¿Cuál es el punto en un preamplificador?

Estoy hablando en el contexto de los amplificadores de guitarra, pero supongo que esta pregunta es relevante para cualquier tipo de amplificador de audio.

Muy a menudo en los esquemas del amplificador veo dos etapas de amplificación: primero, la señal se amplifica en menor cantidad por un circuito de preamplificador y luego se amplifica nuevamente por un circuito de amplificador de potencia.

Esto me parece redundante. ¿Cuál es el punto de amplificar una señal en dos pequeños pasos en lugar de una sola amplificación de mayor ganancia?

Mi primer pensamiento fue: ¿esta amplificación de múltiples etapas ayuda a reducir el ruido no deseado de la señal? Pero cuanto más pienso en eso, menos tiene sentido, ya que seguramente la segunda etapa también amplificaría cualquier ruido.

En equipos de audio, es útil realizar la mayor parte de la manipulación de la señal a un nivel estándar, conocido como "nivel de línea". Esto incluye mezcla, ecualización, compresión, etc.

Algunas fuentes de señal (micrófonos, pastillas de guitarra, etc.) no producen inherentemente salidas de nivel de línea, por lo que se utiliza un preamplificador para aumentar la señal a ese nivel. Algunas fuentes de señal (tocadiscos) requieren no solo un impulso, sino también una ecualización especial para aplanar la respuesta de frecuencia.

Luego, después de todo el procesamiento de la señal, se utiliza un segundo amplificador de "potencia" para controlar los altavoces.

Este tipo de modularidad permite mezclar y combinar libremente fuentes de señal, etapas de procesamiento y diferentes tipos de altavoces.

Respuesta rápida y sucia:

El almacenamiento en búfer es una de las razones. Las interconexiones entre cosas pueden tener mucha capacitancia y requerir mucha (comparativamente) corriente para conducir.

La inmunidad al ruido es otra. Piense en este escenario: envíe una señal a través de un cable donde capta, digamos, ruido de 10 mV, luego amplifíquelo en 100x: ruido total, 1000 mV. Pero si en cambio lo amplifica por 10x, luego lo envía a través del cable donde recibe un ruido de 10mV, luego amplifica por otro 10x, su amplificación de señal total sigue siendo 100x, pero su ruido total es solo de 100mV.

Como puede ver, el factor de ruido de una etapa dada se divide por el producto de ganancia de todas las etapas anteriores. Entonces, la primera etapa es la más importante cuando se trata de ruido. Es por eso que tiene una etapa de preamplificador de bajo ruido como su primer componente en la cadena de señal. Esta configuración tiene el beneficio adicional de no tener que preocuparse por la figura de ruido del amplificador de potencia.

Una razón importante para las cajas separadas para preamplificadores y amplificadores de potencia son las corrientes de TIERRA y también el acoplamiento magnético. [hay un ejemplo numérico, a 20 kHz y 6 amperios para los altavoces, al final de esta respuesta, con el preamplificador a solo 10 cm del amplificador de potencia]

Supongamos que construyó el preamplificador y el amplificador de potencia en la misma PCB. Por qué no?

Parte de la corriente del altavoz fluirá por la TIERRA y terminará combinándose con la señal de entrada.

Para minimizar esta "combinación", haga que la PCB sea larga y delgada, de modo que las Tierras de PowerAmp estén lejos de las Tierras de PreAmp.

¿Cómo mejorar esto? use regiones largas y delgadas entre el preamplificador y el amplificador de potencia.

En el extremo, un cable coaxial proporciona una región larga y delgada, para garantizar una combinación muy pequeña de las corrientes de entrada y salida.

Por ejemplo: ¿Por qué las ventajas de JFET sobre MOSFET, o por qué todavía se usa JFET?

Dadas las bajas señales de milivoltios de un cartucho de imán móvil de disco de vinilo, o incluso 0,5 milivoltios de los cartuchos de bobina móvil, que se amplificaron a salidas de audio de casi 100 voltios, todo el sistema necesita un aislamiento de ~ 100,000: 1. E incluso ese aislamiento solo proporciona la relación señal-ruido de UNITY que apenas previene la oscilación; para una relación de 80 dB de señal a realimentación, el aislamiento debe mejorar en otras 10,000: 1 a 1 parte por mil millones.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

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¿Qué tan malo puede ser la diafonía / retroalimentación (campo magnético)? suponga que la corriente de salida es de 6 amperios pico a 20,000Hz. El dI / dT es 6 * d (sin (2 * pi * 20,000 * Tiempo)) / dT = 6 * 2 * pi * 20,000 * cos (2 * pi * 20000 * T)

o dI / dT = 700,000 amperios por segundo.

Suponga que la entrada de preamplificador (recuerde que la señal de 1 milivoltio del cartucho, y desea al menos 10,000: 1 SNR o retroalimentación tonal, por lo tanto, la retroalimentación de 0.1 microvoltios es el piso deseado) está a 0.1 metros de la salida del altavoz.

V_magnetic_induce = (2.0e-7 * Área / Distancia) * dI / dT

y asumiremos que el área del bucle de entrada (señal a tierra) es de 1 cm por 4 cm.

Ahora ejecuta las matemáticas; recuerde que queremos MENOS de 0.1 microvoltios de retroalimentación.

Vinduce *** = 2e-7 Henry / metro * (área de bucle de víctima = 1 cm * 4 cm) / 10 cm * 700,000

Vinduce = 2e-7 * 0.0004meter / 0.1meter * 700,000

Vinduce = 2e-7 * 0.004 * 7e + 5

Vinduce = 2e-7 * 4e-3 * 7e + 7 = 56 e-3 = 56 milivoltios. [¡INCORRECTO! error matemático]

Vinduce = 2e-7 * 4e-3 * 7e + 5 = 56e-5 = 560e-6 = 0.56 milivoltios [habían sido 7e-5; corregido a 7e + 5]

La retroalimentación magnética, causada por tener el Poweramplifer cerca del preamplificador, es 0.56mV / 0.1 microvoltio o 5,600X más fuerte de lo que la música "limpia" puede tolerar. (algunos documentos dicen que la cóclea del oído puede escuchar hasta -106dBc, lo que sugiere que se necesita otro factor de limpieza 20x)

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¿Cómo puede el diseñador mejorar la fidelidad de estos sistemas? HOJAS DE METAL en cajas de acero; cableado de par trenzado para señales de salida (use cables de altavoz de varios hilos tejidos) y para el cableado de la línea de alimentación a las cajas; Diseño de PCB para enrutar la señal para estar inmediatamente adyacente a Return cables coaxiales que evitan cables de señal / tierra sueltos, en lugar de usar enchufes en PCB para una separación mínima de la señal y los flujos de corriente a tierra; grandes depósitos de carga en los PowerAmps, colocados cerca de terminales de salida de altavoces, para lograr bucles de transmisor de área mínima (el modelo de cable recto largo utilizado en el ejemplo es solo parte de un movimiento de corriente de retorno + salida del mundo real); fuentes de alimentación que usan inductores junto con los diodos rectificadores, para disminuir las sobretensiones de los diodos y evitar el sonido maligno de "canto" de los flujos de potencia impulsiva (borde rápido) de 120Hz.

*** Vinduce utiliza la aproximación de registro no natural del acoplamiento entre un cable largo y recto que transporta la corriente del agresor / transmisor con dI / dT y el bucle rectangular del circuito víctima / receptor. La ecuación, de una combinación de la Ley de Inducción de Faraday y la Ley de Biot-Savart, es

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

e ignoramos los efectos de segundo orden que requieren registro natural.

Esto también supone el acoplamiento PEOR CASO entre el cable y el bucle. Por lo tanto, el cable está en el plano del bucle. Lo maravilloso de esta ecuación es el descubrimiento de tres grados de libertad (en realidad 4: la intensidad de campo, controlada por la profundidad de la piel, de ahí la necesidad de acero en el chasis del preamplificador). Los grados de libertad son

(1) orientación entre el cable y el bucle

(2) el área del bucle, de ahí el uso de par trenzado o diseño cuidadoso de PCB o cables coaxiales

(3) más separación entre PowerAmp / PA_powersupply / Preamp_powersupply y el preamplificador real y / o sus cables coaxiales de entrada.

(4) el 'dI / dT', que nos dice que (a) FILTRE los tiempos de subida del agresor, o (b) reduzca las intensidades de corriente principales, o (c) use losas de cobre o láminas de hierro o acero, para reducir en gran medida señal de audio realimentación de campo magnético; las frecuencias muy bajas necesitan cobre muy grueso (60 Hz necesita 8 mm de espesor) o cajas delgadas de hierro / acero.

Por lo tanto, podemos usar la fórmula para sugerir enfoques curativos.

Además de lo que ya se dijo, con los amplificadores de guitarra, a menudo el escenario de uso previsto introduce intencionalmente cierta distorsión al sobrecargar el amplificador. Si solo hubiera un bloque de ganancia, no habría posibilidad de sobremarcharlo a menos que lo sobrecargue como un todo, lo que provocaría un desgaste acelerado del amplificador y los altavoces, y requeriría que juegue a un volumen antisocial que rompa las ventanas, ensordezca al vecino.

Para los no guitarristas: el modo distorsionado ("overdrive") es lo que necesita si desea los sonidos de buzz-buzz-buzz y whee-whee-whee y no solo los sonidos pling-pling-pling.

Hasta cierto punto, el uso de preamplificadores separados es una resaca histórica.

En el pasado, un sistema de audio para el consumidor podría consistir en una plataforma giratoria y una plataforma de cinta, con quizás un sintonizador incorporado. De particular interés fue la entrada de vinilo, que no era remotamente una respuesta de frecuencia plana; consulte la compensación RIAA. Entonces, diferentes componentes requieren diferentes cadenas de amplificación. Se hizo común separar los controles de amplificación de entrada / compensación de frecuencia / tono en una unidad separada del amplificador de potencia, para permitir la mezcla y el ajuste de los niveles de rendimiento deseados sin reemplazar la cadena electrónica completa.

Hoy en día, con los giradiscos prácticamente en un nicho de mercado y las grabadoras de cinta reemplazadas por fuentes de estado sólido, prácticamente todos los dispositivos que desee reproducir tendrán un nivel de salida de línea y una respuesta de frecuencia plana, con la notable excepción de los micrófonos. En su mayor parte, no hay mucha necesidad de preamplificadores separados, excepto para audiófilos realmente dedicados (y parece que hay un componente considerable de estado / marca en ese mercado).