Mengapa desain preamp (mikrofon) cenderung membatasi gain opamp hingga maksimal 60 dB?

15

Melihat banyak preamp mikrofon berkualitas rekaman pro, saya perhatikan bahwa setiap desain yang saya lihat yang menggunakan opamp (diskrit atau IC) membatasi gain yang disediakan oleh opamp sekitar 60dB maks. Sementara sebagian besar preamp menggunakan tahap lain (transformator atau opamp lain) untuk mencapai 70dB atau bahkan 80dB, saya bertanya-tanya mengapa mereka tidak hanya menggunakan opamp pertama untuk sampai ke sana. Dari apa yang saya pahami, akan ada beberapa keuntungan:

  • rasio signal-to-noise yang lebih baik karena kenaikan tegangan naik,
  • jalur audio yang lebih sederhana,
  • kurang bagian & biaya.

Apakah ada hubungannya dengan stabilitas opamp lebih dari 60dB?

Berikut ini adalah skema khas. Batas R12 naik menjadi 40.1dB. Saya menggunakan rumus ini:

A=1+(Rfb/Rin)

gSebuahsayandB=20∗lHaig(SEBUAH)

Saya juga memperhatikan bahwa IC preamp mic lengkap yang dibuat oleh THAT-Corp juga memiliki gain maksimum 60dB.

operational-amplifier audio gain MeatBallRagu
sumber
3
Sudahkah Anda menganggap bahwa 60dB (1000V / V) hanya cukup untuk aplikasi ini? 70dB = 3162V / V. 80dB = 10kV / V. Para pengguna tidak membutuhkan banyak keuntungan dari preamp mereka.
vofa
Selain masalah GBW Anda perlu mempertimbangkan bahwa opamps nyata hanya memiliki ~ 100dB, dan Anda perlu menyimpan beberapa untuk umpan balik negatif.
user207421
Bisakah Anda memberikan tautan ke pre-amp yang memberikan gain 70 atau 80 dB sebagai lawan dari hanya "standar" gain 60 dB?
Andy alias
TERIMA KASIH atas jawaban yang mencerahkan seperti itu yang membuka jalan bacaan baru yang hebat yang akan membantu saya memahami lebih baik subjek yang penuh gairah ini. Saya suka forum ini!
MeatBallRagu
3
@ vofa: Saya menggunakan mikrofon pita output rendah (seperti Coles 4038) pada jarak lebih dari 2 kaki dari sumber dan menambahkan lebih dari 60dB (berdasarkan tanda pada panel depan) dari keuntungan setiap hari.
MeatBallRagu

Jawaban:

25

Produk Gain / Bandwidth, Anda mungkin menginginkan bandwidth 50KHz pada 60dB (1.000 kali), jadi Anda memerlukan sekitar 50MHz, produk gain / bandwidth (Dan lebih banyak lagi akan menurunkan distorsi HF) ... Jadikan 80dB dan sekarang Anda membutuhkan 500MHz GBP, yang semakin sulit jika Anda ingin kebisingan rendah di dekat DC (Dan semakin kabar buruk untuk stabil di gain rendah).

Juga pertimbangkan bahwa suara benar-benar didominasi oleh suara untuk tahap memiliki 20 atau 30dB pertama dari keuntungan (Lakukan matematika), ada banyak yang bisa dikatakan untuk memecah hal-hal sehingga 30dB pertama mungkin terjadi dalam rendah tahap kebisingan dirancang untuk sumber Z rendah dan kebisingan 1 / F rendah, yang sekarang hanya membutuhkan beberapa MHz GBP dan akan mudah stabil bahkan dengan impedansi sumber aneh. Kemudian lakukan sisanya di tahap kedua (di mana noise kurang penting dan Anda memiliki impedansi sumber yang diketahui).

