Perché i design del preamplificatore (microfono) tendono a limitare il guadagno opamp a max 60 dB?

Osservando molti preamplificatori microfonici di qualità professionale per la registrazione, ho notato che ogni progetto che ho visto che utilizza un opamp (discreto o IC) limita il guadagno fornito dall'opamp a circa 60 dB. Mentre la maggior parte dei preamplificatori usa un altro stadio (trasformatore (i) o un altro opamp) per arrivare a 70db o addirittura 80dB, mi chiedo perché non usano solo il primo opamp per arrivarci. Da quello che ho capito, ci sarebbero alcuni vantaggi:

• migliore rapporto segnale-rumore all'aumentare del guadagno di tensione,
• percorso audio più semplice,
• meno parti e costi.

Ha qualcosa a che fare con la stabilità opamp superiore a 60 dB?

Ecco uno schema tipico. R12 limita il guadagno a 40,1 dB. Sto usando queste formule:

Ho anche notato che i circuiti integrati preamplificatori microfonici completi prodotti da THAT-Corp hanno anche un guadagno massimo di 60 dB.

Guadagna / larghezza di banda del prodotto, vuoi forse una larghezza di banda di 50 KHz a 60 dB (1.000 volte), quindi hai bisogno di un prodotto di circa 50 MHz, guadagno / larghezza di banda (e altro ridurrebbe la distorsione HF) ... Rendilo 80 dB e ora hai bisogno di 500 MHz GBP, che ora sta diventando difficile se si desidera un basso livello di rumore vicino a DC (e si stanno ottenendo davvero cattive notizie per stabilizzarsi a basso guadagno).

Considera anche che il rumore è completamente dominato dal rumore per il palco con i primi 20 o 30 dB di guadagno (fai i conti), c'è molto da dire per dividere le cose in modo che il primo forse 30 dB di guadagno avvenga in un basso palcoscenico acustico progettato per sorgenti a bassa Z e basso rumore 1 / F, che ora necessita solo di pochi MHz di GBP e sarà facile da stabilizzare anche con strana impedenza della sorgente. Quindi fai il resto in un secondo stadio (dove il rumore conta meno e hai un'impedenza della sorgente nota).

L'altra cosa difficile è che le leggi di controllo che hanno un senso diventano sempre più complicate se si ottiene un controllo con una manopola, uno stadio di strumentazione classico con un resistore di impostazione del guadagno che varia da pochi ohm a forse qualche k ohm, che se si pensa a è solo forse 3 ordini di grandezza, molto difficile fare in modo che un potenziometro inverso abbia una portata maggiore di quella.

C'è la questione del GBW ( prodotto di guadagno-larghezza di banda ), quindi un singolo stadio è improbabile con buone prestazioni. Non è sufficiente limitarsi alla larghezza di banda, ma si desidera anche un guadagno sufficiente per ridurre la distorsione e ottenere una riproduzione accurata con una risposta piatta (anche se probabilmente la distorsione a più di circa 10kHz non è importante per l'udito umano). Ovviamente puoi sempre avere un paio di fasi con un guadagno più ragionevole ciascuna. Ricorda che la larghezza di banda è definita dal punto -3dB (l'uscita sarà a metà potenza al limite della banda passante), e non è esattamente piatta per gli standard audiofili.

$\text{nV}/\sqrt {\text {Hz}}$

Poiché anche le sorgenti a bassissima tensione come i microfoni a nastro tendono ad essere a bassa impedenza, questo è un buon compromesso.

Esistono altri metodi per ottenere prestazioni a bassissimo rumore utilizzando discreti come JFET multipli eseguiti a corrente di drain piuttosto elevata. Ciò può ridurre il rumore, idealmente per la radice quadrata del numero di JFET, ma la capacità di ingresso è proporzionale al numero di JFET in parallelo, quindi anche l'effetto negativo aumenta più rapidamente del miglioramento.

Perché i design dei preamplificatori (microfoni) tendono a limitare il guadagno opamp a max 60 dB?

Una buona immagine generale dell'intera gamma di ciò che producono microfoni e altri dispositivi audio: -

Foto scattata da qui .

Come si può vedere, un microfono da studio (a seconda del tipo) può produrre una gamma di uscite da -60 dBm (rispetto a 600 ohm quindi 0 dBm = 0,775 volt) a -20 dBm. Questo è per il livello di pressione di ingresso standard di 1 pascal a 1 kHz.

I livelli di ingresso di linea sono in genere di circa 0 dBm, quindi un tipico preamplificatore microfonico produrrà un intervallo di guadagno da 20 dB a 60 dB.

Molti circuiti di amplificazione operazionale sono progettati in modo tale da produrre un guadagno finito noto se costruiti utilizzando componenti ideali tra cui un amplificatore operazionale a guadagno infinito. In pratica, tali circuiti saranno sempre costruiti con componenti non ideali e il loro comportamento non corrisponderà esattamente a ciò che sarebbe risultato da componenti ideali. Considera un amplificatore molto semplice:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Quando si utilizzano componenti ideali, il guadagno sarà (R1 + R2) / R2; Lo chiamerò "guadagno nominale". In un circuito reale, se un amplificatore operazionale ha un guadagno ad anello aperto costante, il guadagno sarà 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain). Se il guadagno ad anello aperto dell'amplificatore operazionale è molto più grande di (R1 + R2) / R2, allora 1 / opAmpGain sarà molto piccolo rispetto a R2 / (R1 + R2) e il suo valore esatto non importerà tanto. Inoltre, anche se il guadagno ad anello aperto potrebbe variare a causa di fattori come la frequenza o - ancora peggio - la tensione di ingresso, il guadagno massimo e minimo per il circuito sarebbe relativamente vicino. Ad esempio, se il guadagno ad anello aperto potrebbe variare tra 500x e 1000000X, il guadagno netto del circuito dovrebbe variare da circa 9,8x a 10x. Più variazioni di quelle che potrebbero essere ideali per alcuni usi, ma comunque piuttosto piccole.

Se R1 fosse cambiato in 99K (modificando il guadagno nominale da 10x a 100x), la sensibilità del circuito al guadagno effettivo dell'amplificatore operazionale sarebbe aumentata di oltre dieci volte. La stessa variazione del guadagno effettivo dell'amplificatore operazionale causerebbe un guadagno netto del circuito compreso tra circa 83x e 100x - una variazione molto maggiore. Se si dovesse invece mettere in cascata il circuito mostrato sotto (per guadagno 10x) con una seconda copia, il circuito risultante avrebbe un guadagno che potrebbe variare da circa 96x a 100x. Un maggiore grado di incertezza relativa rispetto a quando si utilizza una copia di quel circuito, ma molto più piccolo rispetto a quando si tenta di ottenere un guadagno 100x in uno stadio.

Un guadagno di 60 dB comporterebbe un guadagno di tensione di 1000: 1. Mentre un amplificatore operazionale con un guadagno ad anello aperto abbastanza alto da rendere pratico un guadagno nominale di 1000: 1 alle frequenze audio potrebbe essere più economico di due amplificatori operazionali con specifiche leggermente inferiori, gli amplificatori operazionali che funzioneranno bene con tali guadagni più elevati sono adatti a essere molto più costoso. Ad un certo livello di guadagno, l'uso di due amplificatori più economici sarà più pratico rispetto all'utilizzo di un amplificatore di qualità sufficiente per funzionare bene con un guadagno più elevato.

60 dB significa che 1 mV dal microfono diventa 1 V in uscita. Si tratta del massimo che si desidera amplificare un microfono e immettere un input "a livello di linea". La maggior parte dei microfoni produce qualche mV in uscita per normali livelli sonori.

Oltre alle altre eccellenti risposte sul prodotto guadagno-larghezza di banda, c'è un altro problema. Con un guadagno eccessivo, l'amplificatore operazionale di ingresso può saturare a causa della tensione di offset dell'ingresso. Molte schede mixer utilizzano l'amplificatore operazionale 5532 per il primo stadio di guadagno. Ha una tensione di offset tipica di 0,5 mV, ma può raggiungere i 5 mV di sovratemperatura. Con 60 dB di guadagno, un offset di ingresso di 5 mV diventa 5 V di offset CC in uscita. Il 5532 ha anche un tipico prodotto con larghezza di banda di guadagno di 10 MHz, quindi a 60 dB la larghezza di banda è al massimo di 10 kHz.

Quando c'è molto guadagno, tende anche ad esserci molto rumore. Dopo un preamplificatore, mi piace usare un filtro attivo passa-basso per ottenere più guadagno e anche filtrare parte del rumore di uscita del preamplificatore ad alta frequenza. Uso l'amplificatore operazionale OPA2134, di cui ho appreso grazie ai buoni consigli sulla progettazione di filtri attivi del Linkwitz Lab . A meno che la frequenza massima non sia bassa, utilizzerei meno di 60 dB di guadagno in un singolo stadio. Due fasi da 40 dB sarebbero migliori.