Надеюсь, кого-то из сограждан может заинтересовать такой архаичный инструмент, как предварительный усилитель-корректор
для винила со стандартной характеристикой RIAA.
На работе в театре мне срочно потребовалось с проигрывателя виниловых долгоиграющих грампластинок подать сигнал на линейный вход звуковой платы компьютера, для чего понадобился соответствующий усилитель-корректор.
Был взят обломок платы неопознанной модели «AKAI», на котором имелся неповреждённый участок с подобным корректором (далее УК), собранным на микросхеме типа С4558
. Когда для проверки работы УК было подано питание, а к гнёздам были подключены проигрыватель и контрольный усилитель, то УК заработал с заметным шумом и нелинейными искажениями.
По моему мнению, причиной шума и искажений являлись электролитические конденсаторы на входе устройства и в цепи обратной связи. Когда они были замкнуты перемычками, то шум и искажения исчезли, но УК стал чувствителен к разного рода внешним помехам.
↑ Схема
Из схемы оригинала были исключены электролитические конденсаторы на входе и в цепях ООС (ранее они включались последовательно с резисторами R3, R4, R5 и R6). На выходе устройства были включены аналоги неполярных электролитических конденсаторов с подачей напряжения смещения (С5, С7, R13 и С6, С8, R14).
Была изменена схема включения земляной шины, которая теперь собой представляет две «звезды», разделённые резистором R19. по такой же «звёздной» схеме организовано и питание в обоих полюсах, что обеспечило высокую устойчивость к внешним помехам.
↑ Сборка и настройка
Всё устройство было собрано на макетной плате и помещено в жестяной корпус, который затем был затиснут в два одинаковых пластиковых короба, на одном из них была укреплена колодка с гнездами типа «RCA».
Трансформатор питания — любой маломощный с напряжением на вторичной обмотке порядка 18-25 Вольт (и желательно с разделительной экранной обмоткой) был помещён в корпус блока питания — «вилки» вместе с выпрямительным мостом, коим может быть, например, КЦ405А.
Блок питания подключается через трех проводный кабель (это может быть баллансный микрофонный кабель) с помощью подходящего трехконтактного разъема, коим может быть XLR или «DIN», аналог советского «СГ-3».
После правильной сборки устройство начинает работать сразу.
Т.к. ООС по постоянному току не стопроцентна, то на обоих выходах микросхемы образовалось постоянное напряжение порядка +1 Вольт, что не является проблемой.
Вся конструкция получилась неказистой — нужно было срочно, в течении дня решить проблему. Однако уже почти восемь лет она благополучно работает. Кто будет повторять, может приложиь руку и к внешнему виду, желаю успехов. Лабораторные измерения параметров устройства не производились.
P.S.
Я не стал разбирать всю конструкцию, чтобы отснять плату с деталями, т. к. она «на ходу». Каждый день мой отец слушает свои любимые «винилы». В разработке «печатки» стоит исходить из габаритов деталей, которые могут отличаться от примененных мною.
Дополнение от MVV:
При повторении конструкции я бы сделал следующее: 1. Установил малошумящий операционный усилитель, например, OPA2134 или OPA2604. 2. Неполярные конденсаторы на выходе (соответственно С5, С7 и С6, С8) заменил на МКТ емкостью 1…2 мкФ на рабочее напряжение 63 или 100 В. 3. Немного изменил корректирующую цепь каждого канала (на рисунке показана цепь левого канала):
Здесь R3=180 Ом, R7=120 кОм, R9=12 кОм, Rдоп=1,1 кОм, Сдоп=47 мкФх25 В, неполярный, С1=0,027 мкФ, С3=6200 пФ. Коэффициент усиления составит Ku[1кГц]=74(37,4 дБ). Постоянные времени RIAA — коррекции соответствуют ГОСТ7893-73: Т1=R9C3 (75 мкс), T2=R9C1 (318 мкс), T3=R7C1 (3180 мкс). Кроме того, для коррекции по стандарту RIAA-78 введена цепь T4=R3 Сдоп (7950 мкс). В результате коэффициент усиления по постоянному току станет равным единице, что уменьшит напряжение смещения нуля на выходе до нескольких милливольт.
Характеристики источника сигнала
Чувствительность
Диапазоны чувствительности и необходимые коэффициенты усиления для звукоснимателей с подвижными магнитами (ММ) и с подвижными катушками (MC) Динамический диапазон типичной пластинки массового тиража и принципиально достижимый динамический диапазон диска-оригинала в технологиии DMM. Шкала в дБА (0 дБА=0 дБ=5 см/c)
В первом приближении электродвижущая сила магнитной головки прямо пропорциональна скорости поперечного смещения иглы звукоснимателя во всём диапазоне звуковых частот. Паспортные значения чувствительности различных головок, выраженные в мВ или мкВ, обычно указываются для номинальной колебательной скорости 5 см/с[комм. 3]; для выпускаемых в XXI веке моделей чувствительность составляет от 40 мкВ до 11 мВ:
- Высокочувствительные головки с подвижными магнитами
(англ. moving magnet,
MM
) характеризуются чувствительностью от 3 до 11 мВ. Наибольшие значения (8…11 мВ) свойственны специализированным диджейским головкам, а типичные головки для обычного воспроизведения имеют чувствительность 4…6,5 мВ (редко — до 8 мВ)[31]. Оптимальный коэффициент усиления корректора для головок этого типа (корректора ММ) составляет 40 дБ (1:100) на частоте 1 кГц[32], но во избежание перегрузок конструкторы транзисторной аппаратуры нередко выбирают ме́ньшие величины, от 30 до 40 дБ[33]. Этого достаточно, чтобы усилить сигнал типичной головки ММ до принятого в аналоговой электронике номинального уровня 0,775 В (0 dBu)[33]. Для достижения принятого в цифровой электронике и телерадиоиндустрии уровня 2 В (8 dBu), напротив, предпочтительны бо́льшие значения коэффициента усиления[34]. Головки с подвижными сердечниками (англ. moving iron, MI) фирмы Grado характеризуются чувствительностью 5 мВ и рассматриваются как подкласс головок ММ[35]; - Низкочувствительные головки с подвижными катушками
(англ. moving coil,
MC
) характеризуются меньшими уровнями выходного напряжения и широчайшим разбросом чувствительности — от 40 мкВ до 2,5 мВ. Абсолютное большинство производимых в XXI веке головок МС укладывается в два диапазона чувствительности: 100…300 мкВ и 500…700 мкВ[36][37]. Оптимальные коэффициенты усиления корректора для этих диапазонов превосходят оптимальный коэффициент усиления корректора ММ на 28 дБ (1:25) и на 20 дБ (1:10) соответственно[38].
Благодаря меньшей, чем у головок ММ, массе подвижной системы головки МС отличаются меньшими нелинейными искажениями, лучшей передачей динамического диапазона записанного сигнала, и лучшим разделением стереоканалов[8][39]. По той же причине диапазон воспроизводимых ими частот простирается далеко за пределы звукового диапазона, а их высокочастотные резонансы сосредоточены на частотах порядка 60 кГц[39]. Генерируемый головкой МС сигнал содержит относительно бо́льшую долю нежелательных ультразвуковых помех и шумов, поэтому системы с головками МС более подвержены перегрузкам и интермодуляционным искажениям, и более требовательны к качеству предусилителя-корректора[39].
Предельные уровни
Стандарты ограничивают предельную колебательная скорость долгоиграющей записи уровнями 7, 10 или 14 см/c[комм. 4], но на практике эти пределы систематически нарушались, особенно при производстве 12-дюймовых синглов[35]. По данным исследования Shure абсолютный максимум музыкального сигнала, когда-либо записанного на серийной долгоиграющей пластинке, составляет 38 см/c на частоте 2 кГц; на низких и высоких частотах рекордные уровни спадают до 26 см/c на 400 Гц и 10 см/c на 20 кГц[41]. Максимальный среднеквадратический уровень напряжения
, на который ориентируются конструкторы качественной аппаратуры, равен 64 мВ (40 см/c при чувствительности 8 мВ)[41].
Наибольший риск перегрузки фонокорректора порождают щелчки — быстро затухающие ультразвуковые колебания иглы звукоснимателя при столкновении со случайной пылинкой или царапиной. Мгновенная скорость иглы в щелчке достигает 63 см/c (+22 дБ к номинальному уровню 5 см/c)[42]. Длительность щелчка не превышает миллисекунды, но вызванная им перегрузка или отсечка усилительного каскада может надолго вывести его из линейного режима; возвращение каскада в линейный режим сопровождается неблагозвучными низкочастотными призвуками[42]. Именно поэтому бытовая аппаратура c низкой перегрузочной способностью подчёркивает и усугубляет дефекты старых, «запиленных», пластинок, тогда как на качественной аппаратуре те же дефекты мало заметны на слух[43][44]. Другой источник перегрузок — инфразвуковые помехи из-за коробления и эксцентриситета дисков. При стандартной частоте вращения 33⅓ оборота в минуту частота основного тона этой помехи равна 0,55 Гц, а максимум энергии помехи сосредоточен в диапазоне 2…4 Гц[45]. На этих частотах, по данным Холмана и Селфа, помеха может достигать 35 мВ (22 см/c при чувствительности 8 мВ)[45]. С дальнейшим ростом частоты колебательная скорость помехи резко спадает, но на частотах 10…15 Гц вероятен «подхват» до +24 дБ из-за резонанса тонарма[45].
Собственные шумы грампластинки
Единого мнения о динамическом диапазоне и уровне шума грампластинки не существует как из-за различий в методиках измерения и представления данных, так и из-за разброса качества самих пластинок. Источники приводят значения динамического диапазона от 50 дБ (1:316) для низкокачественных массовых тиражей до 80 дБ (1:10000) для образцовых пластинок, нарезанных непосредственно рекордерами (по мнению Дугласа Селфа, величина 80 дБ безусловно завышена)[44].
По данным Аполлоновой и Шумовой, рассматривавших классическую технологию 1960-х годов, уровень шума нарезаемых рекордером лаковых дисков составляет −63…-69 дБ относительно уровня 10 см/с[46]. Следующий технологический шаг, изготовление металлического диска-оригинала[комм. 5], ухудшает отношение сигнал/шум на 6 дБ, а штамповка серийных пластинок — ещё на 4 дБ[46]. Таким образом, уровень шума серийной пластинки составляет −53…-59 дБ относительно уровня 10 см/c (−47…-53 дБ относительно уровня 5 см/c). В позднейшей, более совершенной, технологии DMM рекордер нарезает запись в тонком слое мелкокристаллической меди, нанесённом на стальную подложку[47]. Уровень шума медного диска, измеренный на выходе эталонного тракта воспроизведения, составляет −70…−72 дБА относительно уровня 8 см/c[48], а расчётный уровень шума самой записи, без учёта «вклада» проигрывателя и корректора, составляет −72,5…−75,5 дБА (лучшие значения соответствуют скорости 45 об/мин, худшие — 33⅓ об/мин)[49]. Малотиражная штамповка пластинок по технологии DMM ухудшает отношение сигнал/шум на 2…8 дБ, до −62…−70 дБА[49] (−58…−66 дБА относительно уровня 5 см/c).
Предыскажения спектра
AЧХ записи (красная кривая) и АЧХ воспроизведения грамзаписи (синяя кривая), нормированные относительно частоты 1 кГц. Пунктир — АЧХ воспроизведения в редакции МЭК 1976 года
Подробное рассмотрение темы: Кривая RIAA
Все долгоиграющие пластинки, выпускавшиеся с конца 1950-х годов, были записаны и продолжают записываться с предыскажениями спектра сигнала по стандарту RIAA[50]. При воспроизведении пластинки фонокорректор восстанавливает исходный спектр сигнала, производя обратное преобразование. Стандартная функция, описывающая это преобразование, эквивалентна последовательному соединению трёх звеньев первого порядка: дифференциатора с постоянной времени 318 мкс (частота среза 500,5 Гц) и двух фильтров нижних частот с постоянными времени 75 и 3180 мкс (частоты среза 2122,1 и 50,05 Гц)[51]. На частоте 20 Гц значение функции, нормированной относительно центральной частоты 1 кГц, максимально и составляет +19,274 дБ (усиление в 9,198 раз); с ростом частоты оно монотонно спадает, и на частоте 20 кГц достигает минимума в −19,62 дБ (ослабление в 9,572 раза)[52]. Сложная форма кривой RIAA — компромисс, сложившийся из необходимости выжать предельно возможно качество звучания из несовершенной технологии механической грамзаписи[53]. За пределами звукового диапазона АЧХ корректоров не нормируется, но для уменьшения искажений в последующих звеньях усилительного тракта желательно, чтобы АЧХ спадала и на ультразвуковых, и на инфразвуковых частотах.
В 1978 году Международная электротехническая комиссия (МЭК) изменила стандартную АЧХ воспроизведения, дополнив кривую RIAA фильтром верхних частот с постоянной времени 7950 мкс. По замыслу разработчиков стандарта, новый фильтр должен был подавлять нежелательное прохождение инфразвуковых колебаний при воспроизведении короблёных пластинок; неизбежным следствием поправки МЭК был ощутимый на слух завал низких частот (-3 дБ на 20 Гц, −1 дБ на 40 Гц)[54][55]. И слушатели, и производители аппаратуры приняли новинку в штыки. В XXI веке абсолютное большинство производителей фонокорректоров поправку МЭК не применяют, исходя из предположения о том, что механический рокот качественного проигрывателя пренебрежимо мал[54]. При необходимости воспроизведения короблёных пластинок, если
инфразвуковая помеха достигает неприемлемого уровня, применяются отключаемые фильтры второго и выше порядков[54].
Внутреннее сопротивление
Активное сопротивление обмотки магнитной головки и её чувствительность связаны примерно линейной зависимостью: чем больше витков в обмотке, тем больше генерируемая ей ЭДС[38].
Активное сопротивление головки МС составляет от 1 Ом до 160 Ом, а индуктивная составляющая её полного сопротивления пренебрежимо мала и не требует особого внимания[38]. Оптимальная величина входного сопротивления корректора для большинства головок, кроме самых высокоомных, составляет 100 Ом; для высокоомных головок предпочтительнее входное сопротивление 500 Ом[56]. Cопротивление головки МС не только определяет её собственный тепловой шум, но и является важной переменной, определяющей шум входного каскада корректора и, как следствие, его оптимальную схемотехнику.
Активное сопротивление головок ММ составляет 430…1500 Ом при индуктивности 330…720 мГн для обычных моделей и 800…1000 мГн для диджейских[57]. На высоких частотах полное сопротивление имеет индуктивный характер и растёт пропорционально частоте; кроме того, его активная
составляющая может заметно возрастать из-за потерь в магнитопроводе[58]. Стандартное входное сопротивление корректора ММ по DIN 45547 равно 47 кОм, и должно быть зашунтировано ёмкостью в 50…200 пФ[59]. Эта ёмкость корректора, совместно с ёмкостью соединительного провода, и индуктивностью головки образуют низкодобротный контур с частотой резонанса 10…20 кГц[57]. Точное следование кривой RIAA предполагает, в том числе, подбор оптимальной входной ёмкости под используемую головку[60]; в высококачественных серийных корректорах для этой цели предусматриваются наборы переключаемых пользователем входных конденсаторов[59]. С увеличением входной ёмкости частота резонанса уменьшается, а выброс АЧХ на ней растёт[57], но верхняя граница полосы пропускания контура по уровню −3 дБ изменяется слабо[61]. Альтернативное решение — отказ от использования входной ёмкости — позволяет улучшить отношение сигнал/шум на 1…2 дБ, но требует дополнительной коррекции частотных искажений, возникающих во входной цепи[62]. Точная настройка фильтров под конкретную используемую головку возможна только в лабораторных условиях, поэтому в серийных корректорах этот приём не применяется[62]. По той же причине не нашли применения корректоры, в которых высокочастотный участок кривой RIAA реализуется непосредственно во входном контуре[63].
Собственные шумы звукоснимателя
Любое сопротивление, включенное последовательно с источником сигнала, в том числе сопротивление самого источника, привносит в сигнал собственный тепловой шум. В фиксированной полосе звуковых частот (20 Гц…20 кГц) напряжение теплового шума пропорционально корню квадратному из величины сопротивления. Среднеквадратическое напряжение теплового шума на сопротивлении 1 кОм в полосе 20…20000 Гц при температуре 300 К составляет 575 нВ; на сопротивлении 100 кОм оно возрастает в 10 раз, до 5,75 мкВ и так далее[64].
Тепловой шум обмоток магнитной головки — фундаментальный, неустранимый шум, определяющий
