Чому конструкції підсилювача мікрофона мають обмеження посилення операційного підсилювача до максимум 60 дБ?

15

Переглядаючи багато мікрофонних підсилювачів якості запису, я помітив, що кожна дивилася на мене конструкція, яка використовує підсилювач (дискретний або ІС), обмежує коефіцієнт посилення, що надається операційним підсилювачем, приблизно на максимум 60 дБ. Хоча більшість підсилювачів використовують інший етап (трансформатор (и) або інший операційний підсилювач), щоб дістатися до 70 дБ або навіть 80 дБ, мені цікаво, чому вони не просто використовують перший операційний підсилювач, щоб потрапити туди. З того, що я розумію, були б деякі переваги:

краще співвідношення сигнал / шум у міру посилення напруги,
простіший аудіо шлях,
менше деталей і вартість.

Чи має це щось спільне зі стабільністю ОПАП понад 60 дБ?

Ось типова схема. R12 обмежує посилення до 40,1 дБ. Я використовую такі формули:

A = 1 + (R_{f b} / R_{i n})

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

g a i n_{d B} = 20 * l o g (A)

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

Я також зауважив, що повноцінні мікрофонні підсилювачі мікросхеми виробництва THAT-Corp також мають максимальний коефіцієнт посилення в 60 дБ.

operational-amplifier audio gain

— MeatBallRagu
джерело

3

Чи вважали ви, що 60dB (1000V / V) - достатньо посилення для цього додатка? 70dB = 3162V / V. 80dB = 10kV / V. Користувачам не потрібно стільки виграшу від їх підсилювача.

— вофа

На додаток до проблеми GBW, вам слід врахувати, що справжні opamps мають лише ~ 100dB виграшу, і вам потрібно зберегти деякі для негативних відгуків.

— користувач207421

Чи можете ви надати посилання на попередній підсилювач, який дає посилення 70 або 80 дБ на відміну від просто "стандартного" посилення 60 дБ?

— Енді ака

ДЯКУЮ Вам за такі яскраві відповіді, що відкривають чудовий новий шлях читання, який допоможе мені краще зрозуміти цю пристрасну тему. Я люблю цей форум!

— MeatBallRagu

3

@ vofa: Я використовую стрічкові мікрофони з низьким виходом (наприклад, Coles 4038) на відстані 2 футів від джерела, і додаю щоденно більше 60 дБ (на основі маркування на передніх панелях).

— MeatBallRagu

25

Продукт посилення / пропускної здатності, ви хочете, можливо, пропускну здатність 50 кГц при 60 дБ (1000 разів), тому вам потрібно десь 50 МГц, посилення / пропускну здатність продукту (І більше знизить би випромінювання HF) ... Зробіть це 80 дБ, і тепер вам потрібно 500 МГц GBP, який стає важко, якщо ви хочете знизити рівень шуму поблизу постійного струму (І отримувати дійсно погані новини для стабілізації при низькому посиленні).

Також врахуйте, що в шумі повністю переважає шум для сцени, що має перші 20 або 30 дБ посилення (Робіть математику), багато чого можна сказати для розділення речей, так що перший, можливо, 30 дБ посилення відбувається в низькому Етап шуму, розроблений для низьких джерел Z та низького 1 / F шуму, для якого зараз потрібно лише кілька МГц ГБП, і його буде легко стабілізувати навіть при дивному опорі джерела. Потім зробіть решту на другому етапі (де шум має значення менше, і у вас є опір відомих джерел).

Інша складна річ полягає в тому, що закони управління, які мають сенс, стають все більш складними, якщо перейти на керування посиленням однієї ручки, класичний інструментальний етап з резистором регулювання посилення, що варіюється від декількох Ом до, можливо, декількох к Ом, що якщо ви думаєте про це може бути лише 3 порядки, дуже важко зробити зворотний котел журналу, щоб мати більше діапазону, ніж це.

— Ден Міллс
джерело

Я сумніваюся, що я навіть хотів би побудувати підсилювач мікрофона з відеоапарату (про який ми говоримо на 50 МГц GBP) :)

— rackandboneman

Точна фільтрація часто вимагає відомих характеристик імпедансу джерела, але багато видів підсилювального обладнання розроблені для роботи з відносно довільним імпедансом джерела. Якщо сигнал містить значні компоненти, які слід відфільтрувати, можливо, потрібно буде почати з етапу підсилювача, головне призначення якого - перетворити сигнал невідомого імпедансу у сигнал відомого імпедансу. Будь-який приріст, яким можна керувати на цьому етапі, зробить решту ланцюга менш чутливими до шуму, але обробка нефільтрованих сигналів може зажадати додаткових застав.

