MC-voorversterker
De "analoge platenspeler" (zoals hij tegenwoordig wordt genoemd) heeft flinke klappen te verduren gekregen van zijn machtige digitale opponent. De zwarte vinyl plaat stribbelt echter langer tegen dan velen voor mogelijk hadden gehouden. Gerenommeerde fabrikanten als Thorens, Dual en Linn gaan zelfs vrolijk door met het uitbrengen van nieuwe draaitafels. Zolang dat duurt, blijft er uiteraard ook behoefte aan speciale voorversterkers. En dan met name aan een voorversterker als deze, die helemaal op maat gesneden is voor de verwerking van signalen van hoogwaardige moving-coil pick-up-elementen.
| ingangsgevoeligheid | 0,25 mV |
| ingangsimpedantie | 100 Ω |
| uitgangsspanning | 200 mV |
| afsluitimpedantie | > 2 kΩ |
| signaal/ruis-afstand | 75 dB (A-gewogen) |
| nauwkeurigheid RIAA-kurve | ±0,1 dB |
| vervorming | < 0,006 % |
| voedingsspanning | 2 × 15 V |
| stroomopname | ca. 24 mA |
Het is waarschijnlijk nog net niet zo ver dat er al lezers zijn die zich afvragen wat een "MC-voorversterker" in vredesnaam voor een ding is. Wel valt het gevoeglijk aan te nemen dat er inmiddels lieden zijn die bij het lezen van de titel boven dit artikel binnensmonds zullen mompelen "of dat nou nog wel zo nodig is in deze tijd".
Zo ver is het dus al. Alom hebben fraai gekonstrueerde pick-up-armen en -elementen het veld moeten ruimen voor laser-aftasters en hebben kille digitale bits de plaats ingenomen van de zwierige welvingen in het vertrouwde vinyl. Vooruitgang of verloedering? We mengen ons maar niet in deze diskussie die al jaren woedt en hoogstwaarschijnlijk nog wel enige tijd voort zal duren. Voor- en tegenstanders van beide systemen gebruiken niet langer technische argumenten om elkaar mee om de oren te slaan. Er is eerder sprake van een soort psychologische oorlogsvoering, waarbij beide partijen zich hebben teruggetrokken in de loopgraven, alwaar ze naar onze verwachting nog geruime tijd zullen blijven.
Enfin, we gaan er maar niet verder op in, zoals we al zeiden. Waar we wel op in gaan, is de vraag of het nog zin heeft om anno 1991 een bouwontwerp voor een nieuwe MC-voorversterker te publiceren. Die vraag valt kort en krachtig met "ja" te beantwoorden. Waarom? Wel, los van het feit dat we regelmatig verzoeken om een dergelijk schakeling krijgen, zijn er twee duidelijke argumenten aan te voeren.
In de eerste plaats is er sprake van een groot aantal muziekminnaars - deels zeer kwaliteitsbewust - die in de loop der jaren een uitgebreide platenkollektie hebben opgebouwd. Zoiets wordt niet plotsklaps afgedankt. Zij blijven dus nog lang behoefte hebben aan goede afspeelapparatuur.
Dan is er het simpele feit dat - zoals we in de aanhef al zeiden - de grammofoonplaat nog steeds niet "dood" is. De zwarte schijven zijn nog steeds te krijgen en er verschijnen nog regelmatig nieuwe modellen draaitafels en elementen op de markt. De weergavekwaliteit van het systeem is natuurlijk nog onverminderd goed; daar heeft de komst van de CD niets aan veranderd. Het feit dat er bovendien een behoorlijk uitgebreide club van vinyl-adepten is die niets willen weten van de CD en van mening zijn dat de analoge plaat gehoormatig veruit superieur is aan zijn digitale konkurrent, kan nog als derde argument gelden om een schakeling als deze anno 1991 te publiceren.
Kwaliteit
Uit het bovenstaande blijkt eigenlijk al dat diegenen die nu nog regelmatig grammofoonplaten draaien, de weergavekwaliteit hoog in het vaandel hebben staan. Zij hebben dus geen behoefte aan een voorversterkertje "dat het wel redelijk doet"; maar zijn alleen gebaat bij een echt hoogwaardig stukje elektronica.
De verzoeken die wij van verschillende lezers ontvingen, wezen ook duidelijk in die richting. Men wilde een "state of the art"-ontwerp, men wilde een ontwerp dat het beste vertegenwoordigde dat met enigszins "normale" middelen haalbaar was.
Gesprekken met toekomstige nabouwers c.q. gebruikers brachten trouwens nog een paar nuttige zaken aan het licht. De voornaamste daarvan was dat een mogelijke nieuwe voorversterker toegesneden diende te worden op het gebruik van moving-coil elementen, want op serieus nivo worden nog maar heel weinig MD-elementen gebruikt. De strijd "MD versus MC" is op de valreep dus duidelijk in het voordeel van de laatste beslist. Voorts bleek het alom als zeer wenselijk te worden beschouwd om niet afhankelijk te zijn van een al dan niet aanwezige RIAA-korrektieversterker in de bestaande installatie; de voorkeur ging duidelijk uit naar een MC-voorversterker die de uitgangsspanning van het element in een keer optilde naar lijn-nivo.
Met het idee in het achterhoofd dat dit misschien wel de allerlaatste MC-voorversterker zou worden met het stempel "Elektuur", hebben we ons met meer dan normale aandacht over bovengenoemde eisen gebogen.
Opzet
Een "state of the art"-ontwerp is maar hoogstzelden simpel en nagenoeg nooit goedkoop. Hoge kwaliteitseisen vragen nu eenmaal om een uitgekiende opzet, kostbare halfgeleiders en dito passieve komponenten. We hebben dan ook maar niet geprobeerd om op dat laatste te beknibbelen. Natuurlijk moet je toch ergens een grens trekken, anders rijst het ontwerp echt de pan uit en is er ook geen sprake meer van "enigszins normale middelen", zoals hierboven reeds zo treffend werd vermeld.
Laten we even inventariseren wat de belangrijkste taken zijn van een goede MC-voorversterker. In wezen gaat het om drie dingen:
- Er dient een frekwentiekorrektie plaats te vinden volgens de RIAA-norm.
- Er is flink wat spanningsversterking nodig.
- In verband met de lage signaalnivo's dient de versterker een zeer geringe ruisbijdrage te leveren.
De opnamekarakteristiek van figuur 1 illustreert dat. Tussen 500 Hz en 2120 Hz loopt de kurve vlak. Onder 500 Hz wordt er met 6 dB/okt. verzwakt en boven 2120 Hz met 6 dB/okt. versterkt. Niet zichtbaar in figuur 1 is dat voorts de IEC-norm voorschrijft dat onder 20 Hz het snijsignaal weer met 6 dB/okt. wordt versterkt, zulks om nadelige effekten van rumble-filters aan de weergave-kant te elimineren.
Figuur 1. De RIAA-korrektie houdt in dat bij het snijden van een grammofoonplaat de lage tonen worden verzwakt en de hoge tonen worden versterkt. Bij weergave dient dus een omgekeerde korrektie plaats te vinden. De vetgedrukte lijn vormt de theoretische snijkurve.
Het behoeft geen nader betoog dat een van de voornaamste taken van onze MC-voorversterker dus is om de RIAA-korrektie weer tot een rechte kurve te herleiden. Dat vraagt om een nauwkeurige filtering volgens de in figuur 1 aangegeven "weergave-karakteristiek". Die filtering vormt dan ook een in het oog springend onderdeel van het in figuur 2 afgebeelde blokschema.
Hoewel de kombinatie "versterkertrap plus passief filter" in principe ook denkbaar is, zijn de nadelen hiervan (oversturing, ruis) dusdanig, dat wij toch maar voor de gebruikelijke aktieve filtering hebben gekozen. Alleen de volgens IEC benodigde hoogdoorlaat-korrektie onder 20 Hz gebeurt passief. Waarom bevat figuur 2 zo veel blokjes? Als we uitsluitend te maken hadden met frekwentiekorrektie, dan zou het inderdaad een stuk simpeler kunnen. Dan hadden we genoeg aan een opamp met een uitgekiend netwerk in de tegenkoppeling. Zo eenvoudig ligt het helaas niet. Aangezien we signaaltjes van ca. 0,25 mV (doorsnee spanningsafgifte van MC-elementen) tot lijn-nivo moeten opkrikken, hebben we een spanningsversterking van ongeveer 800 × nodig. Dat vraagt al meteen om een tweede versterkertrap, waarbij het niet meer dan logisch is om de korrektienetwerken over beide trappen te verdelen.
Figuur 2. het blokschema van de MC-voorversterker toont een passief filter, ingeklemd tussen twee frekwentiegekorrigeerde versterkertrappen. De eerste daarvan is voorzien van een speciaal low-noise ingangsgedeelte.
Als twee versterkertrappen (lees: opamps) voldoende zijn, waarom is er dan nog een extra ingangstrap toegevoegd? Wel, die moet u zien als een soort "leesbril", die tot taak heeft om het ruisgedrag van de voorversterker verder te verbeteren. Hiermee zijn dus alle drie voornoemde eigenschappen van onze voorversterker - te weten frekwentiekorrektie, versterking en ruisgedrag - aan bod geweest.
Nog even een hint voor hen die menen dat de filterkurves in het blokschema niet kloppen met de weergavekurve in figuur 1: bedenk dat deze netwerken zich in de tegenkoppeling bevinden en dat het feitelijke uitgangssignaal dus een spiegelbeeldig verloop zal laten zien!
Figuur 3. Voor de praktische uitwerking van het blokschema is de hulp ingeroepen van twee opamps en een dubbeltransistor. Stroombronnen zorgen voor een uiterst stabiele instelling van de ingangstrap.
Schema
In het principeschema van figuur 3 valt de blokschematische opzet vrij snel te herkennen.
De "leesbril" wordt gevormd door verschil-versterker T1, waarvoor een bijzonder ruisarme dubbeltor van het type MAT03 werd ge bruikt. Bij zeer lage signaalnivo's heeft deze FNF-er zelfs nog een iets beter ruisgedrag dan zijn gereputeerde NPN-broertje, de MAT02. De aanwezigheid van T1 heeft bovendien als direkt voordeel dat voor IC1 en 1C2 geen exotische opamps hoefden te worden toegepast, omdat hun ruisgedrag er nu een stuk minder toe doet.
T1 vormt dus samen met IC1 de eerste versterkertrap. In het terugkoppelnetwerk van deze trap, dat zich bevindt tussen de uitgang van IC1 en de emitters van Tla en Tlb, zijn de twee eerste punten van de RIAA-korrektie verwerkt. C2 ...C7 en R3 ... R6 dienen zeer nauwkeurig te worden bemeten - we komen daar nog op terug.
Zoals het blokschema al illustreerde, is het 20-Hz-filter passief uitgevoerd. Die taak nemen C9 en R17 voor hun rekening. Met de in het schema aangegeven waarden ligt het kantelpunt van dit netwerk op exakt 20,037 Hz.
Dan volgt de tweede versterkertrap (IC2), waarbij het terugkoppelnetwerk C10/R18 zorgt voor het kantelpunt op 2120 Hz. De theoretische afwijking van dit punt bedraagt bij de aangegeven waarden slechts 0,05 %. Op de print is de mogelijkheid geopend om C10 eventueel samen te stellen uit twee MKT's, zulks als de opgegeven 1%-Styroflex moeilijk te krijgen mocht zijn.
Het allerlaatste onderdeel van de schakeling, R19, lijkt onbelangrijk, maar is dat niet. Deze uitgangsweerstand verhindert namelijk mogelijke instabiliteit bij een zeer kapacitieve belasting. Dat laatste zou bijvoorbeeld kunnen worden veroorzaakt door te lange aansluitdraden.
Onder in figuur 3 zien we de symmetrische 15-V-voeding voor de MC-voorversterker. Deze is heel simpel gehouden en bestaat uit niet meer dan een bruggelijkrichter, een stel elko's en twee driebenige regelaars. Extra keramische kondensatoren verbeteren het HF-gedrag van de elko's, terwijl ook aan de gelijkrichtdioden kleine kondensatortjes parallel geschakeld zijn. Dit laatste elimineert mogelijke ratel-effekten. Via K2 en K3 wordt de voedingsspanning doorgelust naar de voorversterkers voor het linker en rechter kanaal.
Symmetrische ingang
Verreweg het interessantste deel van de MC-voorversterker is natuurlijk de ingangstrap. Deze is voorzien van een symmetrische ingang en is bovendien zodanig opgezet dat het MC-element DC kan worden gekoppeld. Hier dus geen hinderlijk grote ingangskondensator, zoals bij de meeste MC-preamps het geval is!
Een en ander hield wel in dat de verschil-versterker zeer nauwkeurig en zorgvuldig moest worden opgezet. Dat blijkt al uit het feit dat in de voedingslijnen nog eens extra filters werden opgenomen (T4 en T5 plus aanhang), teneinde de voedingsrimpel tot een absoluut minimum te reduceren. Voor een stabiele gelijkspanningsinstelling van T1 is uiteraard de hulp ingeroepen van een stroombron (T2). Deze betrekt zijn referentiespanning van LED D1 en de stroom door die LED wordt op zijn beurt konstant gehouden door een tweede stroombron (T3). U merkt dat we niets aan het toeval hebben overgelaten.
De symmetrische ingang hield in dat ook de terugkoppeling van de ingangstrap symmetrisch diende te zijn. Voor een goede common-mode onderdrukking is derhalve een absolute gelijkloop vereist van de twee netwerk-sekties C2,C3,C4,R3,R5 en C5,C6,C7,R4,R6. Dat betekent dat men de kondensatoren nauwkeurig op 1 % zal moeten uitselekteren. De theoretische totaalwaarde van elk parallel geschakeld trio bedraagt 955,3 nF.
Om ervoor te zorgen dat de schakeling zich zuiver symmetrisch instelt, is het noodzakelijk dat de uitgang op exakt 0 V wordt afgeregeld. Daartoe is een DC-instelling toegevoegd, bestaande uit R13, R14 en P1. Als die afregeling (na inachtneming van een korte opwarmtijd) nauwkeurig is gebeurd en men zich strikt heeft gehouden aan de opgegeven onderdelenwaarden, dan zal ook de DC-offset aan de ingang nul zijn. Bij gelijke komponentenwaarden in de beide terugkoppelsekties zullen namelijk de emitterpotentialen van T1a en T1b precies gelijk zijn. Aangezien deze transistoren gepaard zijn, zullen ook de bias-stromen van de ingangen identiek zijn, evenals de spanningsval over R1 en R2. Er ontstaat dus geen spanningsval over de ingangsklemmen en er kan nooit of te nimmer gelijkstroom lopen door het aangesloten pick-up-element.
Bouw
Figuur 4 toont de print die we voor de MC-voorversterker hebben ontworpen. li ij bestaat uit drie delen, te weten linker kanaal, rechter kanaal en voeding, welke al dan niet met de figuurzaag van elkaar kunnen worden gescheiden. De gestabiliseerde symmetrische 15-V-spanning is op de print nog niet doorverbonden, dus dat dient sowieso met kabeltjes te gebeuren; de desbetreffende aansluitpunten zijn van een duidelijke markering voorzien.
Figuur 4. De print kan met de zaag in drie delen worden gescheiden: twee voorversterkers (voor links en rechts) en een voedingsgedeelte.
| R1,R2 | 56Ω2 0,1% |
| R3,R4 | 3k00 1% (eventueel uitmeten) |
| R5,R6 | 332 Ω 0,1% |
| R7 | 6Ω04 1% |
| R8 ... R11 | 4 × 1k54 0,1% |
| R12 | 1k24 1% |
| R13,R14 | 22Ω1 1% |
| R15 | 249 Ω 1% |
| R16 | 1k2 |
| R17 | 1k69 1% |
| R18 | 14k7 1% |
| R19 | 22 Ω |
| R20,R21 | 5k6 |
| R22 | 12 k |
| P1 | 100-Ω-instelpotmeter |
| C1 | 270 p 1% styroflex |
| C2,C3,C5,C6 | 4 x 470 n MKT/MKP (bijv. Wima MKP-4/ 16O V 5%) |
| C4,C7 | 15 n 1% styroflex |
| C8 | 1n5 1% styroflex |
| C9 | 4µ7 MKT/MKP (bijv. Wima MKP-4/ 160 V/5%) |
| C10 | 5n1 1% styroflex |
| C11 | 100 µ/10 V radiaal |
| C12,C14,C16 | 47 n ker. |
| C13,C15 | 22 0/25 V tantaal |
| C17,C18 | 47 µ/25 V tantaal |
| C19,C20 | 100 n |
| Dl | LED rood |
| T1 | MAT03 |
| T2,T5 | BC560C |
| T3 | BF256A |
| T4 | BC550C |
| IC1,IC2 | OP27 |
| C21...C24,C26,C28,C30,C32 | 47 n ker. |
| C25,C29 | 470 µ/40 V radiaal |
| C27,C31 | 47 µ/25 V radiaal |
| D2...D5 | 1N4001 |
| IC3 | 7815 |
| IC4 | 7915 |
| K1,K2,K3 | 3 × 3-polige printkroonsteen, steek 5 mm |
| EPS 910016 |
De print is kompakt en overzichtelijk opgezet. Als de opbouw met de nodige zorg wordt uitgevoerd, voorzien wij geen problemen van betekenis. Over het belang van het selekteren van C2. C4 en C5. C7 hebben we het al gehad, evenals over de mogelijkheid om C10 uit twee afzonderlijke kondensatoren samen te stellen. Nog een vermeldenswaardig detail is dat op de print de mogelijkheid bestaat om voor C2, C3, C5, C6 en C9 zowel polyester(MKT)-kondensatoren te monteren als de iets grotere polypropyleen(MKP-typen; dit speciaal voor diegenen die alleen tevreden zijn met het allerbeste.
Het "inkasten" en de mechanische afwerking laten we graag aan de aspirant-nabouwers zelf over. Daarbij kunnen namelijk allerlei specifieke eisen een rol spelen. Als er voldoende ruimte voorhanden is, valt het te overwegen om de voorversterker in te bouwen in de platenspeler. Universeler van karakter is natuurlijk een aparte (metalen) behuizing. In beide gevallen is het zeer aan te bevelen om het geheel te voeden met behulp van een losse AC-adapter, zodat de voorversterker gevrijwaard blijft van storende brom-instraling.
De symmetrische ingang kan bij aansluiting van sommige platenspelers problemen geven. Wanneer deze zijn uitgerust met een asymmetrische uitgang, zijn de signaalretour- en massa-aansluiting meestal aan elkaar geknoopt. En voor ons doel dienen die juist afzonderlijk aan de ingang van de voorversterker te worden toegevoerd. Doorgaans valt die platenspeler-kabel echter wel aan te passen, want in de bedrading die door de arm naar het element loopt, zijn de signaal-retour-aansluitingen wel degelijk gescheiden van de massa.
Het beste is om de platenspeler te voorzien van aparte twee-aderige afgeschermde kabels voor het linker en rechter kanaal. De MC-voorversterker kan dan per kanaal worden uitgerust met twee cinch-ingangsbussen, waarvan de middenpennen voor resp. de "+" en de "-" signaal-ader worden gebruikt. De buitenmantels van de cinch-bussen kunnen als gezamenlijke massa-aansluiting dienst doen. Bij ons prototype hebben we dat ook gedaan en dit systeem bleek in de praktijk uitstekend te voldoen. De uitgang is "gewoon" asymmetrisch, dus daar kan worden volstaan met een cinch-bus per kanaal.
Figuur 5. De afwijking t.o.v. de theoretische RIAA-IEC-kurve (a) en de harmonische vervorming bij 1 kHz en nominale uitgangsspanning (b), beide gemeten met een Audio Precision System One analyzer.