Przedwzmacniacz audio (1)

Klasyczny blok przedwzmacniacza jest zbudowany z selektora sygnału wejściowego, wejściowego stopnia wzmacniającego, regulatora poziomu sygnału wyjściowego – potencjometru i opcjonalnie z układu regulacji barwy tonu z filtrem „kontur”.

Przyjęło się, że układy regulacji barwy nie są stosowane w wysokiej jakości torach przeznaczonych do odtwarzania muzyki. Przyczyny są dwie. Pierwsza z nich to zniekształcenia wnoszone przez filtry kształtujące charakterystykę częstotliwościową. Trudno się z tym nie zgodzić. Drugi powód jest „ideologiczny”: odtwarzamy muzykę taką, jak została zarejestrowana, a tor akustyczny nie może powodować żadnych modyfikacji nieprzewidzianych przez artystę w momencie rejestracji. Jak w przypadku każdej idei, można się z nią zgodzić lub nie. Według mojej, subiektywnej opinii można by stosować filtr „kontur” poprawiający brzmienie przy cichym odsłuchu, ale nie jest to niezbędne.

Typowym elementem przeznaczonym do regulacji poziomu sygnału jest potencjometr. Niestety, z potencjometrami zawsze były problemy. Ścieżki rezystancyjne potencjometrów stereofonicznych o charakterystyce logarytmicznej muszą być wykonane bardzo dokładnie, ponieważ tolerancja wykonania powodowała problemy z ustawieniem balansu. Pół biedy, jeśli nierównomierność w obu kanałach była stała w funkcji kąta obrotu osi – można to było wyregulować potencjometrem balansu. Zdarzało się jednak, że nierównomierność nie była stała i taki potencjometr nie nadawał się do użytku. Kolejnym problemem jest styk ślizgacz – warstwa rezystancyjna. W potencjometrach gorszej klasy, z powodu źle dobranych materiałów lub niewłaściwego wykonania, na tym styku powstają szumy. Proces starzenia się lub wysychania smarów poprawiających kontakt powoduje występowanie przerw i dokuczliwych trzasków. Ten problem jest znany użytkownikom starszego sprzętu audio wyposażonego w potencjometry. Aby wyeliminować wady typowych potencjometrów zaczęto budować drabinki rezystancyjne z dzielnikiem przełączanym za pomocą dobrej jakości przełącznika obrotowego. Ale tu również występują problemy. Po pierwsze, dla najłatwiejszej do wykonania drabinki mamy jeden rezystor szeregowy i szereg rezystorów dołączanych do masy przez przełącznik. Takie rozwiązanie powoduje, że całkowita rezystancja dzielnika zmienia się przy każdym przełączeniu i źródło sygnału jest za każdym razem obciążane inaczej. Oczywiście, można zrobić drabinkę z przełączanymi dwoma rezystorami, ale jest to bardziej skomplikowane i droższe. Duże trudności sprawia zdalne sterowanie takimi elementami. Ale tu też poradzono sobie stosując do napędu silniki krokowe. Pełna drabinka rezystancyjna ze sterowaniem silnikiem krokowym, to najbardziej bezkompromisowa konstrukcja, dająca najlepsze rezultaty, ale za to kosztowna do wykonania i trudna w zastosowaniu.

Kolejnym elementem przedwzmacniacza jest wzmacniacz wstępny. Wielu audiofilów uważa stosowanie wzmacniacza wstępnego za zupełnie niepotrzebne, a wręcz szkodliwe, bo jest to kolejny element wprowadzający zniekształcenia. Pojawiły się konstrukcje przedwzmacniaczy nazywane „pasywkami”, zawierające tylko mechaniczny selektor wejść i potencjometr. Pomijam tu niekonsekwencję w nazywaniu przedwzmacniaczem układu, który nie zawiera elementu wzmacniającego.

Aby rozstrzygnąć czy wzmacniacz wstępny jest konieczny, czy nie, należy co nieco wiedzieć o parametrach wyjściowych źródła sygnału. W tym przypadku najważniejszym parametrem źródła będzie jego impedancja wyjściowa. Jeżeli dysponujemy przetwornikiem C/a, na którego wyjściu włączono wtórnik lub wzmacniacz o bardzo małej impedancji wyjściowej, to możemy go obciążyć bezpośrednio potencjometrem o rezystancji np. 10 kΩ i najprawdopodobniej nic złego się nie stanie. Jeżeli jednak impedancja źródła będzie duża, to przy obciążeniu potencjometrem może się okazać, że mogą wystąpić zniekształcenia. Aby im zapobiec stosuje się wzmacniacze wstępne o znanej impedancji wejściowej np. 47 kΩ, aby przedwzmacniacz nie obciążał źródła sygnału. Stosowanie wzmacniacza wstępnego pozwala też na dopasowanie poziomów sygnałów z różnych źródeł, na przykład, z odtwarzacza CD (przetwornika C/A) i tunera radiowego.

Według mnie wzmacniacz wstępny jest koniecznym elementem przedwzmacniacza. Pozwala na ustalenie stałej impedancji wejściowej dopasowanej do prawidłowo zaprojektowanych źródeł sygnału i umożliwia dopasowanie poziomów z różnych źródeł. Zbudowanie takiego wzmacniacza o bardzo dobrych parametrach z wykorzystaniem nowoczesnych wzmacniaczy operacyjnych zaprojektowanych dla zastosowań w technice audio nie stanowi większego problemu. 

Założenia projektowe

Przez rozpoczęciem budowy przedwzmacniacza trzeba było poczynić pewne założenia projektowe. Jak już wspomniałem budowa wzmacniacza wstępnego nie jest wielkim problemem. Dlatego należało się głównie zmierzyć z wyborem elementu regulacyjnego poziom sygnału. Ponieważ regulacja miała się odbywać za pomocą zdalnego sterowanie początkowo rozważałem zastosowanie dobrej jakości potencjometru zintegrowanego z silnikiem elektrycznym prądu stałego. Jednak to rozwiązanie zawierało wszystkie wady klasycznego potencjometru. Drabinki rezystancyjne z powodu ceny i skomplikowania sterowania również zostały wyeliminowane. Można stosować układy scalone z funkcją potencjometru. W strukturze są umieszczone dwa potencjometry z odczepami przełączanymi przez sterowny cyfrowo multiplekser z kluczami analogowymi. Ja zdecydowałem się na układ PGA2311, który działa na trochę innej zasadzie. Jest to wzmacniacz o cyfrowo regulowanym tłumieniu/wzmocnieniu. Kolejnym założeniem było zastosowanie sterownika mikroprocesorowego sterującego poziomem sygnału poprzez układ PGA2311, z wyświetlaczem LCD, możliwością zdalnego sterowania pilotem na poczerwień i zegarem czasu rzeczywistego RTC. Selektor wejść miał umożliwiać wybór jednego z trzech wejść stereofonicznych. Do przełączania mają być wykorzystane przekaźniki sygnałowe sterowane ze sterownika mikroprocesorowego.

Układ PGA2311

Układ scalony wzmacniacza PGA2311 – aktualnie produkowany przez firmę Texas Instruments – jest wzmacniaczem o regulowanym wzmocnieniu przeznaczonym do zastosowania w systemach audio o wysokiej jakości. Chociaż układ jest wiele lat na rynku, to jego doskonałe parametry powodują, że jest ciągle produkowany i chętnie stosowany.