— supercat

13

Існує справа в GBW ( продукт пропускної здатності ), тому один етап малоймовірний з хорошими показниками. Недостатньо просто проскочити через пропускну здатність, ви також хочете отримати достатній коефіцієнт посилення, щоб зменшити спотворення і отримати точне відтворення з плоскою реакцією (хоча, певно, спотворення на більш ніж 10 кГц неважливо для слуху людини). Звичайно, ви завжди можете пройти кілька етапів з більш розумним виграшем на кожному. Пам'ятайте, що пропускна здатність визначається точкою -3 дБ (вихід буде меншим до половини потужності на межі смуги пропускання), і це не зовсім рівне за стандартами аудіофілів.

Інша проблема полягає в тому, що навіть дуже хороший підсилювач може мати рівень шуму, що передається на вході, пара $\text{nV}/\sqrt {\text {Hz}}$

Оскільки джерела дуже низької напруги, такі як стрічкові мікрофони, також мають низький опір, це дуже добре.

Існують і інші методи отримання надзвичайно низьких показників шуму, використовуючи дискретні, такі як багато JFET, що працюють при досить великому струмі зливу. Це може зменшити шум, в ідеалі на квадратний корінь кількості JFET, але вхідна ємність паралельна кількості JFET паралельно, тому знову поганий ефект зростає швидше, ніж поліпшення.

— Спехро Пефаній
джерело

8

Чому конструкції підсилювачів (мікрофонів), як правило, обмежують посилення операційного підсилювача до максимум 60 дБ?

Хороша загальна картина всього спектру вироблених мікрофонів та інших аудіопристроїв: -

Знімок зроблений звідси .

Як видно, студійний мікрофон (залежно від типу) може виробляти діапазон виходів від -60 дБм (щодо 600 Ом, отже, 0 дБм = 0,775 вольт) до -20 дБм. Це для стандартного рівня вхідного тиску в 1 паскалі на 1 кГц.

Рівень вхідних ліній зазвичай становить приблизно 0 дБм, отже, типовий підсилювач мікрофона виробляє діапазон посилення від 20 дБ до 60 дБ.

— Енді ака
джерело

8

Багато схем підсилювачів спроектовані таким чином, що вони могли б отримати відомий кінцевий коефіцієнт виграшу, якщо побудувати його з використанням ідеальних компонентів, включаючи нескінченний посилений підсилювач. На практиці такі схеми завжди будуть побудовані з неідеальних компонентів, і їх поведінка не буде повністю відповідати тому, що було б результатом ідеальних компонентів. Розглянемо дуже базовий підсилювач:

схематичний

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

При використанні ідеальних компонентів посилення буде (R1 + R2) / R2; Я називаю це "номінальним виграшем". У фактичному ланцюзі, якщо підсилювач напруги має постійний коефіцієнт посилення з відкритим контуром, коефіцієнт посилення буде 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain). Якщо коефіцієнт підсилення підсилювача з відкритим контуром значно більший, ніж (R1 + R2) / R2, то 1 / opAmpGain буде дуже малим відносно R2 / (R1 + R2), і його точне значення не має значення багато. Крім того, навіть якщо коефіцієнт підсилення з відкритим контуром може змінюватися через такі фактори, як частота або - ще гірше - напруга на вході, максимальний і мінімальний коефіцієнт посилення для ланцюга будуть відносно близькими. Наприклад, якщо коефіцієнт підсилення з відкритим контуром може змінюватися між 500x і 1000000X, чистий коефіцієнт посилення ланцюга буде коливатися приблизно від 9,8x до 10x. Більше варіацій, ніж може бути ідеальним для деяких застосувань, але все-таки досить мало.

Якби R1 було змінено на 99K (змінивши номінальний коефіцієнт посилення від 10x до 100x), то чутливість схеми до фактичного посилення підсилювача буде збільшена більш ніж удесятеро. Та ж зміна фактичного посилення операційного підсилювача призведе до того, що чистий коефіцієнт підсилення ланцюга буде коливатися приблизно від 83x до 100x - набагато більшу зміну. Якби замість цього каскадувати схему, показану нижче (за 10-кратне посилення), з другою копією, отримана схема отримала б коефіцієнт посилення, який може становити приблизно від 96x до 100x. Більший ступінь відносної невизначеності, ніж при використанні однієї копії цього кола, але набагато менший, ніж при спробі досягти 100-кратного посилення за один етап.

Коефіцієнт посилення в 60 дБ призведе до посилення напруги 1000: 1. У той час як один підсилювач з достатньо високим коефіцієнтом посилення з відкритим контуром, щоб зробити номінальний коефіцієнт посилення 1000: 1 практичним на звукових частотах, може бути дешевшим, ніж два підсилювачі з дещо нижчими характеристиками, але підсилювачі, які працюватимуть при такій високій вигоді, підходять бути значно дорожчим. При деякому рівні виграшу використання двох дешевших підсилювачів буде більш практичним, ніж використання одного підсилювача, який має достатню якість, щоб добре працювати при більшій коефіцієнті посилення.

— суперкат
джерело

6

60 дБ означає, що 1 мВ від мікрофона стає на 1 В вихід. Це приблизно максимум, який потрібно підсилити мікрофоном і подати на вхід "рівень лінії". Більшість мікрофонів виробляють кілька мВ для нормального рівня звуку.

— Олін Латроп
джерело

4

FTR, студійні конденсаторні мікрофони пропонують лише такий високий рівень, оскільки вони вже мають вбудований перший підсилювач попереднього ступеня (як правило, простий дискретний клас A, я вважаю). І це частково необхідно, тому що окремі мікрофонні підсилювачі, як правило, не мають достатнього прибутку, щоб зробити справу із сирим сигналом з капсули. Тож ви не можете насправді стверджувати, що "не потрібно мати більше виграшів" - так, це необхідно! Це просто досягнуто в іншому місці. А деякі мікрофони, зокрема багато стрічок, не мають жодної такої активної стадії, і таким чином вимагають посилення> 60 дБ від підсилювача.

— близько

@leftaroundabout ланцюг у більшості студійних конденсаторів НЕ забезпечує значного посилення напруги, мова йде про буферизацію тупо високого імпедансу виходу капсули (думайте, ом гіга на низькій частоті), оскільки це дійсно не витримує ємності кабелю. Капсула з розумним ухилом буде виводити 10с мВ цілком щасливо, це просто робить це при дуже високому опорі. У певному сенсі це протилежна проблема, ніж у стрічки, яка має невеликий вихідний, але дуже низький опір джерела, конструкції переднього кінця, очевидно, дуже різні ....

— Ден Міллз

@DanMills: Ви маєте рацію, роз'єднання імпедансу є важливішою особливістю цих схем. Але знову ж таки, ви також можете сказати, що ємнісний джерело може жити з ємністю кабелю просто чудово: кабель лише послаблює рівень, але (на відміну від високої індуктивної опори, наприклад, гітарних підхоплень) не сильно змінює частотну характеристику. Отже, якби у нас було довільне посилення без несприятливих наслідків, ми могли б також використовувати електрореактивні конденсаторні мікрофони без фантомної сили. Просто аргумент «нам не потрібно стільки виграшу» , сам по собі не тримається ; ми завжди могли використовувати більше прибутку.

— близько

5

На додаток до інших відмінних відповідей щодо продуктової пропускної здатності є ще одна проблема. Занадто великий коефіцієнт посилення вхідний підсилювач може насичуватися через напругу зміщення входу. Багато змішувальних плит використовують підсилювач 5532 оп для першого етапу посилення. Він має типову зміщену напругу 0,5мВ, але він може досягати 5мВ над температурою. З коефіцієнтом посилення 60 дБ, зміщення входу 5мВ стає 5В зміщення постійного струму на виході. 5532 також має 10MHz типовий продукт пропускної здатності, тому при 60dB посилення смуга пропускання становить не більше 10 кГц.

Коли виграш багато, там також, як правило, багато шуму. Після попереднього підсилювача я люблю використовувати активний фільтр низьких частот, щоб отримати більший приріст, а також відфільтрувати частину вихідного шуму передчастотного сигналу високої частоти. Я використовую підсилювач OPA2134, про який я дізнався завдяки хорошим порадам щодо активного дизайну фільтрів у Лабораторії Linkwitz . Якщо максимальна частота низька, я б використовував менше, ніж 60dB посилення на одному етапі. Два етапи 40 дБ було б краще.

— Том Андерсон
джерело

Спасибі Томе. Приємне доповнення. З якою частотою ви встановлюєте фільтр низьких частот -3 дБ?

— MeatBallRagu

Точка 3dB залежить від програми та може бути де завгодно. Для моїх аудіопроектів зазвичай 10 кГц або менше, тому що більшість джерел, які я використовую, не надходять над цим корисними сигналами. Мій останній проект, мабуть, буде 1 кГц або менше, тому що це для джерела дуже низької частоти, де основні десь від 30 до 70 ГГц.

— Том Андерсон

Спасибі Томе. Просто цікаво: що це за аудіо джерело, яке не має нічого вище 1 КГц? Синт?

— MeatBallRagu

1

@MeatBallRagu Проект - це посилення в прямому ефірі та прослуховування польотів шумів колібрі. Я не впевнений, скільки гармонік потрібно, але основна - лише до 70 Гц. На мої вуха басиста, це звучить так, що другий гармонік найгучніший. Я раніше будував цю установку, але тепер я хочу ненав’язливу, яку можу залишити встановленою на задньому дворі. Зараз у мене є тихіші вікна, і я сподіваюся, що зможу слухати на великих динаміках замість навушників.

— Том Андерсон