Warum benötigen Audio-Operationsverstärker so hohe Schienenspannungen?

Dies mag eine dumme Frage sein, aber ich konnte sie noch nicht direkt im Internet finden. Ich habe auch eine Handvoll verwandter Fragen in der Reihe, von denen ich hoffe, dass sie nicht zu weit vom Thema entfernt sind.

In Pro -Geräten betragen die Audiosignale auf Line-Pegel ungefähr ~ 3,5 V von Spitze zu Spitze . Warum benötigen oder empfehlen Audiokreise routinemäßig Schienenspannungen von +/- 12 V oder mehr?

Ist das nur eine Kopffreiheit? Oder hängen Nichtlinearitäten in Operationsverstärkern von den Versorgungsspannungen ab?

Oder um billigere Komponenten zu unterstützen? Im Datenblatt des TL072 kann die maximale Ausgangsspannung nur 2/3 der Schiene betragen, wenn der Lastwiderstand niedrig wird (2 kOhm), liegt jedoch bei einer Last von 10 kOhm normalerweise bei 90% der Schiene. Sie können aber auch einen High-End-Operationsverstärker verwenden, der Rail-to-Rail ist?

Die Hauptsache, die diese Frage aufwirft, ist das Datenblatt für den Cirrus CS4272 und die Schaltpläne / Daten auf dem Evaluierungsboard. In diesem Fall entscheiden sie sich, obwohl der ADC von 0 V bis 5 V arbeitet, für die Verwendung einer bipolaren +/- 18 V-Versorgung für den Eingangspuffer. In diesem speziellen Beispiel verwenden sie den NE5532D8, der eine Worst-Case-Ausgangsschwingung von 80% der Schiene aufweist und Schienen mit nur +/- 3 V unterstützt.

Warum sollten sie also +/- 18-V-Versorgungen verwenden, wenn der ADC nur 0-5-V-Audio unterstützt (vermutlich um 2,5 V vorgespannt), und die Verwendung einer +/- 3-V-Versorgung den 3,5-V-Spitze-Spitze-Bereich immer noch problemlos aufnehmen würde?

Laut Datenblatt findet in dieser Schaltung auch keine Skalierung (Verstärkung oder Dämpfung) statt:

XLR-Anschlüsse versorgen die analogen Eingänge des CS4272 über AC-gekoppelte Differentialschaltungen mit Einheitsverstärkung. Ein 2-Veff-Differenzsignal treibt die CS4272-Eingänge auf Vollausschlag.

Jedes Signal, das über dem Leitungspegel liegt, wird sowieso vom ADC abgeschnitten. Ist es besser, das Clipping im ADC im Vergleich zum Operationsverstärker zu haben? Oder ist die höhere Schiene für die Ausgangsstufe erforderlich, obwohl sie immer noch nur ein Ausgangssignal von ~ 3,5 V Spitze-Spitze-Line-Pegel liefert?

Was sind im Zusammenhang mit der Ansteuerung eines 5-V-Einzelversorgungs-ADC die Gründe dafür, dass die Verwendung einer Eingangsstufe mit höheren bipolaren Versorgungen besser ist als die Verwendung eines LT1215 bei einer Einzelversorgung mit 5 V? (Ich kann keinen Link posten, da ich noch keine 10 Reputationen für diesen speziellen Stack Exchange habe ... Es ist einfach genug zu googeln)

Vielen Dank!

1. Heutige hochauflösende Audiogeräte, die mit 24-Bit-Audio arbeiten, wie z. B. Mischpulte, verwenden 600-Ohm-Differenzeingänge und interne Busverbindungen (bis das Signal digitalisiert ist), die einen Spannungshub von +/- 10 Volt benötigen, um den Dynamikbereich von 120 dB zu bewältigen von SACD / DVDV / Blu-Ray-Audiospuren. Der Diff-Treiber-IC ist häufig ein SSM2142 mit Versorgungsschienen von +/- 18 Volt (in Mischern).
2. Ja, ein Teil dieser zusätzlichen Spannung soll den Vdrop über entfernte 600-Ohm-Lasten ausgleichen, sodass an der Last ein +/- 10-Volt-Schwung verfügbar ist. Diese höhere Ansteuerspannung begann mit CDs (Anfang der 1980er Jahre) mit einem Dynamikbereich von etwa 90 dB, die den Eingang vieler älterer Stereoanlagen überlasteten, sodass der Klang sehr verzerrt war.
3. Das Update bestand darin, -6 dB Phono-Plug-Adapter zu installieren, damit der Pegel auf den Wert der alten Stereoanlagen gesenkt wurde. Ich kann nicht erklären, warum ein Designer einen Hochspannungs-Operationsverstärker verwenden würde, um einen Niederspannungs-ADC anzusteuern, es sei denn, der Eingang entspricht dem SACD-Standard +/- 10 Volt, und teilt ihn dann vor dem ADC auf.
4. Die heutigen CD / SACD / DVD / Blu-Ray-Ausgänge haben einen maximalen Schwung von +/- 10 Volt, sodass nur der Analogausgangs-IC die Hochspannungsschienen haben muss. Vor diesem IC liegt das Signal noch in einem digitalen Format vor. MP3-Player können mit viel niedrigeren Spannungen arbeiten, da der Dynamikbereich etwa 60 dB beträgt.
5. Ein Player mit höherer Qualität, der CD-Dateien abspielen kann, verfügt möglicherweise über einen Dynamikbereich von 90 dB, indem die Spannung nur für den Kopfhörer- / Ohrhörer-Treiber-IC erhöht wird.
6. Sofern Sie keine 24-Bit-Audio- oder hochpräzisen Gleichstrommessungen verarbeiten, sind 5-Volt-Single-Ended-Netzteile und ultra-leise 5-Volt- und 3,3-Volt-ADCs und -DACs für CD, MP3 und herkömmliches Audio ausreichend. Sogenannte "Chopper" -Verstärker können auch präzise Gleichstrommessungen mit einer 5-Volt-Versorgung durchführen, obwohl die Abtastrate auf möglicherweise 100 sps begrenzt ist, was sich mit der Zeit erhöht. Leistungsverstärker verwenden +/- 15-Volt-Schienen (oder höher) für die Operationsverstärker, um heutiges High-Definition-Audio nahezu ohne Verzerrung zu verarbeiten.
7. Wenn der Entwickler +/- 12-Volt-Operationsverstärker in 5-Volt-ADC-Schaltkreisen installiert, kann dies zur Vereinfachung des Designs, zum Ansteuern von Lasten mit niedriger Impedanz und / oder zum Vermeiden des Kaufs von "speziellen" Niederspannungs-Operationsverstärkern dienen, die möglicherweise nur hinzugefügt werden zu Inventarkosten.
8. Wenn Sie nach SACD suchen, handelt es sich um ein 24-Bit-Aufnahmeformat in Studioqualität, das auf DVD / Blu-Ray-Audiospuren heruntergemischt wird. Musikkonzerte haben auch ein Mix-Down-Format auf 16-Bit für CDs. +/- 10 Volt ist der maximale Leitungspegel für Lasten mit 600 Ohm oder höher, aber das heutige Heimaudio erwartet diesen Pegel von diesen Geräten.
9. Die Standard-Eingänge "Tape In" und "Tape-Out" sowie der MP3- und Kassetteneingang arbeiten immer noch mit ihren ursprünglichen Signalpegeln von etwa +/- 1 Volt. Die alten Level-Standards existieren immer noch, aber neben hochauflösendem Audio (24 Bit).
10. Fünf-Volt- und 3,3-Volt-ADCs können einen viel größeren Dynamikbereich (sehr geringes Grundrauschen) bieten als in der Vergangenheit. Ich möchte nicht implizieren, dass 5- oder 3,3-Volt-ADCs kein hochauflösendes Audio verarbeiten können, solange es speziell für diese Aufgabe entwickelt wurde. Ihre Kosten waren anfangs sehr hoch, sinken aber von Jahr zu Jahr.
11. Sogenannte "Hochspannungs" -Operverstärker werden aus vielen Gründen verwendet, einschließlich Audio- und Ultraschallgeräuschen. Versorgungsschienen von +/- 12 Volt sind eigentlich eher niedrig, da der LTC6090 Versorgungsschienen von +/- 70 Volt für Ultraschall- und Bewegungssteuerung hat.
12. Einige Audio-Leistungsverstärker, wie die der Cerwin-Vega Metron-Serie, haben Versorgungsschienen von +/- 130 Volt für eine Ausgangsleistung von 1.500 Watt, sodass eine Vorverstärkerstufe mit +/- 15 Volt-Schienen wie eine Niederspannung erscheint.
13. In diesem und anderen Fällen werden die höheren Spannungen benötigt, da die nächste Stufe oder das Zielgerät diesen weiten Spannungsbereich benötigt, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Die Last kann ein Spannungsteiler sein, der für eine rauscharme Last mit niedriger Impedanz oder eine einfache Impedanzanpassung ausgelegt ist.
14. Übrigens bezieht sich "xxdB" auf das Grundrauschen der Schaltung oder die Aufzeichnung, so dass das höchste Rauschen auf dem Grundpegel im Vergleich zur "vollen Lautstärke" zu gering ist, um erkannt oder wahrgenommen zu werden. Es zeigt auch nicht die Spannung an, mit der ein IC betrieben wird, sondern wie leise der IC ohne angelegtes Signal im Vergleich zu den Lautstärken bei voller Lautstärke ist.
15. Versorgungsschienen von +/- 12 Volt und höher werden auf die Geräte reduziert, die sie tatsächlich benötigen, wie z. B. Endstufen, Netzteile, Testgeräte usw.
    
    BEARBEITEN: Aufgrund ständiger Verbesserungen des Grundrauschens von DC- und Audio-ICs Erwähnenswert ist, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt die alte "Standard" -Spezifikation von +/- 10 Volt in 600 Ohm durch niedrigere Spannungen in 600 Ohm ersetzt wird. Der 600-Ohm-Standard stammt aus der Zeit, als 200 Fuß 32-Kanal-STP-Kabel (Shielded Twisted Pair) von einer Konzertbühne zum 200 Fuß entfernten Sound Tower verlegt wurden, und war zu dieser Zeit für analoge Mixer mit 600-Ohm-XLR-Eingängen praktisch .
    
    All diese teuren Schritte waren erforderlich, um Geräusche von Mikrofon- und Instrumentenkabeln fernzuhalten, wie z. B. Deckenleuchten, Blitzlichter, Laser, Walkie-Talkies, die von der Bühnencrew verwendet wurden usw.
    
    Allerdings ist klar, dass im Laufe der Zeit An der Quelle werden mehr Schallquellen digitalisiert, sodass keine 200-Fuß-Schlange erforderlich ist. Irgendwann in der Zukunft werden alle Quellen sofort digitalisiert und werden möglicherweise erst wieder analog, wenn das Signal die Kopfhörer und Lautsprecher erreicht. Dadurch ist meine aktuelle Antwort in Bezug auf Signale, aber nicht auf Strom veraltet.

In früheren Zeiten benötigten Verstärker einen guten Abstand zwischen dem Ausgangsspannungsbereich und den Versorgungsspannungen. Ältere Operationsverstärker hatten oft einen Spannungsabfall von 3 V pro Schiene.

Darüber hinaus garantiert ein weiter von dieser Grenze entfernter Signalausgang ein besseres Versorgungsunterdrückungsverhältnis (ältere Konstruktionen verwendeten häufig schlecht geregelte Versorgungen, wobei nur ein Zener + NPN als Regler verwendet wurde). Und diese Operationsverstärker hatten im Allgemeinen bessere Gesamtspezifikationen (PSRR, CMR, THD + N, ...), wenn die Versorgungsspannungen höher waren. Ein Beispiel finden Sie in den THD + N-Spezifikationen des OPA134 (der Mitte der 90er Jahre erschien), einem beliebten Opamp für High-End-Audio:

Sie sehen deutlich, dass THD + N bei höheren Versorgungsspannungen besser ist. Nicht einmal erwähnt, dass diese älteren Opamps normalerweise nie vollständig auf +/- 5 V spezifiziert wurden.

Also haben alle ziemlich hohe Versorgungsspannungen verwendet. Es war nur eine natürliche Sache.

Heutzutage bin ich mir nicht sicher, ob dies noch gerechtfertigt ist. Neuere Rail-to-Rail-Ausgangsverstärker haben gute Spezifikationen, und wenn Ihre Lieferungen stabil genug sind, ist die Ablehnung von Lieferungen kein Problem. Aber oft fangen Leute, die "High-End-Hifi-Ausrüstung" entwerfen, nicht einfach an, neuere Sachen zu verwenden, also haben sie diese Angewohnheit, denke ich.

Wenn Sie nun einen LT1215 mit einer einzigen 5-V-Versorgung verwenden möchten und die LT1215-Spezifikationen für Sie gut genug sind, ist alles in Ordnung. Die technischen Daten sind nicht lächerlich. Überprüfen Sie einfach, ob der Eingangsspannungsbereich / Ausgangsspannungshub für Ihre Anwendung geeignet ist. Wenn der ADC einen Eingangsbereich von 0 bis 5 V hat, verringert der LT1215 mit einem begrenzten maximalen Ausgang von ~ 4,4 V den Dynamikbereich zwar geringfügig, kann jedoch akzeptabel sein. Wie du willst.

Ich denke, mit einer DC-Sperrkappe am Eingang und einer weiteren DC-Sperrkappe am Ausgang kann jede bipolar betriebene Operationsverstärkerschaltung neu ausgelöst werden, um mit einem einzigen Netzteil zu arbeiten.

und ich dachte, sie haben einige Operationsverstärker in der heutigen Zeit bis auf eine 3,3-V-Stromversorgung arbeiten lassen. Hier ist ein Beispiel, das ich einfach im Web gefunden habe: