Pourquoi les conceptions de préampli (microphone) ont-elles tendance à limiter le gain de l'ampli-op à 60 dB maximum?

En regardant de nombreux préamplis de microphone de qualité d'enregistrement professionnel, j'ai remarqué que chaque conception que j'ai examinée qui utilise un ampli op (discret ou IC) limite le gain fourni par l'opamp à environ 60 dB maximum. Alors que la plupart des préamplis utilisent un autre étage (transformateur (s) ou autre ampli op) pour atteindre 70db ou même 80dB, je me demande pourquoi ils n'utilisent pas seulement le premier opamp pour y arriver. D'après ce que je comprends, il y aurait certains avantages:

• meilleur rapport signal / bruit à mesure que le gain de tension augmente,
• chemin audio plus simple,
• moins de pièces et de coût.

Cela a-t-il quelque chose à voir avec la stabilité de l'ampli op sur 60 dB?

Voici un schéma typique. R12 limite le gain à 40,1 dB. J'utilise ces formules:

J'ai également remarqué que les circuits intégrés de préamplis micro complets fabriqués par THAT-Corp ont également un gain maximum de 60 dB.

Produit de gain / bande passante, vous voulez peut-être une bande passante de 50 kHz à 60 dB (1000 fois), vous avez donc besoin d'environ 50 MHz, produit de gain / bande passante (Et plus réduirait la distorsion HF) ... Faites-en 80 dB et maintenant vous avez besoin de 500 MHz GBP, ce qui devient difficile si vous voulez un faible bruit près de DC (et obtient de très mauvaises nouvelles pour se stabiliser à faible gain).

Considérez également que le bruit est complètement dominé par le bruit de la scène ayant les premiers 20 ou 30 dB de gain (faites le calcul), il y a beaucoup à dire pour diviser les choses afin que le premier peut-être 30 dB de gain se produise dans un faible étage de bruit conçu pour les sources à faible Z et à faible bruit 1 / F, qui ne nécessite désormais que quelques MHz de GBP et sera facile à stabiliser même avec une impédance de source étrange. Faites ensuite le reste dans une deuxième étape (où le bruit importe moins et où vous avez une impédance de source connue).

L'autre chose difficile est que les lois de contrôle qui ont du sens deviennent de plus en plus délicates si vous optez pour un contrôle de gain à un bouton, un étage d'instrumentation classique avec une résistance de réglage de gain variant de quelques ohms à peut-être quelques k ohms, ce qui, si vous y pensez ce n'est que peut-être 3 ordres de grandeur, très difficile de faire un pot de journal inversé avoir plus de portée que cela.

Il y a la question du GBW (produit à gain de bande passante ), donc une seule étape est improbable avec de bonnes performances. Il ne suffit pas de parcourir la bande passante, vous voulez également un gain suffisant pour réduire la distorsion et obtenir une reproduction précise avec une réponse plate (bien que la distorsion à plus d'environ 10 kHz soit sans importance pour l'audition humaine). Bien sûr, vous pouvez toujours avoir quelques étapes avec un gain plus raisonnable chacune. N'oubliez pas que la bande passante est définie par le point -3 dB (la sortie sera réduite de moitié à la limite de la bande passante), et ce n'est pas exactement plat selon les normes audiophiles.

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

Étant donné que les sources de très basse tension telles que les microphones à ruban ont également tendance à être de faible impédance, c'est un bon compromis.

Il existe d'autres méthodes pour obtenir des performances de bruit extrêmement faibles en utilisant des discrets tels que plusieurs JFET exécutés à un courant de drain assez élevé. Cela peut réduire le bruit, idéalement par la racine carrée du nombre de JFET, mais la capacité d'entrée est proportionnelle au nombre de JFET en parallèle, donc encore une fois le mauvais effet augmente plus vite que l'amélioration.

Pourquoi les conceptions de préamplis (microphones) ont tendance à limiter le gain d'opamp à 60 dB max

Une bonne image globale de toute la gamme de ce que produisent les microphones et autres appareils audio: -

Photo prise d' ici .

Comme on peut le voir, un microphone de studio (selon le type) peut produire une gamme de sorties de -60 dBm (par rapport à 600 ohms donc 0 dBm = 0,775 volt) à -20 dBm. Il s'agit du niveau de pression d'entrée standard de 1 pascal à 1 kHz.

Les niveaux d'entrée de ligne sont généralement d'environ 0 dBm, donc un préampli micro typique produira une plage de gain de 20 dB à 60 dB.

De nombreux circuits d'amplificateurs opérationnels sont conçus de manière à produire un gain fini connu s'ils sont construits à l'aide de composants idéaux, notamment un amplificateur opérationnel à gain infini. En pratique, ces circuits seront toujours construits avec des composants non idéaux et leur comportement ne correspondra pas tout à fait à ce qui aurait résulté des composants idéaux. Prenons un amplificateur très basique:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Lors de l'utilisation de composants idéaux, le gain sera (R1 + R2) / R2; J'appellerai cela le "gain nominal". Dans un circuit réel, si un ampli op a un gain en boucle ouverte constant, le gain sera de 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain). Si le gain en boucle ouverte de l'ampli op est beaucoup plus grand que (R1 + R2) / R2, alors 1 / opAmpGain va être très petit par rapport à R2 / (R1 + R2), et sa valeur exacte n'aura pas d'importance beaucoup. De plus, même si le gain en boucle ouverte peut varier en raison de facteurs tels que la fréquence ou - pire encore - la tension d'entrée, le gain maximum et minimum pour le circuit serait relativement proche. Par exemple, si le gain en boucle ouverte peut varier entre 500x et 1000000X, le gain net du circuit serait compris entre environ 9,8x et 10x. Plus de variations que ce qui pourrait être idéal pour certaines utilisations, mais toujours assez petites.

Si R1 était changé à 99K (en changeant le gain nominal de 10x à 100x), alors la sensibilité du circuit au gain réel de l'ampli op serait multipliée par dix. La même variation du gain réel de l'ampli op entraînerait une augmentation du gain net du circuit d'environ 83x à 100x - une variation beaucoup plus importante. Si l'on devait plutôt mettre en cascade le circuit illustré ci-dessous (pour un gain de 10x) avec une deuxième copie, le circuit résultant aurait un gain qui pourrait varier d'environ 96x à 100x. Un plus grand degré d'incertitude relative que lors de l'utilisation d'une copie de ce circuit, mais beaucoup plus faible que lorsque vous essayez d'obtenir un gain de 100x en une seule étape.

Un gain de 60 dB entraînerait un gain de tension de 1000: 1. Alors qu'un ampli op avec un gain en boucle ouverte suffisamment élevé pour rendre un gain nominal de 1000: 1 pratique aux fréquences audio peut être moins cher que deux amplis op avec des spécifications légèrement inférieures, les amplis op qui fonctionnent bien à des gains plus élevés sont susceptibles de être beaucoup plus cher. À un certain niveau de gain, l'utilisation de deux amplis moins chers sera plus pratique que l'utilisation d'un ampli de qualité suffisante pour bien fonctionner à un gain plus élevé.

60 dB signifie que 1 mV du micro devient 1 V de sortie. C'est à peu près le maximum que vous souhaitez amplifier un microphone et alimenter dans une entrée "niveau ligne". La plupart des microphones produisent une sortie de quelques mV pour des niveaux sonores normaux.

En plus des autres excellentes réponses sur le produit gain de bande passante, il y a un autre problème. Avec trop de gain, l'ampli op d'entrée peut saturer en raison de la tension de décalage d'entrée. De nombreuses cartes de mixage utilisent l'ampli op 5532 pour le premier étage de gain. Il a une tension de décalage typique de 0,5 mV, mais elle peut atteindre 5 mV de température. Avec 60 dB de gain, un décalage d'entrée de 5 mV devient 5 V de décalage CC à la sortie. Le 5532 possède également un produit à gain de bande passante typique de 10 MHz, donc à 60 dB de gain, la bande passante est d'au plus 10 kHz.

Quand il y a beaucoup de gain, il y a aussi souvent beaucoup de bruit. Après un préampli, j'aime utiliser un filtre actif passe-bas pour obtenir plus de gain, et filtrer également une partie du bruit de sortie du préampli haute fréquence. J'utilise l'ampli op OPA2134, que j'ai appris grâce aux bons conseils de conception de filtre actif du Linkwitz Lab . À moins que la fréquence maximale ne soit basse, j'utiliserais même moins de 60 dB de gain en une seule étape. Deux étages de 40 dB seraient mieux.