Por que os amplificadores operacionais de áudio exigem tensões de trilho tão altas?

Essa pode ser uma pergunta boba, mas ainda não consegui encontrá-la diretamente em nenhum lugar da Internet. Também tenho um punhado de perguntas relacionadas em linha, que espero não se afastem muito do assunto.

No equipamento profissional, os sinais de áudio no nível da linha são aproximadamente ~ 3,5V pico a pico , então por que os circuitos de áudio exigem ou recomendam rotineiramente tensões de trilho de +/- 12v ou mais?

Isso é puramente uma coisa de espaço? Ou as não linearidades nos amplificadores operacionais dependem das tensões de alimentação?

Ou para dar suporte a componentes mais baratos? Observando a folha de dados do TL072, a tensão máxima de saída pode ser tão baixa quanto 2/3 do trilho se a resistência da carga ficar baixa (2k Ohm), mas normalmente está a 90% do trilho para uma carga de 10k Ohm. Mas você também pode usar um amplificador operacional de ponta que é ferroviário para ferroviário?

A principal coisa que leva a essa pergunta é examinar a folha de dados do Cirrus CS4272 e os esquemas / dados no painel de avaliação. Nesse caso, embora o ADC opere de 0v a 5v, eles ainda optam por usar uma fonte bipolar de +/- 18V para o buffer de entrada. Nesse exemplo em particular, eles estão usando o NE5532D8, que tem um balanço de saída do pior dos casos de 80% do trilho e suporta trilhos tão baixos quanto +/- 3v.

Então, por que eles usariam suprimentos de +/- 18V se o ADC suporta apenas áudio de 0 a 5V (presumivelmente enviesado em torno de 2,5v), e o uso de uma fonte de +/- 3v ainda acomodaria facilmente a faixa de pico a pico de 3,5V?

De acordo com a folha de dados, também não há escala (ganho ou atenuação) neste circuito:

Os conectores XLR fornecem as entradas analógicas CS4272 através de circuitos diferenciais acoplados a CA de ganho unitário. Um sinal diferencial de 2 Vrms direcionará as entradas do CS4272 para a escala completa.

Portanto, qualquer sinal acima do nível da linha acabaria sendo bloqueado pelo ADC. É melhor ter o recorte no ADC versus o amplificador operacional? Ou o trilho mais alto é necessário para o estágio de saída, mesmo que ele ainda forneça apenas um sinal de saída de pico a pico de ~ 3,5v no nível da linha?

No contexto da condução de um ADC de fonte única de 5v, quais são as razões pelas quais usar um estágio de entrada com suprimentos bipolares mais altos é melhor do que usar algo como um LT1215 em uma fonte única de 5v? (Não consigo postar um link porque ainda não tenho 10 reputação neste Stack Exchange em particular ... É bastante fácil pesquisar no Google)

Obrigado!

1. Atualmente, o equipamento de áudio de alta definição que trabalha com áudio de 24 bits, como mixers, usa entradas diferenciais de 600 ohm e conexões internas de buss (até que o sinal seja digitalizado) que precisam de um balanço de tensão de +/- 10 volts para lidar com a faixa dinâmica de 120dB de faixas de áudio SACD / DVDV / Blu-Ray. O IC do driver diff é geralmente um SSM2142 que possui trilhos de alimentação de +/- 18 volts (em misturadores).
2. Sim, parte dessa tensão extra é compensar o Vdrop através de cargas distantes de 600 ohm, para que um balanço de +/- 10 volts esteja disponível na carga. Essa voltagem mais alta do drive começou com os CDs (início dos anos 80), com faixa dinâmica de cerca de 90 dB, e sobrecarregaram a entrada de muitos aparelhos de som mais antigos, de modo que o som ficou muito distorcido.
3. A solução foi instalar adaptadores phono -6dB para que o nível caísse para o que os estéreo antigos estavam acostumados. Não sei explicar por que um projetista usaria um amplificador operacional de alta tensão para acionar um ADC de baixa tensão, a menos que a entrada seja o padrão SACD +/- 10 volts e depois o dividisse antes do ADC.
4. As saídas atuais de CD / SACD / DVD / Blu-Ray têm um balanço de +/- 10 volts como uma saída máxima; portanto, apenas o IC da saída analógica precisa ter os trilhos de alta tensão. Antes deste IC, o sinal ainda está em formato digital. MP3 players podem trabalhar com tensões muito mais baixas, pois a faixa dinâmica é de cerca de 60dB.
5. Um reprodutor de alta qualidade que pode reproduzir arquivos de CD pode ter 90dB de faixa dinâmica, aumentando a voltagem somente para o IC do driver de fone de ouvido / fone de ouvido.
6. A menos que você esteja lidando com áudio de 24 bits ou medições de CC de ultraprecisão, suprimentos de uma voltagem de 5 volts e ADCs e DACs ultra silenciosos de 5 volts e 3,3 volts são bons o suficiente para CD, MP3 e áudio convencional. Os chamados amplificadores 'chopper' também podem realizar medições DC de precisão com uma fonte de 5 volts, embora a taxa de amostragem seja limitada a talvez 100 sps; isso aumentará com o tempo. Os amplificadores de potência usam trilhos de +/- 15 volts (ou superior) para os amplificadores operacionais para lidar com o áudio de alta definição de hoje com quase nenhuma distorção.
7. Se o projetista instalar +/- 12 volts de amplificador operacional em circuitos ADC de 5 volts, pode ser para facilitar o projeto, talvez conduzindo cargas de impedância mais baixas e / ou para evitar a compra de amplificadores operacionais especiais de baixa tensão que podem apenas adicionar ao custo do inventário.
8. Se você procurar o SACD, é um formato de gravação de estúdio de 24 bits, mixado em faixas de áudio DVD / Blu-Ray, com concertos de música tendo também um formato de mixagem de 16 bits para CD. +/- 10 volts é o nível máximo de linha para cargas de 600 ohm ou mais, mas o áudio doméstico de hoje espera esse nível a partir desses dispositivos.
9. As entradas padrão 'Tape In' e 'Tape-Out' e MP3 e cassete ainda funcionam nos níveis de sinal originais, cerca de +/- 1 volt. Os padrões de nível antigo ainda existem, mas junto com o áudio de alta definição (24 bits).
10. ADCs de cinco e três volts são capazes de uma faixa muito mais dinâmica (piso com muito baixo ruído) do que no passado. Não pretendo sugerir que os ADCs de 5 ou 3,3 volts não possam lidar com áudio de alta definição, desde que seja desenvolvido especificamente para essa tarefa. Seu custo foi inicialmente muito alto, mas está diminuindo ano a ano.
11. Os chamados amplificadores operacionais de "alta tensão" são usados ​​por várias razões, incluindo sons de áudio e ultrassônicos. Os trilhos de suprimento de +/- 12 volts estão realmente no lado baixo, pois o LTC6090 possui trilhos de suprimento de +/- 70 volts, para controle de som e movimento.
12. Alguns amplificadores de potência de áudio, como os da série Cerwin-Vega Metron, possuem trilhos de alimentação de +/- 130 volts, para uma saída de 1.500 watts, portanto, um estágio de pré-amplificador com trilhos de +/- 15 volts parece baixa tensão.
13. Nesse e em outros casos, são necessárias tensões mais altas porque o próximo estágio ou dispositivo de destino precisa dessa ampla faixa de tensão para funcionar corretamente. A carga pode ser um divisor de tensão projetado para uma carga de baixa impedância e baixo ruído ou correspondência simples de impedância.
14. A propósito, "xxdB" refere-se ao piso de ruído do circuito ou da gravação, de modo que o ruído mais alto no nível do piso seja muito baixo para detectar ou ser perceptível, em comparação com o 'volume total'. Além disso, ele não indica a voltagem em que um CI é alimentado, mas quão silencioso o IC é sem sinal aplicado, comparado aos níveis de som do volume total.
15. Os trilhos de fornecimento de +/- 12 volts ou mais estão sendo reduzidos aos dispositivos que realmente precisam deles, como amplificadores de potência, fontes de alimentação, equipamentos de teste etc.
    
    EDIT: Devido a melhorias constantes no piso de ruído dos circuitos integrados e nos CIs de áudio, vale ressaltar que, em algum momento, o antigo 'padrão' +/- 10 volts na especificação de 600 ohms será substituído por tensões mais baixas em 600 ohms. O padrão de 600 ohms vem dos dias de operação de 200 pés de cabos de par trançado blindado (STP) de 32 canais, de um palco de concerto à torre de som a 200 pés de distância, e naquela época era conveniente para mixers analógicos com entradas XLR de 600 ohm. .
    
    Todas essas etapas caras foram necessárias para manter o ruído fora dos cabos do microfone e do instrumento, como luzes no teto, luzes estroboscópicas, lasers, walkie-talkies usados ​​pela equipe do palco etc.
    
    Dito isto, fica claro que, com o passar do tempo mais fontes sonoras estão sendo digitalizadas na fonte, evitando a necessidade da cobra de 200 pés. Em algum momento no futuro, todas as fontes serão digitalizadas imediatamente e poderão não se tornar analógicas novamente até que o sinal chegue aos fones de ouvido e alto-falantes, tornando minha resposta atual obsoleta em termos de sinais, mas não de energia.

Antigamente, os amplificadores precisavam de uma boa margem entre a faixa de tensão de saída e as tensões de alimentação. Os opamps mais antigos costumavam ter queda de tensão de 3V por trilho.

Além disso, ter a saída do sinal mais longe desse limite garantia uma melhor taxa de rejeição de suprimentos (projetos mais antigos costumavam usar suprimentos mal regulados, usando apenas um zener + NPN como regulador). E esses opamps geralmente tinham melhores especificações gerais (PSRR, CMR, THD + N, ...) quando as tensões de alimentação eram mais altas. Como exemplo, veja as especificações THD + N do OPA134 (que apareceu em meados dos anos 90), um opamp popular usado em áudio de última geração:

Você vê claramente que o THD + N é melhor com tensões de alimentação mais altas. Nem mesmo mencionando que esses opamps mais antigos geralmente nunca eram totalmente especificados em +/- 5V.

Então todo mundo usou tensões de fornecimento bastante altas. Era apenas uma coisa natural a se fazer.

Atualmente, não tenho certeza se isso ainda se justifica. Os opamps de saída trilho a trilho mais recentes têm boas especificações e, se seus suprimentos forem estáveis ​​o suficiente, a rejeição de suprimentos não será um problema. Mas, muitas vezes, as pessoas que projetam "equipamentos Hi-Fi de última geração" não começam facilmente a usar coisas mais novas, então ainda têm esse hábito, eu acho.

Agora, se você deseja usar um LT1215 com uma única fonte de 5V e se as especificações do LT1215 forem boas o suficiente para você, está tudo certo. Suas especificações não são ridículas. Apenas verifique se a faixa de tensão de entrada / oscilação da tensão de saída são apropriadas para sua aplicação. Se o ADC tiver uma faixa de entrada de 0 a 5 V, ter o LT1215 com uma saída limitada de ~ 4,4 V max reduzirá um pouco a faixa dinâmica, mas pode ser aceitável. Você decide.

Eu acho que, com uma tampa de bloqueio de CC na entrada e outra de bloqueio de CC na saída, qualquer circuito de amplificador operacional bipolar pode ser reajustado para funcionar com uma única fonte de alimentação.

e eu pensei que eles faziam alguns amplificadores operacionais nos dias modernos até a fonte de alimentação de 3,3 v. Aqui está um exemplo que eu simplesmente encontrei na web: