Фонокорректор. Исторический очерк

В 1948 году Columbia Records выпустила первые долгоиграющие монофонические  пластинки, записанные по схеме частотных предыскажений. В последующие годы американские компании вывели на рынок не менее девяти альтернативных вариантов частотной коррекции и в 1953-1954 годы был принят отраслевой стандарт частотной коррекции, ставший известным как  “RIAA”. С 1956 года по этому стандарту производились практически все новые записи.

В 40-х…60-х годах для воспроизведения долгоиграющих пластинок применялись недорогие и потому более распространённые пьезоэлектрические звукосниматели либо относительно дорогие магнитные звукосниматели. Пьезоэлектрические звукосниматели имели чувствительность в ~50…100 раз большую, чем магнитные и поэтому не требовали малошумящих предусилителей. Однако из-за особенностей конструкции пьезоэлектрический звукосниматель должен иметь жесткий подвес и поэтому для его надежного удержания в звуковой дорожке требовалась значительная прижимная сила. При использовании качественных игл с малым радиусом острия такой звукосниматель быстро портил пластинку, а относительно “щадящие” 🙂 иглы с большим радиусом острия не могли отслеживать высокочастотные смещения канавки. Другим неустранимым недостатком пьезоэлектрических звукоснимателей была “зигзагообразная” неравномерность АЧХ.

По этим причинам в высококачественной аппаратуре всегда преобладали магнитные звукосниматели и к 80-м годам применение пьезоэлектрических звукоснимателей практически прекратилось.

Непременными “компаньонами” магнитных звукоснимателей всех типов были предусилители-корректоры, усиливающие напряжение и восстанавливающие исходный спектр записанного сигнала. Компания-разработчик стандарта RIAA (RCA) – рекомендовала к использованию двухкаскадные ламповые корректоры с пассивным фильтром.

Два триода с высоким коэффициентом усиления обеспечивали достаточную чувствительность (усиление 45 дБ на частоте 1 кГц), но лишь при подключении корректора к высокоомной (~200 кОм) нагрузке. Наибольшее же распространение в ламповой технике 1960-х годов получила схема “универсального” корректора на пентоде EF86.

В транзисторной схемотехнике 60-х и отчасти 70-х годов преобладала двухкаскадная схема активного фильтра на биполярных транзисторах, работавших в режиме ОЭ, предложенная J. Dinsdale в 1965 году.

Все корректоры, построенные по этой схеме звучали очень посредственно и ни один из них не стал “классическим”. Недостаточный запас усиления порождал заметный спад АЧХ на нижних частотах, недостаточная скорость нарастания выходного напряжения – спад и нелинейные искажения на верхних частотах, на средних частотах АЧХ заметно отклонялась от стандарта из-за неточного расчета корректирующих цепей. Конструкторы 60-х с этими недостатками мирились, так как низкое качество шасси и тонармов тогдашних бытовых проигрывателей лишало смысла какие-либо усовершенствования корректоров.

В 70-е годы положение изменилось. На массовый рынок вышли новые высококачественные проигрыватели, и слабым звеном воспроизводящего тракта стали именно корректоры. Вначале конструкторы сосредоточились на совершенствовании традиционной схемотехники, по мере перехода бытовой электроники на двуполярное питания усилителей постепенно распространилась и более новая топология с входным дифференциальным каскадом. Лучшие схемы 70-х годов на дискретных транзисторах имели отклонение АЧХ от стандарта RIAA на доли децибела при отношении сигнал/шум 70…74 дБ.

С выходом на рынок доступных интегральных схем проектирование корректоров с активной фильтрацией заметно упростилось. В корректорах применялись специализированные микросхемы малошумящих УНЧ с дифференциальным входом, например TDA2310 и LM381. В первую половину 70-х годов, под влиянием авторитета JLH (John Linsley Hood) широкое распространение получила схема на ОУ в инвертирующем включении с параллельной обратной связью.

После публикации H. P. Walker “Low-Noise Audio Amplifiers” (Wireless World 1972) более широкое распространение получила малошумящая, но несколько более сложная в расчете и настройке схема на ОУ в неинвертирующем включении с последовательной обратной связью.

