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

Question

Observando muchos preamplificadores de micrófono de calidad profesional, me he dado cuenta de que todos los diseños que he mirado que utilizan un amplificador óptico (discreto o IC) limitan la ganancia proporcionada por el amplificador óptico a un máximo de 60dB. Mientras que la mayoría de los preamplificadores utilizan otra etapa (transformador(es) u otro opamp) para llegar a 70db o incluso 80dB, me pregunto por qué no utilizan simplemente el primer opamp para llegar allí. Por lo que entiendo, habría algunas ventajas:

• mejor relación señal/ruido a medida que aumenta la ganancia de tensión,
• una ruta de audio más sencilla,
• menos piezas y costes.

¿Tiene algo que ver con la estabilidad de los opamps por encima de 60dB?

Este es un esquema típico. R12 limita la ganancia a 40,1dB. Estoy usando estas fórmulas:

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

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

También he observado que los circuitos integrados de preamplificación de micrófono completos fabricados por THAT-Corp también tienen una ganancia máxima de 60dB.

Answer 1

Producto ganancia/ancho de banda, quieres quizás 50KHz de ancho de banda a 60dB (1.000 veces), así que necesitas alrededor de 50MHz, producto ganancia/ancho de banda (Y más bajaría la distorsión HF)... Hazlo a 80dB y ahora necesitas 500MHz GBP, lo que se está volviendo difícil si quieres bajo ruido cerca de DC (Y se está volviendo realmente malo para estabilizar a baja ganancia).

También hay que tener en cuenta que el ruido está completamente dominado por el ruido de la etapa que tiene los primeros 20 o 30dB de ganancia (haz los cálculos), hay mucho que decir para dividir las cosas de manera que los primeros quizás 30dB de ganancia ocurran en una etapa de bajo ruido diseñada para fuentes de baja Z y bajo ruido 1/F, que ahora sólo necesita unos pocos MHz de GBP y será fácil de estabilizar incluso con una impedancia de fuente extraña. Luego, el resto se hace en una segunda etapa (donde el ruido importa menos y se 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 va a 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 tal vez unos pocos k ohmios, que si se piensa en ello es sólo tal vez 3 órdenes de magnitud, muy difícil de hacer un pote de registro inverso tener más rango que eso.

Answer 2

Está el asunto de GBW( producto ganancia-ancho de banda ), por lo que una sola etapa es improbable con un buen rendimiento. No basta con chirriar en el ancho de banda, también hay que tener suficiente ganancia para reducir la distorsión y conseguir una reproducción precisa con una respuesta plana (aunque podría decirse que la distorsión a más de unos 10kHz no es importante para el oído humano). Por supuesto, siempre puedes tener un par de etapas con una ganancia más razonable cada una. Recuerda que el ancho de banda está definido por el punto de -3dB (la salida bajará hasta la mitad de la potencia en el borde de la banda de paso), y eso no es exactamente plano para los estándares audiófilos.

Otro problema es que incluso un op-amp muy bueno puede tener un nivel de ruido referido a la 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 vueltas).

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

Existen otros métodos para obtener un rendimiento de ruido extremadamente bajo mediante el uso de 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 JFETs, pero la capacitancia de entrada es proporcional al número de JFETs en paralelo, por lo que de nuevo el efecto malo aumenta más rápido que la mejora.

Answer 3

Muchos circuitos de amplificadores operacionales se diseñan de modo que den una ganancia finita conocida si se construyen con componentes ideales, incluido un amplificador operacional de ganancia infinita. En la práctica, estos circuitos siempre se construyen con componentes no ideales, y su comportamiento no se ajusta a lo que se obtendría con componentes ideales. Consideremos un amplificador muy básico:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Cuando se utilizan componentes ideales, la ganancia será (R1+R2)/R2; lo llamaré "ganancia nominal". En un circuito real, si un amplificador óptico tiene una ganancia de bucle abierto constante, la ganancia será 1/(R2/(R1+R2) + 1/opAmpGain). Si la ganancia en bucle abierto del amplificador óptico es mucho mayor que (R1+R2)/R2, entonces 1/opAmpGain va a ser muy pequeño en relación con R2/(R1+R2), y su valor exacto no importará mucho. Además, incluso si la ganancia en bucle abierto puede variar debido a factores como la frecuencia o, peor aún, la tensión de entrada, la ganancia máxima y mínima del circuito serán relativamente cercanas. Por ejemplo, si la ganancia en bucle abierto puede variar entre 500x y 1000000X, la ganancia neta del circuito oscilaría entre 9,8x y 10x. Más variación de la que podría ser ideal para algunos usos, pero todavía bastante pequeña.

Si se cambiara R1 a 99K (cambiando la ganancia nominal de 10x a 100x), la sensibilidad del circuito a la ganancia real del amplificador óptico se multiplicaría por más de diez. La misma variación en la ganancia real del amplificador óptico haría que la ganancia neta del circuito oscilara entre 83x y 100x, una variación mucho mayor. Si, en cambio, se pusiera en cascada el circuito mostrado a continuación (para una ganancia de 10x) con una segunda copia, el circuito resultante tendría una ganancia que podría oscilar entre unas 96x y 100x. Un mayor grado de incertidumbre relativa que cuando se utiliza una copia de ese circuito, pero mucho menor que cuando se intenta conseguir una ganancia de 100x en una sola etapa.

Una ganancia de 60dB implicaría una ganancia de tensión de 1000:1. Mientras que un amplificador óptico 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 puede ser más barato que dos amplificadores ópticos con especificaciones ligeramente inferiores, los amplificadores ópticos que funcionarán bien con ganancias tan altas son aptos para ser mucho más caros. A cierto nivel de ganancia, utilizar dos amplificadores más baratos será más práctico que utilizar un amplificador de calidad suficiente para trabajar bien con la ganancia más alta.

Answer 4

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

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

Imagen tomada de aquí .

Como se puede ver, un micrófono de estudio (dependiendo del tipo) puede producir un rango de salidas de -60 dBm (en relación con 600 ohmios, por lo que 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 unos 0 dBm, por lo que un preamplificador de micrófono típico tendrá un rango de ganancia de 20 dB a 60 dB.

Answer 5

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