Warum neigen (Mikrofon-) Vorverstärker-Designs dazu, die Opamp-Verstärkung auf maximal 60 dB zu begrenzen?

Bei vielen Mikrofonvorverstärkern in Pro-Aufnahmequalität stellte ich fest, dass jedes von mir betrachtete Design, das einen Operationsverstärker (diskret oder IC) verwendet, die vom Operationsverstärker bereitgestellte Verstärkung auf etwa 60 dB begrenzt. Während die meisten Vorverstärker eine andere Stufe (Transformator (en) oder einen anderen Operationsverstärker) verwenden, um 70 oder sogar 80 dB zu erreichen, frage ich mich, warum sie nicht einfach den ersten Operationsverstärker verwenden, um dorthin zu gelangen. Soweit ich weiß, gibt es einige Vorteile:

• besseres Signal-Rausch-Verhältnis bei steigender Spannungsverstärkung,
• einfacher Audiopfad,
• weniger teile & kosten.

Hat es etwas mit der Opamp-Stabilität über 60dB zu tun?

Hier ist ein typischer Schaltplan. R12 begrenzt die Verstärkung auf 40,1 dB. Ich benutze diese Formeln:

Mir ist auch aufgefallen, dass komplette Mikrofonvorverstärker-ICs von THAT-Corp ebenfalls eine maximale Verstärkung von 60 dB haben.

Gain / Bandwidth-Produkt, Sie möchten vielleicht 50KHz Bandbreite bei 60dB (1.000-fach), brauchen also irgendwo 50MHz, Gain / Bandwidth-Produkt (und mehr würde die HF-Verzerrung verringern) ... Machen Sie es 80dB und jetzt brauchen Sie 500MHz GBP, was wird schwierig, wenn Sie ein geringes Rauschen in der Nähe von Gleichstrom wünschen (und wirklich schlechte Nachrichten erhalten, um sich bei geringer Verstärkung zu stabilisieren).

Bedenken Sie auch, dass das Rauschen vollständig vom Rauschen der Bühne mit den ersten 20 oder 30 dB Verstärkung dominiert wird (rechnen Sie nach). Es gibt viel zu sagen, wenn Sie Dinge so aufteilen, dass die ersten 30 dB Verstärkung in einem niedrigen Bereich auftreten Rauschstufe für niedrige Z-Quellen und niedriges 1 / F-Rauschen, die jetzt nur noch wenige MHz GBP benötigt und sich auch bei seltsamer Quellenimpedanz problemlos stabilisieren lässt. Machen Sie dann den Rest in einer zweiten Stufe (wo Rauschen weniger wichtig ist und Sie eine bekannte Quellenimpedanz haben).

Die andere Schwierigkeit besteht darin, dass Steuergesetze, die sinnvoll sind, immer kniffliger werden, wenn Sie eine Gain-Steuerung mit einem Knopf wählen, eine klassische Instrumentierungsstufe mit einem Gain-Einstellwiderstand, der von einigen Ohm bis zu einigen k Ohm variiert es sind nur 3 Größenordnungen, es ist sehr schwierig, einen Reverse Log Pot so weit wie möglich zu machen.

Da es sich um GBW ( Gain-Bandbreite-Produkt ) handelt, ist eine einzelne Stufe bei guter Leistung unwahrscheinlich. Es reicht nicht aus, nur die Bandbreite durchzuquetschen. Sie möchten auch eine ausreichende Verstärkung, um die Verzerrung zu verringern und eine präzise Wiedergabe mit flachem Ansprechverhalten zu erzielen (obwohl Verzerrungen bei mehr als etwa 10 kHz für das menschliche Gehör unwichtig sind). Natürlich können Sie immer ein paar Stufen mit jeweils mehr angemessenem Gewinn haben. Denken Sie daran, dass die Bandbreite durch den -3-dB-Punkt definiert wird (der Ausgang wird am Rand des Durchlassbereichs auf die halbe Leistung reduziert), und das ist nach audiophilen Maßstäben nicht genau flach.

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

Da Quellen mit sehr niedriger Spannung, wie beispielsweise Bändchenmikrofone, ebenfalls dazu neigen, eine niedrige Impedanz zu haben, ist dies ein guter Kompromiss.

Es gibt andere Methoden, um ein extrem rauscharmes Verhalten zu erzielen, indem Diskrete wie mehrere JFETs verwendet werden, die mit einem relativ hohen Drainstrom betrieben werden. Dies kann das Rauschen reduzieren, idealerweise durch die Quadratwurzel der Anzahl der JFETs, aber die Eingangskapazität ist proportional zur Anzahl der parallelen JFETs, so dass der schlechte Effekt wiederum schneller zunimmt als die Verbesserung.

Warum neigen (Mikrofon-) Vorverstärker-Designs dazu, die Opamp-Verstärkung auf maximal 60 dB zu begrenzen?

Ein gutes Gesamtbild des gesamten Spektrums dessen, was Mikrofone und andere Audiogeräte produzieren:

Foto von hier gemacht .

Wie zu sehen ist, kann ein Studiomikrofon (je nach Typ) einen Ausgangsspannungsbereich von -60 dBm (relativ zu 600 Ohm, also 0 dBm = 0,775 Volt) bis -20 dBm erzeugen. Dies gilt für den Standard-Eingangsdruck von 1 Pascal bei 1 kHz.

