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[参考译文] OPA1656:优化4级吉他前置放大器中的低噪声

Guru**** 669750 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA1656, NE5532, TL072, LM4562, OPA1678, OPA210
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/audio-group/audio/f/audio-forum/1114357/opa1656-optimizing-for-low-noise-in-a-4-stage-guitar-preamp

器件型号:OPA1656
主题中讨论的其他器件: NE5532TL072LM4562OPA1678OPA210

我正在根据 此设计构建吉他放大器: 40W 吉他放大器(P27)(sound-au.com)。 我计划在第一级和第二级使用 OPA1656、并希望最大限度地降低电路中的噪声。  我正在寻求帮助来验证 我的分析。

我使用 TI 培训视频中概述的方法分析了电路的噪声、 第一级中的源电阻噪声在大约4.6mV 时占主导地位。 假设音调和音量电位计大部分时间处于中间位置、我在第二级的源电阻上使用了400k、这会导致第二级噪声可忽略不计(假设该级也使用 OPA1656)。 当然、第三和第四阶段也可以忽略不计。

我认为、通过消除 3个输入电阻器并将反馈电阻器降至330R 和6.8k、我可以将 OPA1656的第一级噪声密度降至4.3nV/rtHz 下限(1kHz 时)。 我还会将旁路电容增加到1.5n、以保持15kHz 带宽。 为了计算噪声、我是否需要将吉他拾音器的输出阻抗作为输入电阻、即  吉他拾音器的源阻抗是否会导致第一级输入的约翰逊噪声? 如果是、是否有任何关于使用什么是良好价值的想法? 我意识到阻抗取决于频率、但我正在寻找一个良好的"平均"值来估算噪声贡献。 我想的是10k 至33k。 在 这种情况下、它肯定是主要噪声源、我可以使用更高的反馈电阻器来减少功耗。  

如果源电阻噪声中不包含吉他拾取阻抗、则使用高于 I 的反馈电阻器值应能够将噪声密度降低到 OPA1656噪声密度4.3 nV/rtHz、这将使第二级噪声相关。 将2个重要源相加、我得到0.78mV、比库存设计提高大约5倍。 我相信、假设总体增益相同、最佳情况下的噪声将约为0.6mV、因此在此基础上可实现小于20%的改进。 一些问题概括如下:

  • 使用 OPA1656时、我是否正确地假设电路的最佳噪声系数为0.6mV?
  • 400k 是否合理用于第二级源电阻?
  • 我还没有想到其他哪些方法可以降低电路中的噪声?
  • 在此应用中、是否还有其他运算放大器也能正常工作、甚至比 OPA1656更好?
  • 是否值得在第1级和/或第2级的输出上加入 RC 低通滤波器?
  • 我是否在第一级的源阻抗噪声计算中包含吉他拾取阻抗?

我的分析中有一些有趣的其他发现(如果您不同意、请告知我):

  • 由于第3级和第4级噪声非常小、因此 OPA1656等低噪声运算放大器没有带来任何好处。 即使是 TL072也不会显著增加噪声、从噪声/成本的角度来看、NE5532等双极放大器也会更好。  
  • 在第一级和第二级都使用 OPA1656非常重要。 在第二级中使用双极运算放大器或 TL072将使第二级噪声成为主要噪声(由于电流噪声、即使对于 LM4562等低噪声双极噪声也是如此)
  • 使用库存的第一级电阻器值时、使用比 TL072更好的运算放大器几乎没有什么好处

感谢您的建议!

  • 请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    尊敬的 Andrew:

    我同意你的上述总结。  当您在增益中使用输入级时、输入级对于噪声始终至关重要。  如果只将其用于缓冲器/阻抗转换 器、则第二级的噪声将变得更加关键、因此增加第一级的增益通常会降低输入参考噪声。  但从根本上讲、吉他拾音器会限制您的本底噪声。  线圈的电阻应建模为输入源极电阻、低端上的电阻估计为~8kOhm、高端上的电阻估计为~20kOhm (对于吉他、由于拾音器使用更宽的监测线、因此低音较低)。  因此、即使输入源电阻为8kOhm、电阻器也会产生11.4nV/rtHz 的热噪声。 现在、如果您使用放大器、那么具有高电流噪声的电流噪声将与吉他线圈相乘以产生电压噪声。  我们在音频器件数据表中添加以下图形、以显示噪声在输入电流噪声*源电阻与热噪声之间的主要阻抗(以下为1656):

    这表明、无论 OPA1656中的源极电阻如何、噪声都将主要由高于~400欧姆的源极电阻的热噪声决定。  由输入电流噪声*源阻抗(Rs)引起的噪声显示在灰色线中。  对于双极放大器而言,这条线要高得多,电流噪声*Rs 将随着 Rs 的增加而占据主导地位。  

    因此、您最终在吉他输入端实现的最佳噪声受线圈热噪声的限制、但您需要使用 FET 输入放大器。以确保电流噪声不会占主导地位。  话虽如此、当热噪声已经为11.4nV/rtHz 时、OPA1656 (~4nV/rtHz)与 OPA1678 (~5nV/rtHz)之间不会存在巨大的噪声性能差异。  

    关于音调堆栈、如果前端具有足够的增益、则输入参考噪声可能不会受到电阻的影响。  但音调堆栈的选择通常是由组件选择决定的; 您可以使用低值电阻器和高值电容器、但您可能需要增加电容器。在不再现实的情况下、使用高质量 COG 电容器、然后跳转到更大且更昂贵的薄膜。  为了真正理解折衷、我将创建一个放大器模型。您正在 TINA 仿真工具中进行设计、并针对不同的组件值运行噪声分析;增益/低音/高音等的变化太多、无法在论坛上得到解答。   

    请注意、此处提供了一个音频堆栈设计示例:

    https://www.ti.com/lit/ug/tidu887/tidu887.pdf

    关于 RC 滤波器、音调堆栈正在处理大部分滤波、我看不到增加更多 RC 的任何价值。

    最后、放大器。由于前端的增益优势、在后面的级中对噪声的要求当然会降低、但我仍然会关注电流噪声、因为电阻值如此高、最终可能会占主导地位。

    希望这对您有所帮助、
    Mike

     

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    谢谢 Michael。 这非常有用、您所链接的设计论文也非常出色。 我在试验电路板上构建电路、并使用示波器测量噪声。 测试确认、输入电阻、主要是吉他拾取电阻、主导了第一级噪声、并确认了上面文本中的大多数其他结论。 一个意外的结果是、NE5532在第一级中的使用有多安静、在第一级中肯定比 LM4562安静得多。 这可能是由于与 LM4562相比、NE5532中的电流噪声明显降低。 OPA1656作为 U1、 LM4562作为 U2的组合提供 了最低的测量噪声、但当 LM4562替换为 NE5532时、可闻差异可以忽略不计。

    具有链接文章中所示值的电路(但不具有高电阻和低电阻、不具有1K 输入电阻):

    在前2级使用 OPA1656、在第3级和第4级使用 TL072:7.7mV

    对于前2级、使用 OPA1656;对于 第3级和第4级、使用 LM4562:5.4mV

    采用与上述相同的配置、但在前两级将反馈电阻器减小10倍、并将带宽限制电容器增加到7.5kHz (激进的 I 知道、 但这对我来说听起来不错、与噪声有很大不同)噪声测量值为1.3mV。 原始电阻规格与低噪声选项之间的可闻差异很大。

    请记住、这是在使用廉价开关模式升压+-15V 电源的试验电路板上、因此噪声的绝对值不是最佳值、而应该只使用良好的 PCB 和线性电源进行改进。  

    是否有任何想法可以通过在第一阶段和第二阶段之间进行有效(Baxandall)音量控制和音调堆栈来获得任何好处?  

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    尊敬的 Andrew:

    感谢您在此处分享您的结果。 是的,当阻抗增加时,电流噪声肯定是主要的噪声因素(通常,只要输入上的电阻器大于1kOhm,双极将开始产生由输入电流噪声*输入电阻决定的噪声),这在上面的设计中是如此。  如果您真的想实现尽可能低的噪声、可以尝试使用 OPA210 -这是非常低的电压噪声、并且使用超 β 输入晶体管时、IB 和电流噪声也非常低。

    我想知道的一件事-如何计算或测量 RMS 噪声?  它只是来自示波器的 RMS 值吗? 是带限还是 A 加权?  如果不是、您可能会在更高频率噪声中输入比值更大的值。  在这些线路上、当您说电容器频率增加到7.5kHz 时、它对可闻噪声有很大影响、还是仅对测量的噪声有很大影响?

    我对 Baxandall 与语调比较没有太多的见解。  音色栈几十年来一直很受欢迎、有助于塑造吉他放大器的"预期"声音、 但是、Baxandall 架构在音频领域已有一段时间的使用时间、并且可以实现良好的频率控制、而不会出现其他可调有源滤波器可能显示的尖锐峰值或谐振。  我想您将可以更轻松地使用 Baxandall 创建更低的噪声滤波器。

    我们这里的一位同事刚刚设计了一个分立式 JFET 前端 Baxandall 滤波器、我将请他将其发布在这里、以便您可以查看它。

    此致、
    Mike

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    大家好、Michael、我将查看 OPA210。 我‘的噪声’值是示波器的 RMS 纹波值。 不像您提到的官方信息、但与可闻噪声密切相关。 7.5kHz 滤波电容器确实与15kHz 产生了非常明显的差异。 我可能尝试10kHz 只是为了获得更高的高端、但实际上、对于吉他、在7.5kHz 以上没有太多的用途。 上面的扬声器滤波 器。 我的测试设置是没有输入信号、电位计/增益电位计为复用、电位计为50%。

    我想了解一下您提到的 Baxandall 音频电路,当我有时间 构建该音频电路和活动音量控制时,我会查看是否有任何东西可以从中获益。  

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    您好!

    我已经插入了来自 Tina TI 的 Baxandall 电路和仿真。 这项工作仍在进行中。

    此致、

    化学文摘社

    e2e.ti.com/.../JFE150_5F00_bax.TSC