Hal yang sulit lainnya adalah bahwa undang-undang kontrol yang masuk akal menjadi semakin rumit jika menggunakan kontrol gain satu tombol, tahap instrumentasi klasik dengan resistor pengaturan gain bervariasi dari beberapa ohm hingga mungkin beberapa k ohm, yang jika Anda pikirkan tentang hanya mungkin 3 kali lipat, sangat sulit untuk membuat pot log terbalik memiliki rentang lebih dari itu.

Dan Mills
sumber
Saya ragu bahwa saya bahkan ingin membangun penguat mikrofon dari opamp video (yang kita bicarakan pada 50MHz GBP) :)
rackandboneman
Pemfilteran yang akurat sering membutuhkan karakteristik impedansi-sumber yang diketahui, tetapi banyak jenis peralatan penguatan dirancang untuk bekerja dengan impedansi sumber yang relatif arbitrer. Jika sinyal mengandung komponen penting yang harus disaring, mungkin perlu untuk memulai dengan tahap penguat yang tujuan utamanya adalah mengubah sinyal impedansi tidak dikenal menjadi sinyal impedansi yang diketahui. Keuntungan apa pun yang dapat dikelola seseorang pada tahap itu akan membuat sisa sirkuit kurang sensitif terhadap kebisingan, tetapi pemrosesan sinyal tanpa filter mungkin memerlukan ruang kepala tambahan.
supercat
13

Ada masalah GBW ( gain-bandwidth produk ), jadi satu tahap tidak mungkin dengan kinerja yang baik. Tidak cukup hanya mencicit melalui bandwidth Anda juga ingin mendapatkan cukup untuk mengurangi distorsi dan mendapatkan reproduksi yang akurat dengan respon datar (meskipun distorsi pada lebih dari sekitar 10kHz tidak penting untuk pendengaran manusia). Tentu saja Anda selalu dapat memiliki beberapa tahap dengan keuntungan yang lebih masuk akal masing-masing. Ingat bandwidth didefinisikan oleh titik -3dB (output akan turun ke setengah daya di tepi band pass), dan itu tidak persis datar menurut standar audiophile.

nV/Hz

Karena sumber tegangan sangat rendah seperti mikrofon pita juga cenderung memiliki impedansi rendah, ini merupakan pertukaran yang baik.

Ada metode lain untuk mendapatkan kinerja noise yang sangat rendah dengan menggunakan diskret seperti beberapa JFET berjalan pada arus drain yang agak tinggi. Ini dapat mengurangi kebisingan, idealnya dengan akar kuadrat dari jumlah JFET, tetapi kapasitansi input sebanding dengan jumlah JFET secara paralel, jadi sekali lagi efek buruknya meningkat lebih cepat daripada peningkatan.

Spehro Pefhany
sumber
8

Mengapa (mikrofon) desain preamp cenderung membatasi gain opamp hingga maksimal 60 dB?

Gambaran keseluruhan yang baik dari seluruh jajaran mikrofon dan perangkat audio lainnya: -

masukkan deskripsi gambar di sini

Foto diambil dari sini .

Seperti dapat dilihat, mikrofon studio (tergantung jenisnya) dapat menghasilkan kisaran output dari -60 dBm (relatif hingga 600 ohm maka 0 dBm = 0,775 volt) hingga -20 dBm. Ini untuk level tekanan input standar 1 pascal pada 1 kHz.

Level input baris biasanya sekitar 0 dBm sehingga preamp mikrofon khas akan menghasilkan kisaran penguatan 20 dB hingga 60 dB.

Andy alias
sumber
8

Banyak rangkaian op amp dirancang sedemikian rupa sehingga akan menghasilkan gain hingga yang diketahui jika dibangun menggunakan komponen ideal termasuk op-gain tanpa batas. Dalam praktiknya, sirkuit seperti itu akan selalu dibangun dengan komponen yang tidak ideal, dan perilakunya tidak akan sama dengan apa yang dihasilkan dari komponen ideal. Pertimbangkan penguat yang sangat mendasar:

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Saat menggunakan komponen ideal, penguatannya adalah (R1 + R2) / R2; Saya akan menyebutnya "keuntungan nominal". Dalam rangkaian aktual, jika op amp memiliki gain loop terbuka konstan, gain akan menjadi 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain). Jika gain loop terbuka dari op amp jauh lebih besar dari (R1 + R2) / R2, maka 1 / opAmpGain akan menjadi relatif sangat kecil dibandingkan dengan R2 / (R1 + R2), dan nilai pastinya tidak akan menjadi masalah banyak. Lebih lanjut, bahkan jika gain loop terbuka mungkin bervariasi karena faktor-faktor seperti frekuensi atau - lebih buruk lagi - tegangan input, gain maksimum dan minimum untuk rangkaian akan relatif dekat. Misalnya, jika gain loop terbuka mungkin bervariasi antara 500x dan 1000000X, keuntungan bersih dari rangkaian akan berkisar dari sekitar 9,8x hingga 10x. Lebih banyak variasi daripada yang mungkin ideal untuk beberapa penggunaan, tetapi masih cukup kecil.

Jika R1 diubah menjadi 99K (mengubah gain nominal dari 10x menjadi 100x), maka sensitivitas rangkaian terhadap gain aktual dari op amp akan meningkat lebih dari sepuluh kali lipat. Variasi yang sama dalam gain aktual op amp akan menyebabkan keuntungan bersih rangkaian berkisar dari sekitar 83x hingga 100x - variasi yang jauh lebih besar. Jika seseorang malah membuat rangkaian yang ditunjukkan di bawah ini (untuk gain 10x) dengan salinan kedua, sirkuit yang dihasilkan akan memiliki gain yang bisa berkisar dari sekitar 96x hingga 100x. Tingkat ketidakpastian relatif yang lebih besar daripada saat menggunakan satu salinan sirkuit itu, tetapi jauh lebih kecil daripada ketika mencoba mencapai keuntungan 100x dalam satu tahap.

Penguatan 60dB akan membutuhkan penguatan voltase 1000: 1. Sementara satu op amp dengan gain loop terbuka yang cukup tinggi untuk membuat gain nominal 1000: 1 praktis pada frekuensi audio mungkin lebih murah daripada dua op amp dengan spesifikasi yang sedikit lebih rendah, op amp yang akan bekerja dengan baik pada gain yang lebih tinggi cenderung untuk jauh lebih mahal. Pada tingkat keuntungan tertentu, menggunakan dua amp yang lebih murah akan lebih praktis daripada menggunakan satu amp yang kualitasnya cukup untuk bekerja dengan baik pada gain yang lebih tinggi.

supercat
sumber
6

60 dB berarti 1 mV dari mik menjadi 1 V keluar. Itu tentang jumlah maksimum yang Anda inginkan untuk memperkuat mikrofon dan mengumpankan ke input "line level". Kebanyakan mikrofon menghasilkan beberapa mV untuk tingkat suara normal.