Die Line-Eingangspegel liegen normalerweise bei etwa 0 dBm, daher erzeugt ein typischer Mikrofonvorverstärker einen Verstärkungsbereich von 20 dB bis 60 dB.

Viele Operationsverstärkerschaltungen sind so ausgelegt, dass sie eine bekannte endliche Verstärkung ergeben, wenn sie unter Verwendung idealer Komponenten einschließlich eines Operationsverstärkers mit unendlicher Verstärkung konstruiert werden. In der Praxis werden solche Schaltungen immer mit nicht idealen Bauteilen aufgebaut, und ihr Verhalten entspricht nicht ganz dem, was sich aus idealen Bauteilen ergeben hätte. Betrachten Sie einen sehr einfachen Verstärker:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Bei Verwendung idealer Komponenten beträgt die Verstärkung (R1 + R2) / R2; Ich werde das den "nominalen Gewinn" nennen. Wenn ein Operationsverstärker in einer tatsächlichen Schaltung eine konstante Open-Loop-Verstärkung aufweist, beträgt die Verstärkung 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain). Wenn die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers viel größer als (R1 + R2) / R2 ist, ist 1 / opAmpGain im Verhältnis zu R2 / (R1 + R2) sehr klein, und der genaue Wert spielt keine Rolle viel. Selbst wenn die Verstärkung im offenen Regelkreis aufgrund von Faktoren wie der Frequenz oder - noch schlimmer - der Eingangsspannung variieren würde, wären die maximale und minimale Verstärkung für die Schaltung relativ nahe beieinander. Wenn beispielsweise die Verstärkung im offenen Regelkreis zwischen 500x und 1000000X variieren könnte, würde die Nettoverstärkung der Schaltung von etwa 9,8x bis 10x reichen. Mehr Abwechslung als für manche Anwendungen ideal, aber immer noch recht klein.

Wenn R1 auf 99K geändert würde (Änderung der nominalen Verstärkung von 10x auf 100x), würde sich die Empfindlichkeit der Schaltung gegenüber der tatsächlichen Verstärkung des Operationsverstärkers mehr als verzehnfachen. Dieselbe Variation der tatsächlichen Verstärkung des Operationsverstärkers würde dazu führen, dass die Nettoverstärkung der Schaltung von etwa 83x bis 100x reicht - eine viel größere Variation. Wenn man stattdessen die unten gezeigte Schaltung (für 10-fache Verstärkung) mit einer zweiten Kopie kaskadieren würde, hätte die resultierende Schaltung eine Verstärkung, die von etwa 96-fach bis 100-fach reichen könnte. Ein größerer Grad an relativer Unsicherheit als bei Verwendung einer Kopie dieser Schaltung, aber viel kleiner als bei dem Versuch, eine 100-fache Verstärkung in einer Stufe zu erzielen.

Eine Verstärkung von 60 dB würde eine Spannungsverstärkung von 1000: 1 bedeuten. Während ein Operationsverstärker mit einer ausreichenden Verstärkung im offenen Regelkreis, um eine nominelle Verstärkung von 1000: 1 bei Audiofrequenzen praktisch zu machen, billiger sein kann als zwei Operationsverstärker mit geringfügig schlechteren Spezifikationen, sind Operationsverstärker, die bei solch höheren Verstärkungen gut funktionieren, geeignet viel teurer sein. Bei einer gewissen Verstärkung ist die Verwendung von zwei billigeren Verstärkern praktischer als die Verwendung eines Verstärkers, dessen Qualität ausreicht, um bei der höheren Verstärkung gut zu funktionieren.

60 dB bedeutet, dass 1 mV vom Mikrofon zu 1 V out wird. Das ist ungefähr das Maximum, das Sie für die Verstärkung eines Mikrofons und die Einspeisung in einen "Line Level" -Eingang benötigen. Die meisten Mikrofone geben für normale Schallpegel einige mV aus.

Zusätzlich zu den anderen hervorragenden Antworten zum Gewinnbandbreitenprodukt gibt es ein weiteres Problem. Bei zu hoher Verstärkung kann der Eingangs-Operationsverstärker aufgrund der Eingangs-Offset-Spannung gesättigt sein. Viele Mischpulte verwenden den Operationsverstärker 5532 für die erste Verstärkungsstufe. Es hat eine typische Offset-Spannung von 0,5 mV, kann jedoch bis zu 5 mV über der Temperatur liegen. Bei einer Verstärkung von 60 dB wird ein 5-mV-Eingangsoffset zu einem 5-V-Gleichstromoffset am Ausgang. Der 5532 hat auch ein typisches 10-MHz-Gain-Bandbreiten-Produkt, sodass bei 60-dB-Gain die Bandbreite höchstens 10 kHz beträgt.

Wenn es viel Gewinn gibt, gibt es auch tendenziell viel Rauschen. Nach einem Vorverstärker verwende ich gerne ein aktives Tiefpassfilter, um mehr Verstärkung zu erzielen, und filtere auch einige der hochfrequenten Ausgangsstörungen des Vorverstärkers heraus. Ich verwende den Operationsverstärker OPA2134, den ich durch die guten Ratschläge zum aktiven Filterdesign bei Linkwitz Lab kennengelernt habe . Wenn die maximale Frequenz nicht niedrig ist, würde ich in einer einzigen Stufe weniger als 60 dB Verstärkung verwenden. Zwei 40-dB-Stufen wären besser.