Qual è il punto in un preamplificatore?

24

Sto parlando nel contesto degli amplificatori per chitarra, ma presumo che questa domanda sia rilevante per qualsiasi tipo di amplificatore audio.

Molto spesso negli schemi dell'amplificatore vedo due stadi di amplificazione: in primo luogo, il segnale viene amplificato in misura minore da un circuito di preamplificazione e poi nuovamente amplificato da un circuito di amplificazione di potenza.

Questo mi sembra ridondante. Qual è il punto nell'amplificare un segnale in due piccoli passi anziché in una sola amplificazione a guadagno maggiore?

Il mio primo pensiero è stato: questa amplificazione a più stadi aiuta a ridurre il rumore indesiderato del segnale? Ma più ci penso, meno ha senso, dato che sicuramente il secondo stadio amplificherebbe anche qualsiasi rumore.

amplifier preamp

— Jacob Garby
fonte

3

C'è anche il problema di ottenere un prodotto con larghezza di banda. Per un dato amplificatore, più guadagno significa meno larghezza di banda. Se si utilizza troppo guadagno in uno stadio, si limita la larghezza di banda di quello stadio. Ciò può causare distorsioni: sono necessari guadagno e larghezza di banda affinché il feedback negativo compensi la distorsione.

— JRE,

1

Non si desidera che le correnti elevate (verso l'altoparlante) siano vicine al segnale di ingresso dal pickup della chitarra o ai segnali di registrazione in vinile.

— analogsystemsrf

14

Il primo amplificatore in qualsiasi percorso del segnale è di solito quello che aggiunge tutto il rumore al segnale. Quindi il preamplificatore deve essere progettato in modo da evitare di aggiungere più rumore al segnale del necessario. Generalmente i dispositivi a basso rumore e le tecniche di progettazione sono incompatibili con i dispositivi ad alta potenza e le tecniche di progettazione.

— mkeith,

@mkeith Penso che il tuo commento sia la migliore risposta generale che abbia mai visto su questo. In combinazione con la risposta di Dave Tweed, tutto ha senso in termini di amplificazione della chitarra.

— Todd Wilcox,

1

Lo definirei lo stadio di ingresso, non un preamplificatore, a meno che non ci siano circuiti di missaggio e controllo del tono, che rispondono alla tua domanda da solo.

— user207421

48

Nelle apparecchiature audio, è utile eseguire la maggior parte della manipolazione del segnale a un livello standard, noto come "livello di linea". Ciò include missaggio, equalizzazione, compressione, ecc.

Alcune fonti di segnale (microfoni, pickup per chitarra, ecc.) Non producono intrinsecamente uscite a livello di linea, quindi un preamplificatore viene utilizzato per aumentare il segnale a quel livello. Alcune fonti di segnale (giradischi) richiedono non solo un boost, ma anche un'equalizzazione speciale per appiattire la risposta in frequenza.

Quindi, una volta terminata l'elaborazione del segnale, viene utilizzato un secondo amplificatore "di potenza" per pilotare gli altoparlanti.

Questo tipo di modularità consente di miscelare e abbinare liberamente sorgenti di segnale, fasi di elaborazione e diversi tipi di altoparlanti.

— Dave Tweed
fonte

6

Nel caso in cui qualcuno abbia bisogno di questo suddiviso al livello più semplice per gli amplificatori per chitarra elettrica: il preamplificatore prepara il segnale per i controlli di tono, quindi dopo il controllo di tono l'amplificatore di potenza lo rende pronto per l'altoparlante.

— Todd Wilcox,

Oh, hai ragione. Non ho notato che stava parlando di amplificatori nella stessa unità, il che era implicito dal bit "nella stessa parte schematica".

— DKNguyen,

20

Risposta rapida e sporca:

Il buffering è uno dei motivi. Le interconnessioni tra le cose possono avere molta capacità e richiedere molta (relativamente) corrente per guidare.

L'immunità al rumore è un'altra. Pensa a questo scenario: invia un segnale attraverso un filo dove raccoglie, diciamo, 10 mV di rumore, quindi amplificalo di 100x: rumore totale, 1000mV. Ma se invece lo si amplifica di 10x, quindi lo si invia attraverso il filo dove riceve rumore di 10mV, quindi si amplifica di un altro 10x, l'amplificazione del segnale totale è ancora 100x, ma il rumore totale è solo 100mV.

— Focolare
fonte

2

Stai dicendo che il rumore raccolto all'interno del telaio dell'amplificatore sarebbe uguale o maggiore del rumore raccolto dai pickup della chitarra nel mondo? Non mi sembra giusto. Nel caso di chitarre elettriche, la parte della catena del segnale più soggetta al rumore è la sorgente (i pickup), non un'interconnessione (i cavi o i cavi elettrici o le tracce su un PCB).

— Todd Wilcox,

1

@ToddWilcox Ho detto che questa è stata una risposta rapida e sporca, e potrebbe non applicarsi così bene allo scenario specifico di cui il richiedente chiede. Non è la risposta migliore e ha bisogno di molto lavoro, ma non ho il tempo o l'energia per lavorarci adesso, e sinceramente sono stupito che abbia ottenuto tanti voti quanti ne ha avuti. Detto questo, la definizione di "rumore" che sto usando qui presuppone implicitamente che il segnale desiderato sia esattamente quello che il trasduttore emette, che il segnale esistente sui terminali del trasduttore è privo di rumore per definizione.

— Focolare il

11

F = 1 + \frac{N_{un' d d io t io o n un' l}}{N_{io n p u t} sol} .

$F = 1 + \frac{N_\mathrm{additional}}{N_\mathrm{input}G}.$

F_{t o t un' l} = F_{1} + \frac{F_{2} - 1}{{sol}_{1}} + \frac{F_{3} - 1}{{sol}_{1} {sol}_{2}} + \frac{F_{4} - 1}{{sol}_{1} {sol}_{2} {sol}_{3}} + ... .

$F_\mathrm{total} = F_1 + \frac{F_2 - 1}{G_1} + \frac{F_3 - 1}{G_1 G_2} + \frac{F_4 - 1}{G_1 G_2 G_3} + \dots.$

F_{n}

$F_n$

G_{n}

$G_n$

Come puoi vedere, il fattore di rumore di un determinato stadio è diviso per il prodotto di guadagno di tutti gli stadi precedenti. Quindi il primo stadio è il più importante quando si parla di rumore. Ecco perché hai uno stadio preamplificatore a basso rumore come primo componente nella catena del segnale. Questa configurazione ha l'ulteriore vantaggio di non doversi preoccupare della cifra di rumore dell'amplificatore di potenza.

— user110971
fonte

1

E questo è vero da DC alla luce del giorno, come si suol dire. Il primo amplificatore imposta la figura del rumore è ciò che dicono in RF (come regola empirica).

— mkeith,

Per dirla diversamente, il primo stadio amplifica la potenza, le fasi successive amplificano la tensione. I resistori generano rumore termico che è potenza - la tensione dipende da altri fattori - principalmente dal valore della resistenza. Il primo stadio dovrebbe corrispondere all'impedenza della sorgente per massimizzare la potenza che entra nel primo stadio. Questo aiuta ad abbassare il rapporto SNR poiché aumenta la potenza del segnale mentre la potenza del rumore è più o meno costante.

— le_top,

11

Un motivo importante per scatole separate per preamplificatori e poweramps è la corrente di terra e anche l'accoppiamento magnetico. [esiste un esempio numerico, a 20 KHz e 6 amp per gli altoparlanti, alla fine di questa risposta, con il preamplificatore a soli 10 cm dall'amplificatore di potenza]

Supponiamo di aver costruito il preamplificatore e il poweramp sullo stesso PCB. Perchè no?

Parte della corrente dell'altoparlante scorrerà sul GROUND e finirà per combinarsi con il segnale di ingresso.

Per ridurre al minimo questa "combinazione", rendere quel PCB lungo e sottile, in modo che i terreni di PowerAmp siano lontani dai terreni di PreAmp.

Come migliorare questo? usa regioni lunghe e sottili tra il preamplificatore e il Poweramp.

All'estremo, un cavo coassiale fornisce una regione lungo-sottile, per garantire una combinazione molto piccola di correnti di ingresso e uscita.

Ad esempio: perché i vantaggi di JFET su MOSFET sono o perché i JFET sono ancora utilizzati?