Olin Lathrop
sumber
4
FTR, mikrofon studio kondensor hanya menawarkan level sebanyak itu karena mereka sudah memiliki tahap preamp pertama yang sudah diperbaiki (biasanya kelas diskrit-A sederhana, saya percaya). Dan itu sebagian diperlukan karena preamp mik terpisah umumnya tidak memiliki cukup gain untuk puas dengan sinyal mentah dari kapsul. Jadi Anda tidak dapat benar-benar berdebat "tidak perlu untuk mendapatkan lebih banyak" - ya, itu perlu! Hanya dicapai di tempat yang berbeda. Dan beberapa mic, khususnya banyak pita, tidak memiliki tahap aktif seperti itu dan karenanya benar-benar memerlukan gain> 60 dB dari preamp.
leftaroundabout
@leftaroundoutout di sebagian besar kondensor studio TIDAK memberikan peningkatan tegangan yang signifikan, ini semua tentang buffering impedansi tinggi yang bodoh dari output kapsul (Pikirkan Giga ohm pada frekuensi rendah), karena ini benar-benar tidak bertahan dengan baik kapasitansi kabel. Sebuah kapsul dengan bias yang masuk akal akan menghasilkan 10s mV dengan cukup senang, itu hanya melakukannya pada impedansi yang sangat tinggi. Dalam arti tertentu ini adalah masalah yang berlawanan dengan pita, yang memiliki output kecil tetapi impedansi sumber sangat rendah, desain ujung depan jelas sangat berbeda ....
Dan Mills
@DanMills: Anda benar, decoupling impedansi adalah fitur yang lebih penting dari rangkaian ini. Tetapi sekali lagi, Anda juga bisa mengatakan sumber kapasitif dapat hidup dengan kapasitas kabel baik-baik saja: kabel hanya melemahkan tingkat, tetapi (tidak seperti dengan impedansi induktif yang tinggi misalnya pickup gitar) tidak banyak mengubah respons frekuensi. Oleh karena itu, jika kita memiliki keuntungan yang sewenang-wenang tanpa efek buruk, kita juga bisa mengoperasikan mikrofon kondensor electret tanpa kekuatan hantu. Hanya saja, argumen "kita tidak membutuhkan banyak keuntungan" tidak bertahan dengan sendirinya ; kita selalu bisa menggunakan lebih banyak keuntungan.
leftaroundabout
5

Selain jawaban bagus lainnya tentang produk gain-bandwidth, ada masalah lain. Dengan terlalu banyak gain, op amp input dapat jenuh karena tegangan offset input. Banyak papan mixer menggunakan op amp 5532 untuk tahap penguatan pertama. Ini memiliki tegangan offset 0,5mV, tetapi bisa setinggi 5mV di atas suhu. Dengan gain 60dB, offset input 5mV menjadi offset DC 5V pada output. 5532 juga memiliki produk gain-bandwidth 10MHz khas, jadi pada gain 60dB bandwidth paling banyak 10kHz.

Ketika ada banyak keuntungan, ada juga cenderung banyak kebisingan. Setelah preamp, saya suka menggunakan filter aktif low-pass untuk mendapatkan lebih banyak keuntungan, dan juga menyaring beberapa kebisingan output preamp frekuensi tinggi. Saya menggunakan op amp OPA2134, yang saya pelajari melalui saran desain filter aktif yang baik di Linkwitz Lab . Kecuali frekuensi maksimum rendah, saya akan menggunakan kurang dari 60dB bahkan keuntungan dalam satu tahap. Dua tahap 40dB akan lebih baik.

Tom Anderson
sumber
Terima kasih tom. Tambahan yang bagus. Pada frekuensi apa Anda mengatur titik low-filter -3dB?
MeatBallRagu
Titik 3dB tergantung pada aplikasi, dan bisa di mana saja. Untuk proyek audio saya, biasanya 10kHz atau lebih rendah, karena sebagian besar sumber yang kebetulan saya gunakan tidak membuat sinyal yang berguna di atas itu. Proyek terbaru saya mungkin akan 1kHz atau kurang, karena itu untuk sumber frekuensi yang sangat rendah, di mana fundamentalnya adalah sekitar 30Hz hingga 70Hz.
Tom Anderson
Terima kasih tom. Hanya ingin tahu: apa sumber audio yang tidak ada yang di atas 1KHz? Synth?
MeatBallRagu
1
@MeatBallRagu Proyek ini adalah amplifikasi langsung dan mendengarkan suara penerbangan burung kolibri. Saya tidak yakin berapa banyak harmonik yang diperlukan, tetapi yang mendasar hanya hingga 70Hz. Bagi telinga saya pemain bass, sepertinya harmonik kedua adalah yang paling keras. Saya telah membangun pengaturan ini sebelumnya, tetapi sekarang saya ingin yang tidak mencolok yang dapat saya tinggalkan terpasang di halaman belakang saya. Saya juga memiliki jendela yang lebih tenang sekarang, dan saya berharap dapat mendengarkan speaker besar, bukan headphone.
Tom Anderson