Винил: Предусилитель-Корректор Часть 2 Архитектурные излишества

После того, как ситуация с требуемой частотной характеристикой стала более или менее ясной – нужно определиться – какой из вариантов схемы подходит лучше всего для высококачественного воспроизведения?  Схема на основе усилителя, охваченного частотно-зависимой петлей ООС мне кажется слишком уж очевидной. Она хоть и имеет стабильные параметры и довольно просто реализуется, например, на операционных усилителях  – но, по моему твердому убеждению, основанному на знаниях и слуховом опыте 🙂 – в большинстве случаев не годится для высококачественного воспроизведения. Я считаю, что только корректор с пассивными цепями коррекции и не охваченный петлей общей ООС способен максимально приблизится к идеалу.

С построением цепей коррекции возможно несколько вариантов – обычные RC цепочки, более экзотические LCR цепи или совсем уж экзотические (и,  черезвычайно трудно реализуемые практически) варианты c применением специальных трансформаторов (так называемый “RX- корректор” уважаемого Анатолия Марковича Лихницкого).

На мой взгляд, для комплекта “вертушка+головка” ценой с количеством “нулей” не более четырех (в $),  правильно спроектированный и настроенный корректор с пассивной коррекцией на RC цепочках обеспечивает более чем адекватное качество звуковоспроизведения.

Итак, основные схемотехнические особенности корректора должны быть следующие – несколько каскадов усиления, с установленными между ними цепями пассивной коррекции.  Все возможные “архитектурные” варианты коррекции RIAA  и методика их расчета подробнейшим рассмотрены в известных работах —

Stanley P. Lipshitz.
On RIAA Equalization Networks.
Journal of the Audio Engineering Society, 27(6), June 1979.

Peter J. Baxandall
Comments on “On RIAA Equalization Networks”
Journal of the Audio Engineering Society, 29(1), Jan 1981.

Stanley P. Lipshitz
Author’s Reply to “Comments on ‘On RIAA Equalization Networks'”
Journal of the Audio Engineering Society, 29(1), Jan 1981.

Скачать их (за небольшие $) можно на сайте AES –  http://www.aes.org/

Для практической реализации наиболее прост и удобен такой вариант цепи коррекции:

RIAA_RC

С очень хорошей точностью соответствие АЧХ этой цепочки стандарту RIAA-78 получается при следующем соотношении элементов –

R1C1 =2187uS
R1C2 = 750uS
R2C1 = 318uS
R2C2 = 109uS
C1 /C2 = 2.92
R1/R2 = 6.88
R3=0  (для расчетов — на практике, для коррекции АЧХ иногда бывает необходимо увеличить R3 до 100…500 Ом — *** подробнее об этом чуть позже)

При расчетах следует учесть, что реальное значение R1 (назовем его R1′) складывается из собственно номинала резистора R1, выходного сопротивления каскада “предыдущего” перед цепью коррекции (назовем его Zo)  и  входного сопротивления “следующего” каскада (Zi) соединенного параллельно им. Кроме того, реальная емкость С2 (назовем ее С2′) складывается  из номинала конденсатора (С2) и входной емкости (Сu) следующего каскада.  Учитывая это, легко составить табличку для расчета номиналов цепей коррекции.  Очевидно, что желательно, чтобы выходное сопротивление “предыдущего” каскада было во много раз меньше, а входное сопротивление “следующего” каскада во много раз больше, чем R1 – в этом случае стабильность и предсказуемость АЧХ корректирующей цепи будут лучше. Кроме того, при выборе R1 следует учитывать, что фактически он в основном определяет сопротивление нагрузки, на которую работает “предыдущий” каскад. На практике, обычно значение R1 выбирается в пределах  50…200кОм и все остальные элементы корректирующей цепи рассчитываются исходя из выбранного номинала.

Таблица для расчета цепей коррекции (cм. раздел “Литература“):RIAA calculator_v1

Примечания к таблице – под “стандартными” номиналами понимаются номиналы, составленные соединением компонентов со значениями из стандартного 5% или 2% ряда. Например, емкость 22200 рF – это параллельно соединенные конденсаторы на 22n + 200pF, или резистор на 59 кОм = это 51K + 4.7K + 3.3K и т.п. Выходное сопротивление Zo “предыдущего” каскада рассчитывается по формулам из учебника. Аналогично и для входной емкости Cu “последующего” каскада, она оказывает более-менее значительное влияние на расчет при выборе R1 номиналом более 100 кОм. Емкость монтажа примите равной 15…20 pF. Входное сопротивление “последующего” каскада Zi в случае применения лампы или полевого транзистора можно считать равным номиналу резистора утечки, его удобно выбрать в пределах 800 кОм…1 мОм. Не забудьте про межкаскадный конденсатор (на схеме он не показан), обычно он устанавливается перед R1.

 Точность Коррекции

На мой взгляд, не следует впадать в крайности, чтобы получить самые точные значения для максимального соответствия АЧХ стандарту RIAA –  в реальной жизни в этом нет необходимости. Опытные “виниловоды” наверняка часто сталкивались в своей практике с таким интересным моментом, что одна и та же запись, выпущенная примерно в одно и то же время – но на разных “лэйблах” – тонально может звучать по-разному.  Дело в том, что в 60-х и 70-х годах при нарезке мастер – дисков, для “мастеринг” звукоинжинеров считалось в порядке вещей применить некоторую дополнительную коррекцию, чтобы сделать звук более  “правильным” или как-бы “фирменным”, узнаваемым слушателем. Более того, сигнал с мастер-ленты обязательно контролировали по уровню, попутно убирая некий “избыток” НЧ и ВЧ. Контроль проводился вручную и, естественно, носил субъективный характер. Иногда запись, вышедшая на виниле, настолько сильно отличалась от исходного оригинала на мастер-ленте, что продюсерам приходилось ее срочно перевыпускать на другом “лэйбле”.

Поэтому мне кажется разумным, если итоговая АЧХ системы  “измерительная пластинка+головка+корректор” будет укладываться в стандарт RIAA c разбросом АЧХ в пределах 1 dB – что вполне реально получить, применяя компоненты с точностью номиналов в 2%.

Недокументированная ВЧ коррекция

В нескольких серийно выпускаемых корректорах я заметил использование двух вариантов дополнительной ВЧ коррекции. Первый, с T=5uS, добавлял в АЧХ спад с частотой среза 31.8 кГц, второй, наоборот, ограничивал спад АЧХ на ВЧ с частоты 50 кГц (T=3.18uS). По некоторым данным, во многих “винилорезательных” аппаратах АЧХ на ВЧ ограничивалась частотой 50 кГц введением дополнительной корректирующей цепочки. Поэтому применение при воспроизведении обратной коррекции как бы несколько “проясняет” ВЧ диапазон и на практике введение дополнительной коррекции с T=3.18uS в некоторых случаях мне кажется полезным. Что же касается первого варианта (5 uS), то причины и смысл его применения мне пока достоверно не ясны.

Дальнейшее изучение вопроса “недокументированной” ВЧ коррекции прояснило ситуацию. Цитирую анонимный источник :

“…В 1995 году в среде любителей и разработчиков аппаратуры распространилось утверждение о том, что с подачи производителя рекордеров Neumann в стандартную функцию анти-RIAA был введен дополнительный полюc c постоянной времени 3,18 мс (частота среза 50,0 кГц). По результатам расследования Keith Howard из журнала Stereophile , первым сообщил «новость» заслуженный австралийский инженер-электронщик Allen Right; вслед за ним известие повторил не менее авторитетный Jim Hegerman. Вскоре производители корректоров начали дополнять свои устройства контуром, «компенсирующим» якобы применённый при записи «полюс Neumann». Его влияние на АЧХ было невелико (+0,64 дБ на 20 кГц), но он мог вносить существенную, заметную на слух фазовую ошибку на верхней октаве звукового диапазона . Хуже было то, что усиленные этим контуром ультразвуковые составляющие щелчков могли перегружать последующие каскады усиления и акустические системы. (*** лично мне это кажется очень маловероятным) В действительности «полюс Neumann» никогда не существовал. Реальный фильтр Butterworth, использовавшийся этой компанией, лишь защищал приводы резца от перегрузок ультразвуковыми и радиочастотными помехами. Сам же резец был в принципе не способен записывать частоты, лежащие выше частоты его собственного резонанса (22 кГц)…”.

Что тут сказать – познавательно 🙂

Винил: Предусилитель-Корректор Часть 1 Основы Основ

В связи с некоторым “ренессансом” винила в последнее время меня часто просят изготовить хороший винил корректор. Я, естественно, не отказываюсь 🙂

Я решил привести некоторые самые основные сведения, которые могут быть полезны при самостоятельном проектировании и изготовлении предусилителя-корректора для винилового проигрывателя.

Вступление

Вероятно многие у кого есть и кто только собирается приобретать проигрыватель винила, знают или подозревают, что для подключения проигрывателя в звуковоспроизводящую систему необходимо специальное устройство – предусилитель-корректор, который, выполняет как минимум две функции – корректирует АЧХ и усиливает сигнал от головки звукоснимателя.

Необходимость коррекции АЧХ

Долгоиграющие пластинки  имеют ряд производственно- технологических особенностей :), которые определяют требуемые параметры аппаратуры звукозаписи и воспроизведения. При записи, для ограничения большой амплитуды колебаний записывающего резца, предотвращения потери контакта с канавкой, а также чтобы не уменьшать плотность записи, низкие частоты ослабляются, а  для преодоления инерции резца и снижения уровня шумов высокие частоты усиливаются. Для получения исходного звучания при воспроизведении, то есть линейной результирующей частотной характеристики, частотная характеристика канала воспроизведения, естественно, должна иметь зеркально-обратный вид. Конкретные уровни подъема и спада этих характеристик при записи и воспроизведении грампластинки зависят от многих объективных и, к сожалению, ряда субъективных факторов. (*** об этом чуть позже).  В итоге – в идеальном случае – тракт записи-воспроизведения в заданном частотном диапазоне вроде как должен иметь ровную итоговую АЧХ.

Стандарт коррекции АЧХ

Естественно, уровень и частоты коррекции АЧХ канала записи-воспроизведения стандартизован. Соответствие АЧХ предусилителя- корректора принятому стандарту гарантирует (*** без учета ряда субъективных факторов) линейную АЧХ в заданном диапазоне частот и тонально верное звуковоспроизведение.

Эту почти идеальную концепцию немного портит то, что, во первых с момента изобретения грамзаписи принималось несколько стандартов для коррекции АЧХ и, во вторых, даже после введения RIAA в 1953 году “стандартного стандарта” коррекции АЧХ для долгоиграющих пластинок он еще несколько раз уточнялся и дополнялся – в 1963 и в 1978 году. Версия RIAA-78 в настоящее время считается стандартной для долгоиграющих пластинок (LP). Для устройств воспроизведения, помимо RIAA-78, стандартной является и “уточненная” версия RIAA-78-IEC отличающаяся так называемой дополнительной “Subsonic” коррекцией (-3 dB относительно уровня RIAA на частоте 20 Hz)

В таблице приведены стандартные частоты и соответствующие им уровни выходного сигнала винил корректора, нормированные относительно выходного уровня на частоте 1000 Гц.

Hz RIAA IEC   Hz RIAA IEC   Hz RIAA IEC
20 19.36 16.35   240 7.04 7.01   2400 -3.39 -3.39
22 19.24 16.62   270 6.25 6.23   2700 -4.04 -4.04
25 19.04 16.89   300 5.57 5.55   3000 -4.65 -4.65
28 18.83 17.04   340 4.80 4.79   3400 -5.43 -5.43
31 18.61 17.09   380 4.16 4.15   3800 -6.17 -6.17
35 18.29 17.06   430 3.49 3.48   4300 -7.02 -7.02
39 17.96 16.95   480 2.93 2.92   4800 -7.82 -7.82
44 17.54 16.73   540 2.38 2.38   5400 -8.70 -8.70
49 17.12 16.45   610 1.86 1.86   6100 -9.64 -9.64
55 16.61 16.07   680 1.43 1.43   6800 -10.50 -10.50
62 16.02 15.59   760 1.02 1.02   7600 -11.39 -11.39
70 15.37 15.03   850 0.63 0.63   8500 -12.30 -12.30
79 14.67 14.40   950 0.26 0.26   9500 -13.22 -13.22
89 13.93 13.72   1100 -0.23 -0.23   11000 -14.44 -14.44
100 13.18 13.01   1200 -0.52 -0.52   12000 -15.17 -15.17
110 12.54 12.39   1300 -0.79 -0.79   13000 -15.85 -15.85
120 11.94 11.82   1500 -1.31 -1.31   15000 -17.07 -17.07
130 11.38 11.27   1700 -1.80 -1.80   17000 -18.14 -18.14
150 10.36 10.28   1900 -2.27 -2.27   19000 -19.09 -19.09
170 9.46 9.40   2100 -2.73 -2.73   21000 -19.95 -19.95
190 8.67 8.62                
210 7.97 7.93     Ref=>>>   1000 0 0

Или, более наглядно – в графической форме-

RIAA_IEC

 Вычисление АЧХ.

Кривая RIAA-78 коррекции вычисляется по следующей формуле –

riaa_1

Кривая RIAA-78-IEC коррекции вычисляется по следующей формуле –

riaa_2

Где:

f =частота, Гц    π = 3.14
t= постоянная времени корректирующей цепочки в области ВЧ = 75uS
t= постоянная времени корректирующей цепочки в области СЧ = 318uS
t= постоянная времени корректирующей цепочки в области НЧ = 3180uS
t4 = постоянная времени корректирующей цепочки в области Суб-НЧ = 7950uS

“Постоянная времени” определяет частоту среза узла корректирующей цепочки (t=1/2πf   f=1/2πt), исходя из чего легко посчитать частоты среза.

f1 (ВЧ) = 2122 Hz (75uS)
f2 (CЧ) = 500 Hz (318uS)
f3 (НЧ) = 50 Hz (3180uS)
f4 (Sub-НЧ) = 20 Hz (7950uS)

В повседневной практике, конечно, никто “вручную” не производит вычисления по этим формулам. После определения архитектуры проектируемого корректора все вычисления делаются в несложной экселевской табличке.

Но об этом –  во второй части.