Dati segnali a basso millivolt da una cartuccia a magnete mobile in vinile, o anche 0,5 millivolt da cartucce a bobina mobile, che sono stati amplificati a uscite audio da quasi 100 volt, l'intero sistema necessita di un isolamento di ~ 100.000: 1. E anche quell'isolamento fornisce solo il rapporto segnale-rumore di UNITY che impedisce appena l'oscillazione; per un rapporto di 80 dB tra segnale e feedback, l'isolamento deve migliorare di altre 10.000: da 1 a 1 parte per miliardi.

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

=============================================

Quanto può essere dannoso il campo / feedback (campo magnetico)? supponiamo che la corrente di uscita sia un picco di 6 A a 20.000Hz. Il dI / dT è 6 * d (sin (2 * pi * 20.000 * Tempo)) / dT = 6 * 2 * pi * 20.000 * cos (2 * pi * 20000 * T)

o dI / dT = 700.000 amp al secondo.

Si supponga che l'ingresso del preamplificatore (ricordare che il segnale da 1 millivolt dalla cartuccia e si desidera almeno 10.000: 1 SNR o feedback tonale, quindi 0,1 microvolt feedback è il pavimento desiderato) è 0,1 metri dall'uscita dell'altoparlante.

V_magnetic_induce = (2.0e-7 * Area / Distanza) * dI / dT

e supponiamo che l'area del circuito di ingresso (segnale a terra) sia di 1 cm per 4 cm.

Ora esegui la matematica; ricorda che vogliamo MENO di 0,1 microvolt feedback.

Vinduce *** = 2e-7Henry / meter * (area dell'anello vittima = 1cm * 4cm) / 10cm * 700.000

Vinduce = 2e-7 * 0.0004 metro / 0,1 metro * 700.000

Vinduce = 2e-7 * 0,004 * 7e + 5

Vinduce = 2e-7 * 4e-3 * 7e + 7 = 56 e-3 = 56 milliVolts. [SBAGLIATO! errore matematico]

Vinduce = 2e-7 * 4e-3 * 7e + 5 = 56e-5 = 560e-6 = 0,56 milliVolts [era stato 7e-5; corretto a 7e + 5]

Il feedback magnetico, causato dall'avere il Poweramplifer vicino al preamplificatore, è 0,56 mV / 0,1 microvolt o 5.600 X più forte di ciò che la musica "pulita" può tollerare. (alcuni documenti dicono che la coclea dell'orecchio può sentire fino a -106dBc, il che suggerisce che è necessario un altro fattore di pulizia 20x)

====================================

In che modo il progettista può migliorare la fedeltà di questi sistemi? LASTRE DI METALLO in casse di acciaio; cablaggio a doppino intrecciato per segnali di uscita (utilizzare cavi per diffusori multi-filo intrecciati) e per il cablaggio della linea di alimentazione alle scatole; Layout PCB per instradare il segnale in modo che sia immediatamente adiacente al Return; cavi coassiali che evitano cablaggi di segnale / terra allentati, invece utilizzano spine-in-PCB per una separazione minima del flusso del segnale e della corrente di terra; grandi serbatoi di carica nei PowerAmps, posizionati vicino ai terminali di uscita dei diffusori, per ottenere circuiti di trasmissione di area minima (il modello di filo dritto lungo usato nell'esempio fa solo parte di un movimento di uscita + ritorno corrente del mondo reale); alimentatori che utilizzano induttori insieme ai diodi raddrizzatori, per rallentare i picchi di diodi ed evitare il suono malvagio "cantante" dei flussi impulsivi (limite rapido) di 120Hz.

*** Vinduce utilizza l'approssimazione log non naturale dell'accoppiamento tra un filo lungo rettilineo che trasporta la corrente dell'aggressore / trasmettitore con dI / dT e l'anello rettangolare del circuito vittima / ricevitore. L'equazione, da una combinazione di Faraday Law of Induction e Biot-Savart Law, è

Vinduce = [MU0 * MUr * LoopArea / (2 * pi * Distance_wire_to_Loop)] * dI / dT

e ignoriamo gli effetti del 2 ° ordine che richiedono log naturale.

Ciò presuppone anche il peggior accoppiamento CASE tra il filo e il circuito. Quindi il filo si trova sul piano del circuito. La cosa meravigliosa di questa equazione è la scoperta di tre gradi di libertà (in realtà 4: l'intensità del campo, controllata dalla profondità della pelle, quindi la necessità di acciaio nel telaio del preamplificatore). I gradi di libertà sono

(1) orientamento tra il filo e l'anello

(2) l'area del circuito, quindi l'uso di un doppino intrecciato o un accurato layout PCB o cavi coassiali

(3) maggiore separazione tra PowerAmp / PA_powersupply / Preamp_powersupply e il preamplificatore reale e / oi suoi coassiali di ingresso.

(4) il 'dI / dT', che ci dice di (a) FILTRARE i tempi di risposta dell'aggressore, o (b) ridurre i principali punti di forza attuali, o (c) usare lastre di rame o fogli di ferro o acciaio, per ridurre notevolmente il feedback del campo magnetico del segnale audio; le frequenze molto basse richiedono scatole di rame molto spesse (60Hz hanno bisogno di 8 mm di spessore) o scatole sottili di ferro / acciaio.

Quindi possiamo usare la formula per suggerire approcci curativi.

— analogsystemsrf
fonte

5

Oltre a quanto già detto, con gli amplificatori per chitarra spesso lo scenario d'uso previsto introduce intenzionalmente una certa distorsione guidando l'amplificatore. Se ci fosse un solo blocco di guadagno, non ci sarebbe alcuna possibilità di sovrascriverlo a meno che non lo si sovraccarichi nel suo insieme - con conseguente usura accelerata dell'amplificatore e degli altoparlanti, e che richieda di suonare a un volume antisociale, che rompe le finestre, assorda il vicino.

Per i non chitarristi: la modalità distorta ("overdrive") è ciò di cui hai bisogno se vuoi i suoni buzz-buzz-buzz e whee-whee-whee e non solo i suoni di pling-pling-pling.

— rackandboneman
fonte

Grazie! Questo è un punto interessante che nessun altro ha sollevato.

— Jacob Garby,

Bene, al momento molto probabilmente overdrive con un effetto, non usando il tuo preamplificatore :-)

— yo

1

In una certa misura, l'uso di preamplificatori separati è una sbronza storica.

In passato, un sistema audio di consumo poteva consistere in un giradischi e un registratore, con forse un sintonizzatore inserito. Di particolare interesse era l'ingresso in vinile, che non era in remoto una risposta in frequenza piatta - vedi compensazione RIAA. Pertanto, componenti diversi richiedono catene di amplificazione diverse. È diventato comune separare l'amplificazione di ingresso / la compensazione di frequenza / i controlli di tono in un'unità separata dall'amplificatore di potenza, per consentire il missaggio e l'adattamento dei livelli di prestazione desiderati senza sostituire l'intera catena elettronica.

Al giorno d'oggi, con i giradischi praticamente un mercato di nicchia e i registratori a nastro sostituiti con fonti a stato solido, praticamente ogni dispositivo che si potrebbe desiderare di giocare avrà un livello di linea e una risposta in frequenza piatta, con la notevole eccezione dei microfoni. Per la maggior parte, non c'è molto bisogno di preamplificatori separati ad eccezione di audiofili veramente dedicati (e sembra che ci sia un considerevole status / componente del marchio in quel mercato).

— WhatRoughBeast
fonte

1

Mi sembra che il "preamplificatore" fosse quasi sempre un termine improprio, a meno che non fosse collegata una cartuccia phono, una testina o un microfono. Fino ad oggi, la maggior parte dei separatori di preamplificatori sono realmente utilizzati come attenuatori nella pratica, sia attivi che passivi: infatti la sola esistenza dei cosiddetti "preamplificatori passivi" dimostra il punto. (E sì, è un ossimoro.) Alcuni preamplificatori come le unità di valvole Leak erano attenuatori anche in teoria, quando si considerano gli ingressi del sintonizzatore di 2 V e la sensibilità dell'amplificatore target intorno a 125 mV. Un'eccezione a cui riesco a pensare rapidamente è stata il Quad 22: 100mV in entrata, 1.4V in uscita.

— user207421