Úvod

Po sérii  článků zaměřených na koncové stupně a korekční zesilovače té nejvyšší kvality, přichází na řadu se poohlédnout po předzesilovačích a jak jinak než s naprosto špičkovými vlastnostmi.

Všechny zapojení Topologie Federmann vzešly z dlouholetého vývoje zaměřeného na a výzkum vysoko věrnostních ultra lineárních analogových zesilovačů a vyznačují se těmi nejlepšími vlastnostmi, které lze dosáhnout jen za cenu velmi silné celkové ZV a 40dB rezervy zisku na 100kHz.

Popis zapojení +20dB

Symetrický předzesilovač HQQF-55-556LN je navržen se čtveřicí speciálních OZ. Každý vstup má svůj nezávislý OZ s nastaveným zesílením 20dB.

Mezi ZV obou vstupních OZ je vytvořená umělá zem pro oba vstupy. Následuje rozdílový zesilovač, který převádí symetrické napatí na nesymetrické. Celkové zesílení je +20dB s šířkou pásma 4MHz.

Šumové vlastnosti zapojení +20dB

Na následujícím grafu vidíme šumové vlastnosti symetrického předzesilovače HQQF-55-556LN. Šumové napětí 20Hz ÷ 20kHz dosahuje ke 4µV.

Při typickém linkovém napětí +6dB na výstupu, je celkový poměr signál šum při vstupním napětí 155mV vynikajících 112dB, což odpovídá vstupnímu napětí v celém akustickém pásmu pouhých 2,8nV!

Rezerva zisku zapojení +20dB

Jak se vyvíjela Topologie Federmann vzešlo z dlouholetého vývoje zaměřeného na a výzkum vysoko věrnostních ultra lineárních analogových zesilovačů nutnost dostatečné rezervy zisku.

Rezerva zisku u vstupních OZ je při 100kHz více jak +32dB a u OZ výstupního více jak +52dB, Při kmitočtu 1kHz je to o dalších 40dB více, čímž je zaručeno téměř neměřitelné zkreslení.

Popis zapojení +40dB

Je použito totéž zapojení jako pro zesílení +20dB, symetrický předzesilovač HQQF-55-556LN je navržen se čtveřicí speciálních OZ. Každý vstup má svůj nezávislý OZ s nastaveným zesílením 20dB.

Mezi ZV obou vstupních OZ je vytvořená umělá zem pro oba vstupy. Následuje rozdílový zesilovač, který převádí symetrické napatí na nesymetrické se zesílením dalších +20dB. Celkové zesílení je +40dB s šířkou pásma 2MHz.

Šumové vlastnosti zapojení +40dB

Na následujícím grafu vidíme šumové vlastnosti symetrického předzesilovače HQQF-55-556LN se ziskem +40dB. Šumové napětí 20Hz ÷ 20kHz dosahuje ke 40µV.

Při typickém linkovém napětí +6dB na výstupu, je celkový poměr signál šum při vstupním napětí 15,5mV vynikajících 92dB, což odpovídá vstupnímu napětí v celém akustickém pásmu pouhých 2,7nV!

Rezerva zisku zapojení +40dB

Jak se vyvíjela Topologie Federmann vzešlo z dlouholetého vývoje zaměřeného na a výzkum vysoko věrnostních ultra lineárních analogových zesilovačů nutnost dostatečné rezervy zisku.

Rezerva zisku u vstupních OZ je při 100kHz více jak +32dB a u OZ výstupního více nyní rovněž +32dB, Při kmitočtu 1kHz je to o dalších 40dB více, čímž je zaručeno téměř neměřitelné zkreslení.

Závěr

Závěrem je nutno napsat, že jde obvodově o dosažitelný strop, neboť současná součástková základna a zákony fyziky nedovolují se již posunout dále, ještě je nutno dodat, že pro simulaci byly použity OZ se ziskem +52dB/100kHz.

V reálu však mohou být použity OZ se ziskem +60dB/100kHz, čímž se vlastnosti výrazně zlepší, stejně tak se výrazně zvětší při vykompenzované ZV šířka přenášeného pásma až ke 20MHz pro zesílení +20dB a k 12MHz pro zesílení +40dB.

Diskuse

Úvod

Po třech článcích Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - úrovně, Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - charakteristiky a Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - srovnání, věnujících se detailně několika Baxandallovým korektorům včetně korektoru splňujícího podmínky Topologie Federmann, přichází článek čtvrtý, jehož náplní je pohled na šumové vlastnosti korektorů.

Metodika

Abych se vyhnul zbytečným dohadům o tom či onom, omezil jsem hodnocení pouze na výstupní šum při cca 1kHz a korektoru nastaveném na rovnou charakteristiku, poněvadž jsou hodnoty krokovány v celém rozsahu, je nutno odečítat 6. charakteristiku, nezáleží ze které strany.

Legendární TW40

Jde o jednotranzistorové zapojení, kde je rezerva zisku žádná, charakteristiky obstojné, dodnes mnohými vychvalován, jedině uznáván a používán.

Výstupní šum při 1KHz je těsně přes 300nV, což lze považovat za dost špatnou hodnotu, vzhledem k tomu, že není žádná rezerva zisku a tím je i zkreslení nejhorší, pak není co k tomuto jednotranzistorovému korektoru dodat.

Korekční zesilovač „zapojení Federmann“

Jde o zapojení ze samotných počátků formování Topologie Federmann, oproti jednotranzistorovému větší zesílení a již dostatečná rezerva zisku.

Výstupní šum při 1KHz je těsně pod 100nV, což lze považovat za obstojnou hodnotu. Zde nezbývá než abych upozornil na odpor v neinvertujícím vstupu OZ složeného s diskrétních prvků. Tento odpor má nemalý vliv na šumové vlastnosti, je vhodné jej stejně jak u jiných korektorů přemostit kondenzátorem.

Zapojení Federmann (Baxandall) 2006

Jde o pokročilé zapojení Topologie Federmann kde je zcela jasně kladen důraz na rezervu zisku, stejně tak na linearitu vstupních prvků a vynikající šumové vlastnosti.

Výstupní šum při 1KHz je cca 30nV, což lze považovat za vynikající hodnotu, která je 10x lepší než u jednotranzistorového korektoru. Podíváme-li se pozorněji na oba přiložené průběhy, které se liší jen velmi nepatrně, pak jeden je pro OZ LF256 a druhý pro OZ LT1028, je patrné, že ani vlastní šum, který je u obou OZ v poměru cca 10:1 již nehraje velkou roli a téměř se neprojeví.

Zapojení Federmann (Baxandall) 2006 -TOP

Všechny tři předchozí zapojení byly pro potenciometry 50kΩ:

1. U jednotranzistorového zapojení typu TW40 byl výstupní šum cca 300nV a potenciometry nehrály vůbec žádnou roli, mnozí se však dodnes domnívají opak.
2. Jako druhé zapojení je Zapojení Federmann, na tom je šum již pod 100nV, což je výrazně lepší, ale ani zde nehraje velikost potenciometrů velkou roli.
3. Jako třetí zapojení je Zapojení Federmann (Baxandall) 2006, zde se konečně dostáváme pod šumovou hranici, která je dána v převážné míře polovodičovými prvky a začíná převažovat vliv okolních součástek.

Zde se konečně můžeme zaměřit na změnu velikosti potenciometrů, které jsou značným zdrojem šumu, stejně jak další použité odpory.

Zapojení je přepočteno na hodnotu potenciometrů 10kΩ/N, šumové poměry se ještě zlepšily a výsledný výstupní šum při 1kHz se dostává pod hodnotu 15nV. Další graf prozrazuje přenosové charakteristiky.

Závěr

Tento článek se věnoval šumovým poměrům u několika typů tónových korektorů, byl poodhalen vliv šumu vlastních polovodičů a také velikost vlivu šumu použitých odporů.

Článek také dává jednoznačně zapravdu Topologii Federmann, která mimo jiné klade důraz na jednoduchost konstrukce a minimalizaci prvků, což při vzniku šumu hraje nemalou roli, neboť každý polovodič a každý odpor více či méně šumí.

  Související články:

1. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann -srovnání
2. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - charakteristiky
3. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - úrovně  
4. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - šum
5. Nebuďte negramotní, aneb SPICE Compatibile programy 
6. Technická slepota a temno, aneb spásný pokus omyl a znevažování standardů 
7. Nebuďte negramotní potřetí, aneb výkonová ztráta 
8. Nebuďte negramotní podruhé, aneb neznalosti "Mistrů" při výpočtech

Diskuse

Úvod

Hi-Fi předzesilovač HQQF-55-506K_LN je přímým pokračováním řady Hi-Fi předzesilovače HQQF-55-506K popsaném v článcích Hi-Fi předzesilovač HQQF-55-506Kst, Hi-Fi předzesilovač HQQF-55-506Kst pokračování a Hi-Fi předzesilovač HQQF-55-506K pokračování II.

Koncovka NL neznačí nic jiného než "low noise", tedy konstrukce je zaměřena nejenom na naprosto dokonalé vlastnosti přenosové, minimum zkreslení a maximální šířku pásma, ale v neposlední míře na dosažení co nejmenšího šumu.

V textu jsou zohledněny články Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - srovnání, Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - charakteristiky, Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - úrovně a Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - šum, není opomenut ani článek Fyziologický regulátor hlasitosti.

Vstupní část

Vstupní část je obdobná jako u Hi-Fi předzesilovače HQQF-55-506K. Vstupní OZ má pevně nastavené zesílení -10 či -1, a to dle použitého vstupu vyvedeného na zadní panel prostřednictvím konektorů X1 a X2 na desce plošného spoje. Konektor Jack 6,3mm je pevně připojen ke vstupu se zesílením -10 a odpojuje konektory X1 a X2.

Nastavení zesílení

V signálové cestě druhý OZ slouží k plynule nastavitelnému zesílení a to od -1 do -10. Každý kanál má zesílení nastavitelné samostatně, čímž není zapotřebí ovládacího prvku pro nastavení stereováhy.

Korekční zesilovač

Korekční zesilovač je opět obdobný jako u Hi-Fi předzesilovače HQQF-55-506K, jen byl samotný návrh a konstrukce provedena s výrazně větším důrazem na minimalizaci prvků a šumové vlastnosti.

Na grafech je patrný rozsah regulace basů a výšek a to jak pro zdůraznění a potlačení, tak pro současné zdůraznění či potlačení obou pásem. 

Následují grafy znázorňující míru rezervy zisku a průběh šumového napětí v závislosti na frekvenci a nastavení korektoru.

Filtr Prezence

Filtr Prazence je opět obdobný jako u Hi-Fi předzesilovače HQQF-55-506K, jenom je možné regulovat plynule jeho rozsah ± 10dB, při frekvenci v okolí 3kHz, lze tedy hlas jak zdůraznit, tak potlačit.

Na grafů je dobře patrný průběh i rozsah regulace zisku filtru Prezence. Na dalším grafu je přesně zadokumentován průběh šumu v závislosti na frekvenci a nastavení filtru, na grafu posledním je vidět šumové vlastnosti při vypnutém filtru a úplné potlačení vlivu jeho nastavení.

Výstupní část

Výstupní část je téměř totožná s Hi-Fi předzesilovačem HQQF-55-506K. Na předním panelu je jeden Jack 6,3mm jako výstup celého předzesilovače a druhý Jack 6,3mm jako vstup pro následující část za Hi-Fi předzesilovačem, pokud je součástí skříně s výkonovým zesilovačem.

Pro připojení koncového zesilovače či vyvedení na zadní panel slouží konektory X3 a X4 na desce plošného spoje. Oproti verzi Hi-Fi předzesilovače HQQF-55-506K má však Hi-Fi předzesilovač HQQF-55-506K_LN přidané výstupní OZ103 a OZ203, které tvoří jak invertující tak neinvertující výstup.

Lze tedy zvolit použití invertujícího či neinvertujícího výstupu, případně zapojit výstup jako symetrický či přímo budit po dvou koncových stupních zapojených do můstku.

Indikátor přebuzení

Jako další doplnění přibyl indikátor přebuzení, který má na starosti spolu s V-U_metrem hlídání úrovně v kanále. Indikátor přebuzení je sestaven tak, aby reagoval na úroveň, která je blízká limitaci koncového zesilovače při hlasitosti na maximum, je zapojen do stejného místa jako V-U_metr, který měří úroveň v kanále, ale není schopen postřehnout krátké napěťové špičky.

Závěr

Co říci závěrem, snad jen to, že se v současné době jedná o naprosto bezkonkurenční řešení, které nemá v současné době žádnou obdobu.

Hi-Fi předzesilovač HQQF-55-506K_NL stejně jak Hi-Fi předzesilovač HQQF-55-506K lze zabudovat do samostatné skříně či do společné skříně s koncovým zesilovačem. Pro různé verze lze objednat i přední panel, který má minimální šířku 360mm, minimální výšku 80mm a sílu 10mm.

Na následujících obrázcích jsou přední panely pro Hi-Fi předzesilovač HQQF-55-506K a  Hi-Fi předzesilovač HQQF-55-506K_LN o rozměrech 360x100mm.

Diskuse

Úvod

K regulaci barvy tónu nám většinou slouží tónový korektor, dostatečně popsaný v článcích Tónový korektor Baxandall vs. Federmann, Tónový korektor Baxandall vs. Federmann podruhé a Tónový korektor Baxandall vs. Federmann potřetí.

Velmi často se rovněž setkáváme s fyziologickým regulátorem hlasitosti, ale jen výjimečně jde o správné řešení, neboť téměř ve všech novodobých zapojeních jde jen o jakousi snahu se odlišit či zvýraznit, bez jakékoliv znalosti problematiky.

Podstata a princip

Samotná podstata fyziologického regulátoru hlasitosti tkví ve vlastnostech lidského slyšení, které je silně nelineární, je závislé jak od slyšené frekvence, tak od hlasitosti.

Abychom mohli o fyziologickém regulátoru hlasitosti začít alespoň uvažovat, musíme vyjít ze znalosti akustického tlaku při kterém byla nahrávka pořízena a ze znalosti akustického tlaku při které bude či je poslouchána.

Vlastnosti lidského slyšení

Podíváme-li se na charakteristiky znázorňující vlastnosti lidského slyšení, pak můžeme sestavit graf stejných hlasitostí, kdy hlasitost 90fónů odpovídá akustickému tlaku 90dB, graf odchylek citlivosti lidského sluchu od nominální hlasitosti 90fónů a jako poslední, třetí graf je graf nutných korekcí.

 V článku Zvuk, Věřte nevěřte Wikipedii se můžete mimo podstatu vnímání infra a ultrazvuku dočíst:

"Energie a intenzity zvuku

Stejně jak jsem se na problematiku podíval z hlediska vlnění, se můžeme podívat na problematiku z hlediska energie. Zvuk, elektromagnetické vlny, světlo, rentgenové či γ_záření jsou druhy vlnění, které jsou vyvolány energii a jsou jejími nositeli. Jinými slovy ke vzniku vlnění je zapotřebí mechanické energie, kterou poté samy vlny nesou. Poněvadž stále platí zákon zachování energie, zánik vlnění nastává odevzdáním mechanické energie, případně přeměnou na energii jinou.

Práh slyšitelnosti

Práh slyšitelnosti či slyšení je nejnižší hladina, kterou začíná člověk slyšet, je jim hladina akustického tlaku 0dB, což odpovídá intenzitě zvuku 10^-12Wm^-2, čemuž odpovídá akustický tlak 2*10^-5Pa.

Práh bolesti

Práh bolesti je již taková hladina zvuku, která vyvolává bolest, je jim hladina akustického tlaku 130dB, což odpovídá intenzitě zvuku 10Wm^-2, čemuž odpovídá akustický tlak cca 63Pa, vyšší intenzity akustického tlaku již mohou poškodit sluch, případně i další orgány.

Počítání s intenzitou a akustickým tlakem

• ·         Pro přepočet intenzity zvuku můžeme použít I=10log(I₁/I₀). Prahu slyšitelnosti I₀ odpovídá intenzita zvuku 10^-12Wm^-2
• ·         Pro přepočet akustického tlaku můžeme použít X=20log(P₁/P₀). Prahu slyšitelnosti P₀ odpovídá akustický tlak 2*10^-5Pa." 

Podmínky pro použití

Podívejme se tedy na konkrétní podmínky možnosti použití fyziologického regulátoru hlasitosti. 

Nahrávací úrovně

Nejdříve se podívejme na slušné nahrávací úrovně, které běžně byly v 70. letech u nahrávek na Vinylové desky. Nominální, střední úroveň akustického tlaku se pohybovala na hranici 90dB, tedy hlasitost 90fónů.

Většina vinylových desek je nahraná s dynamickým rozsahem 26dB nad střední úroveň, tedy akustické špičky se běžně pohybují na úrovni 116dB. 

Úrovně při reprodukci

Abychom se mihli co nejvíce přiblížit původnímu, nahrávanému zvuku, musí být úrovně při reprodukci totožné s úrovněmi při záznamu.

Střední úroveň akustického tlaku nastavíme na hranici 90dB, tedy hlasitost 90fónů, elektroakustický řetězec musí být schopen s dynamického rozsahu +26dB nad střední úroveň hlasitosti, tedy zvládá akustické špičky na úrovni 116dB! 

Výkonové poměry

Podívejme se jaké budou panovat výkonové poměry. Máme rovnostranný trojúhelník o straně 1,4m, kde ve dvou rozích máme reproduktorové soustavy a ve třetím, zbývajícím rohu je posluchač.Reproduktorové soustavy mají citlivost 90dB a vytvoří při výkonu 2x1W akustický tlak v místě posluchače 90dB.

Pro zvládnutí dynamického rozsahu +26dB nad střední úroveň výkonu 2x1W, potřebujeme zesilovač, který disponuje minimálním hudebním či špičkovým výkonem minimálně 2x400W! Například dva Moduly zesilovače HQQF-55-506W-5-1.

Pro přehlednost ještě tabulka zobrazující potřebné střední a hudební výkony při poslechové vzdálenosti 1,4m, 2m a 2,8m od reproduktorových soustav, při základní citlivosti reproduktorových soustav 90dB a dynamice nahrávky 20dB a 26dB.  

Je nutno připomenout, že takto pořízená nahrávka začíná být slyšitelná od akustického tlaku 0dB a slyšitelný rozsah pod střední úrovní 90dB je celých 90dB, při nižší úrovni hlasitosti se část akustického výkonu dostává pod práh slyšitelnosti a posluchač ji nemůže slyšet!

Kontrola úrovně

Nezbytnou podmínkou pro správné nastavení úrovně je taková síla signálu, která vytvoří střední akustický tlak 90dB, tato úroveň musí být v kanále nastavena a měřena V-U metrem. Při regulátoru hlasitosti na maximum platí výkonové poměry popsané výše, střední akustický tlak v místě posluchače je při středním dodávaném výkonu 2x1W 90dB a akustické špičky dosahují 116dB, hudební výkon právě dosahuje 2x400W, přenosová charakteristika regulátoru hlasitosti je rovná! 

Použití fyziologického regulátoru hlasitosti

Za takto nastavených podmínek je teprve možné použít správně fyziologický regulátor hlasitosti, který při snížení hlasitosti upraví charakteristiku co nejblíže korekční křivce, která je na třetím obrázku. 

Závěr

Jak jsem již uvedl v úvodu: "Velmi často se rovněž setkáváme s fyziologickým regulátorem hlasitosti, ale jen výjimečně jde o správné řešení, neboť téměř ve všech novodobých zapojeních jde jen o jakousi snahu se odlišit či zvýraznit, bez jakékoliv znalosti problematiky."

• Většina zapojení nedisponuje potřebným výkonem, aby mohla být fyziologická regulace hlasitosti vůbec použita!
• Téměř žádné zapojení nedisponuje nastavením a měřením úrovně signálu před regulátorem hlasitosti, jak je možné vidět například u Hi-Fi předzesilovače HQQF-55-506K.

Většina regulátorů pak neslouží svému účelu, ale jen zcela nesmyslně upravuje charakteristiku, bez ohledu na vlastnosti lidského sluch a zvuk musí být současně dokorigováván tónovým korektorem.

Diskuse