¿Por qué los diseños de preamplificador (micrófono) tienden a limitar la ganancia de amplificador a un máximo de 60 dB?

Al observar muchos preamplificadores de micrófono de calidad de grabación profesional, noté que cada diseño que miré que usa un opamp (discreto o IC) limita la ganancia provista por el opamp a aproximadamente 60dB. Si bien la mayoría de los preamplificadores usan otra etapa (transformador (es) u otro opamp) para llegar a 70db o incluso 80dB, me pregunto por qué no solo usan el primer opamp para llegar allí. Por lo que entiendo, habría algunas ventajas:

• mejor relación señal / ruido a medida que aumenta la ganancia de voltaje,
• ruta de audio más simple,
• Menos partes y costo.

¿Tiene algo que ver con la estabilidad opamp de más de 60dB?

Aquí hay un esquema típico. R12 limita la ganancia a 40.1dB. Estoy usando estas fórmulas:

También noté que los circuitos integrados de preamplificador de micrófono completos hechos por THIS-Corp también tienen una ganancia máxima de 60dB.

Producto de ganancia / ancho de banda, quizás desee un ancho de banda de 50 kHz a 60dB (1,000 veces), por lo que necesita un producto de ganancia / ancho de banda de alrededor de 50MHz (y más reduciría la distorsión de HF) ... Hágalo 80dB y ahora necesita 500MHz GBP, que se está volviendo difícil si desea un bajo nivel de ruido cerca de DC (y está recibiendo muy malas noticias para estabilizarse con baja ganancia).

También considere que el ruido está completamente dominado por el ruido para la etapa que tiene los primeros 20 o 30dB de ganancia (Haga los cálculos), hay mucho que decir para dividir las cosas para que los primeros 30dB de ganancia ocurran en un nivel bajo Etapa de ruido diseñada para fuentes bajas de Z y bajo ruido 1 / F, que ahora solo necesita unos pocos MHz de GBP y será fácil de estabilizar incluso con una impedancia de fuente extraña. Luego haga el resto en una segunda etapa (donde el ruido importa menos y tiene una impedancia de fuente conocida).

La otra cosa difícil es que las leyes de control que tienen sentido se vuelven cada vez más difíciles si se busca un control de ganancia de una perilla, una etapa de instrumentación clásica con una resistencia de ajuste de ganancia que varía de unos pocos ohmios a quizás unos pocos k ohmios, lo que si se piensa en es solo tal vez 3 órdenes de magnitud, es muy difícil hacer que un bote de registro inverso tenga más alcance que eso.

Está la cuestión de GBW (producto de ganancia de ancho de banda ), por lo que una sola etapa es improbable con un buen rendimiento. No es suficiente simplemente pasar por el ancho de banda, también desea obtener suficiente ganancia para reducir la distorsión y obtener una reproducción precisa con una respuesta plana (aunque podría decirse que la distorsión a más de aproximadamente 10 kHz no es importante para la audición humana). Por supuesto, siempre puede tener un par de etapas con una ganancia más razonable cada una. Recuerde que el ancho de banda está definido por el punto -3dB (la salida se reducirá a la mitad de potencia en el borde de la banda de paso), y eso no es exactamente plano según los estándares de los audiófilos.

$\text{nV}/\sqrt {\text {Hz}}$ , mientras que una etapa de entrada del transformador proporcionará un aumento de voltaje esencialmente silencioso (a expensas de reducir la impedancia de entrada por el cuadrado de la relación de espiras).

Dado que las fuentes de muy bajo voltaje, como los micrófonos de cinta, también tienden a ser de baja impedancia, esta es una buena compensación.

Existen otros métodos para obtener un rendimiento de ruido extremadamente bajo mediante el uso de dispositivos discretos, como múltiples JFET que funcionan con una corriente de drenaje bastante alta. Esto puede reducir el ruido, idealmente por la raíz cuadrada del número de JFET, pero la capacitancia de entrada es proporcional al número de JFET en paralelo, por lo que nuevamente el mal efecto aumenta más rápido que la mejora.

¿Por qué los diseños de preamplificadores (micrófonos) tienden a limitar la ganancia de amplificador a un máximo de 60 dB?

Una buena imagen general de todo el rango de lo que producen los micrófonos y otros dispositivos de audio:

Foto tomada desde aquí .

Como se puede ver, un micrófono de estudio (según el tipo) puede producir un rango de salidas de -60 dBm (en relación con 600 ohmios, por lo tanto, 0 dBm = 0.775 voltios) a -20 dBm. Esto es para el nivel de presión de entrada estándar de 1 pascal a 1 kHz.

Los niveles de entrada de línea son típicamente de aproximadamente 0 dBm, por lo tanto, un preamplificador de micrófono típico producirá un rango de ganancia de 20 dB a 60 dB.

Muchos circuitos de amplificador operacional están diseñados de modo que produzcan una ganancia finita conocida si se construyen utilizando componentes ideales, incluido un amplificador operacional de ganancia infinita. En la práctica, dichos circuitos siempre se construirán con componentes no ideales, y su comportamiento no coincidirá exactamente con lo que hubiera resultado de los componentes ideales. Considere un amplificador muy básico:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Cuando se usan componentes ideales, la ganancia será (R1 + R2) / R2; Lo llamaré la "ganancia nominal". En un circuito real, si un amplificador operacional tiene una ganancia de bucle abierto constante, la ganancia será 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain). Si la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional es mucho mayor que (R1 + R2) / R2, entonces 1 / opAmpGain será muy pequeño en relación con R2 / (R1 + R2), y su valor exacto no importará mucho. Además, incluso si la ganancia de bucle abierto puede variar debido a factores como la frecuencia o, lo que es peor, el voltaje de entrada, la ganancia máxima y mínima para el circuito estaría relativamente cerca. Por ejemplo, si la ganancia de bucle abierto puede variar entre 500x y 1000000X, la ganancia neta del circuito oscilará entre aproximadamente 9.8x y 10x. Más variación de la que podría ser ideal para algunos usos, pero sigue siendo bastante pequeña.

Si R1 se cambiara a 99K (cambiando la ganancia nominal de 10x a 100x), entonces la sensibilidad del circuito a la ganancia real del amplificador operacional aumentaría más de diez veces. La misma variación en la ganancia real del amplificador operacional haría que la ganancia neta del circuito oscile entre 83x y 100x, una variación mucho mayor. Si, en cambio, se conecta en cascada el circuito que se muestra a continuación (para una ganancia de 10x) con una segunda copia, el circuito resultante tendría una ganancia que podría oscilar entre aproximadamente 96x y 100x. Un mayor grado de incertidumbre relativa que cuando se usa una copia de ese circuito, pero mucho menor que cuando se trata de lograr una ganancia de 100x en una etapa.

Una ganancia de 60dB implicaría una ganancia de voltaje de 1000: 1. Si bien un amplificador operacional con una ganancia de bucle abierto lo suficientemente alta como para hacer que una ganancia nominal de 1000: 1 sea práctica en frecuencias de audio podría ser más barato que dos amplificadores operacionales con especificaciones ligeramente inferiores, los amplificadores operacionales que funcionarán bien con ganancias tan altas son aptos para Ser mucho más caro. En algún nivel de ganancia, usar dos amplificadores más baratos será más práctico que usar un amplificador que sea de calidad suficiente para funcionar bien con la ganancia más alta.

60 dB significa que 1 mV del micrófono se convierte en 1 V de salida. Eso es lo máximo que desea amplificar un micrófono y alimentarlo a una entrada de "nivel de línea". La mayoría de los micrófonos producen unos pocos mV para niveles de sonido normales.

Además de las otras excelentes respuestas sobre el producto de ganancia de ancho de banda, hay otro problema. Con demasiada ganancia, el amplificador operacional de entrada puede saturarse debido al voltaje de compensación de entrada. Muchas placas mezcladoras usan el amplificador operacional 5532 para la primera etapa de ganancia. Tiene un voltaje de compensación típico de 0.5mV, pero puede alcanzar una temperatura de hasta 5mV. Con 60 dB de ganancia, un desplazamiento de entrada de 5 mV se convierte en 5 V de desplazamiento de CC en la salida. El 5532 también tiene un producto típico de ancho de banda de ganancia de 10MHz, por lo que a una ganancia de 60dB el ancho de banda es como máximo de 10kHz.

Cuando hay mucha ganancia, también tiende a haber mucho ruido. Después de un preamplificador, me gusta usar un filtro activo de paso bajo para obtener más ganancia, y también filtrar parte del ruido de salida de preamplificador de alta frecuencia. Uso el amplificador operacional OPA2134, del cual aprendí a través de los buenos consejos de diseño de filtros activos en Linkwitz Lab . A menos que la frecuencia máxima sea baja, usaría menos de 60 dB de ganancia en una sola etapa. Dos etapas de 40dB serían mejores.