为什么(麦克风)前置放大器设计倾向于将运算放大器增益限制为最大 60 dB?

电器工程 运算放大器 声音的 获得
2022-01-22 16:03:10

查看许多专业录音质量的麦克风前置放大器,我注意到我看到的每个使用运算放大器(分立或 IC)的设计都将运算放大器提供的增益限制在最大 60dB 左右。虽然大多数前置放大器使用另一个阶段(变压器或另一个运算放大器)来达到 70 分贝甚至 80 分贝,但我想知道为什么他们不只使用第一个运算放大器来达到那里。据我了解,会有一些优势:

  • 随着电压增益的增加,更好的信噪比,
  • 更简单的音频路径,
  • 更少的零件和成本。

是否与运算放大器稳定性超过60dB有关?

这是一个典型的示意图。R12 将增益限制为 40.1dB。我正在使用这些公式:

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

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

我还注意到 THAT-Corp 制造的完整麦克风前置放大器 IC 也具有 60dB 的最大增益。

4个回答

增益/带宽乘积,您可能需要 60dB(1,000 次)时的 50KHz 带宽,所以您需要大约 50MHz 的增益/带宽乘积(更多会降低 HF 失真)...... 将其设为 80dB,现在您需要 500MHz GBP,即如果您想在 DC 附近降低噪声,这将变得越来越困难(并且在低增益下稳定下来确实是个坏消息)。

还要考虑到噪声完全由具有前 20 或 30dB 增益的阶段的噪声支配(做数学),对于拆分事物有很多话要说,以便第一个可能 30dB 的增益发生在低噪声级专为低 Z 源和低 1/F 噪声而设计,现在只需要几 MHz 的 GBP,即使源阻抗很奇怪也很容易稳定。然后在第二阶段完成其余的工作(噪声不那么重要,并且您有一个已知的源阻抗)。

另一件困难的事情是,如果要进行单旋钮增益控制,那么有意义的控制法则会变得越来越棘手,这是一个经典的仪器级,增益设置电阻从几欧姆到几千欧姆不等,如果你考虑一下它可能只有 3 个数量级,很难让反向对数锅有更多的范围。

有GBW(增益带宽积)的问题,因此单级不可能具有良好的性能。仅仅通过带宽是不够的,您还需要足够的增益来减少失真并通过平坦的响应获得准确的再现(尽管​​可以说超过 10kHz 的失真对于人类听觉来说并不重要)。当然,你总是可以有几个阶段,每个阶段都有更合理的增益。请记住,带宽是由 -3dB 点定义的(在通带边缘,输出将下降到一半功率),这在发烧友标准中并不完全平坦。

另一个问题是,即使是非常好的运算放大器也可能具有一对 \$\text{nV}/\sqrt {\text {Hz}}\$ 的输入参考噪声水平,而变压器输入级将提供基本上无噪声的电压升压(代价是输入阻抗降低了匝数比的平方)。

由于带状麦克风等极低电压源也往往具有低阻抗,因此这是一个很好的折衷方案。

还有其他方法可以通过使用分立器件(例如在相当高的漏极电流下运行的多个 JFET)来获得极低的噪声性能。这可以降低噪声,理想情况下是通过 JFET 数量的平方根,但输入电容与并联 JFET 的数量成正比,因此不良影响的增加速度也快于改善效果。

为什么(麦克风)前置放大器设计倾向于将运算放大器增益限制为最大 60 dB?

麦克风和其他音频设备产生的整个范围的良好总体情况:-

在此处输入图像描述

图片取自这里

可以看出,录音室麦克风(取决于类型)可以产生从 -60 dBm(相对于 600 ohm,因此 0 dBm = 0.775 伏)到 -20 dBm 的输出范围。这是针对 1 kHz 时 1 帕斯卡的标准输入压力水平。

线路输入电平通常约为 0 dBm,因此典型的麦克风前置放大器将产生 20 dB 至 60 dB 的增益范围。

许多运算放大器电路的设计使得如果使用包括无限增益运算放大器在内的理想组件构建它们将产生已知的有限增益。在实践中,这种电路总是由非理想元件构成,它们的行为与理想元件的结果不太匹配。考虑一个非常基本的放大器:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

使用理想元件时,增益为(R1+R2)/R2;我称之为“名义收益”。在实际电路中,如果运算放大器具有恒定的开环增益,则增益将为 1/(R2/(R1+R2) + 1/opAmpGain)。如果运算放大器的开环增益远大于 (R1+R2)/R2,则 1/opAmpGain 相对于 R2/(R1+R2) 将非常小,其确切值无关紧要很多。此外,即使开环增益可能由于频率或输入电压等因素而变化,电路的最大和最小增益也会相对接近。例如,如果开环增益可能在 500x 和 1000000X 之间变化,则电路的净增益范围将在大约 9.8x 到 10x 之间。比某些用途可能理想的变化更多,但仍然很小。

如果将 R1 更改为 99K(将标称增益从 10x 更改为 100x),则电路对运算放大器实际增益的灵敏度将增加十倍以上。运算放大器实际增益的相同变化将导致电路的净增益范围从大约 83 倍到 100 倍——一个更大的变化。如果将下面所示的电路(增益为 10 倍)与第二个副本级联,则所得电路的增益范围可能在 96 倍到 100 倍之间。与使用该电路的一个副本相比,相对不确定性程度更大,但比尝试在一级中实现 100 倍增益时小得多。

60dB 的增益将需要 1000:1 的电压增益。虽然一个具有足够高的开环增益以在音频频率上实现 1000:1 标称增益的运算放大器可能比两个规格稍差的运算放大器便宜,但在如此高增益下工作良好的运算放大器往往会贵很多。在一定的增益水平上,使用两个更便宜的放大器比使用一个质量足以在较高增益下正常工作的放大器更实用。