왜 (마이크) 프리 앰프 디자인이 opamp 게인을 최대 60dB로 제한하는 경향이 있습니까?

많은 프로 레코딩 품질의 마이크 프리 앰프를 살펴본 결과, 내가 본 옵 앰프 (이산 또는 IC)를 사용하는 모든 디자인은 옵 앰프가 제공하는 게인을 최대 60dB로 제한한다는 것을 알았습니다. 대부분의 프리 앰프는 70db 또는 80dB에 도달하기 위해 다른 스테이지 (변압기 또는 다른 opamp)를 사용하지만 왜 첫 번째 opamp를 사용하여 도착하지 않는지 궁금합니다. 내가 이해 한 바에 따르면 몇 가지 장점이 있습니다.

• 전압 게인이 증가함에 따라 더 나은 신호대 잡음비
• 더 간단한 오디오 경로
• 적은 부품 및 비용.

60dB 이상의 opamp 안정성과 관련이 있습니까?

다음은 일반적인 회로도입니다. R12는 이득을 40.1dB로 제한합니다. 나는 다음 공식을 사용하고 있습니다 :

또한 THAT-Corp가 제조 한 완전한 마이크 프리 앰프 IC의 최대 게인은 60dB입니다.

이득 / 대역폭 제품, 60dB (1,000 배)에서 50KHz 대역폭을 원하므로 약 50MHz, 이득 / 대역폭 제품 (및 더 많은 HF 왜곡 감소)이 필요합니다. 80dB로 설정하면 500MHz GBP가 필요합니다. DC 근처에서 낮은 노이즈를 원하면 어려워집니다 (그리고 낮은 게인에서 안정화하기에는 정말 나쁜 소식이 있습니다).

또한 잡음이 처음 20 또는 30dB의 이득을 갖는 스테이지에 대한 잡음에 의해 완전히 지배된다는 것을 고려하십시오 (수학을 수행하십시오). 낮은 Z 소스와 낮은 1 / F 노이즈를 위해 설계된 노이즈 스테이지. 이제 몇 MHz의 GBP 만 필요하며 이상한 소스 임피던스로도 쉽게 안정화 할 수 있습니다. 그런 다음 나머지 단계를 수행하십시오 (노이즈가 덜 중요하고 알려진 소스 임피던스가있는 곳).

또 다른 어려운 점은 하나의 노브 게인 제어를 사용하는 경우 이해하기 쉬운 제어 법칙이 점점 까다로워진다는 것입니다. 클래식 계측 단계에서는 게인 설정 저항이 몇 옴에서 몇 k 옴까지 다양합니다. 역 로그 포트가 그보다 더 넓은 범위를 갖도록 만드는 것은 매우 어려울 수 있습니다.

GBW ( 게인 대역폭 곱 ) 의 문제가 있으므로 단일 스테이지는 우수한 성능으로 불가능합니다. 대역폭을 좁히는 것만으로는 충분하지 않으며 왜곡을 줄이고 충분한 응답으로 정확한 재생을 얻기에 충분한 이득을 원합니다 (약 10kHz 이상의 왜곡은 사람의 청각에는 중요하지 않습니다). 물론 각각 더 합리적인 이득을 가진 두 단계를 가질 수 있습니다. 대역폭은 -3dB 포인트 (패스 대역의 가장자리에서 출력이 절반으로 줄어듦)에 의해 정의되며, 오디오 애호가 표준에 의해 정확하게 평평하지는 않습니다.

또 다른 문제는 아주 좋은 연산 증폭기조차도 몇 의 입력 참조 잡음 레벨을 가질 수 있다는 것입니다$\text{nV}/\sqrt {\text {Hz}}$

리본 마이크와 같은 매우 낮은 전압 소스는 임피던스가 낮은 경향이 있기 때문에 이는 절충안입니다.

다소 높은 드레인 전류에서 실행되는 여러 JFET와 같은 이산 소자를 사용하여 노이즈 성능을 극도로 낮추는 다른 방법이 있습니다. 이것은 JFET의 수의 제곱근에 의해 잡음을 이상적으로 줄일 수 있지만, 입력 커패시턴스는 JFET의 수와 병렬로 비례하므로 나쁜 효과는 개선보다 빠르게 증가합니다.

왜 (마이크) 프리 앰프 디자인이 opamp 게인을 최대 60dB로 제한하는 경향이 있습니까?

마이크 및 기타 오디오 장치가 생산하는 모든 범위의 좋은 전체 그림 :-

여기 에서 찍은 사진 .

알 수 있듯이 스튜디오 마이크 (유형에 따라 다름)는 -60dBm (대략 600ohm, 따라서 0dBm = 0.775V)에서 -20dBm의 출력 범위를 생성 할 수 있습니다. 이것은 1 kHz에서 1 파스칼의 표준 입력 압력 레벨을위한 것입니다.

라인 입력 레벨은 일반적으로 약 0dBm이므로 일반적인 마이크 프리 앰프는 20dB ~ 60dB의 게인 범위를 갖습니다.

많은 연산 증폭기 회로는 무한 이득 연산 증폭기를 포함한 이상적인 구성 요소를 사용하여 구성된 경우 알려진 유한 이득을 생성하도록 설계되었습니다. 실제로 이러한 회로는 항상 비 이상적인 구성 요소로 구성되며 이상적인 구성 요소의 결과와 동작이 일치하지 않습니다. 매우 기본적인 증폭기를 고려하십시오.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

이상적인 구성 요소를 사용할 때 게인은 (R1 + R2) / R2입니다. 나는 그것을 "명목상의 이득"이라고 부를 것이다. 실제 회로에서 연산 증폭기에 일정한 개방 루프 이득이 있으면 이득은 1 / (R2 / (R1 + R2) + 1 / opAmpGain)이됩니다. 연산 증폭기의 개방 루프 이득이 (R1 + R2) / R2보다 훨씬 큰 경우 1 / opAmpGain은 R2 / (R1 + R2)에 비해 매우 작으며 정확한 값은 중요하지 않습니다. 많은. 또한 개방 루프 이득이 주파수 또는 입력 전압과 같은 요인으로 인해 달라질 수 있더라도 회로의 최대 및 최소 이득은 상대적으로 가깝습니다. 예를 들어, 개방 루프 이득이 500x와 1000000X 사이에서 변할 수 있다면, 회로의 순 이득은 약 9.8x에서 10x의 범위에있을 것입니다. 일부 용도에 이상적 일 수있는 것보다 더 많은 변형이 있지만 여전히 작습니다.

R1이 99K로 변경되면 (공칭 이득이 10x에서 100x로 변경됨) 연산 증폭기의 실제 이득에 대한 회로 감도는 10 배 이상 증가합니다. 연산 증폭기의 실제 게인의 동일한 변화는 회로의 순 게인이 약 83x에서 100x까지의 범위 인 훨씬 더 큰 변화를 야기합니다. 대신 두 번째 복사본으로 아래에 표시된 회로 (10x 게인)를 캐스케이드 연결하면 결과 회로의 약 96x에서 100x 범위의 게인이됩니다. 해당 회로의 복사본 하나를 사용할 때보 다 상대적으로 큰 불확실성이 있지만 한 단계에서 100 배의 이득을 달성하려고 할 때보 다 훨씬 작습니다.

60dB의 이득은 1000 : 1의 전압 이득을 수반합니다. 오디오 주파수에서 1000 : 1 공칭 이득을 실현하기에 충분히 높은 개방 루프 이득을 갖는 하나의 연산 증폭기는 약간 열등한 사양을 가진 2 개의 연산 증폭기보다 저렴할 수 있지만, 그러한 높은 이득에서 잘 작동하는 연산 증폭기는 훨씬 비싸다. 어느 정도의 게인에서, 더 저렴한 두 개의 앰프를 사용하는 것이 더 높은 게인에서 잘 작동하기에 충분한 품질의 하나의 앰프를 사용하는 것보다 더 실용적입니다.

60dB는 마이크에서 1mV가 1V가됨을 의미합니다. 이는 마이크를 증폭하고 "라인 레벨"입력으로 공급하려는 최대치에 관한 것입니다. 대부분의 마이크는 정상적인 사운드 레벨을 위해 몇 mV 출력을 생성합니다.

이득 대역폭 제품에 대한 다른 훌륭한 답변 외에도 다른 문제가 있습니다. 게인이 너무 많으면 입력 오프셋 전압으로 인해 입력 연산 증폭기가 포화 될 수 있습니다. 많은 믹서 보드는 첫 번째 게인 스테이지에 5532 op 앰프를 사용합니다. 일반적인 오프셋 전압은 0.5mV이지만 온도에서 5mV까지 높을 수 있습니다. 60dB의 게인으로 5mV 입력 오프셋은 출력에서 ​​DC 오프셋의 5V가됩니다. 5532는 또한 10MHz 일반 게인 대역폭 제품을 가지고 있으므로 60dB 게인에서 대역폭은 최대 10kHz입니다.

게인이 많으면 소음도 많은 경향이 있습니다. 프리 앰프 후, 저역 통과 능동 필터를 사용하여 더 많은 게인을 얻고 고주파 프리 앰프 출력 노이즈를 필터링합니다. Linkwitz Lab 의 우수한 능동 필터 설계 조언을 통해 알게 된 OPA2134 op amp를 사용합니다 . 최대 주파수가 낮지 않으면 단일 스테이지에서 60dB 미만의 게인을 사용하게됩니다. 2 개의 40dB 스테이지가 더 좋습니다.