¿Por qué los amplificadores operacionales de audio requieren tan altos voltajes de riel?

Esta podría ser una pregunta tonta, pero aún no he podido encontrarla directamente en ningún lugar de Internet. También tengo un puñado de preguntas relacionadas en línea, que espero no se desvíen demasiado del tema.

En equipo profesional, las señales de audio de nivel de línea son aproximadamente ~ 3.5V pico a pico , entonces, ¿por qué los circuitos de audio requieren o recomiendan rutinariamente voltajes de riel de +/- 12v o más?

¿Es esto puramente una cuestión de altura? ¿O las no linealidades en los amplificadores operacionales dependen de los voltajes de suministro?

¿O para soportar componentes más baratos? Mirando la hoja de datos del TL072, el voltaje de salida máximo puede ser tan bajo como 2/3 del riel si la resistencia de carga es baja (2k Ohm), pero generalmente es del 90% del riel para una carga de 10k Ohm. Pero, ¿también podría usar un amplificador operacional de gama alta que sea de riel a riel?

Lo principal que genera esta pregunta es mirar la hoja de datos del Cirrus CS4272 y los esquemas / datos en la placa de evaluación. En ese caso, aunque el ADC opera de 0v a 5v, todavía optan por usar un suministro bipolar de +/- 18V para el búfer de entrada. En ese ejemplo en particular, están utilizando el NE5532D8, que tiene una oscilación de salida en el peor de los casos del 80% del riel, y admite rieles tan bajos como +/- 3v.

Entonces, ¿por qué usarían suministros de +/- 18V si el ADC solo admite audio de 0-5v (presumiblemente sesgado alrededor de 2.5v), y el uso de un suministro de +/- 3v aún acomodaría fácilmente el rango de pico a pico de 3.5V?

Según la hoja de datos, tampoco hay escala (ganancia o atenuación) en este circuito:

Los conectores XLR suministran las entradas analógicas CS4272 a través de ganancia unitaria, circuitos diferenciales acoplados a CA. Una señal diferencial de 2 Vrms conducirá las entradas CS4272 a escala completa.

Por lo tanto, cualquier señal que esté por encima del nivel de línea terminaría siendo recortada por el ADC de todos modos. ¿Es mejor tener el recorte en el ADC frente al amplificador operacional? ¿O se requiere el riel más alto para la etapa de salida, a pesar de que solo proporcionaría una señal de salida de nivel de línea pico a pico de ~ 3.5v?

En el contexto de conducir un ADC de suministro único de 5v, ¿cuáles son las razones por las que usar una etapa de entrada con suministros bipolares más altos es mejor que usar algo como un LT1215 en un suministro único a 5v? (No puedo publicar un enlace porque todavía no tengo 10 reputación en este Stack Exchange en particular ... Es bastante fácil de google)

¡Gracias!

1. El equipo de audio de alta definición de hoy en día que funciona con audio de 24 bits, como mezcladores, utiliza entradas diferenciales de 600 ohmios y conexiones de bus interno (hasta que se digitalice la señal) que necesitan una oscilación de voltaje de +/- 10 voltios para manejar el rango dinámico de 120dB de pistas de audio SACD / DVDV / Blu-Ray. El controlador IC diferencial es a menudo un SSM2142 que tiene rieles de suministro de +/- 18 voltios (en mezcladores).
2. Sí, parte de este voltaje adicional es para compensar el Vdrop a través de cargas distantes de 600 ohmios, por lo que hay una oscilación de +/- 10 voltios disponible en la carga. Este voltaje de unidad más alto comenzó con los CD (principios de la década de 1980) que tienen un rango dinámico de aproximadamente 90dB, y sobrecargaron la entrada de muchos estéreos más antiguos, por lo que el sonido estaba muy distorsionado.
3. La solución fue instalar adaptadores phono -6dB para que el nivel se redujera a lo que estaban acostumbrados los viejos estéreo. No puedo explicar por qué un diseñador usaría un amplificador operacional de alto voltaje para controlar un ADC de bajo voltaje, a menos que la entrada sea el estándar SACD +/- 10 voltios, luego divídalo antes del ADC.
4. Las salidas de CD / SACD / DVD / Blu-Ray de hoy en día tienen una oscilación de +/- 10 voltios como salida máxima, por lo que solo la salida analógica IC debe tener los rieles de alto voltaje. Antes de este IC, la señal todavía está en formato digital. Los reproductores de MP3 pueden funcionar con voltajes mucho más bajos, ya que el rango dinámico es de aproximadamente 60dB.
5. Un reproductor de mayor calidad que puede reproducir archivos de CD puede tener 90dB de rango dinámico al aumentar el voltaje solo para el IC del controlador de auriculares / auriculares.
6. A menos que maneje audio de 24 bits o mediciones de CC de ultra precisión, los suministros de 5 voltios de un solo extremo y ADC y DAC de 5 voltios y 3,3 voltios ultra silenciosos son lo suficientemente buenos para CD, MP3 y audio convencional. Los llamados amplificadores 'chopper' también pueden realizar mediciones de CC de precisión con un suministro de 5 voltios, aunque la frecuencia de muestreo se limita a quizás 100 sps; esto aumentará con el tiempo. Los amplificadores de potencia usan rieles de +/- 15 voltios (o más) para que los amplificadores operacionales manejen el audio de alta definición de hoy en día casi sin distorsión.
7. Si el diseñador instala amplificadores operacionales de +/- 12 voltios en circuitos ADC de 5 voltios, podría ser por facilidad de diseño, tal vez impulsando cargas de menor impedancia y / o para evitar comprar amplificadores operacionales de bajo voltaje 'especiales' que pueden agregar al costo de inventario.
8. Si busca SACD, es un formato de grabación de 24 bits de calidad de estudio que se mezcla en pistas de audio DVD / Blu-Ray, con conciertos de música que también tienen una mezcla de formato de 16 bits para CD. +/- 10 voltios es el nivel de línea máximo para cargas de 600 ohmios o más, pero el audio doméstico de hoy espera este nivel de estos dispositivos.
9. La entrada estándar 'Tape In' y 'Tape-Out' y MP3 y cassette todavía funcionan en sus niveles de señal originales, aproximadamente +/- 1 voltio. Los estándares de nivel anterior aún existen, pero junto con el audio de alta definición (24 bits).
10. Los ADC de cinco voltios y 3.3 voltios son capaces de un rango mucho más dinámico (piso de muy bajo ruido) que en el pasado. No quiero decir que los ADC de 5 o 3,3 voltios no puedan manejar audio de alta definición, siempre y cuando esté diseñado específicamente para esa tarea. Inicialmente, su costo era muy alto, pero está bajando año tras año.
11. Los llamados amplificadores operacionales de "alto voltaje" se utilizan por muchas razones, incluidos los sonidos de audio y ultrasónicos. Los rieles de suministro de +/- 12 voltios están realmente en el lado bajo, ya que el LTC6090 tiene rieles de suministro de +/- 70 voltios, para control de movimiento y ultrasonidos.
12. Algunos amplificadores de potencia de audio, como los de la serie Cerwin-Vega Metron, tienen rieles de suministro de +/- 130 voltios, para una salida de 1,500 vatios, por lo que una etapa de preamplificación con rieles de +/- 15 voltios parece un voltaje bajo.
13. En este caso y en otros, se necesitan voltajes más altos porque la siguiente etapa o dispositivo objetivo necesita ese amplio rango de voltaje para funcionar correctamente. La carga puede ser un divisor de voltaje diseñado para una carga de bajo ruido y baja impedancia o para una simple adaptación de impedancia.
14. Por cierto, "xxdB" se refiere al ruido de fondo de los circuitos o la grabación, de modo que el ruido más alto en el nivel del piso es demasiado bajo para detectarlo o notarlo, en comparación con el "volumen completo". Además, no indica el voltaje por el que se alimenta un IC, sino qué tan silencioso es el IC sin señal aplicada, en comparación con los niveles de sonido de volumen completo.
15. Los rieles de suministro de +/- 12 voltios y más se están reduciendo a aquellos dispositivos que realmente los necesitan, como amplificadores de potencia, fuentes de alimentación, equipos de prueba, etc.
    
    EDITAR: Debido a las mejoras constantes en el piso de ruido de CC y circuitos integrados de audio. Vale la pena mencionar que en algún momento el viejo 'estándar' +/- 10 voltios en la especificación de 600 ohmios será reemplazado por voltajes más bajos en 600 ohmios. El estándar de 600 ohmios proviene de los días de correr 200 pies de cables de par trenzado blindado (STP) de 32 canales desde un escenario de concierto hasta la torre de sonido a 200 pies de distancia, y en ese momento era conveniente para mezcladores analógicos con entradas XLR de 600 ohmios .
    
    Todos estos costosos pasos fueron necesarios para mantener el ruido fuera del micrófono y los cables de los instrumentos, como luces de techo, luces estroboscópicas, láseres, walkie-talkies que usó el equipo del escenario, etc.
    
    Dicho esto, está claro que a medida que pasa el tiempo se están digitalizando más fuentes de sonido en la fuente, evitando la necesidad de la 'serpiente' de 200 pies. En algún momento en el futuro, todas las fuentes se digitalizarán de inmediato y es posible que no vuelvan a ser analógicas hasta que la señal llegue a los auriculares y los altavoces, lo que hace que mi respuesta actual sea obsoleta en términos de señales, pero no de potencia.

En los días anteriores, los amplificadores necesitaban una buena cantidad de margen entre el rango de voltaje de salida y los voltajes de suministro. Los opamps más antiguos a menudo tenían 3V de caída de voltaje por riel.

Además, tener la salida de señal más lejos de este límite garantizaba una mejor relación de rechazo de suministro (los diseños más antiguos a menudo usaban suministros mal regulados, usando solo un zener + NPN como regulador). Y esos opamps generalmente tenían mejores especificaciones generales (PSRR, CMR, THD + N, ...) cuando los voltajes de suministro eran más altos. Como ejemplo, vea las especificaciones THD + N del OPA134 (que apareció a mediados de los 90), un opamp popular utilizado en audio de gama alta:

Usted ve claramente que el THD + N es mejor con voltajes de suministro más altos. Sin mencionar que esos opamps más antiguos generalmente nunca se especificaron completamente a +/- 5V.

Así que todos usaron voltajes de suministro bastante altos. Era algo natural que hacer.

Hoy en día, no estoy seguro de si esto todavía está justificado. Los opamps de salida de riel a riel más nuevos tienen buenas especificaciones, y si sus suministros son lo suficientemente estables, el rechazo de suministros no es un problema. Pero a menudo, las personas que diseñan "equipos de alta fidelidad de alta gama" no comienzan fácilmente a usar cosas más nuevas, por lo que todavía tienen este hábito, supongo.

Ahora, si desea usar un LT1215 con un solo suministro de 5V, y si las especificaciones LT1215 son lo suficientemente buenas para usted, está bien. Sus especificaciones no son ridículas. Simplemente verifique que el rango de voltaje de entrada / oscilación de voltaje de salida sea apropiado para su aplicación. Si el ADC tiene un rango de entrada de 0-5V, tener el LT1215 con una salida de ~ 4.4V limitada limitará un poco el rango dinámico, pero puede ser aceptable. Depende de usted.

Creo que, con una tapa de bloqueo de CC en la entrada y otra tapa de bloqueo de CC en la salida, cualquier circuito de amplificador operacional con alimentación bipolar se puede reajustar para funcionar con una sola fuente de alimentación.

y pensé que hicieron que algunos amplificadores operacionales en los días modernos funcionen hasta la fuente de alimentación de 3.3 v. Aquí hay un ejemplo que simplemente encontré en la web: