Tutto su The Phono Preamp

Questo pezzo sui preamplificatori phono, che originariamente era apparso sul nostro precedente sito Web, è stato scritto sulla base delle mie esperienze personali con dischi grammofonici (fonografo) iniziati nel luglio 1969 (all’età di 14 anni) e dei miei successivi lavori con apparecchiature AV negli anni ’70 – alcuni piuttosto vecchi e contenenti valvole. Si basa anche sulla mia ricerca personale e sull’interesse immortale per la sperimentazione elettronica di riproduzione di dischi, iniziata nel 1975. Non mi scuso per questo articolo che non è in linea con gran parte di ciò che è attualmente compreso sull’equalizzazione dei dischi, in gran parte falso.
Graham Slee

Storia e necessità dell’equalizzazione

I preamplificatori phono sono stati in giro in una forma o nell’altra sin dai primi fonografi elettrici

La risposta della testina di taglio (in alto) è “equalizzata” (in basso) per produrre un’uscita quasi piatta – la limitazione è la gamma di amplificatori della testa di taglio.

Le prime cartucce pick-up elettriche per il mercato di massa erano in cristallo e ceramica: hanno funzionato secondo il principio piezoelettrico e si trovano ancora oggi su giradischi “nostalgia” a buon mercato. La loro uscita era abbastanza elevata da guidare direttamente l’ingresso (griglia) di una valvola dell’amplificatore del giradischi. Avevano un output ad ampiezza costante, quindi non avevano bisogno di compensazione della frequenza in aumento come le cartucce magnetiche a velocità costante di oggi.

Tuttavia, l’output di un record non è piatto. Se riprodotto da una perfetta cartuccia pickup ad ampiezza costante, l’output di un moderno disco in vinile (RIAA), tracciato graficamente, mostrerebbe un boost dei bassi inferiore a 50Hz, un taglio di gamma media a 500Hz, tornando a un livello superiore a 2122Hz – il tasso di boost e tagliare essendo 6dB / ottava. Questa uscita irregolare è dovuta all ‘”equalizzazione” richiesta dalla testa di taglio induttiva della macchina da taglio per dischi – senza la quale la sua uscita sarebbe semplicemente ridotta a una velocità costante di 6 dB / ottava – una pendenza verso il basso di 45 gradi se tracciata graficamente.

Non è stato possibile fornire una linearizzazione esatta perché la quantità di guadagno richiesta per equalizzare l’intervallo di frequenza ad alta fedeltà di 30Hz – 15kHz. Ciò richiederebbe una differenza di guadagno di 54dB tutta sua. Oggi 20Hz – 20kHz richiede una differenza di guadagno di 60 dB.

L’amplificatore della testa di taglio doveva anche avere qualcosa nell’ordine di almeno 40 dB rapporto segnale / rumore, oltre a un margine di 14 dB per i transitori – altri 54 dB, portando la gamma dinamica totale richiesta a 108 dB (114 dB secondo gli standard odierni). Tali gamme dinamiche erano difficili o impossibili da ottenere con gli amplificatori a valvole, ma anche se ciò fosse possibile, anche i livelli di distorsione erano piuttosto elevati (e lo stato solido non era ancora stato inventato).

La risposta è stata “piegare” la risposta e ciò ha prodotto la spinta e il taglio sopra descritti. Si è rasato di 14 dB dal requisito della gamma dinamica (20 dB per gli standard odierni). Un amplificatore con una gamma dinamica di 94 dB era più al passo con i tempi.

Il motivo per cui quelle frequenze particolari sono state scelte era più legato al mercato di massa e all’uso di cartucce piezoelettriche economiche con lettori di dischi a basso costo di qualsiasi altra preoccupazione. Le aziende che registravano il più delle volte, creavano e vendevano anche giradischi (HMV, Philips, RCA Victor, Decca, solo per citarne alcuni), ed era nel loro interesse far suonare bene quei dischi per l’acquirente.

I trasformatori di uscita delle valvole (e gli altoparlanti) economici non hanno avuto molta estensione dei bassi, quindi un po ‘di boost sotto i 50Hz è stato il benvenuto. Le cartucce pickup piezoelettriche risuonano facilmente a frequenze medio-alte, quindi la risposta a frequenza superiore accantonata ha contribuito a rendere il suono meno tenue. Sono stati aggiunti controlli di tono in modo che i record di altri produttori fossero riproducibili in modo accettabile. Tuttavia, se si riproducessero quei record utilizzando una cartuccia piezo accurata (e più costosa) con un amplificatore e un altoparlante ad alta fedeltà, la gamma media e gli acuti alti suonerebbero ovattati, inoltre il basso più basso avrebbe suonato sovraccarico.

Stadio di ingresso del tubo

Uno stadio di ingresso dell’amplificatore per valvole ad alta fedeltà dei primi anni ’50 mostra gli input per entrambe le cartucce magnetiche piezo (cristallo) e precoci (più costose).
(immagine tratta da Hi-Fi, PA, Guitar & Discotheque Amplifier Design Handbook; Babani Press, 1972)

È qui che il preamplificatore phono fa il suo debutto, intorno al 1948, nella fase di ingresso degli amplificatori a valvole ad alta fedeltà. Questi spesso avevano solo una valvola che soddisfaceva tutti gli ingressi e avevano un numero di potenziali reti divisorie disposte attorno ad essa, che potevano essere selezionate da un interruttore rotante per fornire il giusto guadagno per un particolare ingresso. Per l’ingresso del disco, la potenziale rete divisoria includeva circuiti di filtro resistore-condensatore (RC) che applicavano il boost opposto e tagliavano a quello del record, per fornire un’uscita piatta agli stadi successivi all’interno dell’amplificatore.

Porta via i componenti richiesti per gli altri ingressi e il resto dell’amplificatore e verrai lasciato con un preamplificatore phono. Mettilo in una scatola separata; aggiungere un alimentatore e sarebbe molto simile ai preamplificatori phono di oggi.

Prima del 1953, non esisteva uno standard ufficiale per la posizione delle frequenze “fold”. Ogni etichetta discografica che produceva e vendeva anche giradischi aveva una sua idea. All’alba del record LP 33,1 / 3 rpm nel 1948, l’americano NAB / NARTB e l’FFRR britannico (Decca) erano diventati i principali equalizzatori concorrenti. Differivano solo per le loro frequenze di “scaffalatura”, che erano rispettivamente 1592Hz e 3183Hz ().

Nel 1953 la Recording Industries Association of America (RIAA) si riunì e adottò quella che si riteneva fosse la preferenza della RCA per una “casa a metà strada” tra i punti di scaffalatura americani e britannici – la frequenza era 2122Hz. Da quel momento in poi, le case discografiche e i produttori di apparecchiature per la riproduzione di dischi sono stati invitati ad adottare quello che oggi conosciamo come standard RIAA.

I buoni amplificatori ad alta fedeltà prodotti negli anni ’50 e ’60 soddisfacevano tutti e tre gli equalizzatori mediante circuiti di filtro RC aggiuntivi, in modo da poter selezionare la diversa equalizzazione. Tuttavia, negli anni ’70 la RIAA era stata adottata universalmente dai produttori di amplificatori e gli attuali preamplificatori phono vengono spesso definiti preamplificatori RIAA a causa di questo standard di equalizzazione.

L’adozione del transistor al silicio rispetto alle valvole negli anni ’60 ha reso difficile l’uso delle cartucce piezoelettriche. Questo perché l’impedenza di ingresso di un amplificatore a transistor (circa 50k Ohm) era molto più bassa dell’impedenza di uscita di una cartuccia piezoelettrica (sopra 1 MegOhm) causando una distorsione dei bassi grossolana. Tuttavia, gli amplificatori hi-fi hanno continuato a soddisfare gli input del piezo-disco utilizzando uno dei numerosi metodi.

Un metodo piuttosto grezzo ma efficace era quello di aggiungere un singolo stadio a transistor a basso rumore prima del corretto ingresso dell’amplificatore a stato solido. Potrebbe funzionare con una semplice batteria a celle E da 9 volt se, come me, volessi realizzare un’unità fai-da-te aggiuntiva, usando il transistor come un comune amplificatore di terra virtuale con emettitore. Il suo resistore di ingresso in serie sarebbe nell’ordine di 1 MegOhm o superiore per adattarsi alla cartuccia piezoelettrica e, per compensare lo shelving down dell’EQ record, sarebbe bypassato da qualcosa come un condensatore da 220pf. La capacità di ingresso del transistor si è occupata dell’altra estremità dello “scaffale”.

Spesso questi erano sintonizzati da un orecchio per produrre un suono particolare e non erano molto precisi. Valori diversi sono stati offerti per diverse cartucce piezoelettriche e ricordo un articolo Disco DIY di AC Ainslie e Clive Toms (li conoscevo con i loro veri nomi) in Practical Wireless nel 1975, che illustrava alcuni di questi “preamplificatori phono” aggiuntivi .

The End For Vinyl – the Beginning For The Phono Preamp

Gli amplificatori stereo a stato solido dalla fine degli anni ’60 fino alla metà degli anni ’80 sono stati dotati di ingressi per dischi magnetici e al loro interno includevano lo stadio di equalizzazione e l’amplificazione necessari per abbinare gli altri ingressi approvati, come nastro e sintonizzatore radio, e infine il compact disc .

Nella fretta del nuovo compact disc (CD), il disco LP divenne presto così raro che la maggior parte dei produttori di amplificatori smise semplicemente di fornire un ingresso disco.

Nel 1990 il disco dell’LP era visto come uno scherzo da alcuni. Tuttavia, un piccolo numero di devoti del vinile si è aggrappato al vinile come principale fonte di ascolto. Ha creato un mercato di nicchia per tutto ciò che riguarda il vinile, e alcuni di noi hanno deciso di far mancare il pezzo di elettronica alla maggior parte degli amplificatori moderni, come una scatola aggiuntiva. Da quel momento in poi, il preamplificatore phono è diventato un apparecchio a sé stante.

The Moving Coil Fad

Prima del lancio del CD nel 1983, ricordo la crescente popolarità delle cartucce a bobina mobile come “soluzione finale per l’alta fedeltà”. La bobina mobile non era una novità: la cartuccia stereo a bobina mobile era stata inventata da Blumlein e utilizzata da EMI nel 1933 (New Scientist, 12 gennaio 1978). Fu brevettato nel 1935. Nel 1962 Joseph F Grado brevettò con successo miglioramenti alla “tecnica nota”

Sebbene si potessero ottenere risultati eccellenti da cartucce magnetiche mobili molto più economiche, dalla metà alla fine degli anni ’90 la maggior parte dei devoti vinilici era convinta della “superiorità” della bobina mobile. Sfortunatamente, a causa delle spese sostenute sia per il costo di acquisto di una cartuccia a bobina mobile, sia per l’acquisto di un preamplificatore phono adatto a loro, poche persone potevano permettersi di suonare il vinile, e divenne una sorta di affermazione sullo stile di vita di un uomo ricco.

Immagine presa dalla rivista New Scientist, il 12 gennaio 1978

Il preamplificatore phono di The Common Man

Uno o due imprenditori sono intervenuti per “aiutare” quelli con un reddito più scarso e una nuova generazione di preamplificatori phono a basso costo (a buon mercato) è entrata nel mercato intorno al 1996. Alcuni di questi erano basati sullo stadio a due transistor menzionato in precedenza in questo testo, e alcuni erano basati su amplificatori operazionali abbastanza economici e con prestazioni limitate.

Nel 1979 ho trascorso parecchio tempo cercando di sviluppare un preamplificatore e un amplificatore di potenza, che intendevo provare a commercializzare. Gli ingressi a livello di linea erano dell’ordine di 250 – 500 mV, provenienti da sintonizzatori radio e nastro (o cassetta compatta), e gli amplificatori di potenza potevano essere resi abbastanza sensibili in modo tale che il preamplificatore non necessitasse di alcuna amplificazione per loro – potrebbe essere un ” preamplificatore passivo “.

Il vero sforzo era necessario per l’ingresso del disco, quindi la maggior parte del circuito riguardava il preamplificatore phono.

Gli amplificatori operazionali di qualità audio (op-amp) erano all’orizzonte ma non erano proprio in “circolazione”, quindi ho fatto molta sperimentazione usando transistor discreti. Di gran lunga il miglior progetto dal suono (per i miei orecchi) era la semplice configurazione a “transistor accoppiato a due transistor”, che utilizzava l’equalizzazione RIAA con feedback negativo. Una delle cose che ho notato è stata la messa in scena del suono molto convincente.

Il primo stadio phono?

Se avessi avuto successo nella mia impresa, quel preamplificatore avrebbe potuto essere “il primo stadio phono”. Avrebbe avuto la caratteristica aggiuntiva di un “preamplificatore passivo” (input di linea). Tuttavia, la vita ha preso una strada diversa che mi ha portato nell’industria dei circuiti stampati, quindi nell’industria dell’audio broadcast, e mi ha buttato indietro appena in tempo per vedere il ritorno del vinile dopo la sua devastazione da CD.

Durante la trasmissione dell’audio sono stato chiamato a progettare un preamplificatore phono da abbinare a una vasta gamma di apparecchiature radio da studio. Anche se ha funzionato, il brief di progettazione era piuttosto singolare, richiedendo il routing dell’audio insieme alla sua alimentazione DC e attraverso la sua custodia di alimentazione remota! Inutile dire che la BBC lo ha respinto. La qualità del suono non era affatto buona – sebbene misurabile fosse davvero piuttosto buona.

Ho deciso di rimodellarlo a casa. Aveva usato l’equalizzazione passiva che era molto in voga nell’hi-fi e, anche dopo aver eliminato la strana disposizione dell’alimentazione, e dopo numerosi rifacimenti del circuito, avevo ancora l’impulso di giocherellare (un sintomo simile a “upgradeite” che così spesso disturba i clienti hi-fi).

Alla fine ho gettato la cosa nella spazzatura. Il mio prossimo progetto di palco phono fai-da-te era un disegno sperimentale bilanciato in input che utilizzava l’equalizzazione attiva e suonava molto meglio. Tornando al cablaggio standard del braccio è diventato un preamplificatore phono attivo “tipico”, e non avevo alcuna inclinazione a manometterlo, o addirittura usare qualsiasi altra cosa fino a quando non ho avviato questa società.

MM e MC Don’t Mix!

Le cartucce a magnete mobile e a bobina mobile hanno due cose in comune: sono entrambe magnetiche dando origine alle loro uscite a velocità costante (aumentando con frequenza) e possono entrambe essere utilizzate per riprodurre dischi. Dopodiché tutte le somiglianze finiscono.

Ci sono un certo numero di preamplificatori phono disponibili che affermano di fare entrambe le cose, e affermano anche di essere ad alta fedeltà. Per i non addetti ai lavori che possono sembrare OK, ma per un esperto progettista di circuiti elettronici di anni avanzati (come me), rivendicare un’alta fedeltà per entrambi è discutibile. Se il preamplificatore phono dovesse usare circuiti separati per ciascuna cartuccia, allora potrei essere d’accordo. Il tipo di circuito che altera semplicemente il suo guadagno di tensione con un interruttore non può fare entrambe le cose.

Lasciando la bobina mobile ad alto rendimento su un lato, la cartuccia convenzionale a bobina mobile ha scarso rendimento. L’output è misurato in micro volt ed è circa un decimo dell’output di un magnete mobile (che viene misurato in milli volt). La bobina mobile con uscita più bassa che ho incontrato ha appena 100uV (0.1mV). L’uscita viene misurata a una frequenza centrale standardizzata di 1kHz perché, a causa della caratteristica di velocità costante comune a tutte le cartucce magnetiche, l’uscita su altre frequenze sarà diversa.

A 20Hz durante la riproduzione di un disco RIAA la sua uscita sarà di un decimo di 100uV, che è 10uV (0,01mV). Per prevenire il rumore del circuito, che è principalmente una funzione del transistor al silicio che verrà utilizzato per amplificare il segnale, “salendo” per incontrare quel piccolo segnale da 10uV; l’amplificatore deve essere estremamente silenzioso. Per ottenere quel basso rumore, la transconduttanza dell’amplificatore deve essere davvero molto alta. Questo è il motivo per cui non è possibile utilizzare le valvole per amplificare direttamente una cartuccia a bobina mobile: la loro transconduttanza è troppo bassa. Inoltre, la maggior parte del rumore dell’amplificatore al silicio 1 / f tende ad aumentare a frequenze inferiori a 100Hz. Presenta una grave difficoltà che è difficile superare se l’amplificatore utilizza circuiti a transistor discreti o amplificatori operazionali.

Un altro problema per la bobina mobile a bassa potenza è che l’elevata transconduttanza equivale a una piccola velocità di risposta e una larghezza di banda ridotta. Nell’audio ad alta fedeltà, una velocità di risposta inferiore a 4 V / u provoca una distorsione di intermodulazione molto transitoria – diventa udibile.

Il numero di opzioni aperte al progettista di circuiti audio sono davvero poche. Aggiungete a ciò i requisiti internazionali in materia di immunità alle fonti di rumore spurie (i telefoni cellulari sono i peggiori colpevoli domestici) per conformarsi a EMC (che è obbligatorio), e forse ci sono solo uno o due amplificatori operazionali che “raschiano a casa”. Dimentica i circuiti discreti: saranno completamente aperti alle interferenze di oggi.

Avendo avuto successo nell’implementazione della pre-amplificazione a stato solido per bobina mobile a bassa uscita utilizzando uno dei metodi piuttosto limitati, è possibile utilizzare lo stesso stadio di ingresso per il magnete mobile? La risposta breve è no.

Mentre l’uscita dalla bobina mobile è sufficientemente bassa da non superare la regione di ingresso lineare di un transistor bipolare al silicio (il tipo che ha la massima transconduttanza – discreta o all’interno di un amplificatore operazionale), l’uscita da una cartuccia a magnete mobile può facilmente superare esso. Ricorda, tutte le cartucce magnetiche hanno una velocità costante e a 20kHz (percussioni e armoniche elevate) l’uscita di una cartuccia magnetica mobile da 5mV a 1kHz sarà di 50mV. Il segnale da picco a picco che l’ingresso vede è quasi tre volte quella dimensione e 150mV è oltre il doppio della regione lineare del dispositivo. Il risultato è una distorsione incurabile, ma poiché la distorsione si aggiunge semplicemente ai suoni di percussione e alle armoniche, alcuni come il suono – ma non è quasi ad alta fedeltà.

Una cartuccia a magnete mobile richiede quindi un circuito di ingresso diverso. I transistor bipolari al silicio possono ancora essere utilizzati, ma con degenerazione dell’emettitore, che riduce la transconduttanza e “allunga” la linearità di ingresso. Gli ingressi J-FET funzionano in modo simile. Il rumore è meno preoccupante e la bassa transconduttanza consente anche alle valvole di svolgere il lavoro. Nel caso dell’EQ attivo, in cui il guadagno dello stadio include l’equalizzazione, il guadagno in commutazione invia la risposta in frequenza fuori target – un altro motivo per cui un preamplificatore phono MM / MC “tutto in uno” commutato con guadagno è una scelta sbagliata .

La scelta migliore per la bobina mobile a bassa potenza è un trasformatore step-up (SUT) usato in combinazione con un preamplificatore phono dedicato alla sensibilità del magnete mobile – che sia o che usi una versione elettronica del SUT, come l’ amplificatore step-up Elevator EXP . Un’altra scelta sarebbe un preamplificatore phono MC dedicato, che fa solo bobina mobile a bassa uscita.

Conclusione

È stato un lungo viaggio da quando il mio interesse per il vinile è stato acceso nel luglio 1969. Lungo la strada ho scoperto molto, ed è sempre stata mia intenzione condividere le mie scoperte per aiutare il devoto del vinile a capire e trarre più piacere dalla musica da l’umile disco in vinile.

Per alcuni, il vinile è l’apice di fatto della musica “hi-res”. A mio avviso, offre semplicemente un’alternativa al digitale ed è buono avere ancora il vinile in giro come confronto. Entrambi hanno dei limiti: hanno sia punti positivi che negativi, e alcuni di noi sono felici di realizzarlo e di divertirsi con la musica. Altri amano trascorrere le loro vite combattendo con altri come il moderno “Alf Garnetts” (“Archie Bunker” negli Stati Uniti).

Qualunque sia la tua scelta di “software”, che si tratti del disco in vinile (o persino della gommalacca 78), del compact disc o della musica digitalizzata da un computer o da uno smartphone, spero che risparmierai il pensiero occasionale per coloro che lo hanno fatto accadere.

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