Dlaczego konstrukcje przedwzmacniaczy (mikrofonowe) mają tendencję do ograniczania wzmocnienia opampa do maks. 60 dB?

Patrząc na wiele przedwzmacniaczy mikrofonowych o profesjonalnej jakości nagrywania, zauważyłem, że każdy projekt, na który patrzyłem, który wykorzystuje opamp (dyskretny lub IC) ogranicza wzmocnienie zapewniane przez opamp do około 60dB. Podczas gdy większość przedwzmacniaczy używa innego stopnia (transformatora) lub innego opampa, aby dostać się do 70db, a nawet 80dB, zastanawiam się, dlaczego nie używają pierwszego opampa, aby się tam dostać. Z tego, co rozumiem, byłyby pewne zalety:

• lepszy stosunek sygnału do szumu wraz ze wzrostem wzmocnienia napięcia,
• prostsza ścieżka audio,
• mniej części i kosztów.

Czy ma to coś wspólnego ze stabilnością opampa powyżej 60dB?

Oto typowy schemat. Ograniczenia R12 zyskują do 40,1 dB. Używam tych formuł:

Zauważyłem również, że kompletne układy scalone przedwzmacniacza mikrofonowego firmy THAT-Corp mają również maksymalne wzmocnienie 60 dB.

Zysk / przepustowość, chcesz być może przepustowość 50 kHz przy 60 dB (1000 razy), więc potrzebujesz gdzieś około 50 MHz, zysk / przepustowość produktu (i więcej zmniejszyłoby zniekształcenia HF) ... Zrób to 80 dB, a teraz potrzebujesz 500 MHz GBP, co staje się trudny, jeśli chcesz obniżyć poziom hałasu w pobliżu DC (I dostaje naprawdę złe wieści, aby ustabilizować się przy niskim wzmocnieniu).

Weź również pod uwagę, że hałas jest całkowicie zdominowany przez hałas na scenie, która ma pierwsze 20 lub 30 dB wzmocnienia (wykonaj matematykę), jest wiele do powiedzenia na temat dzielenia rzeczy, tak że pierwsze może 30 dB wzmocnienia dzieje się na niskim stopień szumów zaprojektowany dla niskich źródeł Z i niskich szumów 1 / F, który teraz potrzebuje tylko kilku MHz GBP i będzie łatwy do ustabilizowania nawet przy dziwnej impedancji źródła. Następnie wykonaj resztę w drugim etapie (gdzie hałas ma mniejsze znaczenie i masz znaną impedancję źródła).

Inną trudną rzeczą jest to, że zasady kontroli, które mają sens, stają się coraz trudniejsze, jeśli wybierzesz kontrolę wzmocnienia jednym pokrętłem, klasyczny stopień instrumentacji z rezystorem nastawiania wzmocnienia od kilku omów do może kilku kiloomów, co jeśli myślisz o to może tylko 3 rzędy wielkości, bardzo trudne jest, aby doniczka z odwróconym logiem miała większy zasięg.

Jest kwestia GBW ( iloczyn przepustowości ), więc pojedynczy etap jest nieprawdopodobny z dobrą wydajnością. Nie wystarczy po prostu przepełnić pasmo, a także chcesz uzyskać wystarczający zysk, aby zmniejszyć zniekształcenia i uzyskać dokładne odtwarzanie z płaską odpowiedzią (choć prawdopodobnie zniekształcenie przy częstotliwości większej niż około 10 kHz jest nieistotne dla ludzkiego słuchu). Oczywiście zawsze możesz mieć kilka etapów z bardziej rozsądnym zyskiem. Pamiętaj, że szerokość pasma jest zdefiniowana przez punkt -3dB (moc wyjściowa zostanie zmniejszona do połowy mocy na brzegu pasma przepustowego), i to nie jest dokładnie płaskie jak na standardy audiofilskie.

$\text{nV}/\sqrt {\text {Hz}}$ , podczas gdy stopień wejściowy transformatora zapewni zasadniczo bezgłośny wzrost napięcia (kosztem obniżenia impedancji wejściowej o kwadrat współczynnika zwojów).

Ponieważ źródła o bardzo niskim napięciu, takie jak mikrofony wstęgowe, mają również niską impedancję, jest to dobry kompromis.

Istnieją inne metody uzyskania wyjątkowo niskiego poziomu hałasu przy użyciu dyskrecji, takich jak wiele JFET działających przy dość wysokim prądzie drenu. Może to zredukować szum, najlepiej o pierwiastek kwadratowy z liczby JFET, ale pojemność wejściowa jest proporcjonalna do liczby JFET równolegle, więc ponownie zły efekt rośnie szybciej niż poprawa.

Dlaczego konstrukcje przedwzmacniaczy (mikrofony) mają tendencję do ograniczania wzmocnienia opampa do maks. 60 dB?

Dobry ogólny obraz całej gamy wytwarzanych przez mikrofony i inne urządzenia audio:

Zdjęcie zrobione stąd .

Jak widać mikrofon studyjny (w zależności od typu) może wytwarzać zakres wyjściowy od -60 dBm (w stosunku do 600 omów, stąd 0 dBm = 0,775 woltów) do -20 dBm. Odnosi się to do standardowego poziomu ciśnienia wejściowego 1 paskala przy 1 kHz.

Poziomy wejścia liniowego wynoszą zwykle około 0 dBm, dlatego typowy przedwzmacniacz mikrofonowy będzie miał zakres wzmocnienia od 20 dB do 60 dB.

Wiele obwodów wzmacniacza operacyjnego zaprojektowano w taki sposób, aby dawały znane skończone wzmocnienie, gdyby zostały zbudowane przy użyciu idealnych komponentów, w tym wzmacniacza operacyjnego o nieskończonym wzmocnieniu. W praktyce takie obwody będą zawsze budowane z nie idealnych komponentów, a ich zachowanie nie będzie do końca zgodne z tym, co wynikałoby z idealnych komponentów. Rozważ bardzo podstawowy wzmacniacz:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Przy zastosowaniu idealnych komponentów wzmocnienie będzie wynosić (R1 + R2) / R2; Nazywam to „zyskiem nominalnym”. W rzeczywistym obwodzie, jeśli wzmacniacz operacyjny ma stałe wzmocnienie w otwartej pętli, wzmocnienie będzie wynosić 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain). Jeśli wzmocnienie w otwartej pętli wzmacniacza operacyjnego jest znacznie większe niż (R1 + R2) / R2, wówczas 1 / opAmpGain będzie bardzo mały w stosunku do R2 / (R1 + R2), a jego dokładna wartość nie będzie miała znaczenia wiele. Ponadto, nawet jeśli wzmocnienie w otwartej pętli może się różnić z powodu czynników takich jak częstotliwość lub - co gorsza - napięcie wejściowe, maksymalne i minimalne wzmocnienie dla obwodu byłoby względnie blisko. Na przykład, jeśli wzmocnienie w pętli otwartej może się wahać między 500x a 1000000X, wzmocnienie netto obwodu będzie się wahać od około 9,8x do 10x. Większa różnorodność, niż może być idealna do niektórych zastosowań, ale wciąż dość niewielka.

Gdyby R1 zmieniono na 99K (zmiana nominalnego wzmocnienia z 10x na 100x), to czułość obwodu na rzeczywiste wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego zwiększyłaby się ponad dziesięciokrotnie. Ta sama zmiana rzeczywistego wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego spowodowałaby, że zysk netto obwodu wynosiłby od około 83x do 100x - znacznie większa zmiana. Gdyby zamiast tego kaskadować pokazany poniżej obwód (dla wzmocnienia 10x) z drugą kopią, powstały obwód miałby wzmocnienie w zakresie od około 96x do 100x. Większy stopień niepewności względnej niż w przypadku korzystania z jednej kopii tego obwodu, ale znacznie mniejszy niż przy próbie osiągnięcia 100-krotnego wzmocnienia na jednym etapie.

Wzmocnienie 60dB pociągałoby za sobą wzrost napięcia 1000: 1. Podczas gdy jeden wzmacniacz operacyjny z dostatecznie wysokim wzmocnieniem w otwartej pętli, aby uzyskać zysk nominalny 1000: 1 przy częstotliwościach audio, może być tańszy niż dwa wzmacniacze operacyjne o nieco gorszej specyfikacji, wzmacniacze operacyjne, które będą dobrze działać przy tak wyższych wzmocnieniach, mogą być znacznie droższym. Przy pewnym poziomie wzmocnienia użycie dwóch tańszych wzmacniaczy będzie bardziej praktyczne niż użycie jednego wzmacniacza o wystarczającej jakości, aby działał dobrze przy wyższym wzmocnieniu.

60 dB oznacza, że ​​1 mV z mikrofonu zmienia się na 1 V. To mniej więcej tyle, ile chcesz wzmocnić mikrofon i zasilić wejście „liniowe”. Większość mikrofonów wytwarza kilka mV na wyjściu dla normalnego poziomu dźwięku.

Oprócz innych doskonałych odpowiedzi na temat produktu zwiększania przepustowości, istnieje jeszcze jeden problem. Przy zbyt dużym wzmocnieniu wejściowy wzmacniacz operacyjny może się nasycić ze względu na napięcie przesunięcia wejściowego. Wiele płyt mikserów wykorzystuje wzmacniacz operacyjny 5532 do pierwszego stopnia wzmocnienia. Ma typowe napięcie przesunięcia 0,5 mV, ale może być nawet o 5 mV wyższe od temperatury. Przy 60dB wzmocnienia, przesunięcie wejściowe 5mV staje się 5V przesunięciem DC na wyjściu. 5532 ma również typowy produkt o paśmie wzmocnienia 10 MHz, więc przy wzmocnieniu 60 dB przepustowość wynosi co najwyżej 10 kHz.

Kiedy jest duży zysk, zwykle występuje również duży hałas. Po przedwzmacniaczu lubię używać aktywnego filtra dolnoprzepustowego, aby uzyskać większy zysk, a także odfiltrowywać niektóre szumy wyjściowe przedwzmacniacza o wysokiej częstotliwości. Używam wzmacniacza operacyjnego OPA2134, o którym dowiedziałem się dzięki dobrym poradom dotyczącym projektowania filtrów aktywnych w Linkwitz Lab . O ile maksymalna częstotliwość nie jest niska, zużyłbym mniej niż nawet 60 dB wzmocnienia na jednym etapie. Dwa stopnie 40dB byłyby lepsze.