为什么音频运算放大器需要如此高的轨电压?

电器工程 运算放大器 声音的 ADC
2022-01-28 05:28:55

这可能是一个愚蠢的问题,但我还没有在互联网上的任何地方直接找到它。我也有一些相关的问题在线,我希望不要偏离主题太远。

在专业设备中,线路电平音频信号的峰峰值约为 3.5V,那么为什么音频电路通常需要或推荐 +/- 12v 或更高的轨电压?

这纯粹是净空吗?还是运算放大器中的非线性取决于电源电压?

或者支持更便宜的组件?查看 TL072 的数据表,如果负载电阻变低 (2k Ohm),最大输出电压可低至电源轨的 2/3,但对于 10k Ohm 负载,通常为电源轨的 90%。但是,您也可以使用轨到轨的高端运算放大器吗?

提示这个问题的主要内容是查看Cirrus CS4272的数据表和评估板上的原理图/数据。在这种情况下,即使 ADC 在 0v 至 5v 范围内工作,他们仍然选择使用双极性 +/-18V 电源作为输入缓冲器。在该特定示例中,他们使用的是 NE5532D8,它的最坏情况下输出摆幅为轨的 80%,并支持低至 +/- 3v 的轨。

那么,如果 ADC 仅支持 0-5v 音频(大概偏置在 2.5v 左右),他们为什么要使用 +/- 18V 电源,并且使用 +/- 3v 电源仍然可以轻松适应 3.5V 峰峰值范围?

根据数据表,该电路中也没有发生缩放(增益或衰减):

XLR 连接器通过单位增益、交流耦合差分电路为 CS4272 模拟输入供电。2 Vrms 差分信号将驱动 CS4272 输入至满量程。

因此,任何超过线路电平的信号最终都会被 ADC 削波。ADC 中的削波与运算放大器相比更好吗?或者输出级是否需要更高的电压轨,即使它仍然只能提供约 3.5v 的峰峰值线路电平输出信号?

在驱动 5v 单电源 ADC 的情况下,使用具有更高双极电源的输入级比在 5v 单电源上使用 LT1215 之类的产品更好的原因是什么?(我不能发布链接,因为我在这个特定的 Stack Exchange 上还没有 10 名声望……谷歌很容易)

谢谢!

3个回答
  1. 当今使用 24 位音频的高清音频设备(例如混音器)使用 600 欧姆差分输入和内部总线连接(直到信号数字化),需要 +/- 10 伏的电压摆幅来处理 120dB 的动态范围SACD / DVDV / 蓝光音轨。差分驱动器 IC 通常是 SSM2142,其电源轨为 +/- 18 伏(在混频器中)。
  2. 是的,其中一些额外电压是为了弥补远处 600 ohm 负载上的 Vdrop,因此负载上有 +/- 10 伏的摆幅。这种更高的驱动电压始于 CD(1980 年代初期),其动态范围约为 90dB,并且它们使许多老式立体声音响的输入过载,因此声音非常失真。
  3. 解决方法是安装 -6dB 唱机插头适配器,以便将电平降至旧立体声所习惯的水平。我无法解释为什么设计人员会使用高压运算放大器来驱动低压 ADC,除非输入是 SACD 标准 +/- 10 伏,然后在 ADC 之前对其进行分压。
  4. 今天的 CD / SACD / DVD / Blu-Ray 输出具有 +/- 10 伏的摆幅作为最大输出,因此只有模拟输出 IC 必须具有高压轨。在这个 IC 之前,信号仍然是数字格式。MP3 播放器可以在低得多的电压下工作,因为动态范围约为 60dB。
  5. 仅通过提高耳机/耳塞驱动器 IC 的电压,可以播放 CD 文件的更高质量的播放器可能具有 90dB 的动态范围。
  6. 除非您处理 24 位音频或超精密直流测量,否则 5 伏单端电源和超静音 5 伏和 3.3 伏 ADC 和 DAC 足以满足 CD、MP3 和传统音频的需求。所谓的“斩波”放大器也可以使用 5 伏电源执行精确的直流测量,尽管采样率可能被限制为 100 sps;这将随着时间的推移而增加。功率放大器为运算放大器使用 +/-15 伏(或更高)电压轨来处理当今几乎没有失真的高清音频。
  7. 如果设计人员在 5 伏 ADC 电路中安装 +/- 12 伏运算放大器,则可能是为了便于设计,可能会驱动较低阻抗的负载,和/或避免购买可能只是增加的“特殊”低压运算放大器为库存成本。
  8. 如果您查看 SACD,它是一种录音室级 24 位录制格式,可混合为 DVD/蓝光音轨,音乐会也可混合为 16 位格式的 CD。+/- 10 伏是 600 欧姆负载或更高负载的最大线路电平,但今天的家庭音频需要这些设备提供这些电平。
  9. 标准的“Tape In”和“Tape-Out”以及 MP3 和磁带输入仍然在其原始信号电平下工作,大约 +/- 1 伏。旧级别标准仍然存在,但与高清音频(24 位)并列。
  10. 与过去相比,5 伏和 3.3 伏 ADC 的动态范围更大(本底噪声非常低)。我并不是说 5 或 3.3 伏的 ADC 不能处理高清音频,只要它是专为该任务而构建的。他们的成本最初非常高,但逐年下降。
  11. 使用所谓的“高压”运算放大器的原因有很多,包括音频和超声波。+/- 12 伏的电源轨实际上处于低端,因为 LTC6090 具有 +/- 70 伏的电源轨,用于超声波和运动控制。
  12. 一些音频功率放大器,例如 Cerwin-Vega Metron 系列中的那些,具有 +/-130 伏的电源轨,输出为 1,500 瓦,因此具有 +/- 15 伏轨的前置放大器级看起来像是低电压。
  13. 在这种情况和其他情况下,需要更高的电压,因为下一级或目标设备需要很宽的电压范围才能正常工作。负载可能是为低阻抗低噪声负载或简单阻抗匹配而设计的分压器。
  14. 顺便说一句,“xxdB”是指电路或录音的本底噪声,与“全音量”相比,本底电平的最高噪声太低而无法检测或被注意到。此外,它并不表示 IC 的供电电压,而是与全音量声级相比,在没有施加信号的情况下 IC 的安静程度。
  15. +/-12 伏或更高的电源轨正在减少到那些实际需要它们的设备,例如功率放大器、电源、测试设备等。

    编辑:由于直流和音频 IC 的本底噪声不断提高,它值得一提的是,在某个时间点,600 欧姆的旧“标准”+/- 10 伏规格将被 600 欧姆的较低电压所取代。600 ohm 标准来自于将 200 英尺的 32 通道屏蔽双绞线 (STP) 电缆从音乐会舞台连接到 200 英尺外的音塔,当时对于具有 600 ohm XLR 输入的模拟混音器来说很方便.

    所有这些昂贵的步骤都是为了防止麦克风和仪器电缆产生噪音,例如顶灯、频闪灯、激光、舞台工作人员使用的对讲机等。

    话虽如此,很明显随着时间的推移更多的声源在源头被数字化,避免了对 200 英尺长的“蛇”的需求。在未来的某个时候,所有源都将立即数字化,并且在信号到达耳机和扬声器之前可能不会再次变为模拟,这使得我目前的答案在信号方面已经过时,但不是功率。

在过去,放大器需要在输出电压范围和电源电压之间留出很大的余量。较旧的运算放大器通常每轨有 3V 的压降。

此外,使信号输出远离此限制可确保更好的电源抑制比(旧设计通常使用稳压不良的电源,仅使用齐纳二极管 + NPN 作为稳压器)。当电源电压较高时,这些运算放大器通常具有更好的整体规格(PSRR、CMR、THD+N、...)。例如,请参阅 OPA134(出现在 90 年代中期)的 THD+N 规格,这是一种用于高端音频的流行运算放大器:

在此处输入图像描述

您清楚地看到,电源电压越高,THD+N 越好。更不用说那些较旧的运算放大器通常从未完全指定为 +/-5V。

所以每个人都使用相当高的电源电压。这只是一件很自然的事情。

如今,我不确定这是否仍然合理。较新的轨到轨输出运算放大器具有良好的规格,如果您的电源足够稳定,电源抑制不是问题。但很多时候,设计“高端高保真设备”的人并不容易开始使用更新的东西,所以他们仍然有这个习惯,我猜。

现在,如果您想使用具有单 5V 电源的 LT1215,并且如果 LT1215 规格对您来说足够好,那没关系。它的规格并不荒谬。只需检查输入电压范围/输出电压摆幅是否适合您的应用。如果 ADC 具有 0-5V 的输入范围,则 LT1215 具有有限的 ~4.4V 输出最大值将削减一点动态范围,但它可能是可以接受的。由你决定。

我认为,输入端有一个隔直电容,输出端有另一个隔直电容,任何双极供电的运算放大器电路都可以重新调整以与单个电源一起工作。

我认为他们在现代制造了一些运算放大器,一直工作到 3.3 v 电源。这是我在网上随便找到的一个例子:

在此处输入图像描述