Qual é o sentido de um pré-amplificador?

Estou falando no contexto de amplificadores de guitarra, mas presumo que essa pergunta seja relevante para qualquer tipo de amplificador de áudio.

Muitas vezes, nos esquemas dos amplificadores, vejo dois estágios de amplificação - primeiro, o sinal é amplificado em menor quantidade por um circuito de pré-amplificador e depois amplificado novamente por um circuito de amplificador de potência.

Isso parece redundante para mim. Qual é o sentido de amplificar um sinal em dois pequenos passos, em vez de apenas uma amplificação de maior ganho?

Meu primeiro pensamento foi: essa amplificação de vários estágios ajuda a reduzir o ruído indesejado do sinal? Mas quanto mais penso sobre isso, menos faz sentido, já que certamente o segundo estágio seria amplificar qualquer ruído também.

No equipamento de áudio, é útil realizar a maior parte da manipulação do sinal em um nível padrão, conhecido como "nível de linha". Isso inclui mistura, equalização, compactação, etc.

Algumas fontes de sinal (microfones, captadores de guitarra etc.) não produzem inerentemente saídas de nível de linha; portanto, um pré-amplificador é usado para aumentar o sinal para esse nível. Algumas fontes de sinal (toca-discos) requerem não apenas um impulso, mas também uma equalização especial para achatar a resposta de frequência.

Depois que todo o processamento do sinal estiver concluído, um segundo amplificador de "potência" será usado para acionar o (s) alto-falante (s).

Esse tipo de modularidade permite que fontes de sinal, estágios de processamento e diferentes tipos de alto-falantes sejam misturados e combinados livremente.

Resposta rápida e suja:

O buffer é uma das razões. As interconexões entre as coisas podem ter muita capacitância e exigir muita (comparativamente) corrente para acionar.

A imunidade ao ruído é outra. Pense neste cenário: envie um sinal através de um fio onde capta, digamos, ruído de 10mV e amplifique-o em 100x: ruído total, 1000mV. Mas se você em vez disso ver-la ampliada em 10 vezes, em seguida, enviá-lo através do fio onde fica 10mV ruído, então amplificar por outro 10x, a sua amplificação de sinal total ainda é 100x, mas o seu ruído total é apenas 100mV.

Como você pode ver, o fator de ruído de um determinado estágio é dividido pelo produto de ganho de todos os estágios anteriores. Portanto, o primeiro estágio é o mais importante quando se trata de ruído. É por isso que você tem um estágio de pré-amplificador de baixo ruído como seu primeiro componente na cadeia de sinal. Essa configuração tem o benefício adicional de não ter que se preocupar com a figura de ruído do amplificador de potência.

Um dos principais motivos para caixas separadas para pré-amplificadores e poweramps são as correntes TERRA e também o acoplamento magnético. [existe um exemplo numérico, a 20KHz e 6 A nos alto-falantes, no final desta resposta, com o pré-amplificador a apenas 10 cm do amplificador de potência]

Suponha que você construiu o pré-amplificador e o poweramp no mesmo PCB. Por que não?

Parte da corrente do alto-falante estará fluindo no GROUND e acabará combinando com o sinal de entrada.

Para minimizar essa "combinação", faça com que a PCB seja longa e fina, para que o PowerAmp Grounds fique longe dos PreAmp Grounds.

Como melhorar isso? use longas regiões finas entre o pré-amplificador e o Poweramp.

No extremo, um cabo coaxial fornece uma região longa e fina, para garantir uma combinação muito pequena de correntes de entrada e saída.

Por exemplo: Por que as vantagens do JFET sobre o MOSFET ou por que o JFET ainda é usado?

Dado os sinais de baixo milivolt de um cartucho Moving Magnet de disco de vinil, ou mesmo 0,5 milivolt de cartuchos Moving Coil, que amplificados para saídas de áudio de quase 100 volts, todo o sistema precisa de ~ 100.000: 1 de isolamento. E mesmo esse isolamento fornece apenas a relação sinal-ruído da UNIDADE, que apenas impede a oscilação; para uma taxa de 80dB de sinal para feedback, o isolamento precisa melhorar em mais de 10.000: 1 a 1 parte por bilhão.

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

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Quão ruim pode ser a interferência / feedback (campo magnético)? suponha que a corrente de saída tenha um pico de 6 amperes a 20.000Hz. O dI / dT é 6 * d (sin (2 * pi * 20.000 * Tempo)) / dT = 6 * 2 * pi * 20.000 * cos (2 * pi * 20000 * T)

ou dI / dT = 700.000 amperes por segundo.

Suponha que a entrada do pré-amplificador (lembre-se de que um sinal de 1 milivolt do cartucho e você deseja pelo menos 10.000: 1 SNR ou feedback tonal, portanto o feedback de 0,1 microvolt é o piso desejado) a 0,1 metro da saída do alto-falante.

V_magnetic_induce = (2.0e-7 * Área / Distância) * dI / dT

e assumiremos que a área do loop de entrada (sinal para o terra) é de 1cm por 4cm.

Agora execute a matemática; lembre-se que queremos menos feedback que 0,1 microvolt.

Vinduce *** = 2e-7Henry / metro * (área do laço da vítima = 1cm * 4cm) / 10cm * 700.000

Vinduce = 2e-7 * 0.0004meter / 0.1meter * 700.000

Vinduce = 2e-7 * 0,004 * 7e + 5

Vinduce = 2e-7 * 4e-3 * 7e + 7 = 56 e-3 = 56 miliVolts. [ERRADO! erro de matemática]

Vinduce = 2e-7 * 4e-3 * 7e + 5 = 56e-5 = 560e-6 = 0,56 miliVolts [tinham sido 7e-5; corrigido para 7e + 5]

O feedback magnético, causado por ter o amplificador de potência próximo ao pré-amplificador, é 0,56 mV / 0,1 microvolt ou 5.600X mais forte do que o que a música "limpa" pode tolerar. (alguns artigos dizem que a cóclea do ouvido pode ouvir -106dBc, o que sugere que outro fator de limpeza 20x é necessário)

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Como o designer pode melhorar a fidelidade desses sistemas? MALHAS DE METAL em caixas de aço; fiação de par trançado para sinais de saída (use cabos de alto-falante de fios múltiplos) e para cabos de linha de força nas caixas; Layout da placa de circuito impresso para encaminhar o sinal para ser imediatamente adjacente ao retorno; cabos coaxiais que evitam fios soltos de sinal / terra; em vez disso, use plugs-in-PCB para separação mínima dos fluxos de sinal e de corrente de terra; grandes reservatórios de carga nos PowerAmps, localizados próximos aos terminais de saída do alto-falante, para obter loops de transmissor de área mínima (o modelo de fio reto longo usado no exemplo é apenas parte de um movimento da corrente de saída + retorno do mundo real); fontes de alimentação que usam indutores junto com os diodos retificadores, para diminuir a velocidade dos diodos e evitar o som "cantado" do fluxo de energia impulsivo (borda rápida) de 120Hz.

*** O Vinduce usa a aproximação não natural do acoplamento entre um fio reto longo que transporta a corrente do agressor / transmissor com dI / dT e o loop retangular do circuito vítima / receptor. A equação, de uma combinação da Lei de Indução de Faraday e Lei de Biot-Savart, é

Vinduce = [MU0 * MUr * LoopArea / (2 * pi * Distance_wire_to_Loop)] * dI / dT

e ignoramos os efeitos de 2ª ordem que exigem log natural.

Isso também assume o pior caso de acoplamento entre o fio e o laço. Assim, o fio está no plano do loop. O maravilhoso dessa equação é a descoberta de três graus de liberdade (na verdade 4: a força do campo, controlada pela profundidade da pele, daí a necessidade de aço no chassi do pré-amplificador). Os graus de liberdade são

(1) orientação entre o fio e o laço

(2) a área de loop, daí o uso de par trançado ou cuidadoso layout de PCB ou cabos coaxiais

(3) mais separação entre o PowerAmp / PA_powersupply / Preamp_powersupply e o Preamp real e / ou seus cabos coaxiais de entrada.

(4) o 'dI / dT', nos dizendo para (a) FILTRAR as agressões do agressor, ou (b) reduzir as principais forças atuais, ou (c) usar placas de cobre ou chapas de ferro ou aço, para reduzir bastante a feedback do campo magnético do sinal de áudio; as frequências muito baixas precisam de cobre muito espesso (60Hz precisa de 8mm de espessura) ou caixas finas de ferro / aço.

Assim, podemos usar a fórmula para sugerir abordagens curativas.

Além do que já foi dito, com os amplificadores de guitarra, o cenário de uso pretendido é intencionalmente introduzir alguma distorção ao ultrapassar o amplificador. Se houvesse apenas um bloco de ganho, não haveria possibilidade de sobrecarregá-lo, a menos que o sobrecarregasse como um todo - resultando em desgaste acelerado do amplificador e do alto-falante e exigindo que você toque com volume antissocial que bate nas janelas, ensurdece os vizinhos.

Para não guitarristas: O modo distorcido ("overdrive") é o que você precisa se quiser ouvir os sons de buzz-buzz-buzz e whee-whee-whee, e não apenas os sons de pling-pling-pling.

Até certo ponto, o uso de pré-amplificadores separados é uma ressaca histórica.

Naquela época, um sistema de áudio do consumidor podia consistir em um toca-discos e um toca-fitas, com talvez um sintonizador acionado. De particular interesse era a entrada de vinil, que não era remotamente uma resposta de freqüência plana - veja a compensação RIAA. Assim, diferentes componentes exigiram diferentes cadeias de amplificação. Tornou-se comum separar os controles de amplificação de entrada / compensação de frequência / tom em uma unidade separada do amplificador de potência, para permitir a mistura e a correspondência dos níveis de desempenho desejados sem substituir toda a cadeia eletrônica.

Atualmente, com as plataformas giratórias praticamente um nicho de mercado e os gravadores substituídos por fontes de estado sólido, praticamente todos os dispositivos que você deseja reproduzir terão um nível de saída de linha e uma resposta de frequência plana, com a notável exceção de microfones. Na maioria das vezes, não há muita necessidade de pré-amplificadores separados, exceto para audiófilos realmente dedicados (e parece haver um componente considerável de status / marca para esse mercado).