为什么（麦克风）前置放大器设计倾向于将运算放大器增益限制为最大60 dB？

在查看许多具有专业录音质量的麦克风前置放大器时，我注意到我所研究的每个使用运算放大器（分立或IC）的设计都将运算放大器提供的增益限制为最大约60dB。虽然大多数前置放大器使用另一个阶段（变压器或另一个运算放大器）达到70db甚至80dB，但我想知道为什么他们不仅仅使用第一个运算放大器到达那里。据我了解，会有一些优势：

• 随着电压增益的增加，信噪比更好，
• 更简单的音频路径，
• 零件和成本更少。

它与60dB以上的运放稳定性有关吗？

这是一个典型的示意图。R12将增益限制为40.1dB。我正在使用这些公式：

我还注意到，由THAT-Corp生产的完整的麦克风前置放大器IC也具有60dB的最大增益。

增益/带宽乘积，您可能需要60dB（1,000倍）处的50KHz带宽，因此您需要50MHz左右的增益/带宽乘积（更多会降低HF失真）...设为80dB，现在您需要500MHz英镑，如果要在DC附近降低低噪声将变得非常困难（而且要获得稳定以低增益稳定正变得越来越糟）。

还应考虑到，噪声完全由具有前20dB或30dB增益的级的噪声完全控制（做数学运算），在拆分信号时要说很多，以至于第一个30dB的增益发生在较低的增益下。噪声级专为低Z源和低1 / F噪声而设计，现在只需要几MHz的GBP，即使源阻抗很奇怪也很容易稳定。然后在第二阶段进行其余的工作（噪声影响较小，并且您具有已知的源阻抗）。

另一个困难是，如果要进行一个旋钮增益控制，那么有意义的控制定律就变得越来越棘手，这是一个经典的仪表级，其增益设置电阻范围从几欧姆到几千欧姆不等，如果您考虑一下它可能只有3个数量级，很难使反向对数电位器具有更大的范围。

有GBW（增益带宽积）的问题，因此单级不可能具有良好的性能。仅仅通过增加带宽还不够，您还想要足够的增益来减少失真并获得平坦响应的精确再现效果（尽管可以说，超过10kHz的失真对于人类的听力来说并不重要）。当然，您总是可以有几个阶段，每个阶段都有更合理的收益。请记住，带宽是由-3dB点定义的（在通带的边缘，输出将降低至一半功率），而按照发烧友的标准，带宽并不是完全平坦的。

另一个问题是，即使是非常好的运算放大器，其输入参考噪声电平也可能为nV / √夫妇。，而变压器输入级将提供基本上无噪声的电压提升（以将输入阻抗降低为匝数比的平方为代价）。$\text{nV}/\sqrt {\text {Hz}}$

由于带状麦克风之类的极低电压源也往往具有低阻抗，因此这是一个很好的权衡。

还有其他一些通过使用分立器件来获得极低噪声性能的方法，例如在较高的漏极电流下运行多个JFET。这样可以减少噪声，理想情况下，可以减少JFET数量的平方根，但是输入电容与并联JFET的数量成正比，因此不良影响的增加快于改进的影响。

为什么（麦克风）前置放大器设计倾向于将运算放大器的增益限制为最大60 dB？

完整的麦克风和其他音频设备产生范围的总体图：-

从这里拍摄的照片。

可以看出，工作室麦克风（取决于类型）可以产生从-60 dBm（相对于600欧姆，因此0 dBm = 0.775伏）到-20 dBm的输出范围。这是在1 kHz时标准输入压力水平为1帕斯卡的情况。

线路输入电平通常约为0 dBm，因此典型的麦克风前置放大器将产生20 dB至60 dB的增益范围。

许多运算放大器电路经过设计，因此，如果使用包括无限增益运算放大器在内的理想元件构成，它们将产生已知的有限增益。实际上，此类电路将始终由非理想组件构成，并且它们的行为与理想组件所产生的行为将不完全匹配。考虑一个非常基本的放大器：

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

使用理想元件时，增益为（R1 + R2）/ R2；我称其为“名义收益”。在实际电路中，如果运算放大器具有恒定的开环增益，则增益将为1 /（R2 /（R1 + R2）+ 1 / opAmpGain）。如果运算放大器的开环增益远大于（R1 + R2）/ R2，则1 / opAmpGain相对于R2 /（R1 + R2）将会非常小，其确切值将无关紧要许多。此外，即使开环增益可能由于频率或输入电压（甚至更糟）等因素而变化，电路的最大和最小增益也将相对接近。例如，如果开环增益可能在500x到1000000X之间变化，则电路的净增益将在大约9.8x到10x的范围内。对于某些用途，可能会有比理想情况更多的变化，但仍然很小。

如果将R1更改为99K（将标称增益从10x更改为100x），则电路对运算放大器实际增益的灵敏度将提高十倍以上。运算放大器实际增益的相同变化将导致电路的净增益在约83倍至100倍的范围内-更大的变化。如果改用另一种方法将下面所示的电路（增益为10倍）级联起来，则所得电路的增益范围可能约为96倍至100倍。与使用该电路的一个副本相比，相对不确定度更大，但比试图在一个阶段中实现100倍增益时的相对不确定度小得多。

60dB的增益将需要1000：1的电压增益。尽管一个具有足够高的开环增益以在音频频率上实现1000：1标称增益的运放可能比两个规格稍逊一筹的运放便宜，但在如此高的增益下仍能正常工作的运放易于会贵得多。在某种程度的增益下，使用两个便宜的放大器要比使用一个质量足够高的放大器更好地实用。

60 dB意味着来自麦克风的1 mV变为1 V输出。这大约是您要放大麦克​​风并馈入“线路电平”输入的最大值。大多数麦克风会产生几mV的输出，以达到正常的声音水平。

除了关于增益带宽积的其他出色答案之外，还有另一个问题。增益太大时，输入运放会由于输入失调电压而饱和。许多混频器板将5532运放用于第一级增益。它的典型失调电压为0.5mV，但在整个温度范围内可能高达5mV。增益为60dB时，5mV的输入失调变为输出端的5V的DC失调。5532还具有10MHz的典型增益带宽积，因此，在60dB增益下，带宽最高为10kHz。

当增益很大时，也往往会产生很多噪声。进行前置放大器后，我喜欢使用低通有源滤波器来获得更大的增益，并且还滤除一些高频前置放大器的输出噪声。我使用OPA2134运算放大器，它是通过Linkwitz Lab的有源滤波器设计建议中学到的。除非最大频率很低，否则我将在单个阶段中使用甚至不到60dB的增益。两个40dB级会更好。