Фонокорректор со следящим питанием пассивной цепи коррекции
PHONO-CORRECTOR WITH FOLLOW-UP SUPPLY OF PASSIVE CORRECTION CIRCUIT

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к фонокорректорам (усилителям-корректорам для магнитного звукоснимателя проигрывателя грампластинок), и может найти применение в таких устройствах High-End класса.
1
u
Известна схема инвертирующего фонокорректора (фиг. 1), где цепь коррекции по стандарту RIAA  включена между выходом усилителя и его инвертирующим входом, на который через резистор R подается входной сигнал от звукоснимателя. По указанному стандарту график изменения импеданса цепи коррекции от частоты имеет вид, как на фигуре 2 (зависимость I), а сопротивление резистора R1 составляет 47 ком (Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: Пер. с нем. - М.: Мир, 1991. С. 139-142, рис. 10.5.1б) и 10.5.3а)). Если учесть, что обычно требуемый коэффициент усиления K фонокорректора на частоте 1 кГц составляет ~ 40 дб (100 раз по напряжению), то тогда сопротивление цепи коррекции на этой частоте должно быть
а на частотах менее 50 Гц на 20 дб (в 10 раз) больше (фиг. 2):
Очевидно, что фонокорректор, со столь высокоомной и прецизионно точной цепью коррекции, достаточно сложно реализовать на практике.
Также известен фонокорректор (фиг. 3), отличающаяся тем, что цепь коррекции 2 подключена к выходу усилителя 3 не непосредственно, а через делитель выходного напряжения на резисторах 8 и 9. В этом случае требуемый импеданс цепи коррекции, по сравнению со схемой на фигуре 1, уменьшается в  раз, где  коэффициент передачи выходного напряжения усилителя 3 в точку соединения резисторов 8 и 9:
8
9
где R и R - сопротивления резисторов 8 и 9 соответственно.
u
Действительно, на цепи коррекции с меньшим в  раз импедансом формируется во столько же раз меньшее напряжение, но на выходе фонокорректора оно во столько же раз больше, благодаря делителю выходного напряжения. То есть, усиление фонокорректора K не изменяется при уменьшении в  раз импеданса цепи коррекции.
Таким образом, требуемый импеданс цепи коррекции может быть снижен на порядок и более. Поэтому практическая реализация данного фонокорректора не вызывает сложностей и ее пример представлен на фигуре 4 (Атаев Д.И., Болотников В.А. Функциональные узлы усилителей высококачественного звуковоспроизведения - М. Радио и связь, 1989. С. 47, 48, рис. 4.5). Усилитель 3 выполнен на транзисторах VT1-VT5, цепь коррекции 2 на элементах R5, C4, R6, C5, а делитель выходного напряжения - на резисторах R8 и R9.
В фонокорректоре (фиг. 3) требуемая АЧХ формируется цепью отрицательной обратной связи (ОС), содержащей делитель выходного напряжения и цепь коррекции. На качество работы (звуковые свойства) данного устройства, как системы с обратной связью, во многом влияет его переходная характеристика (ПХ), определяемая функцией от частоты коэффициента усиления в контуре ОС Koc(ƒ).
Выражение Koc(ƒ) зависит от вида усилителя 3 по выходу - является ли он усилителем источником напряжения, то есть с низким выходным сопротивлением и выходным сигналом в виде напряжения, или усилителем источником тока - с высоким выходным сопротивлением и выходным сигналом в виде тока (Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. С. 10).
В случае усилителя 3 источника напряжения
a
где: K - коэффициент усиления напряжения усилителем 3;
- импеданс цепи коррекции 2;
i
r - входное сопротивление усилителя 3;
1
R - сопротивление резистора 1;
- сопротивление звукоснимателя;
- общее входное сопротивление (параллельно соединенных входного сопротивления усилителя 3 и сопротивления последовательной цепи из резистора 1 и звукоснимателя).
В противном случае, усилителя 3 источника тока
a
где S - крутизна преобразования входного напряжения в выходной ток усилителем 3.
Выражения (4) и (6) показывают, что имеется функциональная зависимость коэффициента Koc от импеданса  цепи коррекции, а, следовательно, она входит в контур OC и влияет на переходную характеристику.
Отметим, что данный вывод справедлив не только в случае усилителя 3, управляемого напряжением, как предполагалось выше, но и в случае, если он управляется током (Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. С. 10).
Поэтому во всех случаях (вне зависимости от вида усилителя 3 по входу и выходу) у инвертирующего фонокорректора с делителем выходного напряжения (фиг. 3) цепь коррекции входит в ОС.
При этом полюса и нули функции  добавляются в функцию Koc(ƒ), придавая ей более сложный вид, ухудшающий переходную характеристику (Атаев Д.И., Болотников В.А. Функциональные узлы усилителей высококачественного звуковоспроизведения - М. Радио и связь, 1989. С. 47). Это обстоятельство можно отнести к одному из основных недостатков фонокорректоров с цепью коррекции в ОС, ограничивающего качество их звука (Журнал "Радиохобби" №3/1999, с. 48).
out
o
Еще известны фонокорректоры без использования общей ОС с пассивной цепью коррекции, называемые еще пассивными. Наиболее полно принцип отказа от использования ОС реализуется в фонокорректоре (фиг. 5), состоящем из линейных (с плоской АЧХ) входного 3 и выходного 4 каскадов и включенной между ними и общим проводом цепью коррекции 2. К существенному признаку такого фонокорректора относится то, что входным каскадом является усилитель 3 источник тока (что символизирует надпись I у выхода усилителя 3). В этом случае отсутствует взаимовлияние друг на друга усилителя 3 и цепи коррекции 2, а формируемое в соответствии со стандартом RIAA на этой цепи напряжение U составляет
out
где I - выходной ток усилителя источника тока 3.
out
i
Ток I прямо пропорционален напряжению u, создаваемому звукоснимателем, то есть
1
3
1
4
5
5
a
5
6
В представленном на фигуре 6 примере реализации такого пассивного фонокорректора усилителем источником тока 3 служит транзистор Q. Местная ОС создается резистором R в его эмиттере. Высокоомный выход этого усилителя, коллектор транзистора Q, нагружен на пассивную цепь коррекции 2, выполненную на элементах С, С, C, R, R (Журнал "Радиохобби" №3/1999, с. 48).
1
У рассматриваемых фонокорректоров (фиг. 5, 6) входной каскад выполняет простую функцию - предварительного линейного усиления. Поэтому если такие каскады построены с использованием ОС, то она обычно местная, с переходной характеристикой, не оказывающей влияние на качество звука, и учитывать ПХ необходимости не возникает. Данное положение хорошо иллюстрирует входной каскад (на транзисторе Q) фонокорректора на фигуре 6.
Таким образом, пассивные фонокорректоры (фиг. 5, 6) свободны от существенного недостатка фонокорректоров с цепью коррекции в ОС (фиг. 3, 4) - ограничения качества звука из-за недостаточно удовлетворительной ПХ. Поэтому схема без общей ОС с пассивной цепью коррекции является практически основной для построения наиболее высококачественных фонокорректоров (Гапоненко С.В. Лампово-транзисторные усилители своими руками. - СПб.: Наука и техника, 2012. С. 281).
o
out
С учетом замечания выше о входном каскаде, можно считать, что искажения напряжения U, формируемого в соответствии с (7) на цепи коррекции, обусловлены отклонением протекающего через нее тока  от своего истинного значения I. То есть, от него ответвляется некоторая часть  в виде токов утечки через выходное сопротивление усилителя источника тока 3, входное сопротивление выходного каскада 4, паразитные связи монтажа и т.п.:
out
Искажение утечками  тока I, питающего пассивную цепь коррекции 2, - основной недостаток фонокорректоров такого вида (фиг. 5, 6).
В качестве наиболее близкого к заявляемому изобретению аналога (прототипа) выбран инвертирующий фонокорректор с делителем выходного напряжения (фиг. 3) с усилителем 3, являющимся источником тока (такой его вид по выходу относится к существенным признакам).
Проведенный выше анализ уровня техники показал существование технической проблемы, ограничивающей дальнейшее повышение качества звука фонокорректоров наиболее высокого класса (фиг. 5), состоящей в снижении искажений тока , питающего цепь пассивной коррекции 2.
Для ее решения автор предлагает организовать следящее питание цепи коррекции, но так, чтобы она сама при этом оставалась пассивной (фиг. 7).
Как видно на указанной фигуре, для поддержания неискаженным тока через цепь коррекции 2, то есть, поддержания равенства
используется усилитель 3 с местной обратной связью через цепь коррекции 2 и делитель выходного тока на резисторах 8, 9. При этом коэффициент усиления в контуре ОС составляет:
где  - коэффициент передачи выходного тока усилителя 3 на вход.
Выражение (11) показывает, что отсутствует функциональная зависимость коэффициента Koc от импеданса  цепи коррекции, а, следовательно, она не входит в контур ОС и не влияет на переходную характеристику. Это первый признак, по которому предлагаемое устройство (фиг. 7) относится к фонокорректорам с пассивной цепью коррекции.
Так как цепь коррекции 2 не входит в ОС, то только делителем выходного тока на резисторах 8, 9 будет определяться функция усилителя источника тока 3. А именно, здесь он линейный усилитель тока (с плоской АЧХ). То есть функционально аналогичный входному каскаду фонокорректора с пассивной цепью коррекции (фиг. 5, 6), и, поэтому, его переходную характеристику можно также не учитывать. Это второй признак принадлежности предлагаемого устройства (фиг. 7) к фонокорректорам с пассивной цепью коррекции.
Отметим, что на вышеизложенные выводы не влияет то обстоятельство, что через цепь коррекции 2 передается сигнал обратной связи (выходной ток усилителя 3), поскольку эта цепь его никак не изменяет.
out
"Отслеживаемое" обратной связью равенство (10) означает, что в предлагаемом фонокорректоре выходной ток усилителя 3  отклоняется от истинного значения I на величину искажений , то есть
out
oc
Такое отклонение создается в результате протекания через цепь коррекции 2 дополнительного (к неискаженному току I) тока в K раз меньшего тока искажений , то есть тока . В результате суммарный ток через цепь коррекции составляет
oc
Сравнение выражений (14) и (9) показывает, что в предлагаемом фонокорректоре (фиг. 7), благодаря организации следящего питания цепи коррекции, искажения тока через нее уменьшаются в K раз по сравнению с фонокорректором с пассивной