Warum begrenzen (Mikrofon-)Vorverstärker-Designs die Verstärkung des Operationsverstärkers auf maximal 60 dB?

Verstärkungs-/Bandbreitenprodukt, Sie möchten vielleicht eine Bandbreite von 50 kHz bei 60 dB (1.000-mal), also benötigen Sie ein Verstärkungs-/Bandbreitenprodukt von etwa 50 MHz (und mehr würden die HF-Verzerrung verringern) ... Machen Sie es 80 dB und jetzt benötigen Sie 500 MHz GBP, was wird schwierig, wenn Sie ein geringes Rauschen in der Nähe von DC wünschen (und bekommt wirklich schlechte Nachrichten, um sich bei niedriger Verstärkung zu stabilisieren).

Denken Sie auch daran, dass das Rauschen vollständig von dem Rauschen der Bühne mit den ersten 20 oder 30 dB Verstärkung dominiert wird (rechnen Sie nach). Es spricht viel dafür, die Dinge so aufzuteilen, dass die ersten vielleicht 30 dB Verstärkung in einem niedrigen Bereich auftreten Rauschstufe, die für niedrige Z-Quellen und niedriges 1/F-Rauschen entwickelt wurde, die jetzt nur noch wenige MHz GBP benötigt und selbst bei seltsamer Quellenimpedanz leicht zu stabilisieren ist. Dann erledigen Sie den Rest in einer zweiten Stufe (wo Rauschen weniger wichtig ist und Sie eine bekannte Quellenimpedanz haben).

Die andere schwierige Sache ist, dass sinnvolle Regelgesetze immer schwieriger werden, wenn man sich für eine Verstärkungsregelung mit einem Knopf entscheidet, eine klassische Instrumentierungsstufe mit einem Verstärkungseinstellungswiderstand, der von einigen Ohm bis vielleicht zu einigen kOhm variiert, was, wenn man darüber nachdenkt Es ist nur vielleicht 3 Größenordnungen, sehr schwierig, einen Reverse-Log-Pot dazu zu bringen, mehr Reichweite als das zu haben.

Es gibt die Frage des GBW ( Gain-Bandwidth-Produkt ), sodass eine einzelne Stufe bei guter Leistung unwahrscheinlich ist. Es reicht nicht aus, nur in der Bandbreite durchzupfeifen, Sie möchten auch genügend Verstärkung, um die Verzerrung zu reduzieren und eine genaue Wiedergabe mit flachem Frequenzgang zu erhalten (obwohl Verzerrungen bei mehr als etwa 10 kHz für das menschliche Gehör wohl unwichtig sind). Natürlich können Sie immer ein paar Stufen mit jeweils vernünftigerem Gewinn haben. Denken Sie daran, dass die Bandbreite durch den -3-dB-Punkt definiert wird (die Ausgabe wird am Rand des Durchlassbands auf die halbe Leistung reduziert), und das ist nach audiophilen Maßstäben nicht gerade flach.

Ein weiteres Problem ist, dass selbst ein sehr guter Operationsverstärker einen eingangsbezogenen Rauschpegel von ein paar haben kann$\text{nV}/\sqrt {\text {Hz}}$, während eine Transformatoreingangsstufe eine im Wesentlichen rauschfreie Spannungserhöhung liefert (auf Kosten der Verringerung der Eingangsimpedanz um das Quadrat des Windungsverhältnisses).

Da auch Quellen mit sehr niedriger Spannung wie Bändchenmikrofone tendenziell eine niedrige Impedanz haben, ist dies ein guter Kompromiss.

Es gibt andere Methoden, um eine extrem rauscharme Leistung zu erzielen, indem diskrete Elemente wie mehrere JFETs verwendet werden, die mit einem ziemlich hohen Drainstrom betrieben werden. Dadurch kann das Rauschen idealerweise um die Quadratwurzel der Anzahl der JFETs reduziert werden, aber die Eingangskapazität ist proportional zur Anzahl der parallel geschalteten JFETs, sodass der negative Effekt wieder schneller zunimmt als die Verbesserung.

Warum (Mikrofone) Vorverstärker-Designs neigen dazu, die Verstärkung des Operationsverstärkers auf maximal 60 dB zu begrenzen?

Ein gutes Gesamtbild der ganzen Bandbreite dessen, was Mikrofone und andere Audiogeräte produzieren: -

Bild von hier aufgenommen .

Wie zu sehen ist, kann ein Studiomikrofon (je nach Typ) einen Ausgangsbereich von -60 dBm (relativ zu 600 Ohm, also 0 dBm = 0,775 Volt) bis -20 dBm erzeugen. Dies gilt für den Standard-Eingangsdruckpegel von 1 Pascal bei 1 kHz.

Line-Eingangspegel liegen typischerweise bei etwa 0 dBm, daher erzeugt ein typischer Mikrofonvorverstärker einen Verstärkungsbereich von 20 dB bis 60 dB.

Viele Operationsverstärkerschaltungen sind so ausgelegt, dass sie eine bekannte endliche Verstärkung liefern würden, wenn sie mit idealen Komponenten einschließlich eines Operationsverstärkers mit unendlicher Verstärkung konstruiert würden. In der Praxis werden solche Schaltungen immer mit nicht idealen Komponenten aufgebaut, und ihr Verhalten entspricht nicht ganz dem, was sich aus idealen Komponenten ergeben würde. Betrachten Sie einen sehr einfachen Verstärker:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Bei Verwendung idealer Komponenten beträgt die Verstärkung (R1+R2)/R2; Ich nenne das den "nominalen Gewinn". Wenn in einer tatsächlichen Schaltung ein Operationsverstärker eine konstante Open-Loop-Verstärkung hat, beträgt die Verstärkung 1/(R2/(R1+R2) + 1/opAmpGain). Wenn die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers viel größer als (R1 + R2) / R2 ist, wird 1 / opAmpGain relativ zu R2 / (R1 + R2) sehr klein sein, und sein genauer Wert spielt keine Rolle viel. Selbst wenn die Open-Loop-Verstärkung aufgrund von Faktoren wie der Frequenz oder – noch schlimmer – der Eingangsspannung variieren könnte, wären die maximale und minimale Verstärkung für die Schaltung relativ nahe beieinander. Wenn beispielsweise die Open-Loop-Verstärkung zwischen dem 500-fachen und dem 1000000-fachen variieren könnte, würde die Nettoverstärkung der Schaltung im Bereich von etwa 9,8-fach bis 10-fach liegen. Mehr Variation, als für einige Anwendungen ideal wäre, aber immer noch ziemlich klein.

Wenn R1 auf 99K geändert würde (Änderung der Nennverstärkung von 10x auf 100x), würde die Empfindlichkeit der Schaltung gegenüber der tatsächlichen Verstärkung des Operationsverstärkers mehr als verzehnfacht. Die gleiche Variation in der tatsächlichen Verstärkung des Operationsverstärkers würde dazu führen, dass die Nettoverstärkung der Schaltung im Bereich von etwa 83x bis 100x liegt - eine viel größere Variation. Wenn man stattdessen die unten gezeigte Schaltung (für 10-fache Verstärkung) mit einer zweiten Kopie kaskadieren würde, hätte die resultierende Schaltung eine Verstärkung, die von etwa 96-fach bis 100-fach reichen könnte. Ein größerer Grad an relativer Unsicherheit als bei Verwendung einer Kopie dieser Schaltung, aber viel kleiner als beim Versuch, eine 100-fache Verstärkung in einer Stufe zu erreichen.

Eine Verstärkung von 60 dB würde eine Spannungsverstärkung von 1000:1 nach sich ziehen. Während ein Operationsverstärker mit einer ausreichend hohen Open-Loop-Verstärkung, um eine nominale Verstärkung von 1000: 1 bei Audiofrequenzen praktikabel zu machen, möglicherweise billiger ist als zwei Operationsverstärker mit etwas schlechteren Spezifikationen, sind Operationsverstärker, die bei solch höheren Verstärkungen gut funktionieren, geeignet viel teurer sein. Bei einem bestimmten Gain-Level ist die Verwendung von zwei billigeren Verstärkern praktischer als die Verwendung eines Verstärkers, der von ausreichender Qualität ist, um mit dem höheren Gain gut zu funktionieren.

60 dB bedeutet, dass 1 mV vom Mikrofon zu 1 V ausgegeben wird. Das ist ungefähr das Maximum, das Sie ein Mikrofon verstärken und in einen "Line-Pegel" -Eingang einspeisen möchten. Die meisten Mikrofone erzeugen ein paar mV für normale Schallpegel.

Zusätzlich zu den anderen hervorragenden Antworten zum Produkt aus Gewinn und Bandbreite gibt es ein weiteres Problem. Bei zu hoher Verstärkung kann der Eingangs-Operationsverstärker aufgrund der Eingangs-Offsetspannung in die Sättigung gehen. Viele Mischpulte verwenden den Operationsverstärker 5532 für die erste Verstärkungsstufe. Er hat eine typische Offset-Spannung von 0,5 mV, kann aber über Temperatur bis zu 5 mV betragen. Bei einer Verstärkung von 60 dB wird ein Eingangs-Offset von 5 mV zu einem DC-Offset von 5 V am Ausgang. Der 5532 hat auch ein typisches Verstärkungsbandbreitenprodukt von 10 MHz, so dass bei einer Verstärkung von 60 dB die Bandbreite höchstens 10 kHz beträgt.

Wenn viel Gain vorhanden ist, gibt es tendenziell auch viel Rauschen. Nach einem Vorverstärker verwende ich gerne einen aktiven Tiefpassfilter, um mehr Verstärkung zu erhalten, und filtere auch einen Teil des hochfrequenten Ausgangsrauschens des Vorverstärkers heraus. Ich verwende den Operationsverstärker OPA2134, von dem ich durch die gute Beratung zum Design aktiver Filter bei Linkwitz Lab erfahren habe . Wenn die maximale Frequenz nicht niedrig ist, würde ich weniger als 60 dB Verstärkung in einer einzigen Stufe verwenden. Zwei 40dB-Stufen wären besser.