Kapitola 5: Systémový šum Systémový šum /23/ je projev elektromagnetické interference zařízení se zařízeními okolními. Jeho úroveň lze někdy vhodným návrhem zmenšit pod úroveň šumu náhodného. Elektromagnetická interference je reciproční, zařízení, které je odolné proti elektromagnetickému záření, většinou ani samo nevyzařuje. Délka vlny zvukových frekvencí je velká. Protože vlnová délka ve vakuu je: c 3E 8 /5.1/ = f f kmitočtu 20 kHz odpovídá vlnová délka 15 km. Zdroje rušení bývají většinou blíže, a proto se nacházíme v blízkém poli. Elektrické a magnetické pole nejsou nijak jednoduše svázána a musejí být uvažována odděleně. Triviální případy elektromagnetické interference jsou vazby jediným zdrojem:
λ=
Vazba magnetickým polem
kde je vzájemná indukčnost:
M=
µL 2πD
Vazba elektrickým polem
kde je vzájemná kapacita:
C=
πεL acosh
d D
/5.2/
Přestože jde o vzájemně duální jevy, každý z nich odstraňujeme principielně odlišnou metodou. V případě elektrického pole jde o stínění a v případě magnetického pole o astatizaci. Výsledkem je vždy zmenšení vazební veličiny. Vlastnosti obou metod jsou ale velice odlišné Magnetická astatizace se provádí takovou konstrukcí zařízení, která úroveň rušení ze směru dominantního zdroje (dominantní citlivosti) vynuluje.
Elektrostatické stínění se provádí tak, že se zařízení obklopí materiálem s velkou elektrickou vodivostí. Tím se sníží vzájemná kapacita. Na rozdíl od astatizace není účinek směrový a vzájemná kapacita se (teoreticky) nikdy nevynuluje. Potlačení je však oproti astatizaci mnohokrát vyšší.
Ostatní dva druhy odstranění elektromagnetické interference se samostatně prakticky nevyskytují. Za elektrostatickou astatizaci je možné prohlásit symetrickou linku, která se však současně magneticky astatizuje kroucením. Magnetické stínění se vyskytuje vždy s elektrostatickým stíněním v podobě různých krytů. Pokud nejsou zhotoveny ze speciálních materiálů (permalloy, sendust), není jejich (magnetický) účinek na nízkých frekvencích valný. V magnetickém stínění se uzavírají siločáry rušivých polí, proto by veškeré vývody ze zařízení měly procházet stíněním v jediném bodě.* Velkým zdrojem problémů je vícecestná zemní síť u některých zařízení. V uzavřených smyčkách v rušivém magnetickém poli se indukuje napětí, které následující zesilovací stupeň interpretuje jako signál. Úroveň rušivého napětí je úměrná jejich ploše a poměru impedancí. Škála zemních smyček je velká. Od smyček velikosti jednoho zařízení (které lze zpravidla eliminovat vhodným návrhem plošného spoje) až po smyčky velikosti divadla.** Malé zemní smyčky vznikají přímo v zesilovačích a to nesprávným pojetím zesilovacího stupně. Automatizované systémy návrhu desek s plošnými spoji tento problém ještě prohlubují. Situaci ilustrujeme na kaskádě dvou stupňů tranzistorového zesilovače SE.-SC jehož teoretické schéma následuje:
I v takto jednoduchém zesilovači máme dva zemní body. Zemní bod A přísluší zdroji signálu (vstupní zem), bod B zátěži (výstupní zem). Uvnitř zesilovače jsou tyto body spojeny rezistorovou sítí a parametrem h22e vstupního tranzistoru, tedy hodnotou desítek kiloohmů. Pro správné spojení bodů A a B musíme brát v úvahu, že zesilovač může být součástí většího celku, například mixážního pultu. V takovém případě se body A a B spojí zemní sítí nadřazeného systému. Pokud bude zesilovač provozován samostatně, bude možné spojit body A a B přímo v zesilovači. Kompromisní řešení je použít odpor řádu 10 ohmů, případně R//C článek. Vůbec nejlepší řešení je nelineární člen složený ze dvou antiparalelně spojených diod, označený na schématu N. Všimněme si ještě, že kolektorový odpor prvního stupně je součástí zemní sítě druhého tranzistoru. První stupeň je vnímán tedy jako transkonduktance a vazba mezi stupni je provedena proudově. Právě to nám umožnilo zemní síť rozdělit. Podobné problémy vznikají v samotné napájecí síti. Například mezi filtračním kondenzátorem zdroje a blokovacím kondenzátorem zesilovače se také uzavírá smyčka. Smyčky tohoto druhu lze efektivně přerušit sériovým stabilizátorem umístěným co nejblíže blokovacímu kondenzátoru. *) V opačném případě se zařízení chová jako feritová anténa. Bludné úvahy kolem magnetického stínění se objevují i v prestižní literatuře /23, Fig 6-29, p. 170/ **) Zemní smyčky v divadlech mají ještě jednu nectnost: Osvětlovací technika bývá napájena z tyristorových regulátorů. Rozmanitost a proměnlivost rušivých signálů téměř znemožňuje dodatečné zpracování nahrávek.
V některých případech není možné zemní smyčky odstranit vhodnou volbou zemní sítě. Taková situace nastává například při spojení zařízení různých výrobců. Většinou jde o řešení cenově nákladné, protože materiálem pro výrobů širokopásmových transformátorů je téměř vždy permalloy. Existuje několik přístupů: Galvanické oddělení (transformátor)
Transformátor se s výhodou používá před prvním stupněm mikrofonního zesilovače, protože provádí současně galvanické oddělení, šumové přizpůsobení a desymetrizaci. Protože nepřenáší stejnosměrnou složku, nelze jej použít např. ve videotechnice. Neutralizační* transformátor (balun)
Balunu se často používá pro přerušení smyček ve výpočetní technice, televizi a všude tam, kde je nutné přenášet stejnosměrnou složku. Není tak účinný jako transformátor, ale někdy se objevuje i jako parazitní prvek a umožňuje velice zjednodušit zemní systém zařízení. Příkladem je koaxiální kabel zemněný na obou koncích. Lze odvodit/39,p.32-39/, že vlastní indukčnost pláště koaxiálního kabelu je rovna vzájemné indukčnosti pláště a vnitřního vodiče. Za předpokladu, že impedance zemní smyčky je dána jen sériovým spojením odporu indukčnosti pláště koaxiálního kabelu, bude indukčnost při vyšších kmitočtech dominantní a vliv zemní smyčky se potlačí. Hraniční kmitočet lze změřit tak, že se začátek a konec stínění připojí na generátor s malým výstupním odporem a měří se napětí mezi konci vnitřního vodiče. Pro běžné kabely bývá hraniční kmitočet 5 kHz, pro kabely s hliníkovou fólií 30 kHz. Toho lze s výhodou použít v digitálních zařízeních. Teoreticky je možné potlačit zemní smyčku využitím vlastností symetrického vstupu.** *) Doslovný překlad termínu BALUN je symetrizační transformátor.(což většinou znamená transformátor s vyvedeným středem vinutí); Neutralizační značí, že neutralizuje vliv zemní smyčky, ne Millerovu kapacitu. **) Podobně lze u symetrického kabelu zjistit vliv proudu tekoucího stíněním na vznik diferenciálního signálu u symetrického stíněného kabelu. /18/
Prakticky však není stejná indukčnost mezi stíněním a jednotlivými dvěma žilami kabelu. Proto je lepší zemní smyčku vždy přerušit. Protože zemnící pin má na konektoru CANNON číslo 1, nazývá se uvedená skutečnost „problém pinu 1“. Při připojování asymetrického nevhodně zemněného zařízení s výstupem linkové úrovně (počítač) na symetrický linkový vstup (směšovací pult) můžeme využít činitele potlačení shodných signálů (CommonModeRejectionRatio) směšovacího pultu, které je u transformátorových vstupů až 70 dB, u beztransformátorových vstupů cca. 36 dB. Zapojení bude následující:
V obráceném směru (Mixer->PC) žádné podobné zjednodušení neexistuje a musíme použít oddělovací linkový transformátor.* Do problematiky systémového šumu patří také metody napájení mikrofonu. Nevhodně zvolený napájecí systém dovoluje vzniknout zemním smyčkám, jejichž působení je na úrovni mikrofonních vstupů obzvlášť závažné.** Nejstarším napájecím systémem je samostatný a samostatně zemněný mikrofonní zdroj.
Tato koncepce se užívá u kondenzátorových mikrofonů od 40. let 20.stol., zejména u tradičních výrobců (Neumann). Z hlediska vlastních šumů má vynikající výsledky, neboť napájení nezasahuje do signálové cesty. Jmenovitá impedance vodičů pseudosymetrické linky je 50 či 200 ohmů. Určitou nevýhodou je nutnost použít dva transformátory, z čehož plyne velká cena a hmotnost zařízení. *) Existuje i beztransformátorové zapojení – ovšem po malém zásahu do počítače. Je známo, že nejkvalitnější vstup kodeků na PC zvukových kartách je analogový vstup vnitřní CD ROM mechaniky. Tento analogový vstup je standardně zemněn na CD-ROM mechanice a má proto plovoucí zem. Po vyvedení CD vstupu izolovanými RCA konektory a spojení země konektorů s kostrou počítače pomocí antiparalelně spojených diod (ochrana) dostaneme velice kvalitní linkový vstup. To je možné pouze, má-li naše zvuková karta kvalitní kodek (typ kodeku lze najít na webových konferencích). **) Na linkové úrovni je působení zemní smyčky kompenzováno symetrizací. Napěťová úroveň mikrofonního vstupu však je o 40 – 60 dB nižší. Rušivé úrovně jsou však stejné a i nejlepší symetrický vstup nemá CMRR vyšší, než 70 dB.
Od konce šedesátých let bylo snahou napájet mikrofony přímo ze směšovacího pultu. Vzniklo fantomové napájení. Téměř současně se objevila snaha napájet bateriová zařízení. Vzniklo T-napájení.
Protože se potřebné polarizační napětí většiny studiových mikrofonů pohybuje kolem 60 V, nejbližší standardní napětí, které lze ještě použít pro polarizaci, je 48 V. Pro mikrofony elektretové a s DC/DC měničem byla stanovena napětí 24 a 12 V. V normě DIN-IEC 268, DIN 45 595-6 jsou specifikovány též odpory zdroje pro jednotlivá napájení. Protože rezistory zasahují do symetrie signálové cesty, měly by být s tolerancí 0,4%. Ufant(V) Rv(Ohm) 2Rv(Ohm) Imax(mA) 12 330 680 15 24 680 1200 10 48 3300 6800 10 (2-DIN) Fantomové napájení bylo převzato z telekomunikační techniky, kde není problémem navrhnout transformátor s vyvedeným středem.* K tomuto středu se připojovalo napájení přes odpor Rv. U akustických transformátorů se používá transformátor bez odbočky a k oběma koncům vinutí se připojí napájení přes odpory 2Rv. V případě beztransformátorového zapojení se použije stejně uspořádaných dvou odporů následovaných dvojicí oddělovacích kondenzátorů.
*)Pro rozsah kmitočtů 300 – 6400 Hz lze použít linkový transformátor se železným jádrem, který snese větší stejnosměrnou magnetizaci, aniž by se nasytil.
Pro ilustraci uvedu zapojení fantomově napájeného zpěvového mikrofonu firmy Neumann*:
Zapojení se vymyká z průměru pro několik technických detailů. Operační zesilovač pracuje jako nábojový zesilovač s dolním mezním kmitočtem 34 Hz. Zdůraznění nižších kmitočtů je provedeno kapacitním buzením mikrofonního transformátoru přes kondenzátor 1 uF**, který současně odděluje stejnosměrné pracovní napětí operačního zesilovače. Předpětí operačního zesilovače se získává jeho vstupním klidovým proudem (je to bipolární operační zesilovač), který je upínán tranzistorem T2. Shoda odporů 6k8 není kritická, neboť obvod je napájen přes virtuální baterii T1. Další možnost napájení, zejména pro elektretové mikrofony a mikrofony s napěťovým měničem, je T- power. Fantomové napájení je s dynamickými mikrofony kompatibilní, kdežto T-napájení nikoliv. Používá napájecí napětí 12 V. Existuje transformátorová i beztransformátorová verze. Výhoda T-napájení je, že nemůže vzniknout zemní smyčka uzavřená přes napájecí zdroj, která normálně vzniká např. u vícekanálových mikrofonů, protože systém se chová pro signál jako transformátor a pro napájení jako balun. Další výhodou je jednoduchá realizace beztransformátorového mikrofonu i vstupu směšovacího pultu.
*) Schéma převzato z internetových archivů, kde bylo uvedeno jen Neumann handheld microphone. **) Umístění elektrolytického kondenzátoru za primární vinutí transformátoru omezí vliv kapacitně indukovaných rušivých napětí, která by se normálně indukovala na něj (úměrně s jeho plochou), pokud by byl umístěn před vinutím.
Příkladem mikrofonu napájeného systémem T-power je Neumann U-77*:
Tranzistor T2 slouží pro signál jako sledovač, stejnosměrně se však chová jako proudový zdroj. Mikrofonní vložka je zapojena způsobem typickým pro firmu Neumann (velmi šetrně). R4 je současně polarizační odpor a svodový odpor pro T101. R1 a R2 jsou ochranné odpory (střídavě jsou přemostěny kondenzátory C2,C3). V pravé části mikrofonu je též příklad T – napaječe, který je v mikrofonu vestavěn. V současné době se dostávají do módy elektronkové kondenzátorové mikrofony. Jsou koncipovány jako transformátorové, pseudosymetrické s externím napáječem; stejně jak tomu bylo u prvních mikrofonů. Jejich znakem je, že v signálové cestě není přítomen polovodič. Extrémem je výrobek německé firmy Microtech Geffell**, který elektronku napájí z fantomového napájení.
*) Děkuji firmě Georg Neumann Berlín za laskavé poskytnutí schématu. **) Firma vznikla transformací závodů firmy Neumann v bývalém východním německu.
Častěji se používá elektronkový mikrofon a polovodičový napaječ. Příkladem je mikrofon SOLIDTUBE* firmy AKG
V moderním mikrofonu stylu „retro“ je určujícím prvkem nikoliv mikrofonní vložka, ale elektronka. Chybějí proto ochranné RC obvody a vstupní rezistor je již jen jeden. Protože předpětí elektronky je získáváno vnějším zdrojem (D2), může být svodový odpor mřížky neobvykle velký (1 gigaohm). První stupeň SK je následován katodovým sledovačem, čímž je zajištěn nízký výstupní odpor a možnost použití levnějšího mikrofonního transformátoru. Transformátor je buzen kapacitně přes kondenzátor 1 uF. Umístění vazebního kondenzátoru před primární vinutí transformátoru je obvyklou konstrukční chybou. Přestože se záznamová a reprodukční akustická zařízení zapojují dnes skoro vždy pseudosymetricky, některé starší typy páskových mikrofonů byly zapojeny symetricky, tedy střed mikrofonního transformátoru byl spojen se stíněním. Takový mikrofon lze spolehlivě zničit fantómovým napájením. Proto se dnes při renovaci mikrofonu doporučuje střed rozpojit a mikrofon učinit pseudosymetrický.
*) Schéma převzato z firemní dokumentace AKG.
Zajímavým řešením, které umožňuje obejít problémy s rozměry výstupního transformátoru elektronkového mikrofonu, je umístění transformátoru v napaječi. Příkladem je Royerův mikrofon*:
Zapojení využívá polarizace mikrofonní vložky svodovým proudem elektronky. Má však nevhodně vyřešené využití vodičů mikrofonního kabelu. Pro zemní přívod žhavení lze jistě využít stínícího pláště kabelu a uspořený vodič použít pro připojení země vstupu mikrofonního transformátoru přímo v mikrofonu. Tím tento transformátor začne nejen elektronku přizpůsobovat (což snad není v zapojení se společnou anodou nutné!), ale též oddělovat zem mikrofonu od země studiové. Další chybou je umístění C8. Drobné konstrukční nedostatky výrobků firmy Royer Labs zbytečně snižují jejich jinak špičkovou kvalitu.
*) D. Royer: Another Tube Microphone from Barstow; separát článku z časopisu: The Creative Recording Music Magazine, separát vydán 7.5.2003
V měřicích zařízeních nelze oddělovací transformátory použít a přesto zde mohou vzniknout zemní smyčky. Určité řešení přináší dvojité stínění*.
Pokud vznikne zemní smyčka, objeví se mezi body K a K´ napětí. Protože je však vstup přijímacího zesilovače upnut k bodu V, bude napětí K-K´potlačeno o CMRR rozdílového zesilovače A. V praktických zapojeních se nepoužívá rozdílový zesilovač, ale vnitřním stíněním je připojena přímo katoda vstupní elektronky. Tuto koncepci používala firma Bruel and Kjaer u svých starších výrobků. I v případech, kdy nemůže zemní smyčka vzniknout je pseudosymetrické zapojení výhodné, lze jej astatizovat kroucením. Samotný stíněný kabel je v podstatě astatizován, neboť vodiče stínění jsou rozloženy rovnoměrně kolem vodiče vnitřního. Efekt astatizace není však tak velký, jako u pseudosymetrického zapojení. Rozhoduje již jen vnitřní odpor zdroje, kdy koaxiální kabel prohlásíme za (elektrostatické) stínění, nebo (magnetickou) astatizaci. Protože stínění elektrostatického kabelu bývá vždy lepší než jeho astatizace**, bude v některých případech výhodné použít zdroj signálu s co nejvyšším výstupním odporem. Dobrým vysílačem je třeba tranzistor JFET v zapojení SS bez jakýchkoliv externích součástek. Abychom potlačili vliv kapacity kabelu, bude dobré druhý stupeň realizovat jako transrezistanční zesilovač:
Zapojení má však také své nevýhody, např. vliv obvodových prvků na šum druhého stupně. Vysoká kapacita kabelu může způsobit i zdůraznění šumu v jistém pásmu (rezonanční zvětšení šumu). Problémy jsou i v řešení napájení prvního stupně.
*) Jiné použití dvojitého stínění umožňuje eliminovat vliv kapacity kabelu. **) Účinnost astatizace ovlivňuje značně excentricita kabelu.
Samotný měnič je na vliv systémového šumu nejnáchylnější. Proto se jeho konstrukcí snažíme systémový šum zmenšit jak stíněním, tak astatizací; případně kombinací obou způsobů. Magneticky stínit vlastní měnič je dosti problematické. Kryt musí být vytvořen tak, aby dokázal stínit vlastní páskový systém a současně podstatně nezhoršoval kmitočtovou charakteristiku měniče. Přesto však byl problém v minulosti řešen. Firma Altec (Western Electric) v mikrofonu 639A řešila vnější kryt jako masivní odlitek. Průzvučnost byla zajištěna štěrbinami. V mikrofonu je nesprávně proveden přívod k pásku (obepíná velkou plochu). Pravděpodobně proto se musela jednotka stínit. Další konstrukcí, která vtipně řeší současně magnetické stínění i magnetický obvod, vyvinula firma Bayer a zmíníme se o ní podrobněji v části věnované magnetickému obvodu. Podstatně jednodušší je provést astatizaci systému mikrofonu. Používají se dva typy astatizace: Rámečková a bezrámečková. Bezrámečková astatizace je jednodušší z hlediska konstrukce i nastavení. Přestože je její působení zřejmé, můžeme se setkat u mnoha starších mikrofonů s jejím chybným nastavením. Výsledkem je pochopitelně menší odolnost mikrofonu na vnější magnetické rušení. Obě varianty astatizace jsou na následujících obrázcích:
Příkladem měniče s bezrámečkovou astatizací je mikrofon firmy Tannoy:
Astatizace je podezřele nastavena; patrně chybně po výměně pásku. Měnič s dobře viditelnou rámečkovou astatizací je mikrofon firmy EMI:
¨
Správné nastavení obou typů astatizace vyžaduje zdroj homogenního magnetického pole. Zpravidla postačují Helmholtzovy cívky, které však musí být dobře stíněny. Konstrukce optimalizovaných Helmholtzových cívek je popsána v literatuře /19/:
Jedná se o dvojici cívek se stejným počtem závitů. Velikost oblasti, ve které je magnetické pole homogenní, závisí na vzdálenosti cívek. Graf této závislosti je na dalším obrázku:
Vidíme, že izoextremální rozložení pole nastává při vzdálenosti cívek, která činí 96 % jejich poloměru.
Helmholtzovy cívky byly realizovány s průměrem 460 mm a to upravením tvaru demagnetizační cívky z televizního přijímače. Elektrostatické stínění bylo zhotoveno jako přerušený závit pomocí hliníkové folie. Cívka byla napájena přes sto ohmový reostat v sekundárním obvodu dvaceti čtyř voltového transformátoru. Fotografie celkového uspořádání je na dalším obrázku:
