Jaki jest sens przedwzmacniacza?

Mówię w kontekście wzmacniaczy gitarowych, ale zakładam, że to pytanie dotyczy każdego rodzaju wzmacniacza audio.

Bardzo często na schematach wzmacniacza widzę dwa etapy wzmocnienia - najpierw sygnał jest wzmacniany w mniejszej ilości przez obwód przedwzmacniacza, a następnie wzmacniany ponownie przez obwód wzmacniacza mocy.

Wydaje mi się to zbędne. Jaki jest sens wzmacniania sygnału w dwóch małych krokach zamiast tylko jednego wzmocnienia o większym wzmocnieniu?

Moja pierwsza myśl była taka: czy to wielostopniowe wzmocnienie pomaga zredukować niepożądane szumy z sygnału? Ale im więcej o tym myślę, tym mniej ma to sensu, ponieważ na pewno drugi etap wzmacniałby również każdy hałas.

W sprzęcie audio przydatne jest wykonywanie większości operacji na sygnale na standardowym poziomie, znanym jako „poziom liniowy”. Obejmuje to miksowanie, wyrównanie, kompresję itp.

Niektóre źródła sygnału (mikrofony, przetworniki gitarowe itp.) Z natury nie wytwarzają wyjść liniowych, dlatego przedwzmacniacz służy do wzmocnienia sygnału do tego poziomu. Niektóre źródła sygnału (odtwarzacze) wymagają nie tylko wzmocnienia, ale także specjalnego wyrównania w celu spłaszczenia pasma przenoszenia.

Następnie, po zakończeniu całego przetwarzania sygnału, drugi wzmacniacz „mocy” jest używany do napędzania głośników.

Ten rodzaj modułowości pozwala na dowolne miksowanie i dopasowywanie źródeł sygnału, etapów przetwarzania i różnych rodzajów głośników.

Szybka i brudna odpowiedź:

Buforowanie jest jednym z powodów. Interkonekty między rzeczami mogą mieć dużą pojemność i wymagają dużo (względnie) prądu do sterowania.

Odporność na hałas to kolejna sprawa. Pomyśl o tym scenariuszu: wyślij sygnał przez przewód, w którym odbiera on, powiedzmy, szum 10 mV, a następnie wzmocnij go o 100x: całkowity hałas, 1000 mV. Ale jeśli zamiast tego wzmocnisz go 10 razy, a następnie wyślesz go przez przewód, w którym dostaje on szum 10 mV, a następnie wzmocnisz go o kolejne 10 x, całkowite wzmocnienie sygnału jest nadal 100 x, ale całkowity szum wynosi tylko 100 mV.

Jak widać współczynnik szumu danego etapu jest dzielony przez iloczyn wzmocnienia wszystkich poprzednich etapów. Pierwszy etap jest więc najważniejszy, jeśli chodzi o hałas. Dlatego właśnie jako pierwszy element w łańcuchu sygnałów masz przedwzmacniacz o niskim poziomie szumów. Ta konfiguracja ma tę dodatkową zaletę, że nie trzeba się martwić o poziom szumów wzmacniacza mocy.

Głównym powodem oddzielnych skrzynek dla przedwzmacniaczy i wzmacniaczy mocy są prądy ZIEMI, a także sprzężenie magnetyczne. [istnieje przykład liczbowy, przy 20 kHz i 6 amperach do głośników, na końcu tej odpowiedzi, z przedwzmacniaczem tylko 10 cm od wzmacniacza mocy]

Załóżmy, że zbudowałeś przedwzmacniacz i wzmacniacz na tej samej płytce drukowanej. Dlaczego nie?

Część prądu z głośników będzie płynęła po GROUNDIE , a w końcu połączy się z sygnałem wejściowym.

Aby zminimalizować to „łączenie”, uczyń tę płytkę długą i cienką, aby uziemienia PowerAmp były daleko od uziemień PreAmp.

Jak to poprawić? używaj długich cienkich obszarów między przedwzmacniaczem a wzmacniaczem.

W ekstremalnych przypadkach kabel koncentryczny zapewnia długi cienki obszar, aby zapewnić bardzo małe połączenie prądów wejściowych i wyjściowych.

Na przykład: Dlaczego JFET ma przewagę nad MOSFET lub dlaczego JFET jest nadal używany?

Biorąc pod uwagę niskie sygnały miliwoltowe z kasety z ruchomym magnesem z płyty winylowej, a nawet 0,5 miliwolta z kasety z ruchomą cewką, które zostały wzmocnione do prawie 100-woltowych wyjść audio, cały system potrzebuje izolacji ~ 100 000: 1. I nawet ta izolacja zapewnia jedynie stosunek sygnału do szumu UNITY, który ledwo zapobiega oscylacji; dla stosunku sygnału do sprzężenia zwrotnego 80dB izolacja musi ulec poprawie o kolejne 10 000: 1 do 1 części na miliard.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

=============================================

Jak zły może być przesłuch / sprzężenie (pole magnetyczne)? załóżmy, że prąd wyjściowy ma wartość szczytową 6 A przy 20 000 Hz. DI / dT wynosi 6 * d (sin (2 * pi * 20000 * czas)) / dT = 6 * 2 * pi * 20 000 * cos (2 * pi * 20000 * T)

lub dI / dT = 700 000 amperów na sekundę.

Załóżmy, że wejście przedwzmacniacza (pamiętaj, że 1 miliwoltowy sygnał z wkładki, a chcesz przynajmniej SNR 10 000: 1 lub tonalne sprzężenie zwrotne, więc sprzężenie zwrotne 0,1 mikrowolta jest pożądaną podłogą) wynosi 0,1 metra od wyjścia głośnika.

V_magnetic_induce = (2,0e-7 * Area / Distance) * dI / dT

i założymy, że obszar pętli wejściowej (sygnał do ziemi) ma wymiary 1 cm na 4 cm.

Teraz uruchom matematykę; pamiętaj, że chcemy uzyskać informację zwrotną MNIEJ niż 0,1 mikrowolt.

Vinduce *** = 2e-7 Henry / metr * (obszar pętli ofiary = 1 cm * 4 cm) / 10 cm * 700 000

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

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

Vinduce = 2e-7 * 4e-3 * 7e + 7 = 56 e-3 = 56 milowoltów. [ŹLE! błąd matematyczny]

Vinduce = 2e-7 * 4e-3 * 7e + 5 = 56e-5 = 560e-6 = 0,56 milowolta [było 7e-5; poprawione na 7e + 5]

Sprzężenie magnetyczne, spowodowane przez umieszczenie wzmacniacza mocy w pobliżu przedwzmacniacza, wynosi 0,56 mV / 0,1 mikrowolta lub 5,600 razy silniejsze niż to, co „czysta” muzyka może tolerować. (niektóre dokumenty mówią, że ślimak ucha słyszy do -106dBc, co sugeruje, że potrzebny jest kolejny czynnik 20-krotnej czystości)

====================================

Jak projektant może poprawić wierność tych systemów? ŚLUBY METALU w stalowych skrzyniach; okablowanie skrętki dla sygnałów wyjściowych (należy użyć plecionych kabli głośnikowych) oraz okablowania linii zasilającej do skrzynek; Układ PCB do kierowania sygnału tak, aby był bezpośrednio przylegający do Return; kable koncentryczne, które unikają luźnego okablowania sygnału / uziemienia, zamiast tego używają wtyczek do płytki drukowanej w celu minimalnego oddzielenia przepływów sygnału i prądu uziemienia; duże zbiorniki ładunkowe w PowerAmps, umieszczone w pobliżu terminali głośnikowych, w celu uzyskania pętli nadajnika o minimalnym obszarze (model z długim prostym drutem zastosowany w tym przykładzie jest tylko częścią rzeczywistego ruchu na zewnątrz + prąd powrotny); zasilacze, które wykorzystują cewki indukcyjne wraz z diodami prostowniczymi, aby spowolnić skoki diod i uniknąć złego „śpiewającego” dźwięku impulsywnych (szybkich zboczy) przepływów mocy 120 Hz.

*** Vinduce wykorzystuje przybliżenie nienaturalne logarytmiczne sprzężenia między długim prostym drutem przewodzącym prąd agresora / nadajnika z dI / dT, a prostokątną pętlą obwodu ofiary / odbiornika. Równanie, będące kombinacją prawa indukcji Faradaya i prawa Biota-Savarta, brzmi:

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

i ignorujemy efekty drugiego rzędu, które wymagają logarytmu naturalnego.

Zakłada to również sprzężenie WORST CASE między drutem a pętlą. Zatem drut znajduje się w płaszczyźnie pętli. Cudowną rzeczą w tym równaniu jest odkrycie trzech stopni swobody (właściwie 4: natężenie pola, kontrolowane przez głębokość skóry, stąd potrzeba stali w podwoziu przedwzmacniacza). Stopnie swobody są

(1) orientacja między drutem a pętlą

(2) obszar pętli, stąd zastosowanie skrętki lub ostrożnego układu PCB lub kabli koncentrycznych

(3) większa separacja pomiędzy PowerAmp / PA_powersupply / Preamp_powersupply a rzeczywistym przedwzmacniaczem i / lub wejściowymi współosiowymi przewodami.

(4) „dI / dT”, mówiąc nam, aby (a) FILTROWAĆ wzrosty agresora lub (b) zmniejszyć główne natężenia prądu, lub (c) użyć płyt miedzianych lub blach żelaznych lub stalowych, aby znacznie zmniejszyć sprzężenie zwrotne pola magnetycznego sygnału audio; bardzo niskie częstotliwości wymagają bardzo grubej miedzi (60 Hz wymaga grubości 8 mm) lub cienkich skrzynek żelazo / stal.

Możemy zatem użyć formuły, aby zasugerować podejście lecznicze.

Oprócz tego, co już powiedziano, w przypadku wzmacniaczy gitarowych często zamierzonym scenariuszem użycia jest celowe wprowadzenie zniekształceń poprzez przesterowanie wzmacniacza. Gdyby istniał tylko jeden blok wzmocnienia, nie byłoby możliwości przesterowania go, chyba że przesterowanie go jako całości - skutkujące przyspieszonym zużyciem wzmacniacza i głośników oraz wymagającym grania przy niszczeniu okien, ogłuszaniu sąsiadów, aspołecznej głośności.

Dla nie-gitarzystów: tryb zniekształcony („overdrive”) jest tym, czego potrzebujesz, jeśli chcesz dźwięków brzęczenie-brzęczenie i brzęczenie-bibelot, a nie tylko dźwięk pling-pling-pling.

Do pewnego stopnia użycie oddzielnych przedwzmacniaczy jest historycznym kacem.

Wcześniej system audio dla konsumentów mógł składać się z gramofonu i magnetofonu, być może z wrzuconym tunerem. Szczególnie interesujące było wejście winylowe, które nie było wcale płaską charakterystyką częstotliwościową - patrz kompensacja RIAA. Różne komponenty wymagały różnych łańcuchów amplifikacji. Powszechne stało się oddzielanie kontroli wzmocnienia wejściowego / kompensacji częstotliwości / tonów w urządzeniu oddzielnym od wzmacniacza mocy, aby umożliwić miksowanie i dopasowanie pożądanych poziomów wydajności bez zastępowania całego łańcucha elektroniki.

W dzisiejszych czasach, z gramofonami, które są właściwie niszą rynkową, a magnetofony zostały zastąpione źródłami półprzewodnikowymi, praktycznie każde urządzenie, które chcesz grać, będzie miało poziom wyjścia liniowego i płaską charakterystykę częstotliwościową, z godnym uwagi wyjątkiem mikrofonów. W przeważającej części nie ma potrzeby oddzielnych przedwzmacniaczy, z wyjątkiem naprawdę oddanych audiofilów (i wydaje się, że na tym rynku istnieje znaczna część statusu / marki).