Почему аудио операционные усилители требуют такого высокого напряжения на рейке?

Это может быть глупый вопрос, но мне пока не удалось найти его в Интернете. У меня также есть несколько связанных вопросов, которые, я надеюсь, не слишком отклонятся от темы.

В профессиональном оборудовании аудиосигналы линейного уровня приблизительно равны ~ 3,5 В от максимума , так почему же для аудиосхем обычно требуются или рекомендуются напряжения на шине +/- 12 В или выше?

Это чисто напольная штука? Или нелинейности в операционных усилителях зависят от напряжения питания?

Или для поддержки более дешевых компонентов? Если посмотреть на технические характеристики TL072, максимальное выходное напряжение может составлять всего 2/3 шины, если сопротивление нагрузки становится низким (2 кОм), но обычно составляет 90% от шины при нагрузке 10 кОм. Но вы могли бы также использовать более мощный операционный усилитель, который подключен по железной дороге?

Главное, что вызывает этот вопрос, - это посмотреть таблицу данных для Cirrus CS4272 и схемы / данные на оценочной плате. В этом случае, даже если АЦП работает от 0 В до 5 В, они по-прежнему предпочитают использовать биполярный источник питания +/- 18 В для входного буфера. В этом конкретном примере они используют NE5532D8, который имеет выходной размах наихудшего случая 80% от шины и поддерживает рельсы на уровне +/- 3v.

Итак, зачем им использовать источники питания +/- 18 В, если АЦП поддерживает только звук 0-5 В (предположительно, смещением около 2,5 В), а использование источника питания +/- 3 В все равно будет легко соответствовать пиковому диапазону 3,5 В?

Согласно данным таблицы, в этой схеме также не происходит масштабирование (усиление или затухание):

Разъемы XLR питают аналоговые входы CS4272 через дифференциальные цепи с единичным усилением. Дифференциальный сигнал 2 Vrms приведет входы CS4272 к полной шкале.

Таким образом, любой сигнал, превышающий уровень линии, в любом случае может быть обрезан АЦП. Лучше иметь отсечение в АЦП по сравнению с операционным усилителем? Или для выходного каскада требуется более высокая шина, хотя она все равно будет обеспечивать выходной сигнал линейного уровня ~ 3,5 В?

В связи с использованием АЦП с питанием от одного источника питания 5 В, по каким причинам использование входного каскада с биполярным питанием с более высоким напряжением лучше, чем использование чего-то подобного LT1215 на одном источнике питания с питанием 5 В? (Я не могу опубликовать ссылку, потому что у меня пока нет 10 репутации на этом конкретном Stack Exchange ... Это достаточно просто для Google)

Спасибо!

1. Сегодняшнее аудиооборудование высокой четкости, которое работает с 24-битным звуком, такое как микшеры, использует дифференциальные входы 600 Ом и внутренние соединения шины (до тех пор, пока сигнал не будет оцифрован), которым необходимо колебание напряжения +/- 10 вольт для обработки динамического диапазона 120 дБ. звуковых дорожек SACD / DVDV / Blu-Ray. ИС драйвера diff часто представляет собой SSM2142, который имеет питающие шины +/- 18 вольт (в смесителях).
2. Да, некоторая часть этого дополнительного напряжения предназначена для компенсации напряжения Vdrop на дальних нагрузках 600 Ом, поэтому на нагрузке доступно колебание +/- 10 Вольт. Это более высокое напряжение привода началось с компакт-дисков (начало 1980-х), которые имеют динамический диапазон около 90 дБ, и они перегружали вход многих более старых стереосистем, так что звук был очень искажен.
3. Исправление состояло в том, чтобы установить адаптеры фоно-штекера на 6 дБ, чтобы уровень был понижен до уровня, к которому привыкли старые стерео. Я не могу объяснить, почему разработчик использовал операционный усилитель высокого напряжения для управления низковольтным АЦП, если вход не соответствует стандарту SACD +/- 10 вольт, а затем разделить его перед АЦП.
4. Сегодняшние CD / SACD / DVD / Blu-Ray выходы имеют максимальный выход +/- 10 В, поэтому только на аналоговом выходе IC должны быть высоковольтные шины. Перед этой микросхемой сигнал все еще находится в цифровом формате. MP3-плееры могут работать с гораздо более низким напряжением, поскольку динамический диапазон составляет около 60 дБ.
5. Плеер более высокого качества, который может воспроизводить файлы CD, может иметь динамический диапазон 90 дБ, повышая напряжение только для ИС наушников / наушников.
6. Если вы не обрабатываете 24-битные аудиосигналы или сверхточные измерения постоянного тока, 5-вольтовые одноконтактные источники питания и ультра-тихие 5-вольтные и 3,3-вольтные АЦП и ЦАП достаточно хороши для CD, MP3 и обычного аудио. Так называемые «чопперные» усилители могут также выполнять точные измерения постоянного тока с 5-вольтовым питанием, хотя частота дискретизации ограничена, возможно, 100 сП, это будет увеличиваться со временем. Усилители мощности используют +/- 15 вольт (или выше) для операционных усилителей для обработки современного звука высокой четкости практически без искажений.
7. Если разработчик устанавливает операционные усилители +/- 12 В в цепях АЦП 5 В, это может быть сделано для простоты проектирования, например, для управления нагрузками с более низким импедансом и / или для избежания покупки «специальных» операционных усилителей низкого напряжения, которые могут просто добавить к стоимости запасов.
8. Если вы посмотрите на SACD, это 24-битный формат записи студийного уровня, который микшируется в аудиодорожки DVD / Blu-Ray, а музыкальные концерты также имеют микширование до 16-битного формата для компакт-дисков. +/- 10 вольт - это максимальный уровень в линии для нагрузок 600 Ом или выше, но современный домашний звук ожидает этот уровень от этих устройств.
9. Стандартные входы Tape In и Tape-Out, а также MP3 и кассетный вход по-прежнему работают при исходных уровнях сигнала, около +/- 1 вольт. Старые стандарты уровня все еще существуют, но наряду с аудио высокой четкости (24 бита).
10. АЦП с напряжением 5 и 3,3 В могут иметь гораздо больший динамический диапазон (очень низкий уровень шума), чем в прошлом. Я не имею в виду, что АЦП на 5 или 3,3 В не могут обрабатывать звук высокой четкости, если он специально предназначен для этой задачи. Первоначально их стоимость была очень высокой, но год от года снижается.
11. Так называемые «высоковольтные» операционные усилители используются по многим причинам, включая звуковые и ультразвуковые звуки. Направляющие питания +/- 12 вольт на самом деле находятся на нижней стороне, так как LTC6090 имеет питающие шины +/- 70 вольт для ультразвукового контроля и управления движением.
12. Некоторые усилители мощности звука, такие как в серии Cerwin-Vega Metron, имеют питающие шины +/- 130 вольт, для выходной мощности 1500 Вт, поэтому ступень предусилителя с шинами +/- 15 вольт выглядит как низкое напряжение.
13. В этом и других случаях требуются более высокие напряжения, потому что следующей ступени или целевому устройству необходим такой широкий диапазон напряжений для правильной работы. Нагрузка может быть делителем напряжения, предназначенным для низкоимпедансной малошумящей нагрузки или простого согласования импедансов.
14. Кстати, «xxdB» относится к минимальному уровню шума схемы или записи, так что самый высокий уровень шума на уровне пола слишком низок, чтобы его можно было обнаружить или заметить по сравнению с «полной громкостью». Кроме того, он не указывает напряжение, на которое подается микросхема, но насколько тиха микросхема без приложенного сигнала, по сравнению с уровнями полной громкости звука.
15. Напряжения питания +/- 12 вольт и выше уменьшаются для тех устройств, которые действительно в них нуждаются, таких как усилители мощности, источники питания, испытательное оборудование и т. Д.
    
    РЕДАКТИРОВАТЬ: из-за постоянного улучшения минимального уровня шума постоянного тока и аудио ИС Стоит отметить, что в какой-то момент старые «стандартные» +/- 10 вольт в спецификации 600 Ом будут заменены более низкими напряжениями в 600 Ом. Стандарт на 600 Ом исходит со времен прокладки 200 футов 32-канальных экранированных витых пар (STP) от концертной площадки до звуковой башни на расстоянии 200 футов, и в то время это было удобно для аналоговых микшеров с входами XLR на 600 Ом ,
    
    Все эти дорогостоящие шаги были необходимы, чтобы не допустить шума в микрофон и инструментальные кабели, такие как верхний свет, стробоскопы, лазеры, рации, которые использовала сценическая бригада, и т. Д.
    
    При этом ясно, что со временем становится ясно, что в источнике оцифровывается больше источников звука, что исключает необходимость использования 200-футовой «змеи». В какой-то момент в будущем все источники будут оцифрованы сразу и могут не стать аналоговыми, пока сигнал не дойдет до наушников и динамиков, что сделает мой текущий ответ устаревшим с точки зрения сигналов, но не мощности.

В прежние времена усилителям требовался хороший запас между диапазоном выходного напряжения и напряжением питания. Старые операционные усилители часто имели падение напряжения 3 В на рельс.

Более того, наличие выходного сигнала дальше от этого предела гарантировало лучший коэффициент отклонения поставок (более старые конструкции часто использовали плохо регулируемые поставки, используя в качестве регулятора только стабилитрон + NPN). И эти операционные усилители обычно имели лучшие общие характеристики (PSRR, CMR, THD + N, ...), когда напряжения питания были выше. В качестве примера, посмотрите спецификации THD + N OPA134 (который появился в середине 90-х), популярного операционного усилителя, используемого в высококачественном аудио:

Вы ясно видите, что THD + N лучше при более высоких напряжениях питания. Даже не упоминая, что те старые операционные усилители обычно никогда не указывались полностью при +/- 5В.

Так что все использовали довольно высокое напряжение питания. Это было просто естественно.

В настоящее время я не уверен, оправдано ли это до сих пор. Новые операционные усилители типа «железная дорога к железной дороге» имеют хорошие характеристики, и, если ваши расходные материалы достаточно стабильны, отказ от поставок не является проблемой. Но часто люди, разрабатывающие «высококачественные устройства Hi-Fi», не всегда легко начинают использовать более новые вещи, поэтому, я думаю, у них все еще есть эта привычка.

Теперь, если вы хотите использовать LT1215 с одним источником питания 5 В, и если характеристики LT1215 достаточно хороши для вас, все в порядке. Его характеристики не смешны. Просто убедитесь, что диапазон входного напряжения / размах выходного напряжения соответствуют вашему применению. Если входной диапазон АЦП составляет 0-5 В, наличие LT1215 с ограниченным максимальным выходным напряжением ~ 4,4 В немного срезает динамический диапазон, но это может быть приемлемым. Вам решать.

Я думаю, что с заглушкой для блокировки постоянного тока на входе и другой заглушкой для блокировки постоянного тока на выходе, любая цепь операционного усилителя с биполярным питанием может быть перенастроена для работы с одним источником питания.

и я подумал, что в наши дни некоторые операционные усилители работали вплоть до 3,3 В блока питания. Вот пример, который я просто нашел в Интернете: