Mengapa op amp audio membutuhkan tegangan rel yang begitu tinggi?

Ini mungkin pertanyaan konyol, tapi saya belum bisa menemukannya langsung di mana saja di internet. Saya juga memiliki beberapa pertanyaan terkait di-line, yang saya harap tidak menyimpang terlalu jauh dari topik.

Dalam pro gear, sinyal audio level-line kira-kira ~ 3.5V puncak-ke-puncak , jadi mengapa sirkuit audio secara rutin membutuhkan atau merekomendasikan tegangan rel +/- 12v atau lebih tinggi?

Apakah ini murni hal ruang kepala? Atau apakah non-linearitas dalam op amp bergantung pada tegangan suplai?

Atau untuk mendukung komponen yang lebih murah? Melihat lembar data TL072, tegangan output maksimum bisa serendah 2/3 dari rel jika resistansi beban menjadi rendah (2k Ohm), tetapi biasanya pada 90% dari rel untuk beban 10k Ohm. Tapi, Anda juga bisa menggunakan op-amp high-end yang rail-to rail?

Hal utama yang mendorong pertanyaan ini adalah melihat lembar data untuk Cirrus CS4272 dan skema / data pada papan evaluasi. Dalam hal ini, meskipun ADC beroperasi dari 0v hingga 5v, mereka masih memilih untuk menggunakan pasokan bipolar +/- 18V untuk buffer input. Dalam contoh khusus itu, mereka menggunakan NE5532D8, yang memiliki ayunan keluaran terburuk 80% dari rel, dan mendukung rel serendah +/- 3v.

Jadi, mengapa mereka menggunakan pasokan +/- 18V jika ADC hanya mendukung audio 0-5v (mungkin bias sekitar 2,5v), dan menggunakan pasokan +/- 3v masih akan dengan mudah mengakomodasi kisaran puncak-ke-puncak 3.5V?

Menurut datasheet, juga tidak ada penskalaan (penguatan atau pelemahan) yang terjadi di sirkuit ini:

Konektor XLR memasok input analog CS4272 melalui gain unity, rangkaian diferensial AC-coupled. Sinyal diferensial 2 Vrms akan mendorong input CS4272 ke skala penuh.

Jadi sinyal apa pun yang melewati level garis akan berakhir terpotong oleh ADC. Apakah lebih baik memiliki kliping di ADC vs op amp? Atau apakah dibutuhkan rel yang lebih tinggi untuk tahap output, meskipun masih hanya memberikan sinyal output line-level puncak-ke-puncak ~ 3.5V?

Dalam konteks mengendarai ADC 5v pasokan tunggal, apa alasannya bahwa menggunakan tahap input dengan pasokan bipolar lebih tinggi lebih baik daripada menggunakan sesuatu seperti LT1215 pada pasokan tunggal di 5v? (Saya tidak dapat memposting tautan karena saya belum memiliki 10 reputasi di Stack Exchange khusus ini ... Cukup mudah untuk google)

Terima kasih!

1. Peralatan audio definisi tinggi hari ini yang bekerja dengan audio 24 bit, seperti mixer, menggunakan input diferensial 600 ohm dan koneksi buss internal (sampai sinyal digital) yang memerlukan ayunan voltase +/- 10 volt untuk menangani rentang dinamis 120dB trek audio SACD / DVDV / Blu-Ray. IC driver diff sering berupa SSM2142 yang memiliki rel pasokan +/- 18 volt (dalam mixer).
2. Ya, sebagian dari voltase tambahan ini adalah untuk menggantikan Vdrop melintasi beban 600 ohm yang jauh, sehingga ayunan +/- 10 volt tersedia pada beban tersebut. Tegangan drive yang lebih tinggi ini dimulai dengan CD (awal 1980-an) yang memiliki kisaran dinamis sekitar 90dB, dan mereka membebani input banyak stereo lama sehingga suaranya sangat terdistorsi.
3. Cara mengatasinya adalah menginstal -6dB phono-plug adapter sehingga levelnya turun seperti apa yang digunakan oleh stereo lama. Saya tidak dapat menjelaskan mengapa perancang akan menggunakan op-amp tegangan-tinggi untuk menggerakkan ADC tegangan rendah, kecuali jika inputnya adalah standar SACD +/- 10 volt, kemudian membaginya ke bawah sebelum ADC.
4. Output Todays CD / SACD / DVD / Blu-Ray memiliki ayunan +/- 10 volt sebagai output maksimum, jadi IC keluaran analog harus memiliki rel tegangan tinggi. Sebelum IC ini, sinyal masih dalam format digital. Pemutar MP3 dapat bekerja dengan voltase jauh lebih rendah, karena kisaran dinamisnya sekitar 60dB.
5. Pemain dengan kualitas lebih tinggi yang dapat memutar file CD mungkin memiliki kisaran dinamis 90dB dengan meningkatkan voltase hanya untuk IC headphone / earbud driver.
6. Kecuali jika Anda menangani audio 24 bit atau pengukuran presisi ultra DC, pasokan tunggal dengan volt 5 volt dan ADC ultra-tenang 5 volt dan 3,3 volt serta DAC cukup baik untuk CD, MP3 dan audio konvensional. Penguat yang disebut 'chopper' juga dapat melakukan pengukuran DC presisi dengan pasokan 5 volt, meskipun laju sampel dibatasi mungkin 100 sps, ini akan meningkat seiring waktu. Power amplifier menggunakan +/- 15 volt rails (atau lebih tinggi) untuk op-amp untuk menangani audio definisi tinggi saat ini dengan hampir tidak ada distorsi.
7. Jika perancang memasang +/- 12 volt op-amp di sirkuit ADC 5 volt, itu bisa untuk kemudahan desain, mungkin menggerakkan beban impedansi lebih rendah, dan / atau untuk menghindari membeli op-amp tegangan rendah 'khusus' yang mungkin hanya menambah untuk biaya persediaan.
8. Jika Anda mencari SACD, itu adalah format rekaman 24 bit studio-grade yang dicampur ke trek audio DVD / Blu-Ray, dengan konser musik juga memiliki format mix-down hingga 16 bit untuk CD. +/- 10 volt adalah level garis maksimum untuk beban 600 ohm atau lebih tinggi, tetapi audio rumahan saat ini mengharapkan level ini dari perangkat ini.
9. Input 'Tape In' dan 'Tape-Out' standar dan MP3 dan kaset masih bekerja pada level sinyal aslinya, sekitar +/- 1 volt. Standar tingkat lama masih ada, tetapi di samping audio definisi tinggi (24 bit).
10. Lima volt dan 3,3 volt ADC mampu jangkauan jauh lebih dinamis (tingkat kebisingan sangat rendah) kemudian di masa lalu. Saya tidak bermaksud mengatakan bahwa ADC 5 atau 3,3 volt tidak dapat menangani audio definisi tinggi, asalkan dibuat khusus untuk tugas itu. Biaya mereka awalnya sangat tinggi tetapi turun dari tahun ke tahun.
11. Apa yang disebut op-amp "tegangan tinggi" digunakan untuk berbagai alasan, termasuk suara audio dan ultrasonik. Rel pasokan +/- 12 volt sebenarnya berada di sisi rendah, karena LTC6090 memiliki rel pasokan +/- 70 volt, untuk kontrol ultra-suara dan gerak.
12. Beberapa penguat daya audio, seperti yang ada di seri Cerwin-Vega Metron, memiliki rel pasokan +/- 130 volt, untuk output 1.500 watt, sehingga tahap preamp dengan +/- 15 volt sepertinya tegangan rendah.
13. Dalam hal ini dan yang lainnya, tegangan yang lebih tinggi diperlukan karena tahap berikutnya atau perangkat target memerlukan rentang tegangan lebar untuk bekerja dengan baik. Beban mungkin pembagi tegangan yang dirancang untuk beban rendah kebisingan rendah impedansi atau pencocokan impedansi sederhana.
14. By the way, "xxdB" mengacu pada lantai kebisingan dari sirkuit atau rekaman, sehingga kebisingan tertinggi di tingkat lantai terlalu rendah untuk dideteksi atau terlihat, dibandingkan dengan 'volume penuh'. Selain itu, ini tidak menunjukkan tegangan yang didukung oleh IC, tetapi seberapa tenang IC tersebut tanpa sinyal, dibandingkan dengan level suara volume penuh.
15. Rel pasokan +/- 12 volt dan lebih tinggi sedang direduksi menjadi perangkat yang benar-benar membutuhkannya, seperti ampli listrik, catu daya, peralatan uji, dll.
    
    EDIT: Karena peningkatan yang konstan pada lantai kebisingan DC dan audio IC's saja Perlu disebutkan bahwa pada beberapa titik waktu 'standar' lama +/- 10 volt menjadi spesifikasi 600 ohm akan digantikan oleh tegangan yang lebih rendah menjadi 600 ohm. Standar 600 ohm berasal dari masa menjalankan 200 kaki kabel 32 channel shielded-twisted-pair (STP) dari panggung konser ke menara suara 200 kaki jauhnya, dan pada saat itu nyaman untuk mixer analog dengan 600 ohm input XLR .
    
    Semua langkah mahal ini diperlukan untuk menjaga kebisingan dari mikrofon dan kabel instrumen, seperti lampu overhead, lampu strobo, laser, walkie-talkie yang digunakan kru panggung, dll.
    
    Yang dikatakan, jelas bahwa seiring berjalannya waktu lebih banyak sumber suara sedang didigitalkan pada sumbernya, menghindari kebutuhan akan 'ular' 200 kaki. Di beberapa titik di masa depan semua sumber akan didigitalkan segera, dan mungkin tidak menjadi analog lagi sampai sinyal mencapai headphone dan speaker, membuat jawaban saya saat ini usang dalam hal sinyal, tetapi bukan daya.

Di masa lalu, amplifier membutuhkan jumlah margin yang baik antara rentang tegangan output dan tegangan suplai. Opamp yang lebih tua sering mengalami penurunan tegangan 3V per rel.

Selain itu, memiliki output sinyal yang jauh dari batas ini dijamin rasio penolakan pasokan yang lebih baik (desain yang lebih tua sering menggunakan pasokan yang tidak diatur dengan baik, hanya menggunakan zener + NPN sebagai regulator). Dan mereka opamps umumnya memiliki spesifikasi keseluruhan yang lebih baik (PSRR, CMR, THD + N, ...) ketika tegangan suplai lebih tinggi. Sebagai contoh, lihat spesifikasi THD + N dari OPA134 (yang muncul pada pertengahan 90-an), sebuah opamp populer yang digunakan dalam audio kelas atas:

Anda melihat dengan jelas bahwa THD + N lebih baik dengan voltase pasokan yang lebih tinggi. Bahkan tidak menyebutkan bahwa opamps lama biasanya tidak pernah ditentukan sepenuhnya pada +/- 5V.

Jadi semua orang menggunakan voltase pasokan agak tinggi. Itu hal yang wajar untuk dilakukan.

Saat ini, saya tidak yakin apakah ini masih bisa dibenarkan. Opamp keluaran rel-ke-rel yang lebih baru memiliki spesifikasi yang baik, dan jika persediaan Anda cukup stabil, penolakan pasokan tidak menjadi masalah. Namun seringkali, orang yang mendesain "hifi gear kelas atas" tidak mudah mulai menggunakan barang baru, jadi mereka masih memiliki kebiasaan ini, saya kira.

Sekarang, jika Anda ingin menggunakan LT1215 dengan pasokan 5V tunggal, dan jika spesifikasi LT1215 cukup baik untuk Anda, tidak apa-apa. Spesifikasinya tidak konyol. Cukup periksa apakah kisaran tegangan input / tegangan ayun output sesuai untuk aplikasi Anda. Jika ADC memiliki rentang input 0-5V, memiliki LT1215 dengan output max ~ 4.4V terbatas akan memotong sedikit rentang dinamis, tetapi mungkin dapat diterima. Terserah kamu.

i think, dengan DC-blocking cap pada input dan DC-blocking cap pada output, setiap rangkaian op-amp bertenaga bipolar dapat disulap kembali untuk bekerja dengan catu daya tunggal.

dan saya pikir mereka membuat beberapa op-amp di zaman modern ini berfungsi sampai ke catu daya 3,3 v. di sini adalah contoh saya hanya berpikiran sederhana ditemukan di web: