Perché gli amplificatori operazionali audio richiedono tensioni rail così elevate?

Questa potrebbe essere una domanda sciocca, ma non sono ancora riuscito a trovarla indirizzata direttamente su Internet. Ho anche una manciata di domande correlate in linea, che spero di non allontanarmi troppo dall'argomento.

Nella marcia professionale, i segnali audio a livello di linea sono all'incirca ~ 3,5 V picco-picco , quindi perché i circuiti audio richiedono o raccomandano abitualmente tensioni su rotaia di +/- 12 V o superiori?

È puramente una cosa di headroom? O le non linearità negli amplificatori operazionali dipendono dalle tensioni di alimentazione?

O per supportare componenti più economici? Osservando la scheda tecnica del TL072, la tensione di uscita massima può essere inferiore a 2/3 della guida se la resistenza di carico si abbassa (2k Ohm), ma in genere è al 90% della guida per un carico di 10k Ohm. Ma potresti anche usare un amplificatore operazionale di fascia alta che è rail-to-rail?

La cosa principale che pone questa domanda è guardare il foglio dati per il Cirrus CS4272 e gli schemi / dati sulla scheda di valutazione. In tal caso, anche se l'ADC opera da 0 V a 5 V, sceglie comunque di utilizzare un'alimentazione bipolare +/- 18 V per il buffer di input. In quel particolare esempio, stanno utilizzando NE5532D8, che ha un'oscillazione di uscita nel caso peggiore dell'80% della guida e supporta binari a partire da +/- 3v.

Quindi, perché dovrebbero utilizzare le alimentazioni +/- 18 V se l'ADC supporta solo l'audio 0-5 v (presumibilmente distorto intorno a 2,5 v) e l'utilizzo di un'alimentazione +/- 3 v sarebbe comunque in grado di adattarsi facilmente alla gamma picco-picco di 3,5 V?

Secondo la scheda tecnica, non vi è inoltre alcun ridimensionamento (guadagno o attenuazione) in questo circuito:

I connettori XLR forniscono gli ingressi analogici CS4272 tramite guadagno unitario, circuiti differenziali accoppiati CA. Un segnale differenziale a 2 Vrms guiderà gli ingressi CS4272 a fondo scala.

Quindi qualsiasi segnale al di sopra del livello della linea finirebbe per essere troncato dall'ADC comunque. È meglio avere il clipping nell'ADC rispetto all'amplificatore operazionale? O è richiesta la guida più alta per lo stadio di uscita, anche se fornirebbe solo un segnale di uscita a livello di linea da picco a picco di ~ 3,5 V?

Nel contesto della guida di un ADC a alimentazione singola 5v, quali sono i motivi per cui utilizzare uno stadio di ingresso con alimentazioni bipolari superiori è meglio che utilizzare qualcosa come un LT1215 su un'alimentazione singola a 5v? (Non riesco a pubblicare un link perché non ho ancora 10 reputazione su questo particolare Stack Exchange ... È abbastanza facile da google)

Grazie!

1. Oggi le apparecchiature audio ad alta definizione che funzionano con audio a 24 bit, come i mixer, utilizzano ingressi differenziali da 600 ohm e connessioni bus interne (fino a quando il segnale non viene digitalizzato) che richiedono un'oscillazione della tensione di +/- 10 volt per gestire la gamma dinamica di 120 dB di tracce audio SACD / DVDV / Blu-Ray. L'IC driver diff è spesso un SSM2142 che ha binari di alimentazione di +/- 18 volt (nei mixer).
2. Sì, parte di questa tensione extra è compensare il Vdrop attraverso carichi distanti da 600 ohm, quindi è disponibile un'oscillazione di +/- 10 volt al carico. Questa maggiore tensione del drive è iniziata con i CD (primi anni '80) che hanno una gamma dinamica di circa 90 dB e hanno sovraccaricato l'ingresso di molti vecchi stereo, quindi il suono era molto distorto.
3. La soluzione consisteva nell'installare adattatori phono-plug da -6dB in modo che il livello fosse ridotto a quello a cui erano abituati i vecchi stereo. Non posso spiegare il motivo per cui un progettista dovrebbe usare un amplificatore operazionale ad alta tensione per pilotare un ADC a bassa tensione, a meno che l'ingresso non sia lo standard SACD +/- 10 volt, per poi dividerlo prima dell'ADC.
4. Oggi le uscite CD / SACD / DVD / Blu-Ray hanno un'oscillazione di +/- 10 volt come uscita massima, quindi solo l'IC di uscita analogica deve avere le guide ad alta tensione. Prima di questo IC il segnale è ancora in formato digitale. I lettori MP3 possono funzionare con tensioni molto più basse, poiché la gamma dinamica è di circa 60 dB.
5. Un lettore di qualità superiore in grado di riprodurre file CD può avere 90 dB di intervallo dinamico aumentando la tensione solo per il driver IC per cuffie / auricolari.
6. A meno che non si stiano gestendo misurazioni audio a 24 bit o CC ad altissima precisione, le alimentazioni a terminazione singola da 5 volt e gli ADC e DAC ultra-silenziosi da 5 volt e 3,3 volt sono sufficienti per CD, MP3 e audio convenzionale. I cosiddetti amplificatori 'chopper' possono anche eseguire misurazioni CC di precisione con un'alimentazione a 5 volt, sebbene la frequenza di campionamento sia limitata a forse 100 sps; questo aumenterà nel tempo. Gli amplificatori di potenza usano binari da +/- 15 volt (o superiori) per gli amplificatori operazionali per gestire l'audio ad alta definizione di oggi con quasi nessuna distorsione.
7. Se il progettista installa amplificatori operazionali +/- 12 volt in circuiti ADC da 5 volt, potrebbe essere per facilità di progettazione, magari guidando carichi di impedenza più bassi e / o per evitare l'acquisto di amplificatori operazionali a bassa tensione "speciali" che potrebbero semplicemente aggiungere al costo di inventario.
8. Se cerchi SACD, è un formato di registrazione a 24 bit di livello studio che viene mixato su tracce audio DVD / Blu-Ray, con concerti di musica che hanno anche un mix-down a 16 bit per CD. +/- 10 volt è il livello di linea massimo per carichi di 600 ohm o superiori, ma l'audio domestico di oggi prevede questo livello da questi dispositivi.
9. Lo standard "Tape In" e "Tape-Out" e l'ingresso MP3 e cassette funzionano ancora ai livelli di segnale originali, circa +/- 1 volt. Esistono ancora i vecchi standard di livello, ma accanto all'audio ad alta definizione (24 bit).
10. Gli ADC a cinque e 3,3 volt sono in grado di offrire una gamma molto più dinamica (pavimento a bassissimo rumore) rispetto al passato. Non intendo implicare che gli ADC a 5 o 3,3 volt non siano in grado di gestire l'audio ad alta definizione, purché sia ​​appositamente progettato per tale compito. Il loro costo era inizialmente molto elevato ma sta diminuendo di anno in anno.
11. I cosiddetti amplificatori operazionali "ad alta tensione" sono usati per molte ragioni, tra cui audio e suoni ad ultrasuoni. Le rotaie di alimentazione di +/- 12 volt sono in realtà sul lato basso, poiché l'LTC6090 ha rotaie di alimentazione di +/- 70 volt, per il controllo del suono e del suono ultra.
12. Alcuni amplificatori di potenza audio, come quelli della serie Cerwin-Vega Metron, hanno binari di alimentazione di +/- 130 volt, per un'uscita di 1.500 watt, quindi uno stadio preamplificatore con binari di +/- 15 volt sembra bassa tensione.
13. In questo caso e in altri, sono necessarie le tensioni più elevate perché lo stadio o il dispositivo target successivo necessita di quell'ampio intervallo di tensione per funzionare correttamente. Il carico potrebbe essere un divisore di tensione progettato per un carico a bassa impedenza a basso rumore o per una semplice corrispondenza dell'impedenza.
14. A proposito, "xxdB" si riferisce al rumore di fondo dei circuiti o della registrazione, in modo tale che il rumore più elevato a livello del pavimento sia troppo basso per essere rilevato o essere evidente, rispetto al "volume intero". Inoltre, non indica la tensione di alimentazione di un circuito integrato, ma quanto è silenzioso il circuito integrato senza segnale applicato, rispetto ai livelli sonori a volume pieno.
15. Le rotaie di alimentazione di +/- 12 volt e superiori vengono ridotte a quei dispositivi che ne hanno effettivamente bisogno, come amplificatori di potenza, alimentatori, apparecchiature di prova, ecc.
    
    EDIT: a causa dei costanti miglioramenti nel rumore di fondo di circuiti integrati CC e audio vale la pena ricordare che a un certo punto nel tempo la vecchia specifica "standard" +/- 10 volt in specifiche da 600 ohm sarà sostituita da tensioni più basse in 600 ohm. Lo standard da 600 ohm proviene dai tempi in cui i cavi da 200 piedi dei 32 canali schermati a coppia intrecciata (STP) da un palcoscenico per concerti alla torre del suono a 200 piedi di distanza, e all'epoca era conveniente per i mixer analogici con ingressi XLR da 600 ohm .
    
    Tutti questi passaggi costosi erano necessari per mantenere il rumore lontano dai cavi del microfono e dello strumento, come luci ambientali, luci stroboscopiche, laser, walkie-talkie utilizzati dall'equipaggio di scena, ecc.
    
    Detto questo, è chiaro che col passare del tempo più fonti sonore vengono digitalizzate alla fonte, evitando la necessità del "serpente" di 200 piedi. Ad un certo punto in futuro tutte le fonti verranno digitalizzate immediatamente e potrebbero non diventare di nuovo analogiche fino a quando il segnale non raggiungerà le cuffie e gli altoparlanti, rendendo la mia risposta attuale obsoleta in termini di segnali, ma non di potenza.

In passato, gli amplificatori avevano bisogno di una buona quantità di margine tra la gamma di tensione di uscita e le tensioni di alimentazione. I vecchi opamp avevano spesso una caduta di tensione di 3 V per guida.

Inoltre, avere l'uscita del segnale più lontana da questo limite ha garantito un miglior rapporto di rifiuto dell'alimentazione (i progetti più vecchi utilizzavano spesso alimentazioni mal regolate, usando solo un regolatore zener + NPN). E quegli opamp generalmente avevano migliori specifiche generali (PSRR, CMR, THD + N, ...) quando le tensioni di alimentazione erano più alte. Ad esempio, vedi le specifiche THD + N dell'OPA134 (che apparve a metà degli anni '90), un popolare opamp utilizzato nell'audio di fascia alta:

Si vede chiaramente che THD + N è migliore con tensioni di alimentazione più elevate. Nemmeno menzionando che quegli opamp più vecchi di solito non erano mai completamente specificati a +/- 5V.

Quindi tutti hanno usato tensioni di alimentazione piuttosto elevate. Era solo una cosa naturale da fare.

Al giorno d'oggi, non sono sicuro che ciò sia ancora giustificato. I nuovi opamp di uscita rail-to-rail hanno buone specifiche e, se i materiali di consumo sono abbastanza stabili, il rifiuto dei materiali di consumo non è un problema. Ma spesso, le persone che progettano "apparecchiature hi-end di fascia alta" non iniziano facilmente a usare roba più recente, quindi credo che abbiano ancora questa abitudine.

Ora, se si desidera utilizzare un LT1215 con una singola alimentazione da 5 V e se le specifiche dell'LT1215 sono abbastanza buone per te, va bene. Le sue specifiche non sono ridicole. Basta verificare che l'intervallo di tensione di ingresso / oscillazione della tensione di uscita siano appropriati per la propria applicazione. Se l'ADC ha un intervallo di ingresso di 0-5 V, avere l'LT1215 con un limite massimo di uscita ~ 4,4 V ridurrà un po 'di intervallo dinamico, ma potrebbe essere accettabile. Sta a te.

penso, con un cappuccio di blocco CC sull'ingresso e un altro tappo di blocco CC sull'uscita, qualsiasi circuito di amplificazione operazionale bipolare può essere re-attivato per funzionare con un singolo alimentatore.

e ho pensato che facessero funzionare alcuni amplificatori operazionali nei giorni nostri fino a 3,3 v di alimentazione. ecco un esempio che ho trovato semplicemente sul web: