Uniwersalny przedwzmacniacz (1)

Tor audio jest zbudowany z trzech podstawowych elementów: źródła sygnału, wzmacniacza i zestawów głośnikowych. Wśród fanów wysokiej jakości dźwięku chyba największe emocje wzbudzają wzmacniacze mocy i zestawy głośnikowe. Potem są źródła sygnału, głównie odtwarzacze CD i autonomiczne przetworniki cyfrowo-analogowe DAC. Entuzjaści płyt winylowych starają się stosować jak najlepsze wzmacniacze korekcyjne do wkładek dynamicznych.

Przedwzmacniacze są elementami toru, które w powszechnej opinii nie wpływają szczególnie na jakość sygnału i nie ma z nimi większych problemów. Wyjątkiem jest może potencjometr, a ściślej jego trwałość i współbieżność. Problemy ze zużywaniem się tego elementu doprowadziły do zbudowania regulatorów z drabinki rezystorowej przełączanej wielostykowym przełącznikiem. Te "potencjometry" mają również wady w postaci zużywających się styków. Żeby zapewnić w miarę płynną regulację, potrzebny jest przełącznik z dużą liczbą przełączników, co podnosi ceną i komplikuje układ.

Alternatywą jest scalony regulator. To rozwiązanie ma swoje zalety, ale też i wady. Zaletą jest duża trwałość, jednak takie elementy potrzebują do pracy sterownika mikroprocesorowego.

Budowa klasycznego przedwzmacniacza

Na rysunku 1 pokazano schematycznie budowę klasycznego przedwzmacniacza audio. Układ ma do spełnienia kilka ważnych funkcji:

• dostosowanie poziomu sygnału wejściowego do czułości wejściowej wzmacniacza mocy,
• regulacja poziomu sygnału podawanego na wejście wzmacniacza mocy,
• selekcja źródeł sygnału wejściowego,
• modyfikacja częstotliwościowa sygnału: filtry kontur, filtry tonów niskich i wysokich itp.,
• dopasowanie impedancyjne pomiędzy źródłem sygnału wejściowego a poszczególnymi elementami przedwzmacniacza i wejściem wzmacniacza mocy.

Rysunek 1. Schemat blokowy wzmacniacza audio

Swoją nazwę przedwzmacniacz zawdzięcza realizacji pierwszej z wymienionych funkcji. Paradoksalnie teraz zazwyczaj nie ma potrzeby wstępnego wzmacniania poziomu sygnału źródłowego. Najczęściej stosowane źródła (odtwarzacze CD, autonomiczne przetworniki DAC i wzmacniacze korekcyjne) mają tak wysokie poziomy sygnału wyjściowego, a czułość wzmacniaczy mocy jest tak duża, że w praktyce potrzebne jest tylko tłumienie sygnału. Tak na marginesie, brak konieczności stosowania aktywnego stopnia wzmacniającego przyczynił się do powstania idei tak zwanego pasywnego przedwzmacniacza zawierającego tylko mechaniczny selektor wejść i klasyczny potencjometr. Z założenia miało to sprawić, że tor audio będzie lepszy, ponieważ brak jakiejkolwiek elektroniki to brak zniekształceń. To podejście w pewnych ściśle określonych sytuacjach może się obronić, ale w innych nie. Wrócimy do tego przy okazji omawiania dopasowania impedancyjnego.

Dostosowanie poziomu sygnału

Dostosowanie poziomu sygnału wejściowego nie musi oznaczać konieczności jego wzmocnienia, oczywiście jeżeli założymy, że przedwzmacniacz nie zawiera wzmacniacza korekcyjnego do gramofonu. Może istnieć konieczność wstępnego tłumienia dzielnikami rezystancyjnym zbyt dużego sygnału wejściowego tak, aby go dopasować do innych sygnałów w torze.

Zadaniem regulatora jest dostosowanie poziomu sygnału na wejściu wzmacniacza mocy do wymaganego natężenia dźwięku. Dwutorowy (stereofoniczny) regulator powinien się charakteryzować charakterystyką logarytmiczną i dobrą współbieżnością. Historycznie pierwszymi regulatorami były potencjometry obrotowe. Potem przyszła moda na potencjometry suwakowe, ale z powodu problemów z odpowiednim zabezpieczeniem ścieżek rezystancyjnych przed zabrudzeniem i kolejnej zmiany mody dzisiaj raczej się ich nie stosuje.

Dobry mechaniczny potencjometr obrotowy jest jednym z najlepszych wyborów w roli regulatora. Nie wprowadza szumów (prawie), nie wymaga zasilania i sterowania. Wadą jest ograniczona trwałość. Nawet najlepsze z nich czasem wymagają kłopotliwego serwisu (rozbierania, czyszczenia, smarowania), a po pewnym czasie pracy zużywają się ścieżki oporowe tak, że pozostaje tylko wymiana.

Remedium na te wady miały być przełączane drabinki rezystancyjne. Ale i w nich zużywa się przełącznik. Poza tym w tych prostszych rozwiązaniach zależnie od położenia regulatora zmienia się ich całkowita rezystancja, co jest na pewno niezbyt eleganckie konstrukcyjnie, ale może również powodować problemy z dopasowaniem impedancji.

Kolejnym rozwiązaniem są specjalizowane scalone układy regulatorów. Te najlepsze mają bardzo dobre parametry, jeżeli chodzi o zniekształcenia nieliniowe i szumy. Charakteryzują się bardzo dużą niezawodnością, ale mają też wady. Szumią bardziej niż dobry potencjometr, wymagają zasilania i to często symetrycznego. Wymagają też sterownika z mikrokontrolerem. Komplikuje to układ, często też zasilanie powoduje wzrost ceny urządzenia.

Selektor sygnałów

Selektor sygnałów to najczęściej mechaniczny przełącznik obrotowy z wymaganą liczbą przełączanych sekcji. Po pewnym czasie pracy podobnie jak w klasycznym potencjometrze jego styki wymagają przeczyszczenia i nasmarowania, W lepszych rozwiązaniach stosuje się małosygnałowe przekaźniki. Ponieważ są hermetyczne, nie wymagają czynności serwisowych i pracują długo i bezawaryjnie. Spotykane są również cyfrowo sterowane analogowe klucze półprzewodnikowe.

Kształtowanie charakterystyki 

Kolejnym elementem przedwzmacniacza są filtry. Kiedyś każdy szanujący się producent wzmacniaczy zintegrowanych umieszczał w torze filtry kształtujące charakterystykę częstotliwościową toru audio. Minimum stanowiły filtry końców pasma, czyli tonów niskich i wysokich oraz filtr konturu (loudness). Ten ostatni miał za zadanie korygować charakterystykę częstotliwościową toru zależnie od poziomu sygnału, tak by dostosować ją do charakterystyki częstotliwościowej naszego organu słuchu. We wzmacniaczach z lat 60. i początku 70. XX wieku stosowano też inne filtry, na przykład eliminujące zakłócenia mechaniczne generowane w gramofonach.

Od jakiegoś czasu w sprzęcie wysokiej klasy zaczęto unikać filtrów i traktować je jako źródło zniekształceń, głównie fazowych. Trzeba przyznać, że wiele takich układów nie było zbyt dobrze zaprojektowanych. Oferowały duże podbicia pasma i często nie dawały użytkownikowi możliwości ich wyłączenia. Duże wzmocnienie tonów niskich i wysokich w połączeniu ze zbyt agresywnym konturem dawało koszmarny efekt, ale entuzjastów takiego grania nie brakowało.

Jednak usuwanie filtrów też nie jest dobrym rozwiązaniem. Szczególnie dotkliwie ich brak jest odczuwalny przy cichym słuchaniu muzyki, kiedy nasze uszy są mniej czułe na niskie i wysokie częstotliwości. Z wiekiem to zjawisko się tylko pogłębia. W dobrym przedwzmacniaczu mogą być dobrze zaprojektowane filtry z możliwością całkowitego ich wyłączenia (ominięcia). Użytkownik sam zadecyduje, czy i kiedy ich użyje.

Dopasowanie impedancyjne

Dopasowanie impedancyjne polega na takim skonstruowaniu toru, żeby jego impedancja wejściowa była duża a wyjściowa mała. Duża impedancja wejściowa nie obciąża źródła sygnału, a mała impedancja wyjściowa pozwala bez problemów sterować wejściem wzmacniacza mocy. Możemy przyjąć, że duża impedancja to nie mniej niż 47 kΩ, a mała rezystancja to nie więcej niż 600 Ω. Technicznie nie ma żadnych problemów, żeby takie parametry osiągnąć w prosty sposób.