Отношение сигнал/шум улучшилось, а точность коррекции ухудшилась из-за специфических для этой схемы искажений АЧХ на высоких частотах и недостаточного запаса усиления интегральных операционных усилителей. Математический аппарат для точного расчёта активных корректоров этого типа был опубликован Stanley Lipshitz “On RIAA Equalisation Networks” (1979). Вместе со со схемотехникой фильтров совершенствовалась и схемотехника усилительных каскадов. В 80-е годы конструкторы разработали множество совершенных высококачественных схем корректоров на дискретных биполярных и полевых транзисторах, но по мере выхода на рынок малошумящих ОУ с низкими искажениями эти технически сложные решения остались невостребованными. 🙂

В самом конце “виниловой” эпохи ММ (Moving Magnet) звукосниматели захватили массовый рынок, а верхний сегмент рынка заняли звукосниматели МС (Moving Coil). МС звукосниматели известные еще с 30-х годов, отличались в общем-то лучшим качеством звучания, но долгое время оставались невостребованными из-за низкой чувствительности. Компоненты и схемотехника 70-х годов не позволяли создавать действительно высококачественные и малошумящие каскады усиления сигнала с уровнем шума измеряемого сотнями или десятками микровольт и поэтому основным средством усиления сигнала от МС звукоснимателей были (и есть) 🙂 повышающие трансформаторы.

Полностью транзисторные корректоры (без входных трансформаторов) для МС звукоснимателей, получили более-менее широкое распространение только после выхода фундаментальной статьи Douglas Self “Design of moving-coil head amplifiers” (December 1987).

Цифра и “цифрит”. Мысли вслух. Часть 3

После публикации частей 1 и 2 потребовались некоторые дополнительные пояснения.

Очевидно, что “цифра”, записанная на CD – не является “точной цифровой копией” исходного аналогового сигнала. Это всего лишь набор цифровых данных для проведения дальнейших вычислений.

В самом простом варианте эти вычисления должен производить выходной каскад ЦАП, который по сути является аналоговой вычислительной машиной и в общем случае это интегратор – интерполятор. Проведение аналоговых вычислений с требуемой точностью – та еще задача, поэтому логично провести вычисления в два этапа. На первом этапе – сделать пересчет (передискретизацию) исходных цифровых данных, рассчитав дополнительные цифровые отсчеты и таким образом существенно облегчив задачу для второго этапа – точного интегрирования и интерполяции “аналоговой машиной” большего числа отсчетов. По ходу выясняется, что в процессе передискретизации неизбежно возникают так называемые “цифровые шумы” – ошибки в данных, вызванные конечной точностью алгоритмов вычислений, аппаратные помехи, вызванные схемотехническими особенностями построения цифровых схем и т.п. То есть – на этапе обработки цифровых данных результат вычислений желательно “фильтровать” 🙂 и только после этого преобразовывать в аналоговую форму. Цифровая фильтрация, в свою очередь, хоть и позволяет существенно очистить данные от ошибок передискретизации, но вносит свои, характерные ошибки “цифровой фильтрации”, плюс аппаратные помехи.

Оцифровка аналогового сигнала в формат DSD – пожалуй является “более-менее точной цифровой копией” исходного аналогового сигнала. И вроде как (в теории) 🙂 преобразование “цифровой копии” в аналоговую должно происходить легче – достаточно очень простой “аналоговой вычислительной машины” – обычного интегратора. Но на практике – в реальной жизни – все портят особенности схемотехники – уровень аппаратных помех при таком “простом” решении получается слишком уж большим, интеграция устройств и оптимизация трассировки дорожек платы, монтажа компонентов в некоторой степени решают проблему – но не полностью. В итоге – без предварительной обработки и фильтрации цифровых данных обойтись не получается, то есть характерные ошибки результатов вычислений и аппаратные помехи неизбежно присутствуют и в этом случае – но их характер все-таки предсказуемее, чем в случае передискретизации PCM.

И да, часто возникает подозрение, что в некоторых ЦАП помимо цифровой фильтрации происходит и DSP исходных данных. Очень уж своеобразно интерпретируется разными ЦАП вроде бы одно и то же звуковое пространство.

Июль 2020 г.Владивосток

Собственные шумы грампластинки. Ставим точку.

Удивительно, но общего мнения о динамическом диапазоне и уровне шума грампластинки почему-то не существует, вероятно как из-за различий в методиках измерения и представления данных, так и из-за разброса качества самих пластинок. Различные источники приводят значения динамического диапазона от 50 dB для низкокачественных массовых тиражей до 80 dB для образцовых пластинок, нарезанных непосредственно рекордерами (по мнению Douglas Self, величина 80 dB точно завышена 🙂 ).

По данным Аполлоновой и Шумовой, рассматривавших классическую технологию 1960-х годов, уровень шума нарезаемых рекордером лаковых дисков составляет −63…-69 dB относительно уровня 10 см/с. Следующий технологический шаг – изготовление металлического диска-оригинала – ухудшает отношение сигнал/шум на 6 dB, а штамповка серийных пластинок – ещё на 4 dB. Таким образом, уровень шума пластинки обычного тиража составляет ~ −53…-59 dB относительно уровня 10 см/c (~ −47…-53 dB относительно уровня 5 см/c).

В более поздней и более совершенной технологии DMM рекордер нарезает запись в тонком слое мелкокристаллической меди, нанесенном на стальную подложку. Уровень шума медного диска, измеренный на выходе эталонного тракта воспроизведения, составляет ~ −70…−72 dB относительно уровня 8 см/c, а расчётный уровень шума самой записи, без учёта “вклада” проигрывателя и корректора – составляет ~ −72,5…−75,5 dB (лучшие значения соответствуют скорости 45 об/мин, худшие – 33⅓ об/мин). Малотиражная штамповка пластинок по технологии DMM ухудшает отношение сигнал/шум на 2…8 dB, то есть до ~ −62…−70 dB (−58…−66 dB относительно уровня 5 см/c).

Итак, новая пластинка обычной штамповки имеет средний уровень шума – 56dB, а отшамованная по технологии DMM – 62dB.

Июль 2020 г.Владивосток

RC корректор на 6SL7, 6SN7. Пора поставить точку.

“...Даже из обыкновенной табуретки можно гнать самогон. Некоторые любят табуретовку. А то можно простую кишмишовку или сливянку….” (И. Ильф Е.Петров “Золотой Теленок”)

С начала этого года у меня уже несколько раз просили порекомендовать или опубликовать схему простого и хорошего RIAA корректора на “легендарных” и очень популярных среди аудио-самодельщиков октальных лампах 6SL7, 6SN7 (6Н9С, 6Н8С). В общем-то схем корректоров на этих лампах – великое множество. Даже в моем блоке уже опубликована парочка – но только на локтальных аналогах – 7F7, 7N7.

Основная проблема в том, что прекрасно “звучащий” во входных каскадах усилителей мощности двойной триод 6SL7 в общем-то не очень хорошо подходит для входного каскада RIAA корректора. Во-первых – из-за особенностей цоколевки – вывод 1 (сетка первого триода) располагается рядом с выводом 8 (накал), поэтому при питании накала напряжением переменного тока уровень наводок на первый триод будет довольно заметным. То есть – источник питания накала должен быть “чистым” от помех, выпрямленным и стабилизированным. Во-вторых – из-за довольно сильного “микрофонного” эффекта, который особенно заметен у ламп выпуска 30-х…50-х годов. В-третьих – из-за того, что конструктивно электродная система у большинства этих ламп располагается ближе к верхней части колбы – чувствительность к внешним наводкам слишком высока для малосигнальных усилительных схем.

То есть – успешное применение 6SL7 в первом каскаде корректора возможно при соблюдении некоторых технологических приемов – экранирования, демпфирования и качественного питания. Весьма забавно находить на просторах интернета фото “выдающихся” и “по-настоящему качественных” корректоров с лампами 6SL7 (или даже еще хуже – с 6Н9С) установленными без всякого дополнительного экрана в звонкие керамические панельки, жестко закрепленные непосредственно на открытой верхней панели тонкого металлического (или даже деревянного) шасси.

Нет – эта конструкция МОГЛА БЫ работать гораздо лучше. Кстати автор честно отмечает “…После такого саунда совершенно не замечаешь такие минусы как:  бешеный (по сравнению с EF40) микрофонный эффект у 6Н9С и сильное пролезание фона через накал…” (сохранена оригинальная орфография) – Константин, извините – не удержался 🙂

Существуют версии 6SL7 с конструкцией электродной системы с низким “микрофонным” эффектом и сниженной чувствительностью к внешним наводкам. Например:

И да – нужно вспомнить о существовании “специальной” – версии 6SL7 – это 6SU7 – с максимально идентичными по параметрам триодами и низким уровнем паразитных токов утечки.

Помимо основных вышеупомянутых, существует подвид “номерных” версий 6SL7 – 6113, CV1985, VT229 и т.п. И они тоже бывают очень хорошие 🙂

Из схемотехнических особенностей применения 6SL7 можно отметить во-первых довольно значительный эффект Миллера, что при произвольно выбранных режимах работы может привести к ограничению полосы пропускания каскада в области ВЧ и, во-вторых – довольно сильную зависимость динамического внутреннего сопротивления лампы (ri)от тока покоя. (~75 кОм при 0.5mA и ~44 кОм при 1 mA и выше), что обязательно нужно учитывать при расчете пассивных цепей коррекции.

Итак, схема корректора и блока питания –

Первый каскад – коэффициент усиления @1 kHz = 38 выходное сопротивление каскада ro=.ri||Ra= ~44||180 = ~35 кОм. Каскад нагружен на пассивную цепь “сосредоточенной” RC коррекции.

Для получения АЧХ по рекомендации RIAA в этой цепочке должны быть соблюдены следующие “полюсы” коррекции: T1 =2187 uS – задается номиналами “действующего” сопротивления R4′ = (ro+R4)||R6) и С4, T2=750 uS – задается номиналами R4’C5, T3 =318 uS – задается номиналами R5C4, T4 =109uS и задается номиналами R5C5. На практике достаточно рассчитать сопротивление R4′ и емкость С4 и далее, исходя из соотношений R4’/R5 = 6.88, C4/C5 = 2.92 очень просто вычислить номиналы R5 и С5. “Дополнительная” ВЧ коррекция T5 = 3…5uS и определяется элементами R7C5, точное сопротивление R7 подбирается при снятии и контроле АЧХ.

Насчет дополнительной коррекции T5 = R7C5. Как вы вероятно заметили, в своих конструкциях ММ корректоров я никогда не применяю емкостную коррекцию на входе. Во-первых, многие используют корректоры с МС звукоснимателями (подсоединяя их через повышающий МС ММ трансформатор), во-вторых – емкостная коррекция на входе иногда дает совершенно не тот результат, который предполагалось получить. С некоторыми ММ звукоснимателями электромеханический резонанс может получиться слишком уж “высокодобротным” и звучание на ВЧ приобретет характерный “назойливо-шуршащий” оттенок. Поэтому я считаю более правильным добиваться ровной АЧХ регулировками в межкаскадных цепях RC коррекции. Такая настройка дает более ясное звучание ВЧ диапазона для самых различных звукоснимателей и полностью соответствует рекомендациям стандарта RIAA 🙂

С учетом требуемого диапазона коррекции (~+-20dB относительно частоты 1 кГц), ослабление сигнала в цепях пассивной RC коррекции всегда будет не менее 20dB (10 раз) @ 1000Hz. Я считаю, что в современных RIAA корректорах номинальный уровень выходного напряжения сигнала должен быть сопоставим с уровнем напряжения сигнала на выходе цифровых источников, поэтому второй каскад выполнен так же на триоде 6SL7, коэффициент усиления каскада = 39 . Выходной каскад – буфер, катодный повторитель на триоде 6SN7.

Схема блока питания – особенностей не имеет и весьма типична для (моих) конструкций. Трансформатор – тороидальный, с межобмоточным и внешним экранами. В качестве выпрямителя и стабилизатора напряжения накала я применил готовую плату. Анодное напряжение так же стабилизировано. Блок питания собран в отдельном корпусе.

Технические характеристики корректора:

  • Входное сопротивление по входу ММ = 47 кОм
  • Выходное сопротивление =< 1.0 кОм 
  • Номинальная нагрузка = от 10 (и выше) кОм
  • Номинальное входное напряжение (по входу ММ) @1000Hz = 5mV RMS
  • Номинальное выходное напряжение = 1.5V RMS @ 1000Hz
  • Максимальное выходное напряжение на нагрузке 100 кОм >= 40V RMS
  • Коэффициент усиления ~ 150
  • Уровень собственного шума и помех на выходе при “закрытом” ММ входе =<250uV (“взвешено” по кривой “A”)
  • Отклонение суммарной АЧХ от стандарта RIAA в диапазоне частот 20Гц…20кГц = не более 0.5dB.
  • Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц на нагрузке 100 кОм при номинальном выходном напряжении <= 0.5%, в основном 2-я и 3-я гармоники. Уровень третьей гармоники относительно уровня второй <= -20 dB.

Корректор собран для системы Михаила, и работает в комплекте с проигрывателем на основе Lenco L75, двухтактным усилителем на лампах 6SL7/6SN7/6L6GT и акустической системой Pioneer СS100.

Насчет странноватой “сеточки-экрана” – в общем-то, можно было обойтись и без нее. Но в реальной системе – с несколькими источниками и проводами питания, идущими за и между полками с аппаратурой – входную лампу все-таки желательно экранировать, это дает слышимый результат. Поэтому – техническая целесообразность взяла вверх над чувством эстетической гармонии. 🙂

Июнь 2020. г.Владивосток

PS На всякий случай – вот схема еще одного варианта такого же корректора, собранного мной немного раньше –