Pourquoi les amplis audio-op nécessitent des tensions de rail aussi élevées?

C'est peut-être une question stupide, mais je n'ai pas encore pu la trouver directement adressée sur Internet. J'ai également une poignée de questions connexes en ligne, qui, je l'espère, ne s'éloignent pas trop du sujet.

Dans les équipements professionnels, les signaux audio au niveau de la ligne sont à peu près ~ 3,5 V crête à crête , alors pourquoi les circuits audio nécessitent-ils ou recommandent-ils régulièrement des tensions de rail de +/- 12 V ou plus?

Est-ce purement une question de marge? Ou les non-linéarités dans les amplificateurs opérationnels dépendent-elles des tensions d'alimentation?

Ou pour prendre en charge des composants moins chers? En regardant la fiche technique du TL072, la tension de sortie maximale peut être aussi basse que 2/3 du rail si la résistance de charge devient faible (2k Ohm), mais est généralement à 90% du rail pour une charge de 10k Ohm. Mais, vous pourriez également utiliser un ampli-op haut de gamme qui est rail à rail?

La principale chose qui pose cette question est de regarder la fiche technique du Cirrus CS4272 et les schémas / données sur la carte d'évaluation. Dans ce cas, même si le CAN fonctionne de 0v à 5v, ils choisissent toujours d'utiliser une alimentation bipolaire +/- 18V pour le tampon d'entrée. Dans cet exemple particulier, ils utilisent le NE5532D8, qui a une oscillation de sortie dans le pire des cas de 80% du rail, et prend en charge des rails aussi bas que +/- 3v.

Alors, pourquoi utiliseraient-ils des alimentations +/- 18V si l'ADC ne prend en charge que l'audio 0-5v (vraisemblablement biaisé autour de 2,5v), et utiliser une alimentation +/- 3v accepterait toujours facilement la plage crête à crête de 3,5V?

Selon la fiche technique, il n'y a pas non plus de mise à l'échelle (gain ou atténuation) dans ce circuit:

Les connecteurs XLR fournissent les entrées analogiques du CS4272 via des circuits différentiels couplés AC à gain unitaire. Un signal différentiel de 2 Vrms conduira les entrées CS4272 à pleine échelle.

Donc, tout signal dépassant le niveau de la ligne finirait par être écrêté par l'ADC de toute façon. Est-il préférable d'avoir l'écrêtage dans l'ADC par rapport à l'ampli op? Ou le rail supérieur est-il requis pour l'étage de sortie, même s'il ne fournirait toujours qu'un signal de sortie de niveau ligne ~ 3,5 V crête à crête?

Dans le contexte de la conduite d'un CAN 5 V à alimentation unique, quelles sont les raisons pour lesquelles il est préférable d'utiliser un étage d'entrée avec des alimentations bipolaires plus élevées que d'utiliser quelque chose comme un LT1215 sur une alimentation unique à 5 V? (Je ne peux pas poster de lien car je n'ai pas encore 10 points de réputation sur ce Stack Exchange particulier ... C'est assez simple pour google)

Merci!

1. Les équipements audio haute définition d'aujourd'hui qui fonctionnent avec du son 24 bits, tels que les mélangeurs, utilisent des entrées différentielles de 600 ohms et des connexions de bus internes (jusqu'à ce que le signal soit numérisé) qui nécessitent une variation de tension de +/- 10 volts pour gérer la plage dynamique de 120 dB. des pistes audio SACD / DVDV / Blu-Ray. Le circuit intégré de pilote de diff est souvent un SSM2142 qui a des rails d'alimentation de +/- 18 volts (dans les mélangeurs).
2. Oui, une partie de cette tension supplémentaire sert à compenser le Vdrop à travers des charges distantes de 600 ohms, donc une oscillation de +/- 10 volts est disponible à la charge. Cette tension de commande plus élevée a commencé avec les CD (début des années 1980) qui ont une plage dynamique d'environ 90 dB, et ils ont surchargé l'entrée de nombreux stéréos plus anciens, de sorte que le son était très déformé.
3. Le correctif consistait à installer des adaptateurs de prise phono de -6 dB afin que le niveau soit abaissé à ce à quoi les anciennes stéréo étaient habituées. Je ne peux pas expliquer pourquoi un concepteur utiliserait un amplificateur opérationnel haute tension pour piloter un ADC basse tension, sauf si l'entrée est la norme SACD +/- 10 volts, puis le diviser avant l'ADC.
4. Les sorties CD / SACD / DVD / Blu-Ray d'aujourd'hui ont une oscillation de +/- 10 volts en tant que sortie maximale, donc juste le circuit intégré de sortie analogique doit avoir les rails haute tension. Avant ce CI, le signal est toujours au format numérique. Les lecteurs MP3 peuvent fonctionner avec des tensions beaucoup plus faibles, car la plage dynamique est d'environ 60 dB.
5. Un lecteur de meilleure qualité capable de lire des fichiers CD peut avoir une plage dynamique de 90 dB en augmentant la tension uniquement pour le circuit intégré du pilote des écouteurs / écouteurs.
6. À moins que vous ne gériez des mesures audio 24 bits ou DC ultra précises, les alimentations asymétriques 5 volts et les ADC et DAC 5 volts et 3,3 volts ultra-silencieux sont assez bons pour les CD, MP3 et audio conventionnels. Les amplificateurs dits `` chopper '' peuvent également effectuer des mesures CC de précision avec une alimentation de 5 volts, bien que la fréquence d'échantillonnage soit limitée à peut-être 100 sps; cela augmentera avec le temps. Les amplificateurs de puissance utilisent des rails de +/- 15 volts (ou plus) pour les amplificateurs opérationnels pour gérer l'audio haute définition d'aujourd'hui sans presque aucune distorsion.
7. Si le concepteur installe des amplificateurs opérationnels de +/- 12 volts dans des circuits ADC de 5 volts, cela pourrait être pour faciliter la conception, peut-être entraîner des charges d'impédance plus faibles et / ou pour éviter d'acheter des amplificateurs opérationnels basse tension `` spéciaux '' qui pourraient simplement ajouter au coût des stocks.
8. Si vous recherchez SACD, il s'agit d'un format d'enregistrement 24 bits de qualité studio qui est mélangé aux pistes audio DVD / Blu-Ray, avec des concerts de musique ayant également un mix-down au format 16 bits pour les CD. +/- 10 volts est le niveau de ligne maximum pour des charges de 600 ohms ou plus, mais l'audio domestique d'aujourd'hui attend ce niveau de ces appareils.
9. Les entrées standard «Tape In» et «Tape-Out» et MP3 et cassette fonctionnent toujours à leurs niveaux de signal d'origine, environ +/- 1 volt. Les anciennes normes de niveau existent toujours, mais à côté de l'audio haute définition (24 bits).
10. Les convertisseurs cinq volts et 3,3 volts sont capables d'une plage beaucoup plus dynamique (plancher à très faible bruit) que par le passé. Je ne veux pas dire que les ADC 5 ou 3,3 volts ne peuvent pas gérer l'audio haute définition, tant qu'ils sont spécialement conçus pour cette tâche. Leur coût était initialement très élevé mais diminue d'année en année.
11. Les amplis opérationnels dits «haute tension» sont utilisés pour de nombreuses raisons, notamment les sons audio et ultrasoniques. Les rails d'alimentation de +/- 12 volts sont en fait sur le côté bas, car le LTC6090 a des rails d'alimentation de +/- 70 volts, pour le contrôle du son et des mouvements.
12. Certains amplificateurs de puissance audio, tels que ceux de la série Cerwin-Vega Metron, ont des rails d'alimentation de +/- 130 volts, pour une sortie de 1500 watts, donc un étage de préampli avec des rails de +/- 15 volts semble être à basse tension.
13. Dans ce cas et dans d'autres, les tensions plus élevées sont nécessaires parce que la prochaine étape ou l'appareil cible a besoin de cette large plage de tension pour fonctionner correctement. La charge peut être un diviseur de tension conçu pour une charge faible bruit à faible impédance ou une adaptation d'impédance simple.
14. Soit dit en passant, «xxdB» fait référence au bruit de fond du circuit ou de l'enregistrement, de sorte que le bruit le plus élevé au niveau du plancher est trop faible pour être détecté ou perceptible, par rapport au «plein volume». En outre, cela n'indique pas la tension par laquelle un CI est alimenté, mais le niveau de silence du CI sans aucun signal appliqué, par rapport aux niveaux sonores à plein volume.
15. Les rails d'alimentation de +/- 12 volts et plus sont réduits aux appareils qui en ont réellement besoin, tels que les amplis de puissance, les alimentations, les équipements de test, etc.
    
    EDIT: En raison des améliorations constantes du bruit de fond des circuits intégrés CC et audio, il il convient de mentionner qu'à un certain moment, l'ancienne spécification «standard» +/- 10 volts en 600 ohms sera remplacée par des tensions plus basses en 600 ohms. La norme de 600 ohms vient de l'époque où l'on utilisait 200 pieds de câbles à paire torsadée blindée (STP) de 32 pieds d'une scène de concert à la tour de son à 200 pieds de distance, et à l'époque c'était pratique pour les consoles de mixage analogiques avec des entrées XLR de 600 ohms .
    
    Toutes ces étapes coûteuses étaient nécessaires pour empêcher le bruit des microphones et des câbles d'instruments, tels que les plafonniers, les lampes stroboscopiques, les lasers, les talkies-walkies utilisés par l'équipe de la scène, etc.
    
    Cela étant dit, il est clair que le temps passe davantage de sources sonores sont numérisées à la source, ce qui évite d'avoir à utiliser le «serpent» de 200 pieds. À un certain moment dans le futur, toutes les sources seront numérisées tout de suite et pourraient ne plus redevenir analogiques avant que le signal n'atteigne les écouteurs et les haut-parleurs, ce qui rend ma réponse actuelle obsolète en termes de signaux, mais pas de puissance.

Autrefois, les amplificateurs avaient besoin d'une bonne marge entre la plage de tension de sortie et les tensions d'alimentation. Les opamps plus anciens avaient souvent une chute de tension de 3 V par rail.

De plus, une sortie du signal plus éloignée de cette limite garantissait un meilleur taux de rejet de l'alimentation (les conceptions plus anciennes utilisaient souvent des alimentations mal régulées, utilisant uniquement un zener + NPN comme régulateur). Et ces amplis op avaient généralement de meilleures spécifications globales (PSRR, CMR, THD + N, ...) lorsque les tensions d'alimentation étaient plus élevées. À titre d'exemple, voir les spécifications THD + N de l'OPA134 (qui est apparu au milieu des années 90), un ampli op populaire utilisé dans l'audio haut de gamme:

Vous voyez clairement que le THD + N est meilleur avec des tensions d'alimentation plus élevées. Sans même mentionner que ces anciens amplificateurs opérationnels n'étaient généralement jamais entièrement spécifiés à +/- 5V.

Donc, tout le monde a utilisé des tensions d'alimentation assez élevées. C'était juste une chose naturelle à faire.

De nos jours, je ne sais pas si cela est toujours justifié. Les nouveaux amplificateurs opérationnels de sortie rail à rail ont de bonnes spécifications, et si vos fournitures sont suffisamment stables, le rejet de l'alimentation n'est pas un problème. Mais souvent, les gens qui conçoivent des "équipements hifi haut de gamme" ne commencent pas facilement à utiliser des trucs plus récents, ils ont donc toujours cette habitude, je suppose.

Maintenant, si vous souhaitez utiliser un LT1215 avec une seule alimentation 5V, et si les spécifications du LT1215 vous conviennent, tout va bien. Ses spécifications ne sont pas ridicules. Vérifiez simplement que la plage de tension d'entrée / la tension de sortie est adaptée à votre application. Si l'ADC a une plage d'entrée de 0 à 5 V, avoir le LT1215 avec une sortie maximale limitée à 4,4 V réduira un peu la plage dynamique, mais cela peut être acceptable. Dépend de vous.

Je pense qu'avec un capuchon de blocage CC à l'entrée et un autre capuchon de blocage CC à la sortie, tout circuit d'amplificateur opérationnel bipolaire peut être re-jigger pour fonctionner avec une seule alimentation.

et je pensais qu'ils faisaient fonctionner certains amplis opérationnels dans les temps modernes jusqu'à une alimentation de 3,3 V. voici un exemple que j'ai trouvé simplement sur le Web: