POLITECHNIKA WARSZAWSKA

Wydziaª Elektroniki i Technik InformacyjnychInstytut Systemów Elektronicznych

ukasz Koªodziejczak236495

Praca in»ynierska

Lampowy przedwzmacniacz gramofonowywysokiej klasy

Praca wykonana pod kierunkiem:dr in». Piotr Z. Wieczorek

Warszawa, 2014

Lampowy przedwzmacniacz gramofonowy wysokiej klasy

Niniejsza praca zawiera projekt lampowego przedwzmacniacza gramofonowego oraz ocen¦ jegoparametrów. Omówione zostaªy rozwi¡zania pozwalaj¡ce na odczyt d¹wi¦ku zapisanego na pªy-cie winylowej. Dodatkowo przedstawiono wyniki pomiarów typowej wkªadki gramofonowej orazprzykªadowego przedwzmacniacza gramofonowego. Szczególn¡ uwag¦ zwrócono na dynamiczne pa-rametry urz¡dzenia oraz wpªyw przej±ciowych znieksztaªce« intermodulacyjnych na subiektywn¡jako±¢ d¹wi¦ku.

Sªowa kluczowe: przedwzmacniacz, lampy elektronowe, gramofon, pªyty winylowe

Hi-end vacuum tube phono preamplier

The following thesis presents a project of a tube phono preamplier and evaluation of itsparameters. Technical aspects of vinyl playback have been described. In addition, results of anexemplary phono cartridge and a phono preamplier measurements have been shown. Specialattention has been paid to dynamic parameters, transient intermodulation distortions and theirinuence on a subjective audio quality.

Keywords: phono, preamp, vacuum tube, vinyl records

Spis tre±ci

1 Wst¦p 4

2 Parametry pªyt gramofonowych i sposoby odczytu

d¹wi¦ku 7

3 Pomiary parametrów elektrycznych wkªadki gramofonowej 9

4 Parametry przedwzmacniacza gramofonowego 12

4.1 Parametry podstawowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.1.1 Korekcja cz¦stotliwo±ciowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.1.2 Wzmocnienie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.1.3 Impedancja wej±ciowa i wyj±ciowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.2 Rodzaje wprowadzanych znieksztaªce« i ich wpªyw na subiektywn¡ ocen¦ brzmienia 13

4.2.1 Znieksztaªcenia nieliniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.2.2 Znieksztaªcenia intermodulacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2.3 Dynamiczne znieksztaªcenia intermodulacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.3 Pomiary przykªadowego przedwzmacniacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.3.1 Stanowisko do pomiaru charakterystyki cz¦stotliwo±ciowej . . . . . . . . . . 19

4.3.2 Pomiary charakterystyki cz¦stotliwo±ciowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.3.3 Statyczne znieksztaªcenia intermodulacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.3.4 Dynamiczne znieksztaªcenia intermodulacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5 Wykorzystanie lamp elektronowych jako elementów aktywnych 25

5.1 Zalety konstrukcji lampowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2 Parametry wybranych lamp elektronowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6 Projekt urz¡dzenia 29

6.1 Schemat blokowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.2 Stopie« wej±ciowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.3 Konstrukcja ltra RIAA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.4 Stopie« wyj±ciowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.5 Ukªad mi¦kkiego startu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.6 Zasilacz »arzenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.6.1 Prostownik synchroniczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.6.2 Stabilizator napi¦cia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.7 Zasilacz anodowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7 Pomiary zaprojektowanego przedwzmacniacza gramofonowego 45

7.1 Zgodno±¢ z norm¡ RIAA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

7.2 Znieksztaªcenia nieliniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

7.3 Znieksztaªcenia intermodulacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

8 Podsumowanie 50

1 Wst¦p

Trudno nie oprze¢ si¦ wra»eniu, »e wraz z upowszechnieniem si¦ formatu CD-Audio, pªyty winylowerozpocz¦ªy podró» ku zapomnieniu. Dzisiejsza popularno±¢ przeno±nych odtwarzaczy plików mu-zycznych jest oszaªamiaj¡ca, a serwisy internetowe sprzedaj¡ce miliony utworów rosn¡ jak grzybypo deszczu. Spowodowaªo to w ci¡gu ostatnich dziesi¦ciu lat spadek sprzeda»y zycznych no±ni-ków muzyki o prawie poªow¦. Wedªug danych SoundScan (uwzgl¦dniaj¡cych rynki USA i Kanady)obecnie ponad 40% sprzedawanych albumów to wydania cyfrowe, a ostatni rok przyniósª ponad14% spadek sprzeda»y pªyt CD. Zdawa¢ by si¦ mogªo, »e w ci¡gu najbli»szych lat, cyfrowe formydystrybucji muzyki zdominuj¡ rynek i caªkowicie zast¡pi¡ inne formy sprzeda»y muzyki. Tym bar-dziej zaskakuj¡ce s¡ dane dotycz¡ce pªyt winylowych - tylko w ostatnim roku ich sprzeda» wzrosªao 32% [20]. Na podstawie tych danych, mo»na spróbowa¢ wyja±ni¢ spadek popularno±ci CD od-chodzeniem kupuj¡cych od tej formy dystrybucji, na rzecz wyda« 'online' b¡d¹ LP1. Oczywist¡przewag¡ internetowej sprzeda»y jest szybko±¢ i wygoda, jednak trudno jednoznacznie stwierdzi¢co skªania, coraz to liczniejsz¡ grup¦ melomanów, do si¦gania po czarne pªyty.

Rysunek 1.1: Sprzeda» pªyt winylowych w latach 1993-2013 w milionach sztuk [20]

W kr¦gach audiolskich panuje powszechna opinia o wy»szo±ci rozwi¡za« analogowych nad cy-frowymi. Argumentami s¡ naturalno±¢ brzmienia, lepsze oddawanie sceny muzycznej, czy te» poprostu wra»enia estetyczne, towarzysz¡ce sªuchaniu muzyki. Trudno jednak przypisywa¢ zasªugimagii, któr¡ tak cz¦sto otaczane s¡ gramofony lub wzmacniacze lampowe. Zazwyczaj powód jestbardzo prosty i, jak na zªo±¢, wynika z popularno±ci urz¡dze« cyfrowych - zdecydowana wi¦kszo±¢u»ytkowników sprz¦tu audio przedkªada, ±wiadomie b¡d¹ nie, wygod¦ nad jako±¢. Powoduje tostosowanie coraz ta«szych i prostszych rozwi¡za«, równie» w segmencie Hi-Fi oraz profesjonalnym.Przykªadem mog¡ by¢ przetworniki sigma-delta [14] oraz wykorzystywanie niskiej jako±ci ltrówcyfrowych o zmieniaj¡cym si¦ opó¹nieniu grupowym [3]. Sprzyja to powstawaniu znieksztaªce«modulacyjnych i mo»e wpªywa¢ na znaczn¡ degradacj¦ sygnaªu w dalszym procesie obróbki cyfro-wej.

Innym powodem zwi¦kszonego zainteresowania no±nikami muzyki sprzed trzydziestu lat mog¡by¢ skutki tzw. wojny na gªo±no±¢ (ang. loudness war). Rozpocz¦ªa si¦ ona wraz z wprowadze-niem na rynek formatu CD-Audio, który nie posiadaª mechanicznych ogranicze« pªyt winylowych.Dzi¦ki temu staªo si¦ mo»liwe uzyskiwanie wysokich poziomów gªo±no±ci i du»ej kompresji mate-riaªu muzycznego, co ch¦tnie wykorzystywali producenci, chc¡c aby ich album wybijaª si¦ w tensposób z tªumu. W krótkim czasie doprowadziªo to do znacznego pogorszenia jako±ci, co jednak dodzi± nie zostaªo zauwa»one przez wi¦kszo±¢ sªuchaczy. Nadu»ywanie kompresora w ko«cowej faziemasteringu2 utworu muzycznego wprowadza dodatkow¡ modulacj¦ amplitudy, zale»n¡ od chwi-

1LP - (ang. Long Play) winylowa pªyta dªugograj¡ca2mastering (ang.) - ostatni etap produkcji materiaªu muzycznego

4

lowej warto±ci sygnaªu. Sªyszalne jest zaw¦»enie sceny stereofonicznej3 i znikni¦cie jej gª¦bi, a wskrajnym przypadku zabiegi te powoduj¡ nawet ucinanie szczytów sygnaªu audio (ang. clipping).Problem przybli»aj¡ zaª¡czone ni»ej rysunki 1.2, zawieraj¡ce graczn¡ reprezentacj¦ materiaªu mu-zycznego, poddanego ró»nym stopniom kompresji dynamiki.

Pierwszy z nich (1.2a) to fragment utworu grupy Red Hot Chili Peppers z albumu Californi-cation - uznanego powszechnie za jeden z najgorzej zmasterowanych w historii przemysªu fono-gracznego. Zdecydowanie zbyt du»a kompresja materiaªu, praktycznie na caªej dªugo±ci pªyty,spowodowaªa ucinanie szczytów przebiegu i w rezultacie niezwykle dokuczliwe znieksztaªcenia.Powstaªo wiele artykuªów w prasie muzycznej, krytykuj¡cych album za nadmiern¡ kompresj¦ iznieksztaªcenia (cyt. [1]) i zwracaj¡cych uwag¦ na problem nadmiernego podnoszenia ±redniegopoziomu gªo±no±ci - Californication by Red Hot Chili Peppers is so loud and suers from so muchdigital clipping that even non-audiophile consumers complained about it.4 [25].

Rys. 1.2b przedstawia zupeªnie inny utwór, z albumu Random Access Memories duetu DaftPunk - wyró»nionego nagrod¡ Grammy za najlepiej zrealizowany album 2013 roku. Ró»nica ob-wiedni sygnaªu, w porównaniu z poprzednim przykªadem, jest ogromna - poziom gªo±no±ci jestznacznie ni»szy, zakres dynamiki szerszy. Mimo stosowania kompresji, poprawnie przenoszones¡ wszystkie szczegóªy sygnaªu zwi¡zane z gwaªtownymi uderzeniami instrumentów perkusyjnych(rys. 1.2c - na zbli»eniu uderzenie tzw. stopy - du»a amplituda i niska cz¦stotliwo±¢ w staniequasi-ustalonym, po ataku5). D¹wi¦k jest subiektywnie bardziej szczegóªowy, z dobr¡ separacj¡instrumentów i poprawnie oddawan¡ scen¡.

Ostatni przykªad (rys. 1.2d) prezentuje zupeªnie odmienne podej±cie do masteringu, b¦d¡cestandardem w muzyce klasycznej. Kompresja dynamiki nie jest stosowana, a priorytetem jest ja-ko±¢ nagranego materiaªu. Dzi¦ki temu mo»liwe jest ±ledzenie pojedynczych instrumentów na tlecaªej orkiestry symfonicznej oraz precyzyjna trójwymiarowa lokalizacja ¹ródeª na scenie stereofo-nicznej. W przypadku muzyki klasycznej, du»y zakres dynamiki d¹wi¦ku jest po»¡dany, równie»ze wzgl¦dów artystycznych.

Przedstawione powy»ej przykªady pokazuj¡ du»¡ ró»norodno±¢ w sposobie realizacji nagra«,jednak zdecydowana wi¦kszo±¢ produkowanej obecnie muzyki poddawana jest silnej kompresji. Po-woduje to utrat¦ gª¦bi, kreowanej podczas odtwarzania, zaw¦»enie sceny muzycznej, a w skrajnychprzypadkach sªyszalne znieksztaªcenia d¹wi¦ku (zazwyczaj trzeszczenie). Uzasadnionym wydajesi¦ by¢ twierdzenie, »e wzrost zainteresowania pªytami winylowymi wynika z jako±ci zapisanej nanich muzyki. W ramach niniejszej pracy zaprojektowano i uruchomiono przedwzmacniacz gra-mofonowy, stawiaj¡c za cel minimalizacj¦ dynamicznych znieksztaªce« modulacyjnych i uzyskaniewysokiej jako±ci odtwarzanego d¹wi¦ku.

3scena stereofoniczna - pozorne rozmieszczenie ¹ródeª d¹wi¦ku w odtwarzanym materiale muzycznym4Album Californication zespoªu Red Hot Chili Peppers cierpi z powodu notorycznego ucinania szczytów sygnaªu

i jest tak gªo±ny, »e nie tylko audiole zwracaj¡ na to uwag¦.5atak d¹wi¦ku - pocz¡tkowy fragment powstawania d¹wi¦ku z szybkim narastaniem obwiedni, np. po uderzeniu

w strun¦

5

(a)

(b)

(c)

(d)

Rysunek 1.2: Kompresja materiaªu audio oraz zjawisko 'clippingu': a) Silna kompresja i 'clip-ping'; b), Poprawna kompresja (muzyka popularna); c) Poprawna kompresja (zbli»enie); d) Brakkompresji dynamiki (muzyka klasyczna)

6

2 Parametry pªyt gramofonowych i sposoby odczytu

d¹wi¦ku

D¹wi¦k na pªycie gramofonowej zapisany jest w formie mechanicznej wzdªu» rowka, zwijaj¡cegosi¦ spiralnie do ±rodka pªyty. Jego szeroko±¢ wynosi okoªo 65 µm, a informacja o sygnale audioprzechowywana jest w formie wychyle« ±cianek bocznych. W przypadku nagra« monofonicznychs¡ to zmiany jedynie w pªaszczy¹nie pªyty, natomiast przy zapisie stereo wykorzystuje si¦ nie-zale»nie dwie ±cianki nachylone wzgl¦dem pªaszczyzny pªyty o 45. Do odczytu sªu»y wkªadkagramofonowa, skªadaj¡ca si¦ z igªy oraz przetwornika elektromagnetycznego (rys. 2.1). Ruch igªy,spowodowany wychyleniami ±cianek rowka, przyczynia si¦ do zmian pola elektromagnetycznego we-wn¡trz przetwornika i tym samym powstania sygnaªu elektrycznego na ko«cach cewki. Wymiaryigªy zale»¡ w du»ej mierze od zastosowanego szlifu i wynosz¡ od zaledwie kilku, od kilkunastu µm.

Rysunek 2.1: Budowa wkªadki gramofonowej

Wspóªcze±nie najpopularniejszymi rodzajami pªyt winylowych s¡ tzw. pªyty dªugograj¡ce (LP)oraz single (SP). Ró»ni¡ si¦ one rozmiarem i pr¦dko±ci¡ obrotow¡ - odpowiednio 12 i 33 obr/mindla LP oraz 7 i 45 obr/min dla SP. Niekiedy mo»na spotka¢ równie» rozwi¡zania mieszane, np. 12-calowe pªyty przystosowane do odtwarzania z pr¦dko±ci¡ 45 obr/min o zmniejszonej g¦sto±ci zapisu.Wi¦ksza pr¦dko±¢ obrotowa i staªa szeroko±¢ rowka oferuj¡ znakomit¡ jako±¢, jednak kosztemdost¦pnego czasu nagrania - nawet poni»ej 10 minut na stron¦.

Rozwój wkªadek gramofonowych doprowadziª do zró»nicowania ich budowy. Wyró»ni¢ mo»nadwa gªówne rodzaje: z ruchomym magnesem (ang. moving magnet - MM) oraz cewk¡ (ang. mo-ving coil - MC). Pierwsza grupa jest niew¡tpliwie najbardziej popularna, ze wzgl¦du na nisk¡cen¦ oraz zadowalaj¡ce parametry. Umieszczenie nieruchomych cewek w pobli»u drgaj¡cego ma-gnesu nie stwarza problemów przy wyprowadzeniu przewodów sygnaªowych, jednak ze wzgl¦du naznaczn¡ mas¦ magnesu mog¡ wyst¦powa¢ problemy z prowadzeniem igªy w rowku. Poziom sygnaªuwyj±ciowego to maksymalnie dziesi¡tki miliwoltów. Inaczej przedstawia si¦ sytuacja w przypadkuwkªadek MC, gdzie ruchomym elementem s¡ cewki umieszczone w polu nieruchomego magnesu.Takie rozwi¡zanie zapewnia znakomit¡ dokªadno±¢ odczytu sygnaªu z rowka, jednak napi¦cie wyj-±ciowe ma amplitud¦ znacznie poni»ej 1 mV . Oba typy wkªadek ró»ni¡ si¦ tak»e swoj¡ impedancj¡wyj±ciow¡ - przewa»nie na korzy±¢ MC. Aby podnie±¢ poziom sygnaªu z wkªadki tego typu, cz¦stopodª¡cza si¦ j¡ do przedwzmacniacza za po±rednictwem dedykowanego transformatora.

Ze wzgl¦du na specyk¦ zapisu mechanicznego na pªycie winylowej, d¹wi¦k poddawany jest ko-

7

rekcji cz¦stotliwo±ciowej. Polega ona na podniesieniu poziomu tonów wysokich i obni»eniu niskich.Poprawia to stosunek sygnaª-szum w górze pasma oraz uªatwia prowadzenie igªy poprzez zmniej-szenie wychyle« rowka dla niskich cz¦stotliwo±ci. Aby zapewni¢ poprawne odtwarzanie d¹wi¦ku,konieczne jest odwrotne uksztaªtowanie charakterystyki przedwzmacniacza gramofonowego. Po-wszechnie przyj¦t¡ norm¡ jest krzywa RIAA6, której charakterystyk¦ amplitudow¡ przedstawiarys. 2.2.

Rysunek 2.2: Korekcja RIAA dla pªyt winylowych [4]

6RIAA - Recording Industry Association of America

8

3 Pomiary parametrów elektrycznych wkªadki gramofonowej

Aby lepiej pozna¢ specyk¦ wzmacnianego sygnaªu i wymagania stawiane przedwzmacniaczowi,autor pracy przeprowadziª seri¦ pomiarów wkªadek gramofonowych. Dane techniczne przykªado-wego przetwornika przedstawia tabela 1. Pochodz¡ one z ulotki informacyjnej popularnej i taniejwkªadki gramofonowej Audio-Technica AT95E. Warto zwróci¢ uwag¦ na indukcyjny charakter ¹ró-dªa i stosunkowo du»¡ warto±¢ impedancji, ju» dla ±rednich cz¦stotliwo±ci akustycznych. Zalecanaprzez producenta rezystancja obci¡»enia to minimum 47 kΩ.

Dane techniczne AT95E AT94E

Pasmo przenoszenia [Hz] 20-20000 20-20000Napi¦cie wyj±ciowe [mV] (1 kHz, 5 cm/s) 3,5 3,5

Separacja kanaªów [dB] (1 kHz) >20 >20Zrównowa»enie kanaªów [dB] (1 kHz) <2,0 <2,5Siªa nacisku [g] (nominalna siªa 2,0 g) 1,5-2,5 1,5-2,5

Impedancja cewki [Ω] (1 kHz) 2800 2800Rezystancja cewki dla DC [Ω] 410 410

Induktancja cewki [mH] 400 480Podatno±¢ dynamiczna [×10−6cm/dyn¦7] 6,5 6,5Podatno±¢ statyczna [×10−6cm/dyn¦] 20 20

Rezystancja obci¡»enia [kΩ] 47 47Pojemno±¢ obci¡»enia [pF] 100-200 100-200

Igªa [mil] 0, 4× 0, 7 0, 4× 0, 7K¡t prowadzenia 20 24

Masa [g] 5,7 5,0

Tablica 1: Dane techniczne wkªadki gramofonowej Audio-Technica AT95E i AT94E

Pomiar sygnaªu z wkªadki gramofonowej przeprowadzono przy pomocy oscyloskopu, podª¡cza-j¡c sond¦ do jej wyj±cia. W celu zbli»enia wyników do rzeczywistych warunków pracy, wkªadk¦obci¡»ono dodatkowo rezystorem 47 kΩ. Pomiary ujawniaj¡ do±¢ du»e zró»nicowanie amplitudwyj±ciowych, w zale»no±ci od u»ytej wkªadki i sposobu odtwarzania pªyty. Oscylogramy 3.2a oraz3.2b przedstawiaj¡ sygnaª wyj±ciowy wkªadki przeznaczonej do odsªuchu w warunkach domowych.Warto±¢ mi¦dzyszczytowa napi¦cia nie przekracza okoªo 20 mV dla 33 obr/min oraz 33 mV dlapr¦dko±ci 45 obr/min. W przypadku u»ycia innej wkªadki, przeznaczonej do zastosowa« DJ-skich,amplituda jest znacznie wi¦ksza (rys. 3.1). Ró»nice wynikaj¡ z odmiennej budowy i przeznaczenia- wysokiej jako±ci wkªadka MM ma m.in. mniejszy zalecany nacisk na powierzchni¦ pªyty (poni»ej2,0 grama, w porównaniu do nawet 4,0), co minimalizuje ±cieranie si¦ rowka podczas odtwarzania,ale jednocze±nie wymaga u»ycia mniejszych (i sªabszych) magnesów na drugim ko«cu igªy. W za-le»no±ci od parametrów wkªadki oraz odtwarzanej pªyty, mo»na spodziewa¢ si¦ znacznych ró»nicw ±rednim poziomie sygnaªu wej±ciowego przedwzmacniacza gramofonowego. Urz¡dzenie wysokiejklasy powinno dobrze radzi¢ sobie zarówno ze sªabymi sygnaªami, jak równie» posiada¢ odpowiednizapas dynamiki, potrzebny do odtworzenia tych o najwy»szym poziomie.

9

Rysunek 3.1: Sygnaª z wkªadki gramofonowej Reloop: 45 obr/min

(a)

(b)

Rysunek 3.2: Sygnaª z wkªadki gramofonowej Yamaha dla ró»nych pr¦dko±ci obrotowych pªyty:a) 33 obr/min; b) 45 obr/min

10

Innymi istotnymi parametrami sygnaªu wyj±ciowego wkªadki gramofonowej jest jego pasmooraz maksymalna szybko±¢ narastania. Wkªadka gramofonowa, obok mikrofonu, jest w staniewytworzy¢ najbardziej strome zbocza, spotykane w technice audio [6]. Na podstawie przeprowa-dzonych bada« sygnaªu poddanego wzmocnieniu i korekcji zgodnie z krzyw¡ RIAA, najwi¦kszeamplitudy rejestrowano dla cz¦stotliwo±ci okoªo 4 kHz, natomiast najwi¦ksze szybko±ci narasta-nia - dla 10 kHz. Osi¡gane warto±ci wystarczaªy do przesterowania stopnia wej±ciowego typowegowzmacniacza, obj¦tego p¦tl¡ ujemnego sprz¦»enia zwrotnego o gª¦boko±ci 34 dB przy wzmocnieniu10 V/V (wzmocnienie w otwartej p¦tli ku0 = 5000 V/V). Maksymalne rejestrowane cz¦stotliwo-±ci si¦gaªy nawet 100 kHz, przy sygnale testowym zawieraj¡cym jeden gwaªtowny ton uderzeniacymbaªów [6]. Pomiar oscyloskopem wyposa»onym w funkcj¦ obliczania szybkiej transformaty Fo-uriera (FFT) pozwoliª uzyska¢ wystarczaj¡c¡ dokªadno±¢, aby zarejestrowa¢ widmo bezpo±redniona wyj±ciu wkªadki (rys. 3.3). Odst¦p badanego sygnaªu od szumu i zakªóce« tªa wyniósª niespeªna20 dB dla 45 kHz, przy zastosowaniu wkªadki niskiej klasy o stosunkowo wysokim poziomie sygnaªu.Mimo przeci¦tnych parametrów, przenosiªa ona z powodzeniem cz¦stotliwo±ci le»¡ce zdecydowaniepowy»ej klasycznie deniowanego pasma akustycznego 20 Hz - 20 kHz (nawet powy»ej 45 kHz -rys. 3.3). Nale»y si¦ spodziewa¢, »e wkªadki wy»szej klasy b¦d¡ wymagaªy od przedwzmacniaczaprzeniesienia jeszcze wy»szych cz¦stotliwo±ci.

Rysunek 3.3: M - widmo sygnaªu z wkªadki gramofonowej; 1 - przebieg czasowy badanego sygnaªu.Lini¡ przerywan¡ zaznaczono poziom szumu i zakªóce«.

11

4 Parametry przedwzmacniacza gramofonowego

4.1 Parametry podstawowe

4.1.1 Korekcja cz¦stotliwo±ciowa

Podstawowym zadaniem przedwzmacniacza gramofonowego jest korekcja cz¦stotliwo±ciowa sy-gnaªu z wkªadki gramofonowej. Przebieg charakterystyki cz¦stotliwo±ciowej dla odtwarzania pªytwinylowych okre±la norma RIAA. Zostaªa ona przyj¦ta w latach pi¦¢dziesi¡tych przez szereg or-ganizacji standaryzuj¡cych przemysª muzyczny. W kolejnych latach proponowano modykacje,przykªadowo RIAA/IEC dodaj¡ca biegun dla niskich cz¦stotliwo±ci (20 Hz). Zamiarem byªo ogra-niczenie przenoszenia drga« talerza gramofonu na gªo±niki. Tªumienie wprowadzane przez poje-dynczy biegun jest jednak niewielkie, a dodatkowo takie rozwi¡zanie mo»e powodowa¢ problemyfazowe przy odtwarzaniu niskich cz¦stotliwo±ci zapisanych na pªycie. Ostatecznie oryginalna wersjakrzywej RIAA przetrwaªa do dzi±.

Standard RIAA deniuje jedynie trzy staªe czasowe: t1 = 71µs, t2 = 318µs oraz t3 = 3180µs.Dla przedwzmacniacza odpowiada to kolejno biegunowi w 2122 Hz, zerze w 500 Hz i drugiemubiegunowi w 50 Hz. Caªa krzywa okre±lona jest równaniem (4.1). Obrazuje j¡ wykres 4.1, znor-malizowany wzgl¦dem amplitudy dla 1 kHz.

A[db] = −10log10(1 + 1/4Π2f2t21) + 10log10(1 + 1/4Π2f2t22)− 10log10(1 + 1/4Π2f2t23) (4.1)

Rysunek 4.1: Krzywa RIAA

4.1.2 Wzmocnienie

Ze wzgl¦du na maª¡ amplitud¦ napi¦cia wyj±ciowego wkªadki gramofonowej, przedwzmacniaczeodpowiedzialne s¡ tak»e za wzmocnienie sygnaªu do odpowiedniego poziomu. Powszechnie przyj-mowane warto±ci szczytowe sygnaªu wyj±ciowego si¦gaj¡ okoªo 0,5 V dla sprz¦tu domowego oraz1,7 V w aplikacjach profesjonalnych [29].

Amplituda sygnaªu wyj±ciowego wkªadki gramofonowej mo»e waha¢ si¦ w do±¢ szerokim za-kresie. Zale»y ona nie tylko od rodzaju wkªadki, ale równie» od odtwarzanej pªyty. Dla wkªadektypu MM mo»na spodziewa¢ si¦ maksymalnej amplitudy od okoªo 10 mV do 40 mV. Wzmocnienieprzedwzmacniacza powinno by¢ wystarczaj¡ce do uzyskania na jego wyj±ciu okoªo 1 Vrms przycz¦stotliwo±ci 1 kHz.

12

4.1.3 Impedancja wej±ciowa i wyj±ciowa

Wej±cie przedwzmacniacza jest doª¡czone bezpo±rednio do wkªadki gramofonowej lub do trans-formatora, w przypadku wkªadek MC. W obu przypadkach ¹ródªo sygnaªu wykazuje charakterindukcyjny. Ze wzgl¦du na szybko rosn¡c¡ impedancj¦ wyj±ciow¡ wkªadki dla wysokich cz¦stotli-wo±ci akustycznych, nale»y zapewni¢ odpowiednio du»¡ impedancj¦ wej±ciow¡ przedwzmacniacza.Dla przykªadowej wkªadki Audio-Technica AT95E, impedancja dla 20 kHz wynosi okoªo 50 kΩ.(zgodnie z tabel¡ 1).

Impedancja wyj±ciowa przedwzmacniacza warunkowana jest gªównie impedancj¡ wej±ciow¡ ko-lejnego stopnia. Standardem w sprz¦cie audio jest 47 kΩ, jednak cz¦sto w praktyce spotyka si¦znacznie wi¦ksze warto±ci. Warto równie» zwróci¢ uwag¦ na pojemno±¢ kabli poª¡czeniowych i wmiar¦ mo»liwo±ci zmniejsza¢ impedancj¦ wyj±ciow¡ przedwzmacniacza. Przyczyni si¦ to do posze-rzenia pasma przenoszenia i umo»liwi uzyskanie szybkich, stromych zboczy w sygnale wyj±ciowym.

4.2 Rodzaje wprowadzanych znieksztaªce« i ich wpªyw na subiektywn¡ocen¦ brzmienia

Przy odtwarzaniu muzyki wa»ne jest poprawne przenoszenie tzw. transjentów8. Wymaga to odsystemu nie tylko wprowadzania minimalnych znieksztaªce« w przebiegu samego skoku, ale tak»eniezakªóconego przenoszenia pozostaªych skªadowych. W du»ej mierze odpowiada to za tworzeniesceny stereofonicznej oraz pozwala precyzyjnie lokalizowa¢ ¹ródªa pozorne9 [2, 3, 14, 17]. Wieleinstrumentów zawdzi¦cza swój charakter i brzmienie krótkim impulsom, wyst¦puj¡cym w pocz¡tko-wej fazie powstawania d¹wi¦ku. Przykªadowo, mo»na wyró»ni¢ pewne charakterystyczne elementyprzebiegu czasowego d¹wi¦ku skrzypiec, które wyst¦puj¡ niezale»nie od granej nuty (rys. 4.2) [23].Aby w peªni przenie±¢ takie informacje, system audio powinien by¢ w stanie wytworzy¢ stromezbocza oraz charakteryzowa¢ si¦ staª¡ transmitancj¡, niezale»n¡ od chwilowych zmian odtwarza-nego sygnaªu. Innymi sªowy, maªosygnaªowe parametry powinny by¢ niezale»ne od szybko±ci zmiannapi¦cia wyj±ciowego, czy te» amplitudy wej±ciowego.

8transjent - krótkotrwaªy stan nieustalony w sygnale akustycznym, powstaj¡cy w pocz¡tkowym etapie powsta-wania d¹wi¦ku

9¹ródªo pozorne - niezyczne ¹ródªo d¹wi¦ku lokalizowane na scenie stereofonicznej, tworzonej za pomoc¡ zesta-wów gªo±nikowych

13

(a)

`(b)

Rysunek 4.2: Przebiegi czasowe pocz¡tku d¹wi¦ku skrzypiec z zaznaczonymi charakterystycznymipunktami [23]: a) Nuta E4; b) Nuta G4

4.2.1 Znieksztaªcenia nieliniowe

Poziom znieksztaªce« nieliniowych jest klasycznym wyznacznikiem jako±ci sprz¦tu audio, jednakniesie on ze sob¡ niewiele informacji. Warto±¢ wspóªczynnika THD10 pozwala oceni¢ jedynie u±red-niony w czasie sumaryczny poziom niepo»¡danych harmonicznych w widmie sygnaªu wyj±ciowego,nie mówi¡c nic o przebiegu czasowym. Do pomiaru wykorzystywany jest zazwyczaj sygnaª sinuso-idalny, który sªabo przybli»a wªasno±ci rzeczywistego sygnaªu muzycznego. Ponadto, ekstremalnieniskie warto±ci tego parametru (rz¦du setnych, tysi¦cznych procenta) cz¦sto osi¡ga si¦ stosuj¡cniezwykle gª¦bok¡ p¦tl¦ globalnego ujemnego sprz¦»enia zwrotnego, co ma fatalny wpªyw na dy-namiczne wªasno±ci ukªadu [6].

Wspóªczynnik THD mo»e zosta¢ u»yty do oceny dynamiki wzmacniacza i jego zapasu mocy,

10THD - ang. Total Harmonic Distortion - wspóªczynnik okre±laj¡cy poziom znieksztaªce« harmonicznych wsygnale wyj±ciowym

14

poprzez pomiar warto±ci znieksztaªce« harmonicznych dla szerokiego zakresu amplitud wej±cio-wych. W takiej sytuacji jest ªatwym do wyznaczenia i u»ytecznym parametrem, charakteryzuj¡cymzachowanie urz¡dzenia dla ±rodka przenoszonego pasma. W praktyce, jego warto±¢ na poziomiepojedynczych procentów zazwyczaj nie wpªywa negatywnie na subiektywn¡ ocen¦. Do peªniejszegoopisu parametrów, konieczne jest zbadanie odpowiedzi na bardziej zªo»one sygnaªy testowe.

4.2.2 Znieksztaªcenia intermodulacyjne

Badanie sprz¦tu audio przy pomocy sygnaªu zªo»onego z sumy dwóch przebiegów harmonicznychjest w stanie dostarczy¢ nieco wi¦cej informacji. Dobieraj¡c odpowiednio cz¦stotliwo±ci, mo»na uzy-ska¢ du»¡ szybko±¢ zmian zarówno w pobli»u 0 V, jak i przy maksymalnych warto±ciach chwilowychsygnaªu. Jest to sytuacja znacznie bli»sza odtwarzaniu muzyki, ni» badanie pojedynczym sygnaªemsinusoidalnym. Wynik pomiaru zawiera dwa skªadniki, wynikaj¡ce ze znieksztaªce« statycznychoraz dynamicznych. Za powstawanie znieksztaªce« statycznych odpowiada podobny mechanizm, coprzy pomiarze THD - nieliniowo±¢ charakterystyki przej±ciowej powoduje mieszanie dwóch skªa-dowych sinusoidalnych i powstanie niepo»¡danych produktów intermodulacyjnych. Skutki orazide¦ ich powstawania przybli»a rys. 4.3. Drugi skªadnik, pochodz¡cy od znieksztaªce« dynamicz-nych, jest jednak bardziej interesuj¡cy - zawiera informacje o reakcji ukªadu na szybkie zmianysygnaªu oraz o znieksztaªceniach wynikaj¡cych cho¢by z ograniczenia szybko±ci narastania napi¦ciawyj±ciowego.

Rysunek 4.3: Zasada powstawania znieksztaªce« harmonicznych i intermodulacyjnych [7]

4.2.3 Dynamiczne znieksztaªcenia intermodulacyjne

Znieksztaªcenia intermodulacyjne typu TIM11 s¡ trudne do zmierzenia tradycyjnymi metodami.Krótkoczasowe metody widmowe mog¡ mie¢ niewystarczaj¡c¡ rozdzielczo±¢ i dokªadno±¢. Z dru-giej strony, wydªu»aj¡c czas analizy traci si¦ informacje o szybkich zmianach - s¡ one u±redniane wczasie trwania okna. Sposobem na uzyskanie jako±ciowych pomiarów tego zjawiska mo»e by¢ bada-nie oscyloskopowe, polegaj¡ce na obserwacji sumy przebiegu sinusoidalnego o maªej amplitudzie,naªo»onego na wi¦kszy sygnaª o stromych zboczach [5].

Rozpatruj¡c typowy ukªad wzmacniacza audio, w którym mo»na wyró»ni¢ stopie« wej±ciowyoraz wyj±ciowy (rys. 4.5), mo»na wskaza¢ dwa gªówne ¹ródªa powstawania transjentowych znie-ksztaªce« intermodulacyjnych. Pierwsze z nich wynika z przesterowania stopnia wej±ciowego, wzwi¡zku z czym przestaje on chwilowo reagowa¢ na zmiany sygnaªu. W skrajnym przypadku mo»eto prowadzi¢ np. do nasycenia tranzystorów. Poprawnie zaprojektowany stopie«, pracuj¡cy bezp¦tli ujemnego sprz¦»enia zwrotnego, jest pod tym wzgl¦dem znacznie bardziej odporny na prze-sterowanie - mo»e do niego doj±¢ jedynie w wyniku przekroczenia maksymalnej amplitudy sygnaªu

11TIM - ang. Transient Intermodulation Distortion - transjentowe znieksztaªcenia intermodulacyjne

15

wyj±ciowego, nie natomiast na skutek chwilowych zaburze« pracy. Drugim ¹ródªem znieksztaªce«dynamicznych jest ograniczona szybko±¢ narastania napi¦cia wyj±ciowego, co w poª¡czeniu z zasto-sowaniem gª¦bokiej p¦tli sprz¦»enia zwrotnego (silnie redukuj¡cej wzmocnienie) mo»e prowadzi¢do sªyszalnych znieksztaªce«. Problem ilustruje rys. 4.4, który przedstawia przykªadowe odpowie-dzi na sygnaª, b¦d¡cy sum¡ przebiegu prostok¡tnego i sinusoidalnego oraz na sygnaª prostok¡tny.Opisane znieksztaªcenia subiektywnie objawiaj¡ si¦ pogorszeniem odwzorowania sceny muzycznejoraz nienaturalnym brzmieniem instrumentów. Usuni¦cie z sygnaªu charakterystycznych cech, to-warzysz¡cych atakom d¹wi¦ków, powoduje »e kolejne uderzenia brzmi¡ tak samo - nawet mimoobecno±ci subtelnych ró»nic w nagranym materiale muzycznym [17, 23].

(a) (b)

Rysunek 4.4: Idea powstawania znieksztaªce« typu TIM [26]: a) silne znieksztaªcenia; b) brakznieksztaªce«

Rysunek 4.5: Schemat ideowy wzmacniacza audio

Przed rozpocz¦ciem pomiarów przeprowadzono symulacje opisywanego zjawiska, przy pomocyprogramu PSpice. Stopniem wej±ciowym byª ukªad ró»nicowy o wzmocnieniu okoªo 2000 V/V,wyj±ciowym - wtórnik komplementarny o ograniczanym pa±mie przenoszenia. Wspóªczynnik sprz¦-»enia zwrotnego β wynosiª 1. W symulacji przewidziano mo»liwo±¢ nasycenia si¦ z tranzystorów

16

ukªadu ró»nicowego, w wyniku nieprawidªowej dynamicznej pracy p¦tli i zbyt du»ego opó¹nie-nia wprowadzanego przez stopie« wyj±ciowy - jest to jedna z przyczyn powstawania znieksztaªce«TIM we wzmacniaczach audio [5, 6]. Wyniki analizy czasowej umieszczono na rys. 4.6, cz¦stotli-wo±ciowej - rys. 4.7. W przebiegu napi¦cia wyj±ciowego V(OUT) wyst¦puj¡ szpilki, wielokrotnieprzewy»szaj¡ce swoj¡ amplitud¡ oczekiwany poziom sygnaªu i dochodz¡ce do niespeªna 50 V -dodatniego napi¦cia zasilania. Problem ulegaª dalszemu pogorszeniu, wraz ze zwi¦kszaniem opó¹-nienia, wprowadzanego przez stopie« wyj±ciowy wzmacniacza. Bezpo±rednio po skoku napi¦ciawej±ciowego V(IN), zanim sygnaª ujemnego sprz¦»enia zwrotnego dotarª do stopnia wej±ciowego,znajdowaª si¦ on w stanie silnego przesterowania - wykres V(MID) pokazuje, »e napi¦cie w tympunkcie osi¡ga skrajne mo»liwe warto±ci i zatrzymuje si¦ przy napi¦ciu zasilania (50 V), b¡d¹ wmomencie nasycenia (0 V) jednego z tranzystorów ukªadu ró»nicowego w stopniu wej±ciowym.

Ze wzgl¦du na krótkie czasy trwania przesterowa« w sygnale wyj±ciowym oraz ich wysokiewarto±ci szczytowe, widmo wprowadzanych zakªóce« jest szerokie. Wyst¦puj¡ w nim skªadowe(pr¡»ki widmowe oznaczone kolorem niebieskim - rys. 4.7a) o ponad dziesi¦ciokrotnie wy»szychpoziomach ni» prawidªowe (rys. 4.7b). Znieksztaªcenia tego typu powoduj¡ znaczn¡ utrat¦ jako-±ci odtwarzanego d¹wi¦ku, szczególnie dobrze sªyszaln¡ dla instrumentów perkusyjnych, którychprzebiegi czasowe zawieraj¡ wiele nast¦puj¡cych po sobie szybkich skoków o du»ej amplitudzie.

17

Rysunek 4.6: Wyniki symulacji znieksztaªce« TIM

18

(a)

(b)

Rysunek 4.7: Widmo zakªóce« TIM. a) Silne przesterowania (przebiegi czasowe na rys. 4.6);b) Brak przesterowa« w sygnale wyj±ciowym

4.3 Pomiary przykªadowego przedwzmacniacza

W zwi¡zku z brakiem ogólnodost¦pnych danych dotycz¡cych szczegóªowych parametrów przed-wzmacniaczy gramofonowych, zdecydowano si¦ na przeprowadzenie pomiarów przykªadowego urz¡-dzenia. Testowany przedwzmacniacz skªadaª si¦ z trzech stopni aktywnych ltrów, opartych nawysokiej jako±ci wzmacniaczach operacyjnych BurrBrown OPA2134, dedykowanych do urz¡dze«audio. Ka»dy z nich byª ltrem pierwszego rz¦du, realizuj¡cym cz¦±¢ charakterystyki RIAA (poje-dynczy biegun lub zero). Ukªad zasilano dedykowanym, zewn¦trznym zasilaczem, dostarczaj¡cymnapi¦¢ +/- 15 V. Elementami ltrów byªy precyzyjne oporniki 1% oraz kondensatory polipropyle-nowe WIMA.

4.3.1 Stanowisko do pomiaru charakterystyki cz¦stotliwo±ciowej

Aby zapewni¢ du»¡ powtarzalno±¢ i szybko±¢ pomiarów charakterystyki cz¦stotliwo±ciowej bada-nych ukªadów (rozwi¡za« gotowych oraz projektowanego w ramach niniejszej pracy) zestawiono sta-nowisko pozwalaj¡ce na zautomatyzowanie procedury pomiarowej. Skªadaªo si¦ ono ze sterowanegokomputerowo generatora sygnaªu sinusoidalnego, woltomierza oraz przetwornika warto±ci ±redniejwyprostowanej, zaprojektowanego specjalnie na potrzeby przeprowadzenia pomiarów. Zadaniem

19

ukªadu przetwornika byªa zamiana sygnaªu sinusoidalnego na wyj±ciu badanego przedwzmacnia-cza, na proporcjonalne staªe napi¦cie, mierzone przez woltomierz i przesyªane przez interfejs GPIBdo programu steruj¡cego. Schemat ideowy przedstawia rys. 4.8. Dodatkowy tªumik doª¡czanytu» przy wej±ciu badanego ukªadu pozwala zmniejszy¢ wpªyw zakªóce« wnikaj¡cych z otoczeniaoraz uzyska¢ lepsz¡ rozdzielczo±¢ sygnaªu testowego (do pomiarów u»yto generatora DDS12 i przywy»szych amplitudach wykorzystywane byªo wi¦cej bitów przetwornika DAC13).

Rysunek 4.8: Schemat ideowy proponowanego systemu pomiarowego RIAA

Przetwornik warto±ci ±redniej wyprostowanej (AC/DC) skªada si¦ z dwóch wzmacniaczy ope-racyjnych TL072, pracuj¡cych jako prostownik dwupoªówkowy oraz ukªadu caªkuj¡cego, wyzna-czaj¡cego warto±¢ ±redni¡ wyprostowanego sygnaªu. Jego schemat przedstawia rys. 4.9. Sygnaªpodawany na wej±cie jest buforowany przez wtórnik. Operacj¦ wyznaczania moduªu realizujewzmacniacz IC2A, na którego wej±ciu sumowane s¡ sygnaªy wej±ciowy oraz wyj±ciowy z IC1B, zwagami odpowiednio -1 oraz -2. Sygnaª wyj±ciowy z IC1B przyjmuje jedynie warto±ci ujemne (dladodatnich warto±ci sygnaªu wej±ciowego), b¡d¹ zero (dla ujemnych). U±rednianie wyprostowanegoprzebiegu odbywa si¦ za pomoc¡ ltru R7−C1 o staªej czasowej τRC = 0, 1 s - dzi¦ki zastosowaniuwtórnika wyj±ciowego (IC2B), nie zale»y ona od podª¡czonego do przetwornika obci¡»enia.

12DDS - ang. Direct Digital Synthesis - bezpo±rednia synteza cyfrowa13DAC - ang. Digital to Analog Converter - przetwornik cyfrowo-analogowy

20

Rysunek 4.9: Schemat przetwornika warto±ci ±redniej wyprostowanej

Pomiary potwierdzaj¡ poprawne dziaªanie przetwornika i bardzo dobre parametry, w zupeªno±ciwystarczaj¡ce do badania charakterystyk cz¦stotliwo±ciowych. Rysunki 4.10 i 4.11 przedstawiaj¡krzywe przetwarzania oraz procentowy bª¡d, odpowiednio dla sygnaªu sinusoidalnego o cz¦stotli-wo±ci 10 Hz i 20 kHz. Dla najmniejszych napi¦¢ wyj±ciowych zaczyna by¢ zauwa»alne przesuni¦cie,wprowadzane przez napi¦cie niezrównowa»enia mi¦dzy wej±ciami wzmacniaczy operacyjnych. Jestono staªe, a wi¦c po uwzgl¦dnieniu korekty nie stwarza problemu przy badaniu charakterystyk.

21

Rysunek 4.10: Bª¡d przetwarzania dla 10 Hz

Rysunek 4.11: Bª¡d przetwarzania dla 20 kHz

4.3.2 Pomiary charakterystyki cz¦stotliwo±ciowej

Przy pomocy opisanego w poprzednim punkcie systemu pomiarowego dokonano pomiaru charakte-rystyki cz¦stotliwo±ciowej przykªadowego przedwzmacniacza gramofonowego (rys. 4.12). Badaneurz¡dzenie pobudzono zgodnie z odwrotn¡ krzyw¡ RIAA i spodziewano si¦ pªaskiej charaktery-styki wypadkowej. Zmierzone odst¦pstwa od idealnych warto±ci nie przekraczaj¡ 2 dB w pa±mieakustycznym i nie wpªywaj¡ negatywnie na subiektywn¡ równowag¦ tonaln¡.

22

Rysunek 4.12: Wypadkowa charakterystyka cz¦stotliwo±ciowa badanego przedwzmacniacza

4.3.3 Statyczne znieksztaªcenia intermodulacyjne

Sposób pomiaru znieksztaªce« intermodulacyjnych polegaª na podaniu na wej±cie wzmacniaczasumy dwóch sygnaªów sinusoidalnych. Amplitud¦ dobierano zale»nie od cz¦stotliwo±ci tak, abyna wyj±ciu uzyska¢ poziom napi¦cia zbli»ony do normalnej pracy z wkªadk¡ gramofonow¡ (maksy-malnie okoªo 1 V). Rys. 4.13 przedstawia widmo uzyskane na wyj±ciu przedwzmacniacza, b¦d¡ceodpowiedzi¡ na pobudzenie przebiegiem, skªadaj¡cym si¦ z sumy dwóch sygnaªów sinusoidalnych ocz¦stotliwo±ciach 2 kHz i 10 kHz. Widoczne s¡ dwa produkty intermodulacji na cz¦stotliwo±ciach8 kHz oraz 12 kHz o poziomie okoªo 30 dB ni»szym od po»¡danej skªadowej 10 kHz.

Rysunek 4.13: M - widmo sygnaªu wyj±ciowego dla pobudzenia sygnaªem testowym: a - skªadowapo»¡dana; b - produkt intermodulacji

23

4.3.4 Dynamiczne znieksztaªcenia intermodulacyjne

Pomiar dynamicznych znieksztaªce« intermodulacyjnych przeprowadzono podaj¡c na wej±cie przed-wzmacniacza sum¦ sygnaªów sinusoidalnego oraz prostok¡tnego, skorygowan¡ ltrem realizuj¡cymodwrotn¡ charakterystyk¦ RIAA. Pozwoliªo to odnie±¢ sygnaª wyj±ciowy przedwzmacniacza (reali-zuj¡cego korekcj¦ RIAA) bezpo±rednio do sygnaªu z generatora, ze wzgl¦du na teoretycznie pªask¡charakterystyk¦ kaskadowego poª¡czenia obu ltrów. Okazuje si¦, »e badany przedwzmacniaczwykazywaª silne znieksztaªcenia TIM (rys. 4.14), objawiaj¡ce si¦ wyra¹nym przesterowaniem wodpowiedzi na skok. Ukªad w momencie wyst¡pienia tego zjawiska jest nieczuªy na zmiany napi¦ciawej±ciowego, a» do ustabilizowania odpowiedzi i przywrócenia dziaªania p¦tli ujemnego sprz¦»eniazwrotnego, co w tym przypadku trwaªo okoªo 3,5 µs (rys. 4.15). Amplituda przesterowania jestwysoka, a widmo szerokie - ksztaªt przebiegu czasowego jest w du»ym stopniu zbli»ony do symu-lowanego. Znieksztaªcenia tego typu s¡ niedopuszczalne w sprz¦cie wysokiej klasy, ze wzgl¦dówopisanych w rozdz. 4.2.3.

Rysunek 4.14: Znieksztaªcenia TIM - przesterowania w odpowiedzi na szybkie zmiany sygnaªuwej±ciowego

Rysunek 4.15: Znieksztaªcenia TIM - zbli»enie przesterowania

24

5 Wykorzystanie lamp elektronowych jako elementów aktyw-

nych

5.1 Zalety konstrukcji lampowych

Trudno jest jednoznacznie wskaza¢ parametry urz¡dze« audio decyduj¡ce o ich subiektywnie odbie-ranej jako±ci. Popularne miary (pasmo przenoszenia, THD, zakres dynamiki, itp.) nie przekªadaj¡si¦ bezpo±rednio na wra»enia d¹wi¦kowe, a sprz¦t optymalizowany pod ich k¡tem cz¦sto otrzymujeniskie noty w testach odsªuchowych [14, 3]. W przypadku wzmacniaczy akustycznych, s¡ to za-zwyczaj konstrukcje oparte na tranzystorach bipolarnych obj¦tych silnym ujemnym sprz¦»eniemzwrotnym - staªy si¦ one standardem wraz z upowszechnieniem si¦ elementów póªprzewodniko-wych. Rozpocz¦ªo to dyskusj¦ na temat wy»szo±ci rozwi¡za« lampowych nad tranzystorowymi ina odwrót. Mimo niezaprzeczalnych wad lamp elektronowych (du»e straty mocy - szczególnie wobwodzie »arzenia, du»e rozmiary i niska wytrzymaªo±¢ mechaniczna), mo»na wyró»ni¢ szereg zaletukªadów lampowych, potencjalnie krytycznych dla jako±ci odtwarzanego d¹wi¦ku:

• wysoka liniowo±¢ charakterystyk przej±ciowych,

• sªabe sprz¦»enie zwrotne w ukªadach lampowych lub jego brak - zaniedbywalne znieksztaª-cenia dynamiczne,

• staªe pojemno±ci mi¦dzyelektrodowe - w przypadku tranzystorów bipolarnych wyst¦pujem.in. du»a zmienno±¢ pojemno±ci zª¡czowej Cjc, zale»na od chwilowej warto±ci sygnaªu,

• niewielka zmienno±¢ rezystancji wewn¦trznej triod w szerokim zakresie napi¦¢ i pr¡dów [18],

• wysokie, w porównaniu z sygnaªem wyj±ciowym, napi¦cie zasilania - znacznie mniejsze pro-centowe zmiany chwilowego punktu pracy,

• w przypadku wzmacniaczy mocy, wysoka stabilno±¢ temperaturowa i brak dodatniego ter-micznego sprz¦»enia zwrotnego.

Wszystkie wy»ej wymienione cechy sprawiaj¡, »e transmitancja ukªadów lampowych jest zdecydo-wanie bardziej staªa w kontek±cie krótkoczasowych zmian sygnaªu muzycznego. Minimalizuje tozjawiska modulacyjne, zwi¡zane m.in. z chwilowymi zmianami wzmocnienia.

5.2 Parametry wybranych lamp elektronowych

Istotnymi z punktu widzenia wzmacniania sygnaªów audio parametrami lamp elektronowych s¡gªównie ich charakterystyki siatkowe (przej±ciowe) i anodowe (wyj±ciowe). W przypadku przed-wzmacniacza gramofonowego, po»¡dane s¡ punkty le»¡ce na najbardziej liniowych odcinkach cha-rakterystyk siatkowych oraz w rejonie najmniejszych zmian charakterystyk anodowych (dla triody).Przekªada si¦ to na niski poziom znieksztaªce« THD oraz na wysok¡ liniowo±¢ rezystancji wewn¦trz-nej lampy i minimalizacj¦ niepo»¡danych intermodulacji. Zmieniaj¡c punkt pracy mo»na spodzie-wa¢ si¦ sªyszalnych ró»nic w brzmieniu - cz¦sto optymalne d¹wi¦kowo warunki pracy dobiera si¦eksperymentalnie, nieznacznie zmieniaj¡c wcze±niejszy projekt [17].

Trioda E88CC

Dobór odpowiedniej lampy do okre±lonego zastosowania jest krytyczny. Co ciekawe, popularnei uznane w sprz¦cie audio lampy, nie zawsze byªy projektowane z my±l¡ o takim zastosowaniu.Przykªadem mo»e by¢ podwójna trioda E88CC, która pierwotnie byªa przeznaczona do stopniwzmacniaj¡cych wysokiej lub po±redniej cz¦stotliwo±ci w odbiornikach telewizyjnych i radiowych.W latach 90., za spraw¡ brytyjskiej rmy Musical Fidelity, staªa si¦ popularna w kr¦gach audio-lskich. Jej parametry s¡ bardzo dobre nawet przy stosunkowo niskich napi¦ciach anodowych,rz¦du 100...150 V (rys. 5.1a). Wysok¡ liniowo±¢ charakterystyk mo»na uzyska¢ jednak dopiero dlanieco wi¦kszych pr¡dów anodowych. Poni»ej 10 mA nale»y zwraca¢ szczególn¡ uwag¦ na napi¦cieanodowe, które w du»ym stopniu wpªywa na ksztaªt charakterystyk siatkowych. Charakterystykianodowe (rys. 5.1b) dla rozpatrywanego powy»ej przedziaªu napi¦¢ s¡ do siebie w du»ym stopniu

25

zbli»one i cechuj¡ si¦ w zasadzie staªym nachyleniem dla pr¡dów powy»ej 5 mA - przekªada si¦ tona staª¡ warto±¢ rezystancji wewn¦trznej i wzmocnienia dla ró»nych napi¦¢ siatkowych i pr¡dówanodowych.

(a)

(b)

Rysunek 5.1: Rodziny charakterystyk triody E88CC [18]: a) charakterystyki siatkowe; b) charak-terystyki anodowe

26

Pentoda EF86

W stopniu wej±ciowym lepiej skorzysta¢ z innej lampy, przystosowanej do pracy z niskimi pr¡damianodowymi. Jest to szczególnie wskazane, gdy» obni»enie pr¡du w punkcie pracy umo»liwia nie-znaczne obni»enie temperatury katody, poprzez zasilanie »arnika ni»szym napi¦ciem. Zmniejsza toemisj¦ elektronów z materiaªu katody, jednak redukuje równie» szum termiczny (wzór 5.1) [17].

eszum = 2√kTR∆f (5.1)

, gdzie k - staªa Boltzmanna; T - temperatura [K]; R - rezystancja [Ω]; ∆f - pasmo szumu [Hz]Wªa±ciwym wyborem wydaje si¦ by¢ pentoda EF86, dedykowana do pracy w stopniach wej-

±ciowych wzmacniaczy magnetofonowych oraz gramofonowych. Lampa elektronowa EF86 mo»epracowa¢ jako pentoda lub trioda, w zale»no±ci od wzajemnego poª¡czenia siatek steruj¡cych. Ce-chuje si¦ wysok¡ liniowo±ci¡ ju» dla niskich warto±ci pr¡du anodowego. W poª¡czeniu pentodowymmo»liwe jest uzyskanie du»ego wzmocnienia napi¦ciowego (nawet 100-krotnego), natomiast nale»ysi¦ wtedy liczy¢ z wy»szym poziomem znieksztaªce« nieliniowych. W przypadku pracy jako trioda,maksymalne wzmocnienie pojedynczego stopnia wynosi okoªo 30 V/V, jednak mo»liwe jest uzy-skanie wysokiej liniowo±ci bez konieczno±ci stosowania p¦tli ujemnego sprz¦»enia zwrotnego [16].

Na podstawie wykresów zamieszczonych w nocie katalogowej mo»na w przybli»eniu wskaza¢najlepsze zakresy pracy lampy. Wyj¡tkowo dobrze wygl¡daj¡ rodziny charakterystyk anodowychwokóª punktu Ua = 150 V, Ia = 3 mA (rys. 5.2b) - wykazuj¡ si¦ wysok¡ liniowo±ci¡ oraz bar-dzo zbli»onym nachyleniem. Odpowiada im równie» liniowy odcinek charakterystyki przej±ciowej(rys. 5.2a). W celu poprawy parametrów szumowych, kosztem niewielkiego spadku wzmocnienia,mo»na zmniejszy¢ pr¡d anodowy do okoªo 2 mA.

27

(a)

(b)

Rysunek 5.2: Rodziny charakterystyk lampy EF86 w poª¡czeniu triodowym [16]: a) charakterystykisiatkowe; b) charakterystyki anodowe

28

6 Projekt urz¡dzenia

6.1 Schemat blokowy

Projektowany przedwzmacniacz gramofonowy skªada si¦ z ukªadów zasilaj¡cych, dostarczaj¡cychodpowiednie napi¦cia dla lamp elektronowych, grupy ukªadów odpowiedzialnych za wzmacnianie ikorekcj¦ cz¦stotliwo±ciow¡ sygnaªu audio oraz ukªadów pomocniczych. Napi¦cia zasilaj¡ce powinnyby¢ wolne od zakªóce« sieciowych, aby osi¡gn¡¢ minimalny poziom przyd¹wi¦ku na wyj±ciu przed-wzmacniacza oraz regulowane, w zakresie wystarczaj¡cym do swobodnego ustalania punktów pracylamp. Wymaga to zastosowania ukªadu stabilizacji napi¦cia anodowego o du»ym wspóªczynnikutªumienia zakªóce«, a tak»e zasilacza »arzenia o odpowiedniej wydajno±ci pr¡dowej, cechuj¡cego si¦dodatkowo niskim spadkiem napi¦cia (ang. 'drop-out'). Cz¦±¢ sygnaªowa powinna charakteryzowa¢si¦ staª¡ transmitancj¡, niezale»n¡ od chwilowych zmian sygnaªu oraz realizowa¢ ltracj¦ zgodn¡ zkrzyw¡ RIAA. Wzmocnienie caªego ukªadu, przy zaªo»eniu typowej amplitudy sygnaªu z wkªadkigramofonowej, powinno wynosi¢ okoªo 100 V/V, aby uzyska¢ na wyj±ciu sygnaª na poziomie 1 Vprzy 1 kHz. Takie zaªo»enia mo»e speªni¢ ukªad oparty na dwóch stopniach wzmacniaj¡cych orazpasywnym ltrze - umiejscowienie ltra pomi¦dzy stopniami o kontrolowanej impedancji wej±cio-wej i wyj±ciowej pozwala zapewni¢ staªo±¢ charakterystyki przenoszenia oraz uniezale»ni¢ j¡ od¹ródªa sygnaªu, b¡d¹ obci¡»enia przedwzmacniacza. Bior¡c pod uwag¦ tªumienie ltra RIAA,wynosz¡ce dla cz¦stotliwo±ci 1 kHz prawie 20 dB, wymagane sumaryczne wzmocnienie obu stopniwynosi 1000 V/V i mo»e zosta¢ osi¡gni¦te za pomoc¡ dwóch stopni o wzmocnieniu 30 V/V - jest tomaksymalna warto±¢ wzmocnienia napi¦ciowego, mo»liwa do osi¡gni¦cia na pojedynczym stopniutriodowym (zagadnienie omówione w rozdz. 5.2).

Rysunek 6.1: Schemat blokowy projektowanego urz¡dzenia

Na schemacie blokowym (rys. 6.1) mo»na wyró»ni¢:

• ukªad zabezpieczaj¡cy - ukªad mi¦kkiego startu transformatora,

• transformator sieciowy - toroidalny transformator sieciowy dedykowany do ukªadów lampo-wych,

• ukªady zasilania - zasilacz »arzenia oraz zasilacz anodowy,

• ¹ródªo sygnaªu - wkªadka gramofonowa z ruchomym magnesem (typu MM),

• stopie« wej±ciowy przedwzmacniacza - ukªad wspólnej katody na lampie EF86,

• ltr RIAA - pasywny ltr realizuj¡cy korekcj¦ cz¦stotliwo±ciow¡ zgodnie z krzyw¡ RIAA,

• stopie« wyj±ciowy - ukªad wspólnej katody oraz wtórnika na lampie E88CC.

29

6.2 Stopie« wej±ciowy

Stopie« wej±ciowy przedwzmacniacza gramofonowego powinien charakteryzowa¢ si¦ wysok¡ im-pedancj¡ wej±ciow¡ oraz niskim poziomem szumów. Nie s¡ to trudne do speªnienia warunki, zewzgl¦du na korzystne cechy wybranego elementu aktywnego - lampy EF86. Rezystancja wej±ciowajest ogromna (przez siatk¦ pr¡d w zasadzie nie pªynie), a specjalna konstrukcja zapewnia niski po-ziom szumów (równowa»ne napi¦cie szumów odniesione do wej±cia dla standardowych warunkówpracy wynosi 2 µV [16]).

Rysunek 6.2: Schemat stopnia wej±ciowego przedwzmacniacza

Pierwszy stopie« zrealizowano w ukªadzie wspólnej katody, z EF86 w poª¡czeniu triodowym.Dodatkowe wyprowadzenia ekranowania wewn¦trznego (2. i 7.) poª¡czono z mas¡. Rezystancj¦wej±ciow¡ ustala rezystor R11 o warto±ci 470 kΩ. Potencjaª wªókna »arzenia wzgl¦dem katody zo-staª podniesiony do okoªo 50 V przy pomocy dzielnika R15−R16. Jest to konieczne do zapewnieniapoprawnej pracy drugiego stopnia, który korzysta z tego samego zasilacza »arzenia. Dodatkowo,dodatni potencjaª »arnika wzgl¦dem katody ogranicza niepo»¡dan¡ skªadow¡ pr¡du anodowego,zwi¡zan¡ z przenikaniem elektronów, wyemitowanych przez »arnik. Negatywny wpªyw tego pr¡dujest jednak niewielki, szczególnie przy zasilaniu »arnika napi¦ciem staªym. Zdecydowano si¦ rów-nie» na zasilanie wªókna »arzenia obni»onym napi¦ciem o warto±ci 6,0 V, gdy» nieznaczne obni»enietemperatury »arnika wpªywa korzystnie na parametry szumowe. Jednocze±nie nie jest to szkodliwedla katody, ze wzgl¦du na warto±¢ pr¡du anodowego znacznie mniejsz¡ od maksymalnej dopusz-czalnej (Ia(max)= 6,0 mA).

Pr¡d anodowy w punkcie pracy ustalono na 2 mA. Napi¦cie zasilania UA ustawiono na 250 V,co przekªada si¦ na 150 V napi¦cia anodowego na lampie (100 V spadku napi¦cia na oporniku

30

anodowym Ra). Zgodnie z charakterystykami (rys. 5.2a), napi¦cie Ugc14 wynosi w przybli»eniu

-2,5 V i przy zakªadanym pr¡dzie wymaga u»ycia rezystora R12 o warto±ci 1,2 kΩ. Uzyskane w tensposób wzmocnienie pierwszego stopnia to okoªo 24,9 V/V (gm =2,4 mS, Ri =13 kΩ [16]). Mo»naje obliczy¢ z teoretycznej zale»no±ci ku = gm · (Ra ‖ Ri). Zmierzone warto±ci napi¦¢ w punkciepracy oraz wzmocnienie skªadowej zmiennej (dla pobudzenia sinusoidalnego o amplitudzie 35 mVi cz¦stotliwo±ci 1 kHz) przedstawia tabela 2.

Uzas[V] Ua [V] Ugc [V] Ia [mA] Uwe [mV] Uwy [mV] kus [V/V]

248,3 144,2 -2,487 2,06 35 850 24,3

Tablica 2: Punkt pracy EF86 i wzmocnienie stopnia wej±ciowego

Rezystory R12 i R9 powinny by¢ kilku-watowe i wysokiej jako±ci - najlepiej metalizowane.Dzi¦ki temu wydzielana na nich moc (zale»na chwilowo od sygnaªu wej±ciowego) nie spowodujedu»ych zmian temperatury pracy i ich rezystancji, a szum termiczny b¦dzie na niskim poziomie.Typ u»ytego dielektryka w kondensatorach separuj¡cych ma istotny wpªyw na ograniczenie efektumikrofonowania. Popularne kondensatory ceramiczne X5R/X7R w obudowach SMD nie s¡ dobrymwyborem, ze wzgl¦du na znaczne zmiany przenikalno±ci dielektryka w zakresie cz¦stotliwo±ci audiooraz silne mikrofonowanie. Najlepiej u»y¢ w tym celu kondensatorów foliowych, b¡d¹ olejowych.Kondensator C4 musi by¢ dostosowany do wysokiego napi¦cia, w skrajnym przypadku wynosz¡cegonawet 300 V.

6.3 Konstrukcja ltra RIAA

Pasywny ltr RIAA zostaª umieszczony mi¦dzy stopniami przedwzmacniacza, w celu uniezale»-nienia jego charakterystyki przenoszenia od u»ytej wkªadki gramofonowej b¡d¹ obci¡»enia przed-wzmacniacza. Ró»ne warto±ci impedancji pracuj¡cych z ltrem zmieniaªyby jego staªe czasowe itym samym wprowadzaªy odchyªk¦ od krzywej RIAA. Du»o wa»niejszym problemem jest jednakmo»liwo±¢ modulacji charakterystyki cz¦stotliwo±ciowej wraz ze zmianami sygnaªu, na skutek nie-liniowo±ci impedancji obci¡»enia lub ¹ródªa sygnaªu. Zapewnienie du»ej staªo±ci charakterystykiltra RIAA jest niezwykle istotne, gdy» nawet niewielkie jej zmiany prowadz¡ do zauwa»alnegopogorszenia jako±ci odtwarzanego d¹wi¦ku [17, 3]. Buforowanie ltra zarówno od jego wej±cia, jaki wyj±cia, pozwala w kontrolowany sposób wpªywa¢ na to zjawisko i je minimalizowa¢.

Ukªad ltra przedstawia rys. 6.3. Warto±ci dobrano na podstawie przykªadów dost¦pnychw literaturze [4] i symulacji transmitancji w ±rodowisku Matlab. Cz¦±¢ rezystancji ltra realizujerezystancja wyj±ciowa pierwszego stopnia RWY 1 - jest to gªównie opór wewn¦trzny Ri lampy EF86.W szerokim zakresie napi¦¢ siatkowych i anodowych jest on w zasadzie staªy - przewidywane zmianywynosz¡ mniej ni» 1% (zakªadaj¡c warto±¢ mi¦dzyszczytow¡ napi¦cia wej±ciowego równ¡ 50 mV -∆Ri = 100 Ω [16]), a wi¦c ich wpªyw na szeregowe poª¡czenie RWY 1 oraz RRIAA1 jest pomijalny(okoªo 0,1%).

Elementy u»yte w ltrze powinny charakteryzowa¢ si¦ wysok¡ jako±ci¡ wykonania i materiaªów- nale»y u»y¢ precyzyjnych oporników oraz kondensatorów FKP (foliowych, propylenowych). Wprzypadku elementów pracuj¡cych w ltrze, istotna jest jako±¢ dielektryka, który powinien zacho-wywa¢ staª¡ warto±¢ przenikalno±ci elektrycznej w pa±mie akustycznym i nieco powy»ej - wpªywato bezpo±rednio na pojemno±¢ kondensatora, która powinna by¢ staªa i niezale»na od cz¦stotli-wo±ci. Wzorcowe warto±ci elementów wynosz¡ odpowiednio 10 nF i 29 nF oraz 75 kΩ i 10,9 kΩ- nie ró»ni¡ si¦ tym samym wiele od u»ytych w schemacie 6.3. Symulacje (rys. 6.4) pokazuj¡przebieg obliczonej charakterystyki cz¦stotliwo±ciowej ltra na tle idealnej krzywej RIAA oraz ró»-nic¦ mi¦dzy nimi. Spadek wyst¦puj¡cy dla najni»szych cz¦stotliwo±ci zwi¡zany jest z obecno±ci¡wysokonapi¦ciowego kondensatora separuj¡cego na wyj±ciu pierwszego stopnia o warto±ci 330 nF(rys. 6.2, C4).

14Ugc - napi¦cie siatka - katoda (ang. grid - cathode)

31

Rysunek 6.3: Schemat ltra RIAA

Rysunek 6.4: Wyniki symulacji charakterystyki cz¦stotliwo±ciowej ltra

32

6.4 Stopie« wyj±ciowy

Stopie« wyj±ciowy skªada si¦ z dwóch cz¦±ci - wzmacniacza w ukªadzie wspólnej katody orazwtórnika, zapewniaj¡cego nisk¡ warto±¢ rezystancji wyj±ciowej przedwzmacniacza. Pr¡d anodowypierwszej triody V1A ustalono na 6 mA, przy napi¦ciu anodowym okoªo 120 V. Ukªad zasilanyjest z UA = 250 V (tego samego co pierwszy stopie«). Wybrany punkt pracy wymaga ustalenianapi¦cia Ugc okoªo -3 V i le»y w obszarze najkorzystniejszych charakterystyk lampy (zagadnienieopisano w rozdz. 5.2). Odczytana z noty katalogowej transkonduktancja wynosi w przybli»eniu7,8 mS, opór wewn¦trzny - 3,8 kΩ. Obliczone na tej podstawie wzmocnienie to 25,3 V/V.

Pr¡d punktu pracy wtórnika V1B ustalono na niespeªna 4 mA - odpowiadaj¡ce mu napi¦cie Ugc

wynosi okoªo 3,7 V. Przy standardowym obci¡»eniu 47 kΩ i amplitudzie wyj±ciowej 1 V, zmianypr¡du wtórnika wynios¡ w przybli»eniu 1% pr¡du w punkcie pracy - towarzysz¡ce temu zmianyrezystancji wyj±ciowej wtórnika s¡ pomijalne [18]. W punkcie pracy wynosi ona okoªo 220 Ω iprzekªada si¦ na wzmocnienie skuteczne 0,98 V/V.

Bezpo±rednie sprz¦»enie mi¦dzy triodami V1A i V1B wymaga podniesienia potencjaªu »arnika,aby nie przekroczy¢ napi¦cia przebicia »arnik-katoda (+60 V i -120 V [18]). Obie triody znajduj¡si¦ wewn¡trz jednej lampy E88CC i s¡ »arzone tym samym wªóknem, natomiast potencjaªy obukatod s¡ znacz¡co ró»ne i wynosz¡ odpowiednio 3 V dla V1A oraz 120 V dla V1B . Podniesieniepotencjaªu »arnika przy pomocy dzielnika R6 − R7 rozwi¡zuje problem - napi¦cie Uhc

15 wynosiwtedy okoªo +40 V dla V1A i -80 V dla V1B , a wi¦c mie±ci si¦ w przedziale bezpiecznych warto±ci.

Zmierzone warto±ci napi¦¢ i pr¡dów w punkcie pracy dla obu triod przedstawiaj¡ tabele 3 i 4.Pomiar wzmocnienia przeprowadzono dla sygnaªu sinusoidalnego o cz¦stotliwo±ci 1 kHz - wynosiono okoªo 24 V/V.

Uzas[V] UaV 1A [V] UgcV 1A [V] IaV 1A [mA] Uwe [mV] Uwy [mV] kus [V/V]

248,3 119,7 -2,939 6,03 42 1000 24,7

Tablica 3: Punkt pracy triody V1A i wzmocnienie napi¦ciowe stopnia ze wspóln¡ katod¡

Uzas[V] UgcV 1B [V] IaV 1B [mA] Uwe [V] Uwy [V] kus [V/V]

248,3 -3,625 3,73 2,06 1,98 0,96

Tablica 4: Punkt pracy triody V1B i wzmocnienie napi¦ciowe wtórnika katodowego

15Uhc - napi¦cie »arnik - katoda (ang. heater - cathode)

33

Rysunek 6.5: Schemat stopnia wyj±ciowego przedwzmacniacza

6.5 Ukªad mi¦kkiego startu

Zalety transformatorów toroidalnych zach¦caj¡ do u»ycia ich w sprz¦cie audio. W porównaniu dotradycyjnych, posiadaj¡ mniejsze pole rozproszenia16 oraz cechuj¡ si¦ mniejsz¡ rezystancj¡ uzwo-je«. Jest to szczególnie istotne w przypadku zasilania przedwzmacniacza gramofonowego, który zewzgl¦du na du»e wzmocnienie jest szczególnie podatny na wpªyw zakªóce« pochodz¡cych od siecizasilaj¡cej. Maªa rezystancja wewn¦trzna ¹ródªa jest po»¡dana, gdy» u»ycie lamp elektronowychjako elementów aktywnych wymaga dostarczenia do±¢ du»ych pr¡dów do uzwoje« »arzenia.

Niestety transformatory toroidalne wykazuj¡ niekorzystn¡ cech¦ podczas wª¡czania, objawia-j¡c¡ si¦ wyst¦powaniem impulsu pr¡dowego o nat¦»eniu wielokrotnie przekraczaj¡cym warto±¢nominaln¡ w stanie ustalonym. Przenikalno±¢ magnetyczna rdzenia silnie zale»y od pr¡du pªyn¡-cego przez uzwojenie transformatora, który w momencie wª¡czenia jest zerowy. Z tego powoduindukcyjno±¢ uzwojenia pierwotnego jest niewielka i przyczynia si¦ do powstania przedstawionegona rys. 6.6 impulsu.

16pole rozproszenia - pole elektromagnetyczne wyst¦puj¡ce w pobli»u pracuj¡cego transformatora

34

Rysunek 6.6: Pr¡d pªyn¡cy przez uzwojenie pierwotne transformatora toroidalnego podczas wª¡-czania [28]

Konieczne mo»e si¦ okaza¢ zastosowanie ukªadu tzw. mi¦kkiego startu, który ograniczy nat¦»e-nie pr¡du podczas wª¡czania, natomiast nie b¦dzie miaª wpªywu na dalsz¡ prac¦ transformatora iukªadów zasilacza. Skutecznym rozwi¡zaniem jest zastosowanie opornika du»ej mocy wª¡czonegow szereg z uzwojeniem pierwotnym transformatora, który dodatkowo bocznikowany jest przezprzeka¹nik. Schemat proponowanego ukªadu przedstawia rys. 6.7.

Rysunek 6.7: Schemat ukªadu mi¦kkiego startu

W momencie wª¡czania pr¡d ograniczany jest przez opornik R2 o warto±ci 100 Ω i mocy 5 W.Po pojawieniu si¦ napi¦cia na uzwojeniu wtórnym 6,3 V, wª¡czany jest przeka¹nik i R2 zostajezbocznikowany. Opó¹nienie wprowadzane przez przeka¹nik i transformator (okoªo 40 ms) jestwystarczaj¡ce do ograniczenia impulsu i namagnesowania rdzenia.

35

Opornik R1 jest konieczny do prawidªowej pracy przeka¹nika, które typowo s¡ przystosowane dopracy z napi¦ciem 5 V, 12 V, itd. Razem z rezystancj¡ uzwojenia przeka¹nika, tworzy on dzielniknapi¦cia, pozwalaj¡cy wykorzysta¢ wyprostowane napi¦cie »arzenia wynosz¡ce okoªo 9 V.

6.6 Zasilacz »arzenia

Zastosowane lampy elektronowe wymagaj¡ napi¦cia »arzenia o warto±ci 6,3 V i s¡ przystosowanedo zasilania pr¡dem przemiennym lub staªym. Aby unikn¡¢ ewentualnych problemów z przy-d¹wi¦kiem sieciowym, zdecydowano si¦ na zasilanie napi¦ciem staªym. Wi¦kszo±¢ transformatorówdedykowanych do konstrukcji lampowych posiada uzwojenia wtórne 6,3 V. Po wyprostowaniu na-pi¦cia, nale»y spodziewa¢ si¦ okoªo 7,5 V (zakªadaj¡c spadek 1,4 V na prostowniku diodowym),co jest warto±ci¡ zbyt du»¡ do bezpo±redniego zasilania »arników lamp. Rozwi¡zaniem mo»e by¢u»ycie stabilizatora z regulacj¡ napi¦cia wyj±ciowego, co dodatkowo pozwoli precyzyjnie wpªywa¢na parametry pracy lampy (np. zmniejszy¢ pr¡d »arzenia w celu obni»enia szumu termicznego).

Innym zjawiskiem, które warto uwzgl¦dni¢, jest wpªyw dodatniego wspóªczynnika temperaturo-wego materiaªu »arnika. Podobnie jak w »arówce, zimne wªókno ma zdecydowanie mniejszy opór,ni» podczas normalnej pracy. Powoduje to znaczne obci¡»anie »arnika przy wª¡czaniu urz¡dze-nia i w rezultacie mo»e skróci¢ czas »ycia lampy. Aby ograniczy¢ pr¡d w trakcie rozgrzewaniawªókna »arzenia, mo»na zasila¢ je ¹ródªem pr¡dowym. Takie rozwi¡zanie ma jednak dwie powa»newady. Podczas wª¡czania, ze wzgl¦du na niewielk¡ moc wydzielan¡ na zimnym »arniku (maªarezystancja), czas potrzebny na osi¡gni¦cie odpowiedniej temperatury pracy ulegnie znacznemuwydªu»eniu. Z drugiej strony, ju» po osi¡gni¦ciu zakªadanej przez producenta lampy temperatury,mo»e ona ulega¢ dalszemu zwi¦kszaniu - rosn¡ca z temperatur¡ rezystancja, przy staªym pr¡dzie,spowoduje dodatkowy wzrost wydzielanej mocy i dalsze rozgrzewanie »arnika. Rozwi¡zaniem po-±rednim, pozbawionym powy»szych wad, jest zasilanie lamp ze ¹ródªa napi¦cia z ogranicznikiempr¡du.

Prostownik, wykorzystywany w zasilaczu »arzenia, powinien charakteryzowa¢ si¦ niskimi spad-kami napi¦¢ (ang. 'drop-out'). Wyprostowane napi¦cie powinno by¢ co najmniej o 1,5...2 V wy»sze,ni» wyj±ciowe, aby zapewni¢ poprawn¡ prac¦ ukªadów stabilizatora i ogranicznika pr¡du. Wykluczato u»ycie standardowego prostownika diodowego - zakªadaj¡c napi¦cie wyj±ciowe równe nominal-nemu napi¦ciu »arzenia 6,3 V oraz warto±¢ szczytow¡ na wyj±ciu transformatora równ¡ 9 V, spadeknapi¦cia na prostowniku nie powinien przekracza¢ 0,7 V. Rozwi¡zaniem mo»e by¢ wykorzystanieprostownika synchronicznego opartego na tranzystorach MOS, w którym spadek napi¦cia wynikaw zasadzie jedynie z niezerowej rezystancji przewodz¡cego kanaªu tranzystora.

6.6.1 Prostownik synchroniczny

Ukªad prostownika synchronicznego skªada si¦ z trzech bloków: dwóch pomp ªadunku do zasila-nia wzmacniaczy operacyjnych oraz wªa±ciwego prostownika opartego na czterech tranzystorachN-MOS (2x IRF7103). Pompy ªadunku dostarczaj¡ napi¦cia +/-15 V, przy maksymalnym pr¡-dzie rz¦du kilku miliamperów. Ka»dy z tranzystorów sterowany jest jednym wzmacniaczem (wkonguracji komparatora), który wykrywa napi¦cie mi¦dzy ¹ródªem a drenem. Kiedy jest ono do-datnie, nast¦puje wª¡czenie. U»yte tranzystory wytrzymuj¡ maksymalnie +/-20 V napi¦cia Ugs,przez co nie mo»na ich sterowa¢ bezpo±rednio z wyj±cia wzmacniacza operacyjnego. Dzielniki rezy-stancyjne zapewniaj¡ odpowiedni poziom napi¦cia steruj¡cego dla ka»dego z tranzystorów, poni»ejmaksymalnego dopuszczalnego przez producenta. Zgodnie z not¡ katalogow¡, nisk¡ rezystancj¦dren-¹ródªo uzyskuje si¦ ju» przy Ugs = 4,5 V i wynosi ona maksymalnie 0,2 Ω [19]. Dodatnie na-pi¦cie z pompy ªadunku zostaªo wyprowadzone dodatkowo, na potrzeby ukªadu stabilizacji napi¦cia»arzenia.

36

Rysunek 6.8: Schemat prostownika synchronicznego

Rys. 6.9 przedstawia przebieg napi¦cia bramka-¹ródªo oraz dren-¹ródªo na jednym z tranzysto-rów prostownika. Zgodnie z zaªo»eniem, wª¡czenie nast¦puje w momencie wyst¡pienia wy»szegonapi¦cia na ¹ródle i umo»liwia przepªyw pr¡du ªaduj¡cego kondensator wyj±ciowy C1. Przebiegwyj±ciowy zobrazowano na rys. 6.10. Pomiar przeprowadzono obci¡»aj¡c prostownik regulowanym¹ródªem pr¡du ustawionym na 1 A, a warto±¢ szczytowa napi¦cia wej±ciowego wynosiªa 9,3 V.Zmierzony spadek napi¦cia wyst¦puj¡cy na prostowniku dla warto±ci szczytowej (8,8 V - rys. 6.10)

37

wynosi okoªo 0,5 V. W tym momencie, kanaªy obu tranzystorów s¡ otwarte, a spadek napi¦ciawynika gªównie z ich rezystancji. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów, sumaryczn¡ warto±¢rezystancji mo»na okre±li¢ na 0,5 Ω i jest ona zgodna z danymi katalogowymi (rds(on) = 0, 2 Ω[19]).

Rysunek 6.9: Kluczowanie tranzystora MOS. 1 - Ugs, 2 - Uds

Rysunek 6.10: Napi¦cie wyj±ciowe prostownika synchronicznego pod obci¡»eniem 1 A. Warto±¢±rednia - 8,08 V; maksymalna - 8,80 V; minimalna - 7,36 V

6.6.2 Stabilizator napi¦cia

Zadaniem ukªadu stabilizacji napi¦cia »arzenia jest dostarczenie pozbawionego t¦tnie« sieciowych,regulowanego napi¦cia w zakresie okoªo 5...6,5 V oraz ograniczanie pr¡du do zadanej warto±ci,podczas wª¡czania urz¡dzenia. Elementami steruj¡cymi s¡ trzy wzmacniacze operacyjne, zasilanez dodatkowego napi¦cia zapewnianego przez prostownik synchroniczny, o warto±ci 20 V. Schematproponowanego ukªadu przedstawia rys. 6.11.

38

Rysunek 6.11: Schemat stabilizatora napi¦cia »arzenia

39

Zapewnione przez ukªad TL431 napi¦cie odniesienia, poprzez potencjometry monta»owe traado wzmacniacza IC1C, odpowiedzialnego za ograniczanie pr¡du oraz do IC1A, pracuj¡cego jakowzmacniacz bª¦du stabilizatora napi¦cia wyj±ciowego. Warto±¢ napi¦cia referencyjnego ustala mak-symalne napi¦cie wyj±ciowe i zostaªa dobrana na okoªo 6,6 V. Ze wzgl¦du na du»y zapas napi¦ciazasilaj¡cego wzmacniacze operacyjne, dobór tranzystora mocy N-MOS ze wzgl¦du na minimalnenapi¦cie progowe Ugs(th) (pozwalaj¡ce odpowiednio wysterowa¢ tranzystor) nie jest krytyczny.

Dziaªanie ogranicznika pr¡du bazuje na wykrywaniu spadku napi¦cia na rezystorze R14. Jegowarto±¢ powinna by¢ mo»liwie maªa, aby zmniejszy¢ np. spadek napi¦cia podczas pracy. Z drugiejstrony nie mo»e by¢ zbyt maªa, aby odkªadaj¡ce si¦ napi¦cie byªo znacz¡co wy»sze ni» napi¦-cie niezrównowa»enia mi¦dzy wej±ciami wzmacniacza IC1B (dla LM324 wynosi ono maksymalnie7 mV [10]) i pozwalaªo prawidªowo ogranicza¢ pr¡d. Warto±¢ 0,1 Ω jest minimaln¡, jaka speªniate zaªo»enia - przy pr¡dzie 1 A, napi¦cie na R14 jest 10-krotnie wy»sze od bª¦du wprowadzanegoprzez wzmacniacz. Sygnaª pomiaru pr¡du jest nast¦pnie wzmacniany przez IC1B, pracuj¡cy wkonguracji ró»nicowej. Potencjometr R5 pozwala skompensowa¢ rozrzut rezystorów w p¦tli iwyeliminowa¢ wzmocnienie dla skªadowej sumacyjnej. IC1C pracuje cz¦±ciowo jako komparator,porównuj¡c warto±¢ napi¦cia wynikaj¡c¡ z pªyn¡cego przez obci¡»enie pr¡du, z ustawion¡ referen-cj¡. Kiedy próg nie jest przekroczony, napi¦cie wyj±ciowe jest utrzymywane na wysokim poziomiei dioda D1 nie przewodzi. Po jego przekroczeniu, IC1C obni»a napi¦cie wyj±ciowe i otwiera diod¦D1. Zamkni¦ta w ten sposób p¦tla ujemnego sprz¦»enia zwrotnego odpowiada za utrzymywaniestaªego napi¦cia na R14, czyli wymuszanie staªego pr¡du obci¡»enia.

Proponowany ukªad pozwala równie» zmniejszy¢ pojemno±¢ kondensatora C1 (rys. 6.8) na wyj-±ciu prostownika, przy jednoczesnym zachowaniu niskiego poziomu t¦tnie«. Zakªadaj¡c szczytow¡warto±¢ wyprostowanego napi¦cia równ¡ 8 V, zmiany napi¦cia na C1 mog¡ wynosi¢ okoªo 2 V, przynapi¦ciu wyj±ciowym stabilizatora równym 6 V.

6.7 Zasilacz anodowy

Lampy elektronowe wymagaj¡ wysokich napi¦¢ zasilaj¡cych do polaryzacji anody. Odpowiedniewarto±ci zale»¡ od typu lampy, jednak zazwyczaj mieszcz¡ si¦ w przedziale 200...400 V. Pr¡dyanodowe, w przypadku ukªadów lampowych maªej mocy, zazwyczaj nie przekraczaj¡ kilku mili-amperów. Nale»y mie¢ na uwadze, »e wszelkie zakªócenia i t¦tnienia sieci w napi¦ciu wyj±ciowymzasilacza, pojawi¡ si¦ równie» (nieco stªumione) na wyj±ciu sygnaªowym. Ze wzgl¦du na sporyzapas napi¦cia oraz niskie warto±ci pobieranego pr¡du, do ltracji t¦tnie« za prostownikiem cz¦stowykorzystuje si¦ wielostopniowy ltr RC. Innym rozwi¡zaniem mo»e by¢ zastosowanie stabiliza-tora, który dodatkowo umo»liwia regulacj¦ napi¦cia wyj±ciowego i tym samym pozwala na wi¦ksz¡swobod¦ w doborze punktu pracy lamp. Ponadto, ukªad mo»na zaprojektowa¢ tak, aby napi¦cieanodowe narastaªo do po»¡danej warto±ci dopiero po pewnym czasie. Jest to istotne z punktuwidzenia trwaªo±ci lamp elektronowych - gªównie materiaªu katody, która potrzebuje kilkunastusekund na osi¡gni¦cie odpowiedniej temperatury (okoªo 1000C [8]) i rozpocz¦cie emisji elektronów.Podanie na anod¦ wysokiego napi¦cia bez opó¹nienia powoduje pojawienie si¦ wy»szego ni» zwyklenapi¦cia na anodzie, spowodowanego brakiem przepªywu pr¡du przez opornik anodowy. Prowa-dzi to do niszczenia materiaªu katody, poprzez wyrywanie no±ników ze struktury krystalicznej, aw skrajnym wypadku do przekroczenia maksymalnego dopuszczalnego napi¦cia mi¦dzy anod¡ ikatod¡. Przy obni»onym napi¦ciu »arzenia problem jest tym bardziej istotny, ze wzgl¦du na wy-dªu»enie czasu osi¡gania temperatury pracy. Na rys. 6.12 zamieszczono schemat proponowanegoukªadu zasilacza anodowego.

40

Rysunek 6.12: Schemat zasilacza anodowego

41

Ze wzgl¦du na wysokie napi¦cia wyst¦puj¡ce w ukªadzie zasilacza anodowego, zastosowaniewzmacniaczy operacyjnych do stabilizacji jest wykluczone. Wytworzenie dodatkowego napi¦ciarz¦du 10...20 V, na przykªad za pomoc¡ rezystora i diody Zenera, powodowaªoby powstanie du-»ych strat mocy na oporniku. Popularny wzmacniacz operacyjny TL072 potrzebuje okoªo 4 mA(maksymalnie 5 mA - [11]), co przy napi¦ciu zasilaj¡cym 400 V wymagaªoby wytracenia nawet2 W jedynie na potrzeby ukªadów steruj¡cych. Z drugiej strony wykorzystanie wzmacniaczy ope-racyjnych przystosowanych do pracy z maªymi pr¡dami (np. LMC7111) wi¡»e si¦ z innymi proble-mami. Typowy ukªad wykonany w technologii CMOS - LMC7111 - cechuje si¦ niezwykle w¡skimpasmem (50 kHz przy wzmocnieniu 1) i maksymaln¡ szybko±ci¡ narastania napi¦cia wyj±ciowegona poziomie kilkunastu mV/µs - s¡ to warto±ci niewystarczaj¡ce dla wzmacniacza bª¦du w sta-bilizatorze napi¦cia, peªni¡cego jednocze±nie funkcj¦ dynamicznej kompensacji t¦tnie« sieciowych.Ponadto, maksymalne napi¦cie zasilaj¡ce dla LMC7111 wynosi 10 V i wymaga stosowania wi¦k-szego wspóªczynnika podziaªu napi¦cia wyj±ciowego stabilizatora (dla zakªadanego zakresu regu-lacji 250...400 V wynosi on maksymalnie 1:50). Znacznie lepszym rozwi¡zaniem jest zastosowaniewzmacniacza bª¦du opartego na prostym ukªadzie tranzystorowym, mog¡cym pracowa¢ z pr¡demrz¦du kilkudziesi¦ciu mikroamperów. Jego rol¦ peªni tranzystor Q6, pracuj¡cy wraz z wysoko-napi¦ciowym tranzystorem MOS w ukªadzie kaskody. ródªem napi¦cia odniesienia okoªo 10 Vjest ukªad TL431 i to on pobiera najwi¦kszy pr¡d z zasilania. Tranzystor Q6, zmieniaj¡c pr¡dpªyn¡cy przez rezystor R5, utrzymuje napi¦cie okoªo 10,7 V na swojej bazie. Potencjometr R15

pozwala regulowa¢ napi¦cie wyj±ciowe w zakresie 200...300 V. Rezystor R1 wraz z kondensatoremC9 ograniczaj¡ pasmo wzmacniacza i zapewniaj¡ stabiln¡ prac¦ zasilacza anodowego. Moc traconaw ukªadzie stabilizatora bez obci¡»enia wynosi okoªo 0,5 W, przy zasilaniu napi¦ciem 400 V.

Przeprowadzono pomiary wspóªczynnika stabilizacji, podaj¡c na wej±cie ukªadu staªe napi¦-cie regulowane w zakresie 350...400 V. Napi¦cie wyj±ciowe ustalono na 250 V. Zmierzony w tensposób wspóªczynnik stabilizacji wyniósª okoªo 1%. Warto±¢ t¦ mo»na poprawi¢ dla skªadowejzmiennej (np. t¦tnie« sieciowych) stosuj¡c dodatkowy kondensator C10. Poprawia on parametrystabilizatora poprzez doprowadzenie wi¦kszego sygnaªu skªadowej t¦tnie« do wzmacniacza bª¦du(dynamiczna kompensacja t¦tnie«) i tym samym umo»liwia stosowanie mniejszych kondensatorówltruj¡cych zasilanie (na potrzeby pomiarów zmniejszono je do 22 µF ). Pojemno±¢ kondensatoraC10 powinna by¢ mo»liwie du»a, nale»y mie¢ jednak na uwadze ograniczenia wydzielanej mocyw zª¡czu baza-emiter tranzystora Q6 - w momencie wª¡czenia zasilania pªynie przez nie pr¡d,ªaduj¡cy C10 do wysokiego napi¦cia kilkuset woltów i zbyt du»a warto±¢ pojemno±ci mo»e dopro-wadzi¢ do zniszczenia zª¡cza. Przed zastosowaniem kondensatora C10, napi¦cie t¦tnie« na wyj±ciustabilizatora wynosiªo okoªo 15 mV (rys. 6.13a), przy 20 mA pr¡du anodowego, co przekªada si¦na nieco ponad 60 mV zakªóce« na wyj±ciu przedwzmacniacza. Z kondensatorem C10 o warto±ci10 nF poziom zakªóce« sieciowych byª poni»ej poziomu szumu i zakªóce« od innych ¹ródeª z oto-czenia. Rys. 6.13b obrazuje t¦tnienia w sygnale wyj±ciowym przedwzmacniacza - mimo niewielkiejamplitudy byªy one sªyszalne w gªo±nikach, przy ustawieniu wysokiej gªo±no±ci i braku sygnaªuwej±ciowego. Stosuj¡c zgodne z projektem warto±ci kondensatorów ltruj¡cych (C3, C3, C7, C8 =100µF ), t¦tnienia zasilania stawaªy si¦ zupeªnie niesªyszalne.

42

(a)

(b)

Rysunek 6.13: T¦tnienia napi¦cia anodowego: a) skªadowa zmienna napi¦cia anodowego bez kon-densatora C10; b) t¦tnienia na wyj±ciu przedwzmacniacza z kondensatorem C10

Tranzystor Q5 wraz z rezystorem R2 i kondensatorem C1 peªni¡ funkcj¦ ukªadu opó¹niania wª¡-czenia napi¦cia anodowego. Po wª¡czeniu zasilania kondensator C1 jest rozªadowany, a tranzystorQ5 przewodzi i utrzymuje napi¦cie na emiterze okoªo 0,7 V wy»ej, ni» napi¦cie na C1. Wysokienapi¦cie anodowe pojawia si¦ na wyj±ciu zasilacza dopiero po naªadowaniu kondensatora C1 dowarto±ci powoduj¡cej przej±cie w zatkanie tranzystora Q5 (okoªo 30 V, w zale»no±ci od napi¦ciaprogowego Ugs(th) tranzystora Q1). Przebieg napi¦cia wyj±ciowego zaraz po wª¡czeniu przedstawia

43

rys. 6.14. Narasta ono stopniowo do progu wª¡czenia (30 V) przez okoªo minut¦, aby po tymczasie osi¡gn¡¢ zakªadan¡ warto±¢. Czas ten jest w zupeªno±ci wystarczaj¡cy do nagrzania wªókna»arzenia do odpowiedniej temperatury.

Rysunek 6.14: Zasilacz anodowy - opó¹nione wª¡czanie napi¦cia (i nast¦puj¡ce po nim wyª¡czenie`)

Do sygnalizacji stanu zasilacza anodowego zastosowano dwie diody LED o podwy»szonej ±wia-tªo±ci. S¡ one dobrze widoczne ju» dla pr¡dów rz¦du 10 µA, co nie zwi¦ksza niepotrzebnie mocytraconej w ukªadzie zasilacza. Rezystor R7 jest opcjonalny i pozwala rozªo»y¢ moc tracon¡ nadwa elementy. Powinien by¢ stosowany w przypadku du»ej ró»nicy mi¦dzy napi¦ciem wyj±ciowymi wej±ciowym stabilizatora.

44

7 Pomiary zaprojektowanego przedwzmacniacza gramofono-

wego

7.1 Zgodno±¢ z norm¡ RIAA

Charakterystyk¦ cz¦stotliwo±ciow¡ przedwzmacniacza gramofonowego zwerykowano przy pomocyopisanego wcze±niej systemu pomiarowego (rozdziaª 4.3.1). Wyniki przedstawia rys. 7.1 - ukªadbadano podaj¡c na wej±cie sygnaª o staªej amplitudzie (rys. 7.1a) oraz koryguj¡c amplitud¦ zgodniez odwrotn¡ krzyw¡ RIAA (rys. 7.1b).

(a)

(b)

Rysunek 7.1: Charakterystyka cz¦stotliwo±ciowa przedwzmacniacza: a) Zestawienie zmierzonejcharakterystyki i krzywej RIAA; b) Odst¦pstwa od idealnej krzywej RIAA

45

Rozbie»no±ci dla niskich cz¦stotliwo±ci s¡ zwi¡zane gªównie z ograniczon¡ pojemno±ci¡ konden-satorów wysokonapi¦ciowych, separuj¡cych wyj±cie (C6, rys. 6.5) oraz pierwszy i drugi stopie« (C4,rys. 6.2). Z powodów opisanych w rozdziaªach 6.3 oraz 4.2, ich jako±¢ mo»e mie¢ du»e znaczenie dlasubiektywnej oceny odtwarzanego d¹wi¦ku. W zaprojektowanym urz¡dzeniu u»yto dedykowanychfoliowych kondensatorów WIMA o pojemno±ci 100 nF oraz Mallory 150 470 nF - niestety byªyto kondensatory o najwi¦kszej dost¦pnej pojemno±ci w tej klasie. Dolne cz¦stotliwo±ci granicznewynosz¡ odpowiednio: 20 Hz dla C4 oraz 7 Hz dla C6, co tªumaczy 3 dB spadek charakterystykiw okolicach 25 Hz.

7.2 Znieksztaªcenia nieliniowe

Poziom znieksztaªce« nieliniowych przedwzmacniacza zbadano przy pomocy oscyloskopu wyposa-»onego w funkcj¦ obliczania FFT. Na wej±cie przedwzmacniacza podawano sygnaª sinusoidalny oró»nych cz¦stotliwo±ciach i amplitudach. Odst¦p pierwszej harmonicznej od najwy»szej niepo»¡da-nej w sygnale wyj±ciowym wynosi 52 dB (rys. 7.2a), dla pobudzenia o warto±ci mi¦dzyszczytowej50 mV i cz¦stotliwo±ci 3,8 kHz - przekªada si¦ to na okoªo 0,3% THD. Warto jednak zwróci¢ szcze-góln¡ uwag¦ na zapas dynamiki, jakim dysponuje badany przedwzmacniacz lampowy. Rys. 7.2bprzedstawia pomiar dla amplitudy wyj±ciowej prawie 25 V, a wi¦c dla ponad 10-krotnego przeste-rowania wzgl¦dem normalnych warunków pracy. Wspóªczynnik THD nieznacznie przekracza 1%,a dominuj¡cym skªadnikiem jest druga harmoniczna. Jedn¡ z konsekwencji tak du»ego zapasu dy-namiki jest praktycznie staªa warto±¢ wspóªczynnika THD dla ni»szych amplitud (standardowo do2 V [29]) oraz minimalizacja wpªywu chwilowej warto±ci sygnaªu na parametry przedwzmacniacza.

46

(a)

(b)

Rysunek 7.2: Znieksztaªcenia nieliniowe: a) Uwy = 1, 4 V; b) Uwy = 24, 6 V

7.3 Znieksztaªcenia intermodulacyjne

Badania w dziedzinie czasu przeprowadzono przy u»yciu odwrotnego ltru RIAA (rys. 7.3), umiesz-czonego za generatorem sygnaªu testowego i przed wej±ciem badanego przedwzmacniacza. Uzy-skana w ten sposób charakterystyka cz¦stotliwo±ciowa powinna by¢ pªaska i wprowadza¢ staªe tªu-mienie okoªo 60 dB. Dzi¦ki temu mo»liwe jest bezpo±rednie porównanie przebiegów wyj±ciowegogeneratora i przedwzmacniacza na ekranie oscyloskopu. Zamieszczona na rys. 7.3 charakterystykacz¦stotliwo±ciowa ltra jest zgodna z odwrotn¡ krzyw¡ RIAA z dokªadno±ci¡ okoªo 1 dB i wyka-zuje niewielkie podbicie dla wy»szych cz¦stotliwo±ci. Rozbie»no±ci wynikaj¡ z dokªadno±ci u»ytychelementów.

47

Rysunek 7.3: Schemat i charakterystyka odwrotnego ltra RIAA, znormalizowana wzgl¦dem am-plitudy dla 1 kHz

Rys. 7.4 przedstawia odpowied¹ przedwzmacniacza na sygnaª testowy, zªo»ony z sumy prze-biegu prostok¡tnego o cz¦stotliwo±ci 6 kHz oraz sinusoidalnego 60 kHz. Tak skonstruowany prze-bieg umo»liwia zbadanie maªosygnaªowych parametrów urz¡dzenia, na tle du»ych zmian sygnaªuoraz jego odpowiedzi na szybkie zmiany sygnaªu wej±ciowego. Amplituda zostaªa dobrana, aby nawyj±ciu przedwzmacniacza osi¡gn¡¢ warto±¢ napi¦cia typow¡ dla sprz¦tu audio (okoªo 1 V [29]).Nie s¡ widoczne dynamiczne znieksztaªcenia intermodulacyjne oraz nie wyst¦puje przesterowaniepo skoku, opisane w rozdziale 4.3.4. Jedynym ograniczeniem jest czas narastania/opadania sy-gnaªu wyj±ciowego (rys. 7.5), wynosz¡cy okoªo 700 ns. Opadanie skªadowej prostok¡tnej sygnaªuwyj±ciowego zwi¡zane jest z niewielkimi rozbie»no±ciami w charakterystykach ltrów RIAA orazodwrotnego RIAA (minimalne podbicie dla wy»szych cz¦stotliwo±ci kaskadowego poª¡czenia obultrów).

48

Rysunek 7.4: Odpowied¹ na sygnaª testowy. 1 - wyj±cie generatora, 2 - wyj±cie ltra RIAA

Rysunek 7.5: Odpowied¹ na sygnaª prostok¡tny 1 - wej±cie przedwzmacniacza, 2 - wyj±cie pierw-szego stopnia

49

8 Podsumowanie

Celem niniejszej pracy byªo zaprojektowanie oraz wykonanie przedwzmacniacza gramofonowegowysokiej klasy. Urz¡dzenie powinno cechowa¢ si¦ niskim poziomem znieksztaªce« nieliniowych idynamicznych oraz brakiem sªyszalnych zakªóce« sieciowych w wyj±ciowym sygnale audio. Zakªa-dany cel zostaª osi¡gni¦ty, a przeprowadzone w poprzednich punktach pomiary ±wiadcz¡ o bardzodobrych parametrach przedwzmacniacza, szczególnie dla dynamicznych zmian sygnaªu wej±cio-wego. Ukªad posiada pasmo okoªo 500 kHz, bez u»ycia p¦tli ujemnego sprz¦»enia zwrotnego, coprzekªada si¦ na praktycznie caªkowit¡ eliminacj¦ znieksztaªce« TIM. Zmierzony czas narastaniasygnaªu wyj±ciowego jest wystarczaj¡co krótki, aby przenie±¢ skokowe zmiany spotykane w sygna-ªach audio o dªugo±ciach rz¦du kilkunastu µs (rys. 4.2). Nale»y równie» zwróci¢ szczególn¡ uwag¦na ogromny zapas dynamiki, jakim dysponuje zaprojektowane urz¡dzenie. Zmierzona warto±¢wspóªczynnika THD wynosi nieco ponad 1%, przy ponad 10-krotnym przesterowaniu wzgl¦demnormalnych warunków pracy (Uwy = 24, 6 V - rozdz. 7.2)

W celu zwerykowania podstawowych zaªo»e« projektowych, przeprowadzono krótkie testyodsªuchowe. Polegaªy one na sprawdzeniu dziaªania urz¡dzenia przy odtwarzaniu pªyt winylowych.Zwrócono uwag¦ na subiektywnie odbieran¡ charakterystyk¦ cz¦stotliwo±ciow¡, a tak»e poziomsygnaªu wyj±ciowego oraz przyd¹wi¦ku sieciowego. Do testów u»yto wzmacniacza gªo±nikowegoHarman-Kardon PM645 Vxi. Jest on wyposa»ony we wbudowany przedwzmacniacz gramofonowy,co pozwoliªo na bezpo±rednie porównanie obu ukªadów. ródªem sygnaªu byªa wysokiej jako±ciwkªadka Sumiko Pearl, a caªo±¢ wspóªpracowaªa z zestawem dwóch kolumn Acoustic Energy NeoOne.

Zmierzone w rozdziale 7.1 odst¦pstwa od charakterystyki RIAA dla niskich cz¦stotliwo±ci niewprowadzaj¡ sªyszalnych zaburze« w barwie d¹wi¦ku. Niskie tony s¡ dobrze zaakcentowane i nienachodz¡ na reszt¦ pasma. Nale»y mie¢ jednak na uwadze ograniczenia u»ytych kolumn gªo±niko-wych - ich pasmo przenoszenia zaczyna si¦ od 60 Hz (dla spadku 3 dB [15]), a wi¦c nieco powy»ejzmierzonego dla przedwzmacniacza. Wzmocnienie ukªadu jest w zupeªno±ci wystarczaj¡ce i po-równywalne z wbudowanym przedwzmacniaczem. W obu przypadkach, pokr¦tªo gªo±no±ci dlakomfortowego odsªuchu nale»aªo ustawi¢ w pierwszej ¢wiartce zakresu. Przyd¹wi¦k sieciowy byª wtej sytuacji zupeªnie niesªyszalny. Przy dodatkowym poª¡czeniu masy gramofonu i przedwzmac-niacza, sªaby przyd¹wi¦k sªycha¢ dopiero pod koniec skali gªo±no±ci (przy wª¡czonym gramofoniei podniesionym ramieniu).

Dziaªanie ukªadów zasilania zapewnia poprawn¡ prac¦ cz¦±ci sygnaªowej przedwzmacniacza ijest zgodne z zaªo»eniami projektu. Dzi¦ki zastosowaniu stabilizatora napi¦cia anodowego, mo»liwajest minimalizacja przyd¹wi¦ku sieciowego bez zwi¦kszania pojemno±ci kondensatorów ltruj¡cychzasilanie. Ukªad stabilizacji napi¦cia »arzenia równie» nie wymaga stosowania kondensatorów odu»ych pojemno±ciach - ze wzgl¦du na niewielki spadek napi¦cia na prostowniku synchronicznymoraz du»y wspóªczynnik stabilizacji, napi¦cie »arzenia jest w zasadzie pozbawione t¦tnie«. Mocpobierana z sieci zasilaj¡cej wynosi okoªo 12 W.

Nie jest przewidywane wprowadzenie zaprojektowanego przedwzmacniacza gramofonowego domasowej produkcji. Rynek sprz¦tu audio klasy hi-end jest stosunkowo niewielki, a wi¦kszo±¢ rmprodukuje urz¡dzenia na zamówienie. Koszty produkcji pojedynczego egzemplarza zale»¡ od u»y-tych elementów i ich jako±ci. Komplet nowych lamp elektronowych (dwie EF86 oraz dwie E88CC)to wydatek rz¦du 300...500 zª, dedykowany transformator toroidalny - okoªo 100 zª, a wysokiejjako±ci kondensatory sprz¦gaj¡ce oraz do ltra RIAA - od kilkunastu do kilkudziesi¦ciu zªotych zasztuk¦. Sumaryczny koszt produkcji urz¡dzenia mo»na szacowa¢ na okoªo 500 zª, do nawet tysi¡caw przypadku u»ycia komponentów najwy»szej jako±ci.

50

Literatura

[1] Tim Anderson. How CDs are remastering the art of noise. The Guardian, 2007.

[2] Eric Barbour. IEEE Spectrum - The Cool Sound of Tubes.

[3] Piotr Nykiel; Bartosz Bielawski. Synchroniczny konwerter cz¦stotliwosci probkowania i re-kwantyzator do zastosowa« studyjnych - iSRC. 2011.

[4] John Broskie. RIAA Preamps.

[5] Aleksander Burd. Elementy techniki analogowej w systemach cyfrowych - konsultacje. 2013-2014.

[6] Maciej Feszczuk. Wzmacniacze elektroakustyczne. Wydawnictwa Komunikacji i acznosci,1986.

[7] David Hall. Understanding Intermodulation Distortion Measurements, 2013.

[8] John Harper. Tubes 201 - How Vacuum Tubes Really Work, 2003.

[9] Keith Howard. Cut and Thrust: RIAA LP Equalization. Stereophile, 2009.

[10] Texas Instruments. LM324 - Low Power Quad Operational Amplier, 2004.

[11] Texas Instruments. TL072 - Low-noise JFET-input Operational Amplier, 2005.

[12] Texas Instruments. LMC7111 - Tiny CMOS Operational Amplier with Rail-to-Rail Inputand Output, 2013.

[13] Matti Otala; Eero Leinonen. The theory of transient intermodulation distortion. IEEE Trans-

actions on Acoustics Speech and Signal Processing, ASSP-25(1), February 1977.

[14] Marcin Lewandowski. Krótkoczasowa analiza parametrów modulatorów sigma-delta stosowa-

nych w cyfrowo-analogowym przetwarzaniu sygnaªów fonicznych. PhD thesis, PolitechnikaWarszawska Wydziaª Elektroniki i Technik Informacyjnych, 2013.

[15] Acoustic Energy Ltd. Acoustic Energy Neo One. Parametry kolumn gªosnikowych.

[16] Mullard. EF86 - Voltage Amplifying Pentode, 1954.

[17] Piotr Nykiel. Konstrukcja urzadze« audio - konsultacje. 2013-2014.

[18] Philips. E88CC - Special Quality Double Triode, 1958.

[19] International Rectier. IRF7103 - HEXFET Power MOSFET (PD - 9.1095B), 1997.

[20] Felix Richter. The LP is Back! Dane statystyczne sprzeda»y pªyt gramofonowych, 2014.

[21] rms.pl. Wkªadki gramofonowe i gramofony - poradnik.

[22] NXP Semiconductors. BC847 - NPN general-purpose transistor, 2012.

[23] Benedict Tan; Deep Sen. The Use of the Attack Transient Envelope in Instrument Recognition.11th Australian International Conference on Speech Science & Technology, 2006.

[24] Jerzy Sereda. Pomiary w Elektroakustyce. Wydawnictwa Komunikacji i acznosci, 1987.

[25] Nick Southall. Imperfect Sound Forever. Stylus Magazine, 2006.

[26] Walter G. Jung; Mark L. Stephens; Craig C. Todd. An overview of SID and TIM. AUDIO,June 1979.

[27] trioda.com. Opis lampy elekronowej E88CC.

51

[28] Wikipedia. Inrush current. Opis zjawisk zachodzacych podczas rozruchu transformatoratoroidalnego.

[29] Wikipedia. Line Level. Opis standardu poªacze« audio.

[30] Wikipedia. Loudness War. Opis tzw. "wojny na gªosnos¢"(ang. loudness war).

[31] Wikipedia. RIAA equalization. Opis korekcji cz¦stotliwosciowej RIAA.

[32] Aleksander Witort. Stereofonia dla wszystkich. Wydawnictwa Komunikacji i acznosci, 1976.

52

Warszawa, dnia 16.06.2014 r.

ukasz Koªodziejczak

Wydziaª Elektroniki i Technik InformacyjnychPolitechniki Warszawskiej

OWIADCZENIE

wiadomy odpowiedzialno±ci karnej o±wiadczam, »e przedkªadana praca dyplomowa pod ty-tuªem: "Lampowy przedwzmacniacz gramofonowy wysokiej klasy" zostaªa wykonana i napisanaprzeze mnie samodzielnie.

Jednocze±nie o±wiadczam, »e wy»ej wymieniona praca nie narusza praw autorskich w rozumie-niu Ustawy z dnia 4 lutego 1994 roku o prawie autorskim i prawach pokrewnych (Dz. U. nr 24,poz. 83) oraz dóbr osobistych chronionych prawem cywilnym.

Wy»ej wymieniona praca nie zawiera danych i informacji, które uzyskaªem w sposób niedozwo-lony.

Niniejsza praca nie byªa wcze±niej podstaw¡ »adnej innej urz¦dowej procedury zwi¡zanej znadaniem dyplomów uczelni lub tytuªów zawodowych.

Wyra»am zgod¦/Nie wyra»am zgody* na udost¦pnienie mojej pracy dla celów naukowych idydaktycznych.

.......................................podpis o±wiadczaj¡cego

*niepotrzebne skre±li¢