Dlaczego wzmacniacze operacyjne audio wymagają tak wysokich napięć szynowych?

To może być głupie pytanie, ale nie udało mi się znaleźć rozwiązania bezpośrednio w dowolnym miejscu w Internecie. Mam też kilka powiązanych ze sobą pytań, które, mam nadzieję, nie odbiegają zbyt daleko od tematu.

W sprzęcie profesjonalnym sygnały audio na poziomie liniowym są w przybliżeniu ~ 3,5 V między szczytami , więc dlaczego obwody audio rutynowo wymagają lub zalecają napięcia szynowe w zakresie +/- 12 V lub wyższych?

Czy to jest tylko kwestia zapasów? Czy też nieliniowości wzmacniaczy operacyjnych zależą od napięcia zasilania?

Lub w celu wspierania tańszych komponentów? Patrząc na arkusz danych TL072, maksymalne napięcie wyjściowe może wynosić nawet 2/3 szyny, jeśli opór obciążenia obniży się (2 k Ohm), ale zwykle wynosi 90% szyny dla obciążenia 10 k Ohm. Ale czy mógłbyś również użyć wyższej klasy wzmacniacza operacyjnego, który łączy szynę?

Najważniejsze, co powoduje to pytanie, to przeglądanie arkusza danych dla Cirrus CS4272 i schematów / danych na płycie ewaluacyjnej. W takim przypadku, mimo że ADC działa w zakresie od 0 V do 5 V, nadal decydują się na użycie dwubiegunowego zasilania +/- 18 V dla bufora wejściowego. W tym konkretnym przykładzie używają NE5532D8, który ma najgorsze wychylenie wyjściowe wynoszące 80% szyny i obsługuje szyny tak niskie, jak +/- 3v.

Dlaczego więc mieliby stosować źródła +/- 18 V, jeśli ADC obsługuje tylko dźwięk 0–5 V (przypuszczalnie nastawiony na napięcie około 2,5 V), a zastosowanie źródła +/– 3 V nadal zapewniałoby swobodny zakres wartości od szczytu do szczytu 3,5 V?

Zgodnie z arkuszem danych w tym obwodzie nie występuje również skalowanie (wzmocnienie lub tłumienie):

Złącza XLR zasilają wejścia analogowe CS4272 poprzez wzmocnienie jedności, obwody różnicowe sprzężone z prądem przemiennym. Sygnał różnicowy 2 Vrms doprowadzi wejścia CS4272 do pełnej skali.

Tak więc każdy sygnał przekraczający poziom linii zostałby i tak przycięty przez ADC. Czy lepiej jest mieć przycinanie w ADC kontra wzmacniacz operacyjny? Czy też wymagana jest wyższa szyna dla stopnia wyjściowego, mimo że nadal zapewniałby jedynie sygnał wyjściowy o poziomie ~ 3,5 V międzyszczytowym?

Jakie są powody, dla których w przypadku napędzania zasilacza ADC 5 V z pojedynczym zasilaniem lepsze jest zastosowanie stopnia wejściowego z wyższymi, dwubiegunowymi zapasami niż użycie czegoś takiego jak LT1215 na pojedynczym zasilaniu przy 5 V? (Nie mogę opublikować linku, ponieważ nie mam jeszcze 10 reputacji na tej konkretnej giełdzie stosów ... Łatwo jest google)

Dzięki!

1. Dzisiejsze urządzenia audio o wysokiej rozdzielczości, które współpracują z 24-bitowym dźwiękiem, takie jak miksery, używają różnicowych wejść 600 omów i wewnętrznych połączeń buss (do momentu przetworzenia sygnału na postać cyfrową), które wymagają zmiany napięcia o +/- 10 woltów, aby obsłużyć zakres dynamiki 120dB ścieżek audio SACD / DVDV / Blu-Ray. IC sterownika różnicowego jest często SSM2142, który ma szyny zasilające +/- 18 woltów (w mikserach).
2. Tak, część tego dodatkowego napięcia ma zrekompensować Vdrop na odległych obciążeniach o wartości 600 omów, więc przy obciążeniu dostępny jest zakres +/- 10 woltów. To wyższe napięcie napędu zaczęło się od płyt CD (z początku lat 80-tych), które mają zakres dynamiki około 90dB i przeciążały wejście wielu starszych stereo, więc dźwięk był bardzo zniekształcony.
3. Naprawiono instalację adapterów gramofonowych -6dB, aby poziom spadł do tego, do czego przywykły stare stereo. Nie mogę wyjaśnić, dlaczego projektant zastosowałby wzmacniacz operacyjny wysokiego napięcia do sterowania ADC niskiego napięcia, chyba że wejście jest standardem SACD +/- 10 woltów, a następnie podzielił je przed ADC.
4. Dzisiejsze wyjścia CD / SACD / DVD / Blu-Ray mają odchylenie +/- 10 V jako maksymalne wyjście, więc tylko analogowe wyjście IC musi mieć szyny wysokonapięciowe. Przed tym układem sygnał jest nadal w formacie cyfrowym. Odtwarzacze MP3 mogą pracować z dużo niższymi napięciami, ponieważ zakres dynamiki wynosi około 60dB.
5. Odtwarzacz wyższej jakości, który może odtwarzać pliki CD, może mieć zakres dynamiczny 90dB, zwiększając napięcie tylko dla układu scalonego sterownika słuchawek / słuchawek dousznych.
6. O ile nie poradzisz sobie z 24-bitowym pomiarem audio lub ultra precyzyjnymi pomiarami prądu stałego, pojedyncze 5-woltowe zasilacze i wyjątkowo ciche 5-woltowe przetworniki cyfrowo-analogowe i przetworniki cyfrowo-analogowe o napięciu 3,3 są wystarczające do odtwarzania płyt CD, MP3 i konwencjonalnego audio. Tak zwane wzmacniacze „przerywające” mogą również wykonywać precyzyjne pomiary prądu stałego przy zasilaniu 5 woltów, chociaż częstotliwość próbkowania jest ograniczona do może 100 sps; z czasem będzie to rosło. Wzmacniacze mocy wykorzystują szyny +/- 15 V (lub wyższe) do wzmacniaczy operacyjnych do obsługi dzisiejszego dźwięku wysokiej rozdzielczości bez prawie żadnych zniekształceń.
7. Jeśli projektant zainstaluje +/- 12 V wzmacniaczy operacyjnych w 5-woltowych obwodach ADC, może to ułatwić projektowanie, być może napędzając niższe impedancje i / lub uniknąć kupowania „specjalnych” niskonapięciowych wzmacniaczy operacyjnych, które mogą po prostu dodać do kosztów zapasów.
8. Jeśli spojrzysz na SACD, jest to studyjny 24-bitowy format nagrywania, który jest zmiksowany do ścieżek audio DVD / Blu-Ray, a koncerty muzyczne mają również zmiksowany do 16-bitowego formatu płyt CD. +/- 10 woltów to maksymalny poziom linii dla obciążeń 600 omów lub wyższych, ale dzisiejszy domowy sprzęt audio oczekuje tego poziomu od tych urządzeń.
9. Standardowe „Tape In” i „Tape-Out” oraz wejścia MP3 i kasety nadal działają na oryginalnym poziomie sygnału, około +/- 1 wolta. Stare standardy wciąż istnieją, ale obok dźwięku wysokiej rozdzielczości (24 bity).
10. Przetworniki ADC o napięciu 5 i 3,3 V mają znacznie większy zakres dynamiki (bardzo niski poziom szumów) niż w przeszłości. Nie chcę sugerować, że przetworniki ADC o napięciu 5 lub 3,3 V nie są w stanie obsłużyć dźwięku wysokiej rozdzielczości, o ile jest on specjalnie zaprojektowany do tego zadania. Ich koszt był początkowo bardzo wysoki, ale spada z roku na rok.
11. Tak zwane „wysokonapięciowe” wzmacniacze operacyjne są używane z wielu powodów, w tym dźwięków i dźwięków ultradźwiękowych. Szyny zasilające o napięciu +/- 12 woltów są w rzeczywistości niskie, ponieważ LTC6090 mają szyny zasilające o napięciu +/- 70 woltów, zapewniające ultra-dźwięk i kontrolę ruchu.
12. Niektóre wzmacniacze mocy audio, takie jak te z serii Cerwin-Vega Metron, mają szyny zasilające +/- 130 woltów, o mocy wyjściowej 1500 watów, więc stopień przedwzmacniacza z szynami +/- 15 woltów wydaje się niskim napięciem.
13. W tym i innych przypadkach potrzebne są wyższe napięcia, ponieważ następny stopień lub urządzenie docelowe potrzebuje tak szerokiego zakresu napięcia do prawidłowego działania. Obciążenie może być dzielnikiem napięcia zaprojektowanym dla obciążenia o niskiej impedancji i hałasu lub prostego dopasowania impedancji.
14. Nawiasem mówiąc, „xxdB” odnosi się do poziomu szumów w obwodzie lub nagrania, tak że najwyższy poziom hałasu na poziomie podłogi jest zbyt niski, aby wykryć lub być zauważalny, w porównaniu do „pełnej głośności”. Nie wskazuje również napięcia, z którego zasilany jest układ scalony, ale tego, jak cichy jest układ scalony bez przyłożonego sygnału, w porównaniu do poziomów głośności przy pełnej głośności.
15. Szyny zasilające o napięciu +/- 12 woltów są redukowane do tych urządzeń, które faktycznie ich potrzebują, takich jak wzmacniacze mocy, zasilacze, urządzenia testowe itp.
    
    EDYCJA: Ze względu na ciągłą poprawę poziomu szumów DC i układów scalonych audio to warto wspomnieć, że w pewnym momencie stary „standardowy” +/- 10 woltów przy specyfikacji 600 omów zostanie zastąpiony niższymi napięciami do 600 omów. Standard 600 omów pochodzi z dni prowadzenia 200 stóp 32-kanałowych ekranowanych skrętek (STP) ze sceny koncertowej do wieży dźwiękowej oddalonej o 200 stóp, a wtedy był wygodny dla mikserów analogowych z wejściami XLR 600 omów .
    
    Wszystkie te drogie kroki były potrzebne, aby utrzymać hałas z dala od mikrofonu i kabli instrumentów, takich jak górne światła, światła stroboskopowe, lasery, krótkofalówki, z których korzystała ekipa estradowa itp.
    
    To powiedziawszy, jasne jest, że w miarę upływu czasu więcej źródeł dźwięku jest digitalizowanych u źródła, co pozwala uniknąć potrzeby „węża” o długości 200 stóp. W pewnym momencie w przyszłości wszystkie źródła zostaną natychmiast zdigitalizowane i mogą nie zostać ponownie analogowe, dopóki sygnał nie dotrze do słuchawek i głośników, co spowoduje, że moja obecna odpowiedź stanie się przestarzała pod względem sygnałów, ale nie mocy.

W dawnych czasach wzmacniacze potrzebowały sporego marginesu między zakresem napięcia wyjściowego a napięciem zasilającym. Starsze opampy często miały spadek napięcia 3V na szynę.

Co więcej, wyjście sygnału dalej od tego limitu gwarantuje lepszy współczynnik odrzucenia zasilania (starsze konstrukcje często używały źle regulowanych dostaw, używając tylko zenera + NPN jako regulatora). I te opampy ogólnie miały lepszą ogólną specyfikację (PSRR, CMR, THD + N, ...), gdy napięcia zasilania były wyższe. Jako przykład zobacz specyfikacje THD + N OPA134 (który pojawił się w połowie lat 90.), popularnego opampa stosowanego w wysokiej klasy dźwięku:

Widać wyraźnie, że THD + N jest lepszy przy wyższych napięciach zasilania. Nie wspominając nawet, że te starsze opampy zwykle nigdy nie były w pełni określone przy +/- 5 V.

Dlatego wszyscy używali raczej wysokich napięć zasilania. To było po prostu naturalne.

W dzisiejszych czasach nie jestem pewien, czy jest to nadal uzasadnione. Nowsze opampy wyjściowe typu rail-to-rail mają dobre specyfikacje, a jeśli twoje zapasy są wystarczająco stabilne, odrzucenie podaży nie stanowi problemu. Ale często ludzie projektujący „wysokiej klasy sprzęt Hi-Fi” nie zaczynają łatwo używać nowszych rzeczy, więc chyba nadal mają ten zwyczaj.

Teraz, jeśli chcesz użyć LT1215 z pojedynczym zasilaniem 5V, a jeśli specyfikacje LT1215 są dla ciebie wystarczająco dobre, to w porządku. Jego specyfikacje nie są śmieszne. Po prostu sprawdź, czy zakres napięcia wejściowego / wahania napięcia wyjściowego są odpowiednie dla Twojej aplikacji. Jeśli ADC ma zakres wejściowy 0-5 V, to mając LT1215 z ograniczoną mocą wyjściową ~ 4,4 V maks. Wycina trochę zakres dynamiczny, ale może to być do zaakceptowania. Zależy od Ciebie.

Myślę, że dzięki czapce blokującej prąd stały na wejściu i kolejnej czapce blokującej prąd stały na wyjściu, każdy obwód wzmacniacza operacyjnego zasilany dwubiegunowo może zostać ponownie ustawiony do pracy z pojedynczym zasilaczem.

i myślałem, że sprawiły, że niektóre wzmacniacze operacyjne działały aż do zasilania 3,3 V. oto przykład, który po prostu znalazłem w Internecie: