ทำไมการออกแบบ preamp (ไมโครโฟน) จึงมีแนวโน้มที่จะ จำกัด อัตราขยายของ opamp ให้สูงสุด 60 dB

15

เมื่อดูที่ไมโครโฟน preamp คุณภาพการบันทึกระดับมืออาชีพหลายคนฉันสังเกตเห็นว่าทุกการออกแบบที่ฉันใช้ดูนั้นใช้ opamp (ไม่ต่อเนื่องหรือ IC) จำกัด การให้กำไรของ opamp ให้สูงสุด 60dB ในขณะที่แอมป์ส่วนใหญ่ใช้สเตจอื่น (หม้อแปลง (s) หรือ opamp อื่น) เพื่อให้ได้ 70 เดซิเบลหรือแม้แต่ 80 เดซิเบลฉันสงสัยว่าทำไมพวกเขาไม่เพียงแค่ใช้แอมป์แรกเพื่อไปที่นั่น จากสิ่งที่ฉันเข้าใจจะมีข้อได้เปรียบบางอย่าง:

อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนที่ดีขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น
เส้นทางเสียงที่เรียบง่าย
ชิ้นส่วนและค่าใช้จ่ายน้อยลง

มันมีบางอย่างเกี่ยวข้องกับความเสถียรของ opamp มากกว่า 60dB หรือไม่?

นี่คือแผนผังทั่วไป R12 จำกัด กำไรที่ 40.1dB ฉันใช้สูตรเหล่านี้:

A = 1 + (R_{ฉ ข} / R_{ผม n})

$A = 1 + (R_{fb}/R_{in})$

ก. a ผม n_{d B} = 20 * * * * ล. โอ ก. (A)

$gain_{dB} = 20 * log(A)$

ฉันยังสังเกตเห็นว่าไอซีแอมป์ preamp ที่สมบูรณ์ทำโดย That-Corp ยังได้รับประโยชน์สูงสุด 60dB

operational-amplifier audio gain

— MeatBallRagu
แหล่งที่มา

3

คุณคิดว่า 60dB (1000V / V) นั้นเพียงพอสำหรับแอปพลิเคชั่นนี้หรือไม่? 70dB = 3162V / V 80dB = 10kV / V ผู้ใช้ไม่จำเป็นต้องได้รับประโยชน์มากจากแอมป์ของพวกเขา

— vofa

นอกเหนือจากปัญหา GBW คุณต้องพิจารณาว่า opamps ที่แท้จริงมีกำไรเพียง ~ 100dB เท่านั้นและคุณต้องเก็บความคิดเห็นไว้ในเชิงลบ

— user207421

คุณสามารถให้ลิงค์ไปยังพรีแอมป์ที่ให้กำไร 70 หรือ 80 เดซิเบลซึ่งตรงข้ามกับแค่กำไร "มาตรฐาน" 60 เดซิเบลหรือไม่

— แอนดี้อาคา

ขอบคุณมากสำหรับคำตอบที่แจ่มใสเช่นนี้ที่เปิดเส้นทางใหม่ที่ยอดเยี่ยมในการอ่านซึ่งจะช่วยให้ฉันเข้าใจเรื่องที่หลงใหลนี้ได้ดียิ่งขึ้น ฉันรักฟอรั่มนี้!

— MeatBallRagu

3

@ vofa: ฉันใช้ไมโครโฟน ribbon แบบเอาท์พุทต่ำ (เช่น Coles 4038) ที่ห่างจากแหล่งกำเนิดมากกว่า 2 ฟุตและเพิ่มมากขึ้นที่ 60dB (ขึ้นอยู่กับการทำเครื่องหมายบนแผงด้านหน้า) ในแต่ละวัน

— MeatBallRagu

25

ผลิตภัณฑ์ Gain / Bandwidth คุณอาจต้องการแบนด์วิดท์ 50KHz ที่ 60dB (1,000 ครั้ง) ดังนั้นคุณต้องการประมาณ 50MHz, ผลิตภัณฑ์ Gain / แบนด์วิดท์ (และมากกว่านั้นจะลดการบิดเบือน HF) ... ทำให้ 80dB และตอนนี้คุณต้องการ 500MHz GBP กำลังยากขึ้นหากคุณต้องการให้เสียงรบกวนต่ำลงใกล้ ๆ DC (และกำลังได้รับข่าวร้ายจริง ๆ เพื่อทำให้มีเสถียรภาพที่อัตรากำไรต่ำ)

นอกจากนี้ให้พิจารณาด้วยว่าเสียงนั้นถูกควบคุมโดยเสียงสำหรับเวทีที่มี 20 หรือ 30 เดซิเบลแรกของการคำนวณ (Do the maths) มีหลายอย่างที่ต้องพูดเพื่อแยกสิ่งต่าง ๆ เพื่อให้กำไร 30dB แรกเกิดขึ้นในระดับต่ำ ระดับเสียงรบกวนที่ออกแบบมาสำหรับแหล่งกำเนิดสัญญาณ Z ต่ำและสัญญาณรบกวน 1 / F ต่ำซึ่งตอนนี้ต้องการเพียงไม่กี่เมกะเฮิรตซ์ที่ GBP และจะง่ายต่อการทรงตัวแม้จะมีความต้านทานแบบแปลก ๆ จากนั้นทำส่วนที่เหลือในขั้นตอนที่สอง (ที่เสียงรบกวนมีความสำคัญน้อยลงและคุณมีความต้านทานแหล่งที่รู้จัก)

อีกเรื่องที่ยากก็คือกฎการควบคุมที่ทำให้รู้สึกยุ่งยากมากขึ้นหากไปควบคุมลูกบิดแบบหนึ่งซึ่งเป็นขั้นตอนการบรรเลงแบบคลาสสิกที่มีตัวต้านทานการตั้งค่าการรับผลที่แตกต่างกันจากไม่กี่โอห์มถึงอาจจะเป็นไม่กี่ k โอห์ม มันอาจจะเป็นเพียงลำดับ 3 ของขนาดยากมากที่จะทำให้หม้อบันทึกย้อนกลับมีช่วงที่มากขึ้น

— แดนมิลส์
แหล่งที่มา

ฉันสงสัยว่าฉันต้องการสร้างแอมพลิฟายเออร์ไมโครโฟนจากวิดีโอ opamp (ซึ่งเรากำลังพูดถึงอยู่ที่ 50MHz GBP) :)

— rackandboneman

การกรองที่แม่นยำมักจะต้องใช้คุณสมบัติความต้านทานแหล่งที่รู้จัก แต่อุปกรณ์ขยายสัญญาณหลายชนิดได้รับการออกแบบให้ทำงานกับอิมพีแดนซ์ของแหล่งที่มาโดยพลการ หากสัญญาณมีส่วนประกอบสำคัญที่ควรถูกกรองออกอาจจำเป็นต้องเริ่มต้นด้วยสเตจแอมป์ซึ่งมีจุดประสงค์หลักคือการแปลงสัญญาณอิมพิแดนซ์ที่ไม่รู้จักเป็นสัญญาณอิมพิแดนซ์ที่รู้จัก การได้รับอย่างใดอย่างหนึ่งสามารถจัดการได้ในขั้นตอนนั้นจะทำให้ส่วนที่เหลือของวงจรไวต่อเสียงรบกวนน้อยลง แต่การประมวลผลสัญญาณที่ไม่ผ่านการกรองอาจต้องใช้พื้นที่เพิ่มพิเศษ

— supercat

13

มีเรื่องของ GBW (ผลิตภัณฑ์อัตราขยายแบนด์วิดท์ ) ดังนั้นขั้นตอนเดียวจึงไม่น่ามีประสิทธิภาพที่ดี ยังไม่เพียงพอที่จะส่งเสียงแหลมผ่านแบนด์วิดท์คุณต้องการได้รับมากพอที่จะลดการบิดเบือนและรับการทำสำเนาที่แม่นยำด้วยการตอบสนองแบบแบน (แม้ว่าการบิดเบือนเนื้อหาที่มากกว่า 10kHz นั้นไม่สำคัญสำหรับการได้ยินของมนุษย์) แน่นอนว่าคุณสามารถมีสองขั้นตอนพร้อมกับรับผลตอบแทนที่สมเหตุสมผลมากขึ้นในแต่ละครั้ง โปรดจำไว้ว่าแบนด์วิดท์ถูกกำหนดโดยจุด -3dB (เอาต์พุตจะลดลงครึ่งกำลังที่ขอบของแถบความถี่) และนั่นไม่ได้แบนตามมาตรฐานออดิโอไฟล์

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

เนื่องจากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าต่ำมากเช่นไมโครโฟนแบบริบบิ้นมีแนวโน้มที่จะมีความต้านทานต่ำเช่นกันนี่จึงเป็นการแลกเปลี่ยนที่ดี

มีวิธีอื่นในการลดเสียงรบกวนที่ต่ำมากโดยใช้ discretes เช่น JFET หลายตัวทำงานที่กระแสค่อนข้างสูง สิ่งนี้สามารถลดเสียงรบกวนได้อย่างยอดเยี่ยมโดยรากที่สองของจำนวน JFETs แต่ความจุอินพุตเป็นสัดส่วนกับจำนวนของ JFETs แบบขนานดังนั้นผลเสียจะเพิ่มขึ้นเร็วกว่าการปรับปรุงอีกครั้ง

— Spehro Pefhany
แหล่งที่มา

8

ทำไม (ไมโครโฟน) การออกแบบ preamps จึงมีแนวโน้มที่จะ จำกัด opamp gain ให้สูงสุด 60 dB?

ภาพรวมที่ดีของช่วงทั้งหมดของไมโครโฟนและอุปกรณ์เสียงอื่น ๆ ที่ผลิต: -

รูปภาพที่นำมาจากที่นี่

ดังที่เห็นได้จากไมโครโฟนสตูดิโอ (ขึ้นอยู่กับประเภท) สามารถสร้างเอาต์พุตได้ตั้งแต่ -60 dBm (เทียบกับ 600 โอห์มดังนั้น 0 dBm = 0.775 โวลต์) ถึง -20 dBm นี่คือระดับแรงดันอินพุตมาตรฐาน 1 pascal ที่ 1 kHz

ระดับอินพุตของสายโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 0 dBm ดังนั้นไมโครโฟนปรีทั่วไปจะสร้างได้ในช่วง 20 dB ถึง 60 dB

— แอนดี้อาคา
แหล่งที่มา

8

วงจรแอมป์สหกรณ์จำนวนมากได้รับการออกแบบเพื่อให้พวกเขาได้รับผลกำไรแน่นอนหากสร้างขึ้นโดยใช้องค์ประกอบที่เหมาะรวมถึงแอมป์สหกรณ์ที่ไม่มีที่สิ้นสุด ในทางปฏิบัติวงจรดังกล่าวจะถูกสร้างขึ้นด้วยองค์ประกอบที่ไม่เหมาะเสมอและพฤติกรรมของพวกเขาจะไม่ตรงกับสิ่งที่จะเป็นผลมาจากองค์ประกอบในอุดมคติ พิจารณาแอมป์พื้นฐานมาก ๆ :

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

เมื่อใช้ส่วนประกอบที่เหมาะที่สุดกำไรจะเป็น (R1 + R2) / R2 ฉันจะเรียกว่า "กำไรเล็กน้อย" ในวงจรจริงถ้าแอมป์สหกรณ์มีอัตราขยายวงคงที่กำไรจะเป็น 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain) หากอัตราขยายลูปของ op amp นั้นใหญ่กว่า (R1 + R2) / R2 ดังนั้น 1 / opAmpGain จะน้อยมากเมื่อเทียบกับ R2 / (R1 + R2) และค่าที่แน่นอนจะไม่สำคัญ มาก. ยิ่งกว่านั้นแม้ว่าอัตราขยายวงเปิดอาจเปลี่ยนแปลงเนื่องจากปัจจัยเช่นความถี่หรือ - ยิ่งแย่ลง - แรงดันไฟฟ้าขาเข้าอัตราขยายสูงสุดและต่ำสุดของวงจรจะค่อนข้างใกล้เคียง ตัวอย่างเช่นหากอัตราขยายวงเปิดอาจแตกต่างกันระหว่าง 500x และ 1000000X กำไรสุทธิของวงจรจะอยู่ในช่วงประมาณ 9.8x ถึง 10 เท่า ความหลากหลายมากกว่าที่ควรจะเหมาะสำหรับการใช้งานบางอย่าง แต่ก็ยังค่อนข้างเล็ก

หาก R1 ถูกเปลี่ยนเป็น 99K (การเปลี่ยนค่าเกนเล็กน้อยจาก 10 เท่าเป็น 100 เท่า) ดังนั้นความไวของวงจรต่อความได้รับจริงของแอมป์สหกรณ์จะเพิ่มขึ้นมากกว่าสิบเท่า การเปลี่ยนแปลงที่เหมือนกันในอัตราขยายที่แท้จริงของแอมป์จะทำให้อัตรากำไรสุทธิของวงจรอยู่ในช่วงตั้งแต่ 83x ถึง 100x ซึ่งเป็นรูปแบบที่ใหญ่กว่ามาก หากมีใครทำหน้าที่แทนวงจรที่แสดงด้านล่าง (เพื่อเพิ่มเป็น 10 เท่า) ด้วยสำเนาที่สองวงจรที่เกิดขึ้นจะมีอัตราขยายที่ประมาณ 96x ถึง 100x ระดับของความไม่แน่นอนสัมพัทธ์ที่ใหญ่กว่าเมื่อใช้สำเนาหนึ่งของวงจรนั้น แต่มีขนาดเล็กกว่ามากเมื่อพยายามบรรลุอัตราขยาย 100x ในขั้นตอนเดียว

การได้รับ 60dB จะทำให้ได้รับแรงดันไฟฟ้า 1000: 1 ในขณะที่แอมป์สหกรณ์หนึ่งตัวที่มีโอเพ่นลูปสูงพอที่จะทำกำไร 1,000: 1 เล็กน้อยที่ใช้งานจริงที่ความถี่เสียงอาจจะราคาถูกกว่าแอมป์สองแอมป์ที่มีข้อกำหนดต่ำกว่าเล็กน้อยแอมป์ที่ทำงานได้ดี มีราคาแพงกว่ามาก ในระดับหนึ่งของการได้รับการใช้แอมป์ที่มีราคาถูกกว่าสองแอมป์นั้นจะใช้งานได้จริงมากกว่าการใช้แอมป์หนึ่งตัวซึ่งมีคุณภาพเพียงพอที่จะทำงานได้ดีกว่าที่ได้รับสูงกว่า

— SuperCat
แหล่งที่มา

6

60 dB หมายถึง 1 mV จากไมโครโฟนกลายเป็น 1 V out นั่นเป็นเรื่องเกี่ยวกับจำนวนสูงสุดที่คุณต้องการขยายไมโครโฟนและป้อนลงในอินพุต "ระดับสาย" ไมโครโฟนส่วนใหญ่จะสร้าง mV เพียงเล็กน้อยสำหรับระดับเสียงปกติ

— แลงทรอพ
แหล่งที่มา

4

FTR ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์ของสตูดิโอมีระดับที่สูงมากเพราะพวกเขามีสเตปแอมป์ในตัวที่ได้รับการแก้ไขแล้ว (โดยทั่วไปแล้วฉันเชื่อว่าเป็นคลาส A แบบแยก) และนั่นก็เป็นส่วนที่จำเป็นเพราะปรีแอมป์ไมโครโฟนแบบแยกส่วนโดยทั่วไปไม่มีประโยชน์เพียงพอที่จะทำกับสัญญาณดิบจากแคปซูล ดังนั้นคุณไม่สามารถโต้แย้งได้จริง ๆ ว่า“ ไม่จำเป็นต้องมีกำไรเพิ่มขึ้น” - ใช่มันจำเป็น! มันประสบความสำเร็จในจุดที่แตกต่าง และไมโครโฟนบางตัวโดยเฉพาะริบบิ้นจำนวนมากนั้นไม่มีสเตจที่ใช้งานเช่นนั้นดังนั้นจึงจำเป็นต้องได้รับมากกว่า 60 เดซิเบล

— leftaroundabout

@leftaroundabout วงจรในคอนเดนเซอร์สตูดิโอส่วนใหญ่ไม่ได้ให้แรงดันไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญมันเป็นเรื่องเกี่ยวกับการบัฟเฟอร์ความต้านทานสูงอย่างน่าประหลาดใจของเอาท์พุทแคปซูล (คิดว่า Giga โอห์มที่ความถี่ต่ำ) เพราะนี่ไม่รอดสายเคเบิลได้ดี แคปซูลที่มีอคติเหมาะสมจะส่งออก 10 mV อย่างมีความสุขมากมันทำที่ความต้านทานสูงมาก ในแง่นี้เป็นปัญหาตรงกันข้ามกับริบบิ้นซึ่งมีเอาต์พุตขนาดเล็ก แต่มีอิมพีแดนซ์ต่ำมากการออกแบบส่วนหน้าแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด ....

— แดนมิลส์

@DanMills: ถูกต้อง decoupling ความต้านทานเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของวงจรเหล่านี้ แต่จากนั้นอีกครั้งคุณอาจพูดได้ว่าแหล่งกำเนิดสัญญาณแบบ capacitive สามารถอยู่กับความจุของสายเคเบิลได้: สายเพียงลดระดับลง แต่ (ซึ่งแตกต่างจากอิมพีแดนซ์ที่เหนี่ยวนำสูงเช่นการเลือกกีต้าร์) ไม่ได้เปลี่ยนแปลงความถี่ ดังนั้นหากเราได้รับผลกำไรตามอำเภอใจโดยไม่มีผลกระทบใด ๆ เราก็สามารถใช้งานไมโครโฟนคอนเดนเซอร์แบบอิเล็คเทรตได้โดยไม่ต้องใช้พลังแฝง เพียงแค่ข้อโต้แย้ง“ เราไม่ต้องการกำไรมาก” นั้นไม่ได้อยู่คนเดียว ; เราสามารถใช้กำไรเพิ่มขึ้นได้เสมอ

— leftaroundabout

5

นอกจากคำตอบที่ยอดเยี่ยมอื่น ๆ เกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ที่ได้รับแบนด์วิดท์แล้วยังมีปัญหาอีกประการหนึ่ง ด้วยอัตราขยายที่มากเกินไปแอมป์สหกรณ์สามารถอิ่มตัวเนื่องจากแรงดันออฟเซ็ตอินพุต บอร์ดมิกเซอร์หลายเครื่องใช้แอมป์ 5532 op สำหรับระยะเกนแรก มีแรงดันออฟเซ็ตทั่วไปที่ 0.5mV แต่สามารถสูงกว่าอุณหภูมิได้ถึง 5mV ด้วย 60dB ของการได้รับชดเชย 5mV offset กลายเป็น 5V ของ DC offset ที่เอาท์พุท 5532 ยังมีผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์อัตราขยายทั่วไป 10MHz ดังนั้นที่ 60dB จะได้รับแบนด์วิดธ์สูงสุดที่ 10kHz

เมื่อได้รับมากก็มีแนวโน้มที่จะมีเสียงดังมาก หลังจากปรีแอมป์ฉันชอบที่จะใช้ฟิลเตอร์แอคทีฟ low-pass เพื่อให้ได้รับมากขึ้นและยังกรองสัญญาณรบกวนแอมป์เอาท์พุทความถี่สูงบางส่วน ผมใช้แอมป์ OPA2134 op ซึ่งผมได้เรียนรู้เกี่ยวกับการผ่านคำแนะนำการออกแบบกรองที่ใช้งานที่ดีในLinkwitz แล็บ หากความถี่สูงสุดต่ำฉันจะใช้น้อยกว่า 60dB ของการได้รับในขั้นตอนเดียว สองช่วง 40dB จะดีกว่า

— ทอมแอนเดอร์สัน
แหล่งที่มา

ขอบคุณทอม นอกจากนี้ที่ดี คุณตั้งความถี่ low pass filter ที่จุดใด -3dB

— MeatBallRagu

จุด 3dB ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันและอาจอยู่ที่ใดก็ได้ สำหรับโครงการเสียงของฉันมักจะเป็น 10kHz หรือต่ำกว่าเพราะแหล่งที่มาส่วนใหญ่ที่ฉันใช้ไม่ทำให้สัญญาณที่มีประโยชน์ข้างต้น โครงการล่าสุดของฉันอาจเป็น 1kHz หรือน้อยกว่าเพราะมันเป็นแหล่งความถี่ที่ต่ำมากซึ่งพื้นฐานอยู่ที่ไหนสักแห่งประมาณ 30Hz ถึง 70Hz

— Tom Anderson

ขอบคุณทอม แค่อยากรู้อยากเห็น: แหล่งกำเนิดเสียงที่ไม่มีอะไรเหนือ 1KHz คืออะไร? Synth?

— MeatBallRagu

1

@MeatBallRagu โครงการคือการขยายสดและฟังเสียงการบินของนกฮัมมิงเบิร์ด ฉันไม่แน่ใจว่าจำเป็นต้องใช้ฮาร์โมนิกจำนวนมากเพียงใด แต่พื้นฐานนั้นสูงถึง 70Hz เท่านั้น สำหรับผู้เล่นเบสของฉันดูเหมือนว่าฮาร์โมนิกที่สองจะดังที่สุด ฉันได้สร้างการตั้งค่านี้มาก่อน แต่ตอนนี้ฉันต้องการสิ่งที่ไม่สร้างความรำคาญซึ่งฉันสามารถปล่อยให้ติดตั้งไว้ในสนามหลังบ้านของฉันได้ ตอนนี้ฉันมีหน้าต่างที่เงียบกว่าและหวังว่าฉันจะสามารถฟังลำโพงขนาดใหญ่แทนหูฟังได้

— Tom Anderson