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

Producto de ancho de banda / ganancia, quizás desee un ancho de banda de 50 KHz a 60dB (1,000 veces), por lo que necesita alrededor de 50MHz, producto de ancho de banda / ganancia (y más reduciría la distorsión de HF) ... Hágalo de 80dB y ahora necesita 500MHz GBP, que se está volviendo difícil si se quiere reducir el ruido cerca de DC (y se está recibiendo una muy mala noticia para estabilizarse con poca ganancia).

También considere que el ruido está completamente dominado por el ruido de la etapa con los primeros 20 o 30dB de ganancia (Do the maths), hay mucho que decir para dividir las cosas de modo que ocurra el primer aumento de 30dB tal vez. en una etapa de bajo ruido diseñada para fuentes de bajo Z y bajo ruido de 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 un solo botón, una etapa de instrumentación clásica con una resistencia de ajuste de ganancia que varía desde unos pocos ohmios hasta unos pocos kohmios, que si piensa que es solo 3 órdenes de magnitud, muy difícil hacer que un potenciómetro de registro inverso tenga más rango que eso.

Existe la cuestión de GBW ( producto de ancho de banda de ganancia ), por lo que es una etapa única. Es improbable con buen rendimiento. No es suficiente con solo atravesar 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 unos 10 kHz no es importante para la audición humana). Por supuesto, siempre puedes tener un par de etapas con ganancias más razonables cada una. Recuerde que el ancho de banda está definido por el punto -3dB (la salida se reducirá a la mitad de la potencia en el borde de la banda de paso), y eso no es exactamente plano según los estándares de los audiófilos.

Otro problema es que incluso un op-amp muy bueno puede tener un nivel de ruido referido de entrada de un par \ $ \ text {nV} / \ sqrt {\ text {Hz}} \ $, mientras que una etapa de entrada de transformador proporcionará un aumento de tensión esencialmente silencioso (a costa de reducir la impedancia de entrada por el cuadrado de la relación de giros).

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

Hay otros métodos para obtener un rendimiento de ruido extremadamente bajo mediante el uso de dispositivos discretos, como los JFET múltiples que se ejecutan a 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, de nuevo, el mal efecto aumenta más rápido que la mejora.

  

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

Una buena imagen general de la gama completa de lo que producen los micrófonos y otros dispositivos de audio: -

Imagentomadadesde aquí .

Como se puede ver, un micrófono de estudio (según el tipo) puede producir un rango de salidas desde -60 dBm (relativo a 600 ohm, 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 suelen ser de aproximadamente 0 dBm, por lo tanto, un preamplificador de micrófono típico tendrá un rango de ganancia de 20 dB a 60 dB.

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

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Cuando se usan componentes ideales, la ganancia será (R1 + R2) / R2; Llamaré a eso la "ganancia nominal". En un circuito real, si un amplificador operacional tiene una ganancia constante de bucle abierto, 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 a 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, aún 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 oscilaría entre aproximadamente 9.8x y 10x. Más variaciones de las que podrían ser ideales para algunos usos, pero aún así son bastante pequeñas.

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 se incrementaría más de diez veces. La misma variación en la ganancia real del amplificador operacional causaría que la ganancia neta del circuito oscile entre aproximadamente 83x y 100x, una variación mucho mayor. Si, por el contrario, se hiciera una cascada del 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 más pequeño que cuando se intenta alcanzar 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 que una ganancia nominal de 1000: 1 sea práctica en las frecuencias de audio podría ser más económico que dos amplificadores operacionales con especificaciones ligeramente inferiores, los amplificadores operacionales que funcionarán bien en ganancias tan altas son aptos para ser mucho mas caro En algún nivel de ganancia, usar dos amplificadores más baratos será más práctico que usar un amplificador que tenga la calidad suficiente para funcionar bien con la mayor ganancia.

60 dB significa que 1 mV del micrófono se convierte en 1 V fuera. Eso es aproximadamente el máximo que desea amplificar un micrófono y alimentar 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 ancho de banda de ganancia, existe otro problema. Con demasiada ganancia, el amplificador operacional de entrada puede saturarse debido al voltaje de compensación de entrada. Muchos tableros mezcladores utilizan el amplificador operacional 5532 para la primera etapa de ganancia. Tiene un voltaje de compensación típico de 0.5 mV, pero puede ser tan alto como 5 mV por encima de la temperatura. Con 60dB 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 de ancho de banda de ganancia típico de 10MHz, por lo que a 60dB, el ancho de banda es de 10kHz como máximo.

Cuando hay mucha ganancia, también suele 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 del preamplificador de alta frecuencia. Utilizo el amplificador operacional OPA2134, que aprendí a través de los buenos consejos de diseño de filtro activo 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.