Was sind FETs und welche Rolle spielen sie beim Mikrofondesign?
Wenn Sie sich Kataloge von Kondensatormikrofonen ansehen, werden häufig die Begriffe FET oder Solid State verwendet, um das Mikrofon zu beschreiben. Viele Kondensatoren auf dem heutigen Markt haben FETs oder JFETs in ihrem Design.
Was sind FETs und welche Rolle spielen sie beim Mikrofondesign? FETs(Feldeffekttransistoren) sind aktive elektrische Geräte, die ein elektrisches Feld von einer Mikrofonkapsel verwenden, um einen Stromfluss zu steuern, der letztendlich das Mikrofonsignal ist. Die FETs nehmen das hochohmige Signal der Mikrofonkapseln auf und geben ein brauchbares, proportionales niederohmiges Signal aus.
In diesem Artikel beschreiben wir Mikrofon-Feldeffekttransistoren ausführlicher und diskutieren Mikrofone, die sie benötigen, sowie solche, die dies nicht tun.
Was ist ein Feldeffekttransistor?(FETs)
Ein Feldeffekttransistor(FET) ist ein Transistortyp, der ein elektrisches Feld verwendet, um den Stromfluss zu steuern. Einfacher ausgedrückt verwendet ein FET ein Eingangssignal, um ein Ausgangssignal zu modulieren.
Lassen Sie uns ein wenig zurückgehen und beschreiben, was ein Transistor ist, bevor wir tiefer in FETs eintauchen.
Ein Transistor ist ein aktives Halbleiterbauelement, das zum Verstärken(Pseudo-Verstärken) oder Schalten von elektrischen Signalen und elektrischer Energie verwendet wird.
In vielen Fällen werden Transistoren für Ein/Aus-Schalter verwendet und waren für die binäre(1 und 0) digitale Verarbeitung unerlässlich. Dies ist bei vielen digitalen Audiogeräten der Fall. Bei analogen FET-Mikrofonen dient der Transistor dazu, die Impedanz des Signals umzuwandeln und das Signal zu verstärken(obwohl dies keine echte Verstärkung ist).
Transistoren bestehen aus Halbleitermaterial(normalerweise Silizium) mit mindestens drei Anschlüssen, die mit einem externen Stromkreis verbunden sind.
Das Anlegen einer Spannung oder eines Stroms an ein Paar von Transistoranschlüssen steuert den Strom durch ein anderes Paar von Anschlüssen. Auf diese Weise können wir ein „Eingangs“-Signal an einem Klemmenpaar nehmen und es verwenden, um ein „Ausgangs“-Signal mit höherer Spannung und/oder niedrigerer Impedanz zu modulieren(Pseudo-Verstärkung).
Mikrofone, die Feldeffekttransistoren verwenden, verwenden typischerweise JFETs oder Sperrschicht-Feldeffekttransistoren.
Ein JFET ist vielleicht das einfachste FET-Design und erfüllt die oben beschriebene Aufgabe. Sein «Eingangs»-Signal(Spannung zwischen Gate und Source) moduliert ein proportionales «Ausgangs»-Signal(Spannung zwischen Drain und Source). Mit einem FET können wir also ein Signal mit niedrigem Pegel am Eingang nehmen und es am Ausgang in ein Signal mit hohem Pegel umwandeln.
Die Ein- und Ausgänge des Feldeffekttransistors werden als Anschlüsse bezeichnet. Jeder JFET hat 3 Anschlüsse, die heißen:
- Tor
- Schriftart
- Abfließen
Hier ist ein einfaches Diagramm eines Mikrofon-Junction-Gate-Feldeffekttransistors:
Wenn wir eine Spannung zwischen Gate und Source(einige würden dies den Eingang nennen) des FET anlegen, ändert der Transistor die Leitfähigkeit zwischen Drain und Source. Mit der richtigen DC-Vorspannung erhalten wir eine Ausgangsspannung zwischen Drain und Source, die proportional zum Eingangssignal an Gate/Source ist.
Im Grunde geht also das hochohmige Kapselausgangssignal zu den Gate- und Source-Anschlüssen und moduliert effektiv ein Signal mit niedrigerer Impedanz(und häufig höherer Spannung) zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen.
Wofür werden FETs in Mikrofonen verwendet?
FETs werden hauptsächlich als Impedanzwandler in Kondensatormikrofonen verwendet.
Die Kondensatormikrofonkapsel funktioniert wie ein Wandler und wandelt Schallwellen(mechanische Wellenenergie) in Audiosignale(elektrische Energie) um. Die von einer Kondensatorkapsel abgegebenen elektrischen Audiosignale(Wechselspannungen) sind unglaublich hochohmig und leiten kaum Strom.
Hier kommt der Impedanzwandlungs-Feldeffekttransistor ins Spiel.
FETs haben konstruktionsbedingt extrem hohe Eingangsimpedanzen an ihren Gates. Die Impedanz am Drain ist jedoch viel niedriger und lässt tatsächlich Strom fließen.
Das Ausgangssignal der Kapsel wird dann direkt an das Gate des FET gesendet. Dieses Wechselstromsignal ändert die Leitfähigkeit zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen und ändert somit den Strom im Drain und schließlich die «Ausgangs»-Spannung des FET.
Mit anderen Worten, der FET nimmt ein hochohmiges Signal an seinem Eingang und verwendet es, um ein niederohmiges Signal an seinem Ausgang zu modulieren. Dieses Ausgangssignal kann den Rest der Mikrofonschaltung durchlaufen; dem Mikrofonausgang und über ein Mikrofonkabel mit einem Mikrofonvorverstärker.
Hier ist ein einfaches Diagramm eines FET-Kondensatormikrofons:
Wie wir aus diesem einfachen Diagramm ersehen können, benötigt der FET eine gewisse DC-Vorspannung von einer Stromversorgung, um zu funktionieren.
Beachten Sie, dass die Kapseln von «echten» Kondensatoren auch eine externe Stromversorgung benötigen, um zu polarisieren.
Der FET nimmt das hochohmige Signal von der Kapsel und reduziert die Impedanz auf nutzbare Pegel, bevor das Signal an den Mikrofonausgang gesendet wird.
In den meisten Fällen, auch bei Mikrofonen, wurde die Funktion des Feldeffekttransistors früher von Vakuumröhren erfüllt. Transistoren sind im Allgemeinen viel kleiner; Sie benötigen weniger Strom für den Betrieb(Phantomspeisung oder Gleichstromvorspannung anstelle von dedizierten Netzteilen) und sind kostengünstiger herzustellen und zu implementieren.
Obwohl es klangliche Unterschiede zwischen FETs und Vakuumröhren gibt(Audiophile würden definitiv sagen), können heute FET-Mikrofone und Röhrenmikrofone mit den gleichen Qualitätsstandards hergestellt werden.
Es ist auch wichtig zu beachten, dass FETs in Kondensatormikrofonen zum Standard geworden sind. Was ich damit meine ist, dass ein Kondensatormikrofon mit einer Röhre als «Röhrenkondensator» bezeichnet wird, während ein FET-Kondensator normalerweise einfach als «Kondensatormikrofon» bezeichnet wird. Es sei denn, das Präfix „FET“ unterscheidet das Mikrofon von einer Röhrenversion desselben Mikrofons.
Welche Mikrofone benötigen keine FETs?
Nicht alle Mikrofone benötigen Feldeffekttransistoren. Tatsächlich werden FETs nur in bestimmten Kondensatormikrofondesigns und manchmal in aktiven Bändchenmikrofonen verwendet.
Schauen wir uns die Arten von Mikrofonen an, die keine FETs benötigen.
passive Mikrofone
FETs sind aktive Bauelemente. Sie benötigen DC-Vorspannung, um richtig zu funktionieren. Daher haben passive Mikrofone nach der einfachen Definition von passiv keine FETs in ihren Designs. Schauen wir uns die Arten von dynamischen und Bändchenmikrofonen an, die beide nach passiven elektrischen Prinzipien arbeiten.
dynamische Mikrofone
Dynamische Tauchspulmikrofone arbeiten durch elektromagnetische Induktion und benötigen keine aktiven Komponenten.
Ihre Kapsel-(Tonabnehmer-) Ausgangssignale sind niederohmig und können direkt an den Ausgangsanschluss des Mikrofons gesendet werden(obwohl sie oft zuerst durch einen Ausgangstransformator gesendet werden).
Bändchenmikrofone
Bändchenmikrofone wandeln Ton auch mithilfe elektromagnetischer Induktion in Audio um.
Ihre „Kapseln“(bekannt als Ribbon-Elemente oder Baffles) geben niederohmige Signale aus, die keinen impedanzwandelnden FET erfordern. Bändchenmikrofone sind mit Transformatoren ausgestattet, um ihre zerbrechlichen Bändchenmembranen vor potenziellen Gleichspannungskurzschlüssen zu schützen.
Aktive Bändchenmikrofone könnten FETs in ihren Designs haben. Diese Konstruktionen hätten Aufwärtstransformatoren mit hohem Übersetzungsverhältnis zwischen der Bändchen-Schallwand und dem FET, um die relativ niedrige Spannung des Bändchenausgangs zu verstärken.
Diese Aufwärtstransformatoren erhöhen auch die Impedanz der Signale, und daher sind FETs manchmal vorteilhaft, um die Impedanz auf nutzbare Pegel zu reduzieren, ohne auch die Signalstärke zu verringern.
Röhrenmikrofone
Vakuumröhren erfüllen im Wesentlichen die gleiche Funktion wie Feldeffekttransistoren in Mikrofonen. Das heißt, sie wandeln die Impedanz der hochohmigen Tonabnehmersignale um und wirken als Pseudoverstärker.
Schauen wir uns schnell ein Diagramm einer Trioden-Vakuumröhre(die einfachste Röhre für ein Mikrofon) an und listen ihre Komponenten auf:
- H ist die Heizung
- K ist die Kathode
- A ist die Anode
- G ist das Gitter
Eine Energiequelle erwärmt die Heizung, die dann einen konstanten Elektronenfluss(einen elektrischen Strom) von der negativ geladenen Kathode zur positiv geladenen Anode bewirkt. Dies ist ähnlich dem Stromfluss zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen des Feldeffekttransistors.
Der Ausgang der hochohmigen Kapsel ist mit dem hochohmigen Gitter(Eingang) der Trioden-Vakuumröhre verbunden. Die Wechselspannung am Röhrengitter moduliert den Elektronenfluss zwischen Kathode und Anode. Mit anderen Worten, das hochohmige Eingangssignal des Netzwerks treibt ein niederohmiges(und oft höheres Spannungs-) Signal am Ausgang der Röhre. Dies ist etwas analog zum Gate-Anschluss des FET.
Obwohl sich Röhren also stark von Transistoren unterscheiden, können sie auf folgende Weise als analog zu FETs angesehen werden:
- Heizung = DC-Vorspannungsschaltung
- Kathode = Source-Anschluss
- Anode = Drain-Anschluss
- Gitter = Gate-Anschluss
Tatsächlich benötigten frühe Kondensatormikrofone Vakuumröhren, um die hochohmigen Signale ihrer Kapseln umzuwandeln. Der Transistor wurde erst 1947 erfunden und der FET/JFET feierte erst 1964 sein Debüt in der kommerziellen Mikrofontechnologie.
Verwandte Fragen
Was ist eine Mikrofonkapsel? Die Mikrofonkapsel ist der Teil, der für die Umwandlung von Schallwellen in Mikrofonsignale verantwortlich ist. Kapseln werden immer mit Membran(en) und dem Gehäuse für diese Membranen geliefert. Die Kapsel fungiert in ihrer Gesamtheit als Wandler für das Mikrofon und wandelt Schall in Audio um.
Was misst ein Mikrofon? Ein Mikrofon misst im Wesentlichen Schalldruckschwankungen an seiner Membran innerhalb eines Bereichs hörbarer Frequenzen. Da Schallwellen unterschiedliche Drücke um die Mikrofonmembran herum verursachen, erzeugt das Mikrofon ein passendes elektrisches Audiosignal.
