Minutieuze MD-voorversterker
De tijden veranderen; de CD heeft de zwarte vinyl-platen al behoorlijk verdrongen en diskrete elektronica wordt steeds vaker vervangen door geintegreerde schakelingen. Ook bij deze MD-voorversterker zijn de torren vervangen door IC's. De gebruikte opamps zijn echter minstens zo hoogwaardig als een diskreet opgebouwde versterkerschakeling, dus waarom moeilijk doen als het makkelijk kan. Het eindresultaat is van de allerbovenste plank.
Bij de vinyl-plaat moeten enkele kunstgrepen worden toegepast om de beschikbare groefruimte optimaal te benutten. Eigenlijk zou het iedere hifi-liefhebber een gruwel moeten zijn dat het geluidssignaal bij een plaatopname expres wordt vervormd, maar gelukkig is de zogenaamde RIAA-korrektie heel onschuldig van aard. Zonder die korrektie zou de naald van de platenspeler bij lage tonen enorme uitslagen onvervormd moeten (kunnen) maken, terwijl bij hoge tonen de uitslagen zo gering worden dat het sprankelende hoog verdrinkt in een zee van ruis. Om deze mechanische beperkingen van het medium grammofoonplaat te omzeilen wordt al sinds jaar en dag bij het snijden van de plaat het hoog extra versterkt en het laag verzwakt. Van een veelheid van normen uit de beginjaren is uiteindelijk alleen die van de Recording Industry Association of America overgebleven: de bekende RIAA-korrektie.
Figuur 1. Bij het snijden van een grammofoonplaat worden de hoge tonen versterkt en de lage tonen verzwakt. Bij de weergave moet de versterker dat weer kompenseren.
De RIAA-kurve
De korrektiekurve die door de RIAA wordt voorgeschreven is vastgelegd aan de hand van een aantal kantelpunten. Afhankelijk van wat men gewend is, worden deze kantelpunten opgegeven als frekwentie f of als tijdkonstante (f = ½πτ). De kantelpunten liggen bij 50 Hz (3180 µs), 500 Hz (318 µs) en 2120 Hz (75 µs). De daarbij behorende kurve is als snijkurve in figuur 1 getekend. De hellingen lopen met 6 dB/oktaaf.
Sinds 1976 is er een aangepaste RIAA-kurve die in een IEC-norm is vastgelegd. Het verschil met de originele kurve is een extra kantelpunt bij 20 Hz (8 ms). Er wordt desondanks nog steeds over RIAA-korrektie gesproken. Het voordeel van dat 20-Hz-kantelpunt is, dat dit in de MD-versterker ook als rumble-filter funktioneert en zo allerlei subsonische geluiden van de platenspeler minder worden versterkt (bij 2 Hz scheelt dat maar liefst 20 dB t.o.v. de RIAA-kurve).
In de korrektie-kurve van de versterker hebben we, zoals u ook in figuur 1 kunt zien, dat kantelpunt van 20 Hz ingebouwd. Dat betekent dus dat oude volgens RIAA gesneden platen "ontrumbled" worden met enig verlies van de hele lage frekwenties, voor zover die aanwezig zijn, en dat de volgens IEC gesneden platen korrekt worden verwerkt. Voor die korrekte verwerking is het natuurlijk zaak dat de MD-voorversterker exakt het tegenovergestelde doet van het filter dat bij het snijden van de plaat is gebruikt. Door gebruik te maken van nauwkeurige komponenten in de korrektienetwerken is dat goed te realiseren.
De schakeling
Figuur 2. Voor een goede MD-voorversterker moet er niet op een komponentje gekeken worden.
Voor het maken van een MD-voorversterker zijn er legio mogelijkheden en vele daarvan hebben we in de Elektuurhistorie al gehad. Maar een absolute kwaliteitsvoorversterker met uitsluitend opamps was daar nog niet bij. We hebben dan ook een moderne opamp gebruikt die - voor zover wij weten - de laagste ruisproduktie heeft van alle verkrijgbare opamps, maar daarover later meer. Het schema van de voorversterker is getekend in figuur 2. U ziet twee identieke versterkers en een zo op het oog nogal komplexe voeding. Eerst vertellen we wat meer over het versterkergedeelte voor het linker kanaal (die voor rechts werkt natuurlijk net zo). Het signaal van het MD-element ziet bij binnenkomst eerst C1 en R1, die samen de ingangsimpedantie van de versterker vormen. De juiste waarden voor deze komponenten worden gewoonlijk opgegeven door de fabrikant van het element. Voor de weerstandswaarde wordt praktisch altijd 47 kΩ aangehouden, de ingangskapaciteit is sterk afhankelijk van het toegepaste MD-element. Denk er aan dat parallel aan C1 ook nog de kabelkapaciteit staat (als de versterker niet in de platenspeler wordt ingebouwd). Die kabelkapaciteit (meestal 100 à 200 pF) moet dan van de opgegeven waarde worden afgetrokken om de juiste waarde van C1 te verkrijgen. Kunt u over de afsluitimpedantie van het element niets vinden in de gebruiksaanwijzing, dan krijgt R1 een waarde van 47k5 en C1 een waarde van 100 pF.
Na R1 en C1 begint de versterker met de extreem ruisarme opamp IC1. De tegenkoppeling van de opamp is zo samengesteld dat deze versterkertrap naast de versterking van het signaal (10 maal) ook de korrektie van de lage tonen op zich neemt. De korrektie van de hoge tonen gebeurt passief na IC1 met R7/R8/C9. Daarmee is de RIAA-korrektie kompleet, met uitzondering van het 20-Hzkantelpunt. Maar eerst versterken we het signaal van de platenspeler om het op lijnnivo te krijgen. Daarvoor is IC2 ingehuurd, die het signaal ongeveer 6½ keer versterkt. Deze opamp is kwa eigenschappen vergelijkbaar met de bekendere 0P27. De versterking van IC2 kunt u eventueel vergroten of verkleinen als dat in uw installatie beter uitkomt. Als laatste in de versterker komt het 20-Hz-filter dat is opgebouwd met C10//C11 en de ingangsimpedantie van de op de uitgang aangesloten versterker. De juiste waarde voor deze kondensatoren is gemakkelijk uit te rekenen met:
C10 + C11 = 1/(40πRi). De in het schema aangegeven waarden zijn voor een ingangsimpedantie van 47 kΩ bedoeld. Wilt u de oude RIAA-kurve aanhouden, dan neemt u C10 en C11 beide 470 nF. R11 tenslotte lijkt weinig nut te hebben, maar deze weerstand voorkomt dat IC2 het moeilijk krijgt bij een sterk kapacitieve belasting.
Dat deze MD-versterker niet zomaar uit twee stabilisators gevoed wordt, zal u ongetwijfeld al zijn opgevallen. In feite bestaat de voeding uit zes (!) stabilisatie-schakelingen. Niet echt ingewikkeld, maar wel bijzonder. De voeding begint met het gelijkrichten van de dubbele wisselspanning van 15 V (trafo-vermogen circa 4,5 VA). Om de bijgeluiden die de dioden in de gelijkrichterbrug produceren te onderdrukken, zijn parallel aan deze dioden kondensatoren geplaatst. Die konstruktie ziet u niet zo vaak in voedingen, maar aangezien we een MD-versterker moeten voeden die signalen in het millivolt-bereik moet verwerken, kunnen we niet voorzichtig genoeg zijn. Na de gelijkrichter volgen twee buffer-elko's waarvan de "HF"-eigenschappen worden opgepoetst door er een keramische kondensator aan parallel te schakelen. Daarna volgen twee spanningsregelaars die de spanning op plus en min 15 V stabiliseren. Na nogmaals een buffer-elko en een keramische kondensator is de voedingsspanning goed genoeg om naar IC2 en IC4 gestuurd te worden. Voor ICI en IC3 die met zeer kleine signalen te maken krijgen, wordt de uitgangsspanning van IC5 en IC6 opgepoetst. Hiermee willen we ook beïnvloeding van de kanalen onderling via de voeding voorkomen. Daarom worden de voedingsspanningen voor IC1 en IC3 via T1 ...T4 ontkoppeld van de rest van de schakeling. Eigenlijk zijn deze transistoren niet, zoals zojuist gezegd, regelaars maar zijn het meer filters. De transistoren staan namelijk net niet in verzadiging - er is nog een marge van ongeveer 500 mV - en de basis wordt gestuurd via een RC-netwerk met een zeer laag kantelpunt (0,7 Hz). Daardoor worden restjes brom (de driebenige regelaars laten nog een paar millivolt door), ruis en andere storing op de voedingsspanning onderdrukt.
Figuur 3. Alle oorzaken van ruis kunnen in een vijftal bronnen aan de ingang van de versterker worden gedacht.
Ruisssssss
In het voorgaande hebben we het er wel over gehad hoe de versterker werkt, maar nog niet waarom. Daarvoor moeten we ons eerst eens verdiepen in het verschijnsel ruis, want ruis-getallen zeggen op zich maar weinig over de ruis die de schakeling uiteindelijk zal produceren. Het is vooral het circuit aan de ingang(en) van de eerste opamp dat medebepalend is voor de hoeveelheid ruis die geproduceerd wordt. Het vervangingsschema in figuur 3 laat zien waar de diverse ruisbronnen te vinden zijn. De bronnen EN, IN1 en IN2 vertegenwoordigen alle mogelijke oorzaken van ruis die in de opamp te vinden zijn (al die oorzaken samen zijn hier teruggerekend naar een spanningsbron en twee stroombronnen). De overige twee spanningsbronnen (Et1 en Et2) vertegenwoordigen de thermische ruisspanning van de bron-impedanties (Rs1 en Rs2) die op ingangen van de opamp zijn aangesloten. Daarmee hebben we gelijk de eerste ruisbron te pakken die niets met de opamp te maken heeft. De grootte van die ruis is bij 25 °C ongeveer 0,13√R (R in Ω, ruisspanning in nV/√Hz). In hoeverre deze ruis echter gevolgen heeft voor de schakeling, is pas te zeggen als we meer weten over de ruis van de opamp.
Figuur 4. Uit het data-boek van de LT1028: de ruisspanning en -stroom als funktie van de frekwentie.
In figuur 4 zijn twee grafieken te zien die respektievelijk de ruisspanning (EN) en de ruisstroom (IN) als funktie van de frekwentie weergeven. In beide gevallen kan de grafiek in twee delen worden gesplitst: een vlak deel en een deel waar de amplitude stijgt naarmate de frekwentie lager wordt. Dat komt omdat de ruis-spanning en -stroom globaal gezien uit twee soorten ruis is opgebouwd: witte ruis en 1/f-ruis. De witte ruis heeft als karakteristiek dat de amplitude gelijk is voor alle frekwentiekomponenten terwijl bij de 1/f-ruis de amplitude omgekeerd evenredig is met de frekwentie. In de grafiek geeft dat een dalende lijn (de 1/f-ruis is het sterkst) die over gaat in een horizontale lijn (de witte ruis is het sterkst). De frekwentie waar beide ruissoorten even sterk zijn, wordt gewoonlijk de 1/fkantelfrekwentie genoemd. Om de gevolgen van al deze ruisbronnen te beperken, zijn er een drietal vuistregels waarop gelet moet worden:
- De bronimpedantie moet zo laag mogelijk zijn. Daardoor houden we om te beginnen de thermische ruis ook laag. Daarnaast blijft dan ook de ruisspanning klein die de ruisstromen uit de bronnen INI en IN2 veroorzaken over de bronimpedanties. Maar u hoeft niet te overdrijven. Bij de LT1028 worden de gevolgen van de ruisstroom al overstemd door de thermische ruis bij impedanties die kleiner zijn dat 20 kΩ. Voor een minimale ruis bij de LT1028 moet de impedantie echter kleiner zijn dan 400 Ω, dan is behalve de ruisstroom ook de thermische ruis verwaarloosbaar en speelt alleen de ruisspanning nog een rol. Linear Technology geeft in het data-boek dan ook al aan dat het alleen zinvol is een LT1028 te gebruiken als de bronimpedantie kleiner is dan 400 Ω.
- De 1/f-kantelfrekwentie zo laag als nodig (mogelijk) kiezen. Wanneer een versterkerschakeling ook bij lage frekwenties een goede signaal/ruis-verhouding moet hebben, dan is het voordelig als de 1/f-kantelfrekwentie zo laag mogelijk ligt. Het heeft natuurlijk geen zin om een (dure) opamp te nemen die een 1/f-kantelfrekwentie heeft die ver onder de bandbreedte van de versterker-schakeling ligt.
- De versterkerbandbreedte aan de signaalbandbreedte aanpassen. Ruisfrekwenties die buiten de bandbreedte van een versterker vallen, worden minder versterkt dan de ruisaandelen die wel binnen de bandbreedte vallen. De hoeveelheid ruis aan de uitgang vermindert dus ten opzichte van een versterker met een te grote bandbreedte.
Nog eens: de versterker
Met de keuze van LT1028 als eerste versterkertrap zijn we al een goed eind op weg naar een ruisarm versterker-ontwerp. Bij de bronimpedanties die de opamp "ziet" hebben we minder keuze. Een MD-element heeft gewoonlijk een impedantie van 1 à 2 kΩ en dat betekent volgens het data-boek dat niet de opamp maar het MD-element zelf de meeste ruis produceert. De versterker is dus eigenlijk te goed voor een MD-element. Maar er zijn ook high-output MC-elementen met een bronimpedantie van zo'n 200 Ω en dan is het de ruisspanning van de opamp die de signaal/ruis-verhouding gaat bepalen. In dit laatste geval wordt ook de 1/f-frekwentie belangrijk. Die ligt bij de LT1028 voor de ruisspanning op ongeveer 10 Hz. Dat is onder het 20-Hz-kantelpunt dat in de MD-versterker is ingebouwd, dus daar hebben we geen last van. Bij een MD-element ligt de frekwentie waar de ruis van het element wordt overstemd door de 1/f-ruis nog lager, ook dan zitten we dus goed. Blijft alleen nog de vraag over: wat doen we met de bandbreedte? Dat moeten we in de ruimste zin van het woord zien, want ook de RIAA-korrektie heeft met de versterkerbandbreedte van doen. Om de bandbreedte van de opamp echt zo klein mogelijk te houden, zouden we de hele RIAA-korrektie in de tegenkoppeling moeten opnemen. Alleen dan wordt niet meer (ruis) versterkt dan noodzakelijk. Maar er is ook nog de eis dat de bronimpedanties niet te groot mogen worden. Voor de tegenkoppeling betekent dit dat R4 (R15) vrij laagohmig moet worden gekozen (hier 200 Ω). Dat heeft tot gevolg dat het hoogdoorlaatfilter met een kantelfrekwentie van 20 Hz niet meer in de tegenkoppeling past. De daarvoor benodigde kapaciteit (40 p) is wel als (hele grote) foliekondensator verkrijgbaar (een elko is niet goed genoeg), maar we willen de print ook nog een normaal formaat geven. Dit filter valt dus af. Ook het laagdoorlaatfilter met het kantel-punt op 2122 Hz valt af, want een opamp die als niet-inverterende versterker wordt gebruikt versterkt minstens eenmaal. De benodigde verzwakking van de hoogste frekwenties is dus niet via de tegenkoppeling te realiseren. Blijven alleen nog de kantelpunten op 50 en 500 Hz over die wel in de tegenkoppeling onder te brengen zijn. Daarna volgt een passief filter voor de verzwakking van de hoge tonen. Na de tweede versterkertrap volgt dan eveneens een passief filter met een kantelfrekwentie van 20 Hz. Dat filter is opgebouwd met de uitgangskondensator van de MD-versterker en de ingangsimpedantie van de navolgende (voor)versterker, zodat we hier dus meerdere vliegen in een klap slaan.
Genoeg theorie
Dat een schakeling als deze kwaliteitsbewuste MD-voorversterker een uitgekiend print-ontwerp vereist, spreekt voor zich. Het belangrijkste kenmerk is wel de massa-baan die als een scheidslijn tussen het linker en rechter kanaal doorloopt. Verder is het ook mogelijk om de voeding van de rest van de print te scheiden. Dat voedingsgedeelte is overigens exklusief de transistoren Tl...T4 die zo dicht mogelijk bij IC1 en IC3 zijn gemonteerd. Door deze opzet kunt u ook heel goed reeds aanwezige voedingsspanningen benutten. De versterker werkt uitstekend met spanningen van ±7,5... ±20 V. Het is in alle gevallen verstandig om de nodige afstand te houden tussen de print en de voedingstrafo. Wanneer u de MD-versterker als zelfstandig apparaat bouwt (in een metalen kast), kunt u de trafo het beste in een eigen kastje een eindje verderop neerzetten. De verbindingskabels tussen de versterker en het element moeten zo kort mogelijk zijn. Inbouwen in de platenspeler is dan ook geen slecht idee. De print is niet zo gek groot, zodat deze inklusief blikken afscherming vast wel ergens onder te brengen is. Het bekomponeren van de print is een standaard-klusje, maar de schakeling verdient eersteklas soldeerwerk. De massa-baan moet u bovendien nog eens vertinnen. De print is weliswaar geheel vertind, maar dat is slechts een dunne laag. De enige lastige klanten bij het in elkaar zetten van de MD-versterker zijn C1, C2, C11 en C12 en hun rechter evenbeelden C14, C15, C23 en C24, vandaar ook de vermelding...
| R1,R12 | 47k5 1% metaalfilm |
| R2,R13 | 20 k 1% metaalfilm |
| R3,R14 | 2 k 1% metaalfilm |
| R4,R15 | 200 1% metaalfilm |
| R5,R6,R16,R17 | 4k7 (5% koolfilm) |
| R7,R8,R18,R19 | 10 k 1% metaalfilm |
| R9,R20 | 1k54 1% metaalfilm |
| R10,R21 | 274 1% metaalfilm |
| R11,R22 | 22 Ω (5% koolfilm) |
| C1,C14 | 100 p |
| C2,C15 | 150 n MKT * (uitzoeken) |
| C3,C6,C16,C19,C33,C37 | 47 µ/25 V radiaal |
| C4,C7,C17,C20,C27...C30,C32,C34,C36,C38 | 47 n keramisch |
| C5,C8,C12,013,C18,C21,C25,C26 | 22 µ/25 V tantaal |
| C9,C22 | 15n 1% Styroflex |
| C10,C23 | 100 n MKT |
| Cl1,C24 | 68 n MKT |
| C31,C35 | 470 µ/40 V radiaal |
| D1...D4 | 1N4001 |
| T1,T3 | BC550C |
| T2,T4 | BC560C |
| IC1,1C3 | LT1028CN8 (Linear Technology) |
| IC2,1C4 | LT1007CP (Linear Technology) |
| K1 ...K4 | vergulde cinch-chassisdelen |
| Met-adapter of trafo | 2 × 15 V/4,5 VA (bijv. Block type VR4,5/2/15) |
| EPS 900111 |
Figuur 5. Alle benodigde komponenten kunnen op dit kompakte printje worden gemonteerd. Alleen de nettra-fo wordt vanwege mogelijke bromproblemen elders ondergebracht.
* zie tekst
C1, R1, C14, R12: Deze komponenten zorgen voor een korrekte afsluiting van het MD-element. De juiste waarden vindt u in de dokumentatie van het element. Van de opgegeven afsluitkapaciteit moet u de kabelkapaciteit aftrekken om de juiste waarde voor C1 en C14 te krijgen. Ontbreken de gegevens over het afsluiten van het element, dan kunt u de waarden uit de onderdelenlijst aanhouden.
C2, C15: Het liefst hadden we voor deze kondensatoren 1%-Styroflex-typen ingezet, maar die zijn zo groot dat we de print een maat groter hadden moeten maken. We zijn daarom uitgeweken naar MKT-kondensatoren. Die moeten echter wel uitgezocht worden om de versterker nauwkeurig genoeg te krijgen. Eventueel kunt u twee kondensatoren uitzoeken en op de print monteren die samen 150 n ± 1% zijn. Soldeer niet te lang aan de uitgezochte exemplaren, want bij een te sterke verhitting verloopt de waarde van MKT's. C11, C10, C23, C24: Deze kondensatoren vormen samen met de ingangsimpedantie van de navolgende versterker het 20-Hz-hoogdoorlaatfilter. De juiste waarde is uit te rekenen met:
C1O + C11 = C23 + C24 = 1/(40πRi)
Doordat u twee kondensatoren op de print parallel kunt schakelen, zijn ook kromme waarden gemakkelijk samen te stellen.
Bij alle zojuist genoemde kondensatoren is het belangrijkste de gelijkheid tussen links en rechts. Wanneer u bijvoorbeeld twee kondensatoren vindt voor C2 en C15 die exakt gelijk zijn, dan hebben die de voorkeur boven twee waarden die dichter bij 150 n liggen. Deze gelijkheid is vooral goed voor het fasegedrag van de versterker(kanalen), hetgeen voor stereo-weergave van belang is. Uiteraard blijft wel gelden dat de waarden binnen 1% moeten liggen.
Rest alleen nog het aansluiten en genieten. Mocht u ruis horen, dan is die zonder twijfel afkomstig van de plaat.