Was bringt ein Vorverstärker?

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Ich spreche im Zusammenhang mit Gitarrenverstärkern, aber ich gehe davon aus, dass diese Frage für jede Art von Audioverstärker relevant ist.

Sehr oft sehe ich in Verstärkerplänen zwei Verstärkungsstufen - erstens wird das Signal durch eine Vorverstärkerschaltung in geringerem Maße verstärkt und dann durch eine Leistungsverstärkerschaltung wieder verstärkt.

Das erscheint mir überflüssig. Was nützt es, ein Signal in zwei kleinen Schritten zu verstärken, anstatt nur eine Verstärkung mit größerer Verstärkung?

Mein erster Gedanke war: Hilft diese mehrstufige Verstärkung dabei, unerwünschte Signalstörungen zu reduzieren? Aber je mehr ich darüber nachdenke, desto weniger macht es Sinn, denn die zweite Stufe würde sicherlich auch das Rauschen verstärken.

amplifier preamp

— Jacob Garby
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Es gibt auch das Problem der Bandbreitenverstärkung. Für einen bestimmten Verstärker bedeutet mehr Verstärkung weniger Bandbreite. Wenn Sie in einer Stufe zu viel Gain verwenden, begrenzen Sie die Bandbreite dieser Stufe. Dies kann zu Verzerrungen führen. Negative Rückkopplungen benötigen Verstärkung und Bandbreite, um Verzerrungen auszugleichen.

— JRE

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Sie möchten nicht, dass die hohen Ströme (zum Lautsprecher) in der Nähe des Eingangssignals vom Gitarren-Pickup oder der Schallplattensignale liegen.

— analogsystemsrf

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Der erste Verstärker in einem Signalpfad ist normalerweise derjenige, der das gesamte Rauschen zum Signal hinzufügt. Der Vorverstärker muss daher so ausgelegt sein, dass dem Signal nicht mehr Rauschen als nötig hinzugefügt wird. Im Allgemeinen sind rauscharme Geräte und Designtechniken mit Hochleistungsgeräten und Designtechniken nicht kompatibel.

— mkeith

@mkeith Ich denke, Ihr Kommentar ist die beste allgemeine Antwort, die ich bisher zu diesem Thema gesehen habe. In Kombination mit der Antwort von Dave Tweed ergibt dies alles einen Sinn in Bezug auf die Gitarrenverstärkung.

— Todd Wilcox

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Ich würde es als Eingangsstufe bezeichnen, nicht als Vorverstärker, es sei denn, es gibt eine Misch- und Tonregelschaltung, die Ihre Frage von selbst beantwortet.

— user207421

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In Audiogeräten ist es nützlich, den größten Teil der Signalmanipulation auf einem Standardpegel durchzuführen, der als "Line-Pegel" bezeichnet wird. Dies schließt Mischen, Entzerren, Komprimieren usw. ein.

Einige Signalquellen (Mikrofone, Gitarren-Pickups usw.) erzeugen von Natur aus keine Line-Pegel-Ausgänge. Daher wird ein Vorverstärker verwendet, um das Signal auf diesen Pegel anzuheben. Einige Signalquellen (Plattenspieler) erfordern nicht nur eine Anhebung, sondern auch eine spezielle Entzerrung, um den Frequenzgang abzuflachen.

Nachdem die gesamte Signalverarbeitung abgeschlossen ist, wird ein zweiter "Leistungs" -Verstärker verwendet, um die Lautsprecher anzusteuern.

Durch diese Art der Modularität können Signalquellen, Verarbeitungsstufen und verschiedene Arten von Lautsprechern frei gemischt und angepasst werden.

— Dave Tweed
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Für den Fall, dass dies für E-Gitarren-Verstärker auf die einfachste Stufe heruntergebrochen werden muss: Der Vorverstärker bereitet das Signal für die Klangregelung vor, und nach der Klangregelung bereitet der Leistungsverstärker es für den Lautsprecher vor.

— Todd Wilcox

Oh, du hast Recht. Ich habe nicht bemerkt, dass er über Verstärker in derselben Einheit sprach, was durch das Bit "im selben schematischen Teil" impliziert wurde.

— DKNguyen

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Schnelle und schmutzige Antwort:

Pufferung ist ein Grund. Verbindungen zwischen Dingen können sehr kapazitiv sein und erfordern (vergleichsweise) viel Strom, um sie anzutreiben.

Störfestigkeit ist eine andere. Denken Sie an dieses Szenario: Senden Sie ein Signal über eine Leitung, wo es beispielsweise 10 mV Rauschen aufnimmt, und verstärken Sie es dann um das 100-fache: Gesamtrauschen, 1000 mV. Wenn Sie es jedoch stattdessen um das 10- fache verstärken, dann senden Sie es durch das Kabel, wo es 10 mV Rauschen empfängt, und verstärken es dann um das 10-fache. Ihre gesamte Signalverstärkung beträgt immer noch das 100-fache, aber Ihr gesamtes Rauschen beträgt nur 100 mV.

— Feuerstelle
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Wollen Sie damit sagen, dass die Geräusche, die im Verstärkergehäuse aufgenommen werden, gleich oder größer sind als die Geräusche, die von den Gitarren-Pickups auf der ganzen Welt aufgenommen werden? Das scheint mir nicht richtig zu sein. Bei E-Gitarren ist der Teil der Signalkette, der am meisten zu Rauschen neigt, die Quelle (die Tonabnehmer), keine Verbindung (die Kabel oder Flywires oder die Leiterbahnen auf einer Leiterplatte).

— Todd Wilcox

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@ToddWilcox Ich habe gesagt, dass dies eine schnelle und schmutzige Antwort war und möglicherweise nicht ganz so gut auf das spezielle Szenario zutrifft, nach dem der Fragesteller fragt. Es ist nicht die beste Antwort und erfordert viel Arbeit, aber ich habe momentan weder die Zeit noch die Energie, daran zu arbeiten, und ehrlich gesagt bin ich erstaunt, dass es so viele positive Stimmen bekommen hat, wie es getan hat. Die hier verwendete Definition von "Rauschen" geht implizit davon aus, dass das gewünschte Signal genau das ist, was der Wandler ausgibt, und dass das Signal, wie es an den Anschlüssen des Wandlers vorhanden ist, per Definition rauschfrei ist.

— Hearth

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F = 1 + \frac{N_{ein d d ich t ich O n ein l}}{N_{ich n p u t} G} .

$F = 1 + \frac{N_\mathrm{additional}}{N_\mathrm{input}G}.$

F_{t O t ein l} = F_{1} + \frac{F_{2} - 1}{G_{1}} + \frac{F_{3} - 1}{G_{1} G_{2}} + \frac{F_{4} - 1}{G_{1} G_{2} G_{3}} + \dots .

$F_\mathrm{total} = F_1 + \frac{F_2 - 1}{G_1} + \frac{F_3 - 1}{G_1 G_2} + \frac{F_4 - 1}{G_1 G_2 G_3} + \dots.$

F_{n}

$F_n$

G_{n}

$G_n$

Wie Sie sehen, wird der Rauschfaktor einer bestimmten Stufe durch das Verstärkungsprodukt aller vorherigen Stufen dividiert. Die erste Stufe ist also die wichtigste, wenn es um Lärm geht. Aus diesem Grund haben Sie eine rauscharme Vorverstärkerstufe als allererste Komponente in der Signalkette. Diese Konfiguration hat den zusätzlichen Vorteil, dass Sie sich keine Gedanken über die Rauschzahl des Leistungsverstärkers machen müssen.

— user110971
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Und das gilt, wie man sagt, von DC bis zum Tageslicht. Der erste Verstärker stellt die Rauschzahl so ein, wie sie in RF angegeben ist (als Faustregel).

— Mkeith

Anders ausgedrückt, die erste Stufe verstärkt die Leistung, die nächsten Stufen verstärken die Spannung. Widerstände erzeugen thermisches Rauschen, bei dem es sich um Leistung handelt - die Spannung hängt von anderen Faktoren ab - hauptsächlich vom Widerstandswert. Die erste Stufe sollte der Quellenimpedanz entsprechen, um die in die erste Stufe eintretende Leistung zu maximieren. Dies hilft, das SNR-Verhältnis zu senken, da es die Signalleistung erhöht, während die Rauschleistung mehr oder weniger konstant ist.

— le_top

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Ein Hauptgrund für separate Boxen für Vorverstärker und Leistungsverstärker sind die Erdströme und auch die magnetische Kopplung. [Es gibt ein numerisches Beispiel mit 20 kHz und 6 Ampere für die Lautsprecher am Ende dieser Antwort, wobei der Vorverstärker nur 10 cm vom Leistungsverstärker entfernt ist.]

Angenommen, Sie haben den Vorverstärker und die Endstufe auf derselben Platine installiert . Warum nicht?

Ein Teil des Lautsprecherstroms fließt auf dem GROUND herum und wird schließlich mit dem Eingangssignal kombiniert.

Um dieses "Kombinieren" zu minimieren, sollten Sie die Leiterplatte lang und dünn machen, damit die PowerAmp-Erdungen weit von den PreAmp-Erdungen entfernt sind.

Wie kann man das verbessern? Verwenden Sie lange dünne Bereiche zwischen dem Vorverstärker und der Endstufe.

Im Extremfall bietet ein Koaxialkabel einen langen, dünnen Bereich, um eine sehr geringe Kombination von Eingangs- und Ausgangsströmen zu gewährleisten.

Zum Beispiel: Warum sind die Vorteile von JFET gegenüber MOSFET oder warum werden JFET immer noch verwendet?

Bei niedrigen Millivolt-Signalen von einer Moving-Magnet-Kassette für Schallplatten oder sogar 0,5 Millivolt von Moving-Coil-Kassetten, die auf nahezu 100-Volt-Audioausgänge verstärkt wurden, benötigt das gesamte System eine Isolation von ~ 100.000: 1. Und selbst diese Isolation liefert nur ein Signal-Rausch-Verhältnis von UNITY, das Oszillationen kaum verhindert. Für ein Signal-zu-Rückkopplungs-Verhältnis von 80 dB muss die Isolation um weitere 10.000: 1 bis 1 Teil pro Milliarde verbessert werden.

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

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Wie schlimm kann (magnetisches Feld) Übersprechen / Feedback sein? Angenommen, der Ausgangsstrom beträgt 6 Ampere bei 20.000 Hz. Der dI / dT ist 6 · d (sin (2 · pi · 20.000 · Zeit)) / dT = 6 · 2 · pi · 20.000 · cos (2 · pi · 20000 · T)

oder dI / dT = 700.000 Ampere pro Sekunde.

Angenommen, der Vorverstärkereingang (denken Sie daran, dass 1 Millivolt-Signal von der Kassette gesendet wird und Sie mindestens 10.000: 1 SNR oder Tonrückkopplung wünschen, also 0,1 Mikrovolt-Rückkopplung für den gewünschten Pegel) ist 0,1 Meter vom Lautsprecherausgang entfernt.

V_magnetic_induce = (2,0e-7 * Fläche / Abstand) * dI / dT

und wir nehmen an, dass die Eingangsschleifenfläche (Signal zu Masse) 1 cm mal 4 cm beträgt.

Führen Sie jetzt die Mathematik aus; Denken Sie daran, wir möchten weniger als 0,1 Mikrovolt Rückkopplung.

Vinduce *** = 2e-7Henry / Meter * (Opferschleifenfläche = 1 cm * 4 cm) / 10 cm * 700.000

Vinduce = 2e-7 * 0,0004 Meter / 0,1 Meter * 700,000

Vinduce = 2e-7 * 0,004 * 7e + 5

Vinduce = 2e-7 * 4e-3 * 7e + 7 = 56 e-3 = 56 MilliVolt. [FALSCH! Mathematische Fehler]

Vinduce = 2e-7 * 4e-3 * 7e + 5 = 56e-5 = 560e-6 = 0,56 Millivolt [war 7e-5 gewesen; korrigiert auf 7e + 5]

Die magnetische Rückkopplung, die dadurch entsteht, dass sich der Poweramplifer in der Nähe des Vorverstärkers befindet, ist 0,56 mV / 0,1 Mikrovolt oder 5,600-fach stärker als es "saubere" Musik verträgt. (In einigen Zeitungen heißt es, dass die Cochlea des Ohrs bis zu -106 dBc messen kann, was darauf hindeutet, dass ein weiterer Faktor von 20-facher Sauberkeit erforderlich ist.)

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Wie kann der Designer die Wiedergabetreue dieser Systeme verbessern? METALLPLATTEN in Stahlgehäusen; Twisted-Pair-Verkabelung für Ausgangssignale (Verwendung von mehradrigen Lautsprecherkabeln) und für die Verkabelung der Stromleitungen zu den Boxen; Platinenlayout zum Routen des Signals unmittelbar neben Return; Koaxialkabel, die eine lose Signal- / Erdungsverdrahtung vermeiden, verwenden stattdessen Plug-in-PCB für eine minimale Trennung der Signal- und Erdungsstromflüsse. Große Ladungsreservoire in den PowerAmps, die in der Nähe der Lautsprecherausgänge platziert sind, um Senderschleifen mit minimaler Fläche zu erzielen (das in diesem Beispiel verwendete Modell mit langen geraden Drähten ist nur ein Teil einer realen Bewegung mit Ausgangs- und Rückstrom). Stromversorgungen, die Induktivitäten zusammen mit den Gleichrichterdioden verwenden, um die Überspannungen der Dioden zu verlangsamen und das böse "Singen" von impulsiven (schnellen Flanken) 120-Hz-Stromflüssen zu vermeiden.

*** Vinduce verwendet die nicht-natürliche logarithmische Näherung der Kopplung zwischen einem langen geraden Draht, der den Aggressor- / Senderstrom mit dI / dT führt, und der rechteckigen Schleife der Opfer- / Empfängerschaltung. Die Gleichung aus einer Kombination des Faradayschen Induktionsgesetzes und des Biot-Savart-Gesetzes lautet:

Vinduce = [MU0 * MUr * LoopArea / (2 * pi * Distance_wire_to_Loop)] * dI / dT

und wir ignorieren Effekte 2. Ordnung, die Natural-Log erfordern.

Dies setzt auch eine WORST-CASE-Kopplung zwischen Draht und Schleife voraus. Somit liegt der Draht in der Ebene der Schleife. Das Wunderbare an dieser Gleichung ist die Entdeckung von drei Freiheitsgraden (tatsächlich 4: die Feldstärke, gesteuert durch die Hauttiefe, daher der Bedarf an Stahl im Vorverstärker-Chassis). Die Freiheitsgrade sind

(1) Orientierung zwischen dem Draht und der Schleife

(2) der Schleifenbereich, daher die Verwendung von Twisted-Pair- oder sorgfältigen Leiterplattenlayouts oder Koaxialkabeln

(3) mehr Abstand zwischen dem PowerAmp / PA_powersupply / Preamp_powersupply und dem tatsächlichen Preamp und / oder seinen Eingangskoaxialkabeln.

(4) das "dI / dT", das uns auffordert, (a) die Anstiegszeiten des Aggressors zu filtern, oder (b) die Hauptstromstärken zu verringern, oder (c) Kupferplatten oder Eisen- oder Stahlbleche zu verwenden, um die Anstiegszeiten stark zu verringern Audiosignal-Magnetfeld-Rückkopplung; Die sehr niedrigen Frequenzen erfordern sehr dickes Kupfer (60 Hz erfordern 8 mm Dicke) oder dünne Eisen / Stahl-Boxen.

Daher können wir die Formel verwenden, um kurative Ansätze vorzuschlagen.

— analogsystemsrf
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Zusätzlich zu dem, was bereits gesagt wurde, wird bei Gitarrenverstärkern häufig absichtlich eine Verzerrung eingeführt, indem der Verstärker übersteuert wird. Wenn es nur einen Verstärkungsblock gäbe, gäbe es keine Möglichkeit, ihn zu übersteuern, es sei denn, Sie würden ihn als Ganzes übersteuern - was zu einem beschleunigten Verschleiß der Verstärker und Lautsprecher führt und erfordert, dass Sie mit fensterplatzender, nachbar-ohrenbetäubender, unsozialer Lautstärke spielen.

Für Nicht-Gitarristen: Der verzerrte Modus ("Overdrive") ist genau das, was Sie brauchen, wenn Sie die Buzz-Buzz-Buzz- und Whee-Whee-Whee-Sounds und nicht nur die Pling-Pling-Pling-Sounds möchten.

— Rackandboneman
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Vielen Dank! Das ist ein interessanter Punkt, den sonst niemand angesprochen hat.

— Jacob Garby

Nun, zur Zeit würden Sie höchstwahrscheinlich Overdrive durch einen Effekt, nicht eigentlich Vorverstärkers mit :-)

— yo‘

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Bis zu einem gewissen Grad ist die Verwendung separater Vorverstärker ein historischer Kater.

Früher bestand ein Consumer-Audiosystem möglicherweise aus einem Plattenteller und einem Kassettendeck, möglicherweise mit einem eingebauten Tuner. Von besonderem Interesse war der Vinyl-Eingang, bei dem es sich nicht um einen flachen Frequenzgang handelte - siehe RIAA-Kompensation. Unterschiedliche Komponenten erforderten unterschiedliche Amplifikationsketten. Es wurde üblich, die Eingangsverstärkungs- / Frequenzkompensations- / Tonregler in einem vom Leistungsverstärker getrennten Gerät zu trennen, um das Mischen und Anpassen der gewünschten Leistungsstufen zu ermöglichen, ohne die gesamte Elektronikkette zu ersetzen.

Heutzutage, da Plattenspieler so gut wie ein Nischenmarkt sind und Tonbandgeräte durch Festkörperquellen ersetzt werden, hat praktisch jedes Gerät, das Sie abspielen möchten, einen Line-Out-Pegel und einen flachen Frequenzgang, mit Ausnahme von Mikrofonen. Zum größten Teil sind keine separaten Vorverstärker erforderlich, außer für wirklich engagierte Audiophile (und dieser Markt scheint eine beträchtliche Status- / Markenkomponente zu haben).

— WhatRoughBeast
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Es scheint mir, dass der Vorverstärker fast immer eine falsche Bezeichnung war, es sei denn, eine Phonokassette, ein Tonbandkopf oder ein Mikrofon wurden angeschlossen. Bis heute werden die meisten Vorverstärker-Separatoren in der Praxis als aktive oder passive Dämpfungsglieder eingesetzt. Allein die bloße Existenz sogenannter passiver Vorverstärker ist der Beweis dafür. (Und ja, es ist ein Oxymoron.) Einige Vorverstärker wie die Leak-Ventileinheiten waren sogar theoretisch Dämpfungsglieder, wenn man Tunereingänge von 2 V und Zielverstärkersensitivitäten um 125 mV betrachtet. Eine Ausnahme, die mir schnell einfiel, war das Quad 22: 100 mV Eingang, 1,4 V Ausgang.

— user207421