführt werden, damit etwaige Differenzen deutlicher werden. Das ist beispielsweise bei 70 dB der Fall. Nachdem die Phantomspeisung geprüft wurde, wird die komplette Standard-Audio-Prüfung des Mikrofon-Vorverstärkers getestet, damit die richtige Phantomspeisungslast und die Audioquellimpedanz beibehalten wird.

* Adam Liberman ist Technical Support Engineer Audio Precision.

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