Por que os projetos de pré-amplificadores (microfone) tendem a limitar o ganho de opamp a no máximo 60 dB?

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Olhando para muitos pré-amplificadores de microfone com qualidade de gravação profissional, notei que todo projeto que eu utilizava um opamp (discreto ou IC) limita o ganho fornecido pelo opamp a aproximadamente 60dB. Enquanto a maioria dos pré-amplificadores usa outro estágio (transformador (es) ou outro opamp) para chegar a 70db ou até 80dB, eu me pergunto por que eles não usam apenas o primeiro opamp para chegar lá. Pelo que entendi, haveria algumas vantagens:

melhor relação sinal / ruído à medida que o ganho de tensão aumenta,
caminho de áudio mais simples,
menos peças e custos.

Isso tem algo a ver com a estabilidade do opamp acima de 60dB?

Aqui está um esquema típico. R12 limita o ganho a 40,1dB. Estou usando estas fórmulas:

UMA = 1 + (R_{f b} / R_{Eu n})

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

g uma Eu n_{d B} = 20 * eu o g (UMA)

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

Também notei que os ICs completos de pré-amplificadores de microfone fabricados pela THAT-Corp também têm um ganho máximo de 60dB.

operational-amplifier audio gain

— MeatBallRagu
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Você considerou que 60dB (1000V / V) é ganho suficiente para esta aplicação? 70dB = 3162V / V. 80dB = 10kV / V. Os usuários não precisam de muito ganho com seu pré-amplificador.

— vofa

Além da questão do GBW, você precisa considerar que os opamps reais têm apenas ~ 100dB de ganho, e você precisa manter alguns para obter um feedback negativo.

— user207421

Você pode fornecer um link para um pré-amplificador que ofereça o ganho de 70 ou 80 dB em vez de apenas o ganho "padrão" de 60 dB?

— Andy aka

MUITO OBRIGADO pelas respostas esclarecedoras que abrem um novo e excelente caminho de leituras que me ajudará a entender melhor esse assunto apaixonante. Eu amo este fórum!

— MeatBallRagu

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@ vofa: Uso microfones de fita de baixa saída (como o Coles 4038) a mais de 2 pés de distância da fonte e adiciono mais de 60dB (com base na marcação nos painéis frontais) diariamente.

— MeatBallRagu

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Produto de ganho / largura de banda, você deseja talvez uma largura de banda de 50KHz a 60dB (1.000 vezes); portanto, precisa de algo em torno de 50MHz, produto de ganho / largura de banda (e mais reduziria a distorção de HF) ... Faça 80dB e agora precisa de 500MHz GBP, o que está ficando difícil se você quer um baixo nível de ruído perto de DC (e está recebendo más notícias para se estabilizar com baixo ganho).

Considere também que o ruído é completamente dominado pelo ruído do estágio com os primeiros 20 ou 30dB de ganho (faça as contas), há muito a ser dito para dividir as coisas, de modo que os primeiros talvez 30dB de ganho ocorram em um nível baixo estágio de ruído projetado para fontes Z baixas e ruído 1 / F baixo, que agora precisa apenas de alguns MHz de GBP e será fácil de estabilizar, mesmo com impedância de fonte estranha. Em seguida, faça o resto em um segundo estágio (onde o ruído é menos importante e você tem uma impedância de fonte conhecida).

A outra coisa difícil é que as leis de controle que fazem sentido se tornam cada vez mais complicadas se for para um controle de ganho de um botão, um estágio de instrumentação clássico com um resistor de ajuste de ganho que varia de alguns ohms a talvez alguns k ohms, e se você pensar em é talvez apenas três ordens de magnitude, muito difícil fazer um pote de registro reverso ter mais alcance do que isso.

— Dan Mills
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Duvido que eu queira construir um amplificador de microfone a partir de um opamp de vídeo (sobre o qual estamos falando a 50MHz GBP) :) # #

— rackandboneman

A filtragem precisa geralmente requer características conhecidas de impedância de fonte, mas muitos tipos de equipamentos de amplificação são projetados para funcionar com impedância de fonte relativamente arbitrária. Se um sinal contiver componentes significativos que devem ser filtrados, pode ser necessário iniciar com um estágio de amplificador cujo objetivo principal é converter um sinal de impedância desconhecida em um sinal de impedância conhecida. Qualquer ganho que se possa gerenciar nesse estágio tornará o restante do circuito menos sensível ao ruído, mas o processamento de sinais não filtrados pode exigir espaço extra.

— Supercat

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Existe a questão do GBW ( produto com largura de banda de ganho ), portanto, um único estágio é improvável com bom desempenho. Não basta apenas gastar bastante largura de banda, você também deseja obter ganho suficiente para reduzir a distorção e obter uma reprodução precisa com uma resposta plana (embora a distorção a mais de 10kHz seja, sem dúvida, sem importância para a audição humana). Claro que você sempre pode ter alguns estágios com ganhos mais razoáveis cada. Lembre-se de que a largura de banda é definida pelo ponto de -3dB (a saída será reduzida à metade da potência na borda da banda de passagem), e isso não é exatamente plano para os padrões audiófilos.

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

Como fontes de voltagem muito baixa, como microfones de fita, também tendem a ser de baixa impedância, essa é uma boa opção.

Existem outros métodos para obter um desempenho de ruído extremamente baixo usando discretos, como vários JFETs executados com corrente de drenagem bastante alta. Isso pode reduzir o ruído, idealmente pela raiz quadrada do número de JFETs, mas a capacitância de entrada é proporcional ao número de JFETs em paralelo; portanto, novamente o efeito ruim aumenta mais rápido que a melhoria.

— Spehro Pefhany
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Por que os projetos de pré-amplificadores (microfones) tendem a limitar o ganho de opamp a no máximo 60 dB?

Uma boa visão geral de toda a gama do que os microfones e outros dispositivos de áudio produzem: -

Foto tirada daqui .

Como pode ser visto, um microfone de estúdio (dependendo do tipo) pode produzir uma faixa de saídas de -60 dBm (em relação a 600 ohm, portanto, 0 dBm = 0,775 volts) a -20 dBm. Isto é para o nível de pressão de entrada padrão de 1 pascal a 1 kHz.

Os níveis de entrada de linha são tipicamente de 0 dBm, portanto, um pré-amplificador de microfone típico produz uma faixa de ganho de 20 dB a 60 dB.

— Andy aka
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Muitos circuitos de amplificador operacional são projetados de modo a produzir um ganho finito conhecido se construídos usando componentes ideais, incluindo um amplificador operacional de ganho infinito. Na prática, esses circuitos sempre serão construídos com componentes não ideais e seu comportamento não corresponderá exatamente ao que resultaria dos componentes ideais. Considere um amplificador muito básico:

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Ao usar componentes ideais, o ganho será (R1 + R2) / R2; Vou chamar isso de "ganho nominal". Em um circuito real, se um amplificador operacional tiver um ganho de malha aberta constante, o ganho será 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain). Se o ganho de malha aberta do amplificador operacional for muito maior que (R1 + R2) / R2, 1 / opAmpGain será muito pequeno em relação a R2 / (R1 + R2), e seu valor exato não importará Muito de. Além disso, mesmo que o ganho em malha aberta possa variar devido a fatores como frequência ou - pior ainda - tensão de entrada, o ganho máximo e mínimo para o circuito seria relativamente próximo. Por exemplo, se o ganho em malha aberta puder variar entre 500x e 1000000X, o ganho líquido do circuito variará de cerca de 9,8x a 10x. Mais variações do que podem ser ideais para alguns usos, mas ainda bem pequenas.

Se R1 fosse alterado para 99K (alterando o ganho nominal de 10x para 100x), a sensibilidade do circuito ao ganho real do amplificador operacional aumentaria em mais de dez vezes. A mesma variação no ganho real do amplificador operacional faria com que o ganho líquido do circuito variasse de 83x a 100x - uma variação muito maior. Se alguém cascatear o circuito mostrado abaixo (para ganho de 10x) com uma segunda cópia, o circuito resultante terá um ganho que pode variar de 96x a 100x. Um maior grau de incerteza relativa do que ao usar uma cópia desse circuito, mas muito menor do que ao tentar obter ganho de 100x em um estágio.

Um ganho de 60dB implicaria um ganho de tensão de 1000: 1. Enquanto um amplificador operacional com um ganho de loop aberto alto o suficiente para tornar prático um ganho nominal de 1000: 1 em frequências de áudio pode ser mais barato que dois amplificadores operacionais com especificações ligeiramente inferiores, os amplificadores operacionais que funcionarão bem com ganhos tão altos podem ser muito mais caro. Em algum nível de ganho, o uso de dois amplificadores mais baratos será mais prático do que o uso de um amplificador de qualidade suficiente para funcionar bem com ganhos maiores.

— supercat
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60 dB significa que 1 mV do microfone se torna 1 V de saída. É o máximo que você deseja amplificar um microfone e alimentar em uma entrada "nível de linha". A maioria dos microfones produz alguns mV para níveis normais de som.

— Olin Lathrop
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Os microfones condensadores de estúdio FTR oferecem apenas esse nível porque eles já têm um primeiro estágio de pré-amplificador de ganho fixo embutido (geralmente uma simples classe A discreta, acredito). E isso é em parte necessário porque os pré-amplificadores de microfone separados geralmente não têm ganho suficiente para se contentar com o sinal bruto da cápsula. Então você realmente não pode argumentar que "não é necessário obter mais ganho" - sim, é necessário! É apenas alcançado em um local diferente. E alguns microfones, em particular muitas fitas, não possuem esse estágio ativo e, portanto, exigem um ganho> 60 dB do pré-amplificador.

— leftaroundabout

O circuito na maioria dos condensadores de estúdio NÃO fornece ganho de tensão significativo, trata-se de amortecer a estupidamente alta impedância da saída da cápsula (pense Giga ohms em baixa frequência), pois isso realmente não sobrevive bem à capacitância do cabo. Uma cápsula com viés razoável produzirá 10s de mV muito feliz, apenas com impedância muito alta. Em certo sentido, esse é o problema oposto ao de uma fita, que tem uma saída pequena, mas muito baixa impedância da fonte, os desenhos finais dianteiros são, obviamente, muito diferente ....

— Dan Mills

@ DanMills: você está certo, o desacoplamento de impedância é a característica mais importante desses circuitos. Mas, novamente, você também pode dizer que uma fonte capacitiva pode viver com a capacidade do cabo muito bem: o cabo apenas atenua o nível, mas (ao contrário da alta impedância indutiva de, por exemplo, captadores de guitarra) não altera muito a resposta de frequência. Portanto, se tivéssemos ganho arbitrário sem efeitos adversos, também poderíamos operar microfones de condensador de eletreto sem nenhuma alimentação fantasma. Apenas, o argumento "não precisamos de tanto ganho" não se sustenta por si só ; sempre poderíamos usar mais ganhos.

— leftaroundabout

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Além das outras excelentes respostas sobre o produto com ganho de largura de banda, há outro problema. Com muito ganho, o amplificador operacional de entrada pode saturar devido à tensão de compensação de entrada. Muitas placas misturadoras usam o amplificador operacional 5532 para o primeiro estágio de ganho. Possui uma tensão de offset típica de 0,5mV, mas pode chegar a 5mV acima da temperatura. Com 60dB de ganho, um deslocamento de entrada de 5mV torna-se 5V de deslocamento CC na saída. O 5532 também possui um produto típico de largura de banda de ganho de 10 MHz, portanto, a um ganho de 60 dB, a largura de banda é de no máximo 10kHz.

Quando há muito ganho, também costuma haver muito barulho. Após um pré-amplificador, gosto de usar um filtro ativo de passa-baixo para obter mais ganho e também filtrar alguns dos ruídos de saída do pré-amplificador de alta frequência. Eu uso o amplificador operacional OPA2134, sobre o qual aprendi através dos bons conselhos de design de filtro ativo no Linkwitz Lab . A menos que a frequência máxima seja baixa, eu usaria menos do que 60dB de ganho em um único estágio. Dois estágios de 40dB seriam melhores.

— Tom Anderson
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Obrigado Tom. Adição agradável. Em que frequência você define o ponto -3dB do filtro passa-baixo?

— MeatBallRagu

O ponto 3dB depende da aplicação e pode estar em qualquer lugar. Para meus projetos de áudio, geralmente é 10kHz ou inferior, porque a maioria das fontes que eu uso não produz nenhum sinal útil acima disso. Meu projeto mais recente provavelmente será de 1kHz ou menos, porque é para uma fonte de frequência muito baixa, onde o fundamental é algo em torno de 30Hz a 70Hz.

— Tom Anderson

Obrigado Tom. Apenas curioso: o que é essa fonte de áudio que não tem nada acima de 1KHz? Synth?

— MeatBallRagu

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@MeatBallRagu O projeto é a amplificação ao vivo e a escuta dos ruídos de vôo dos beija-flores. Não tenho certeza de quantos harmônicos são necessários, mas o fundamental é de apenas 70Hz. Para meus ouvidos de baixista, parece que o segundo harmônico é o mais alto. Eu criei essa configuração antes, mas agora quero uma discreta que eu possa deixar instalada no meu quintal. Agora também tenho janelas mais silenciosas e espero poder ouvir em alto-falantes grandes em vez de fones de ouvido.

— Tom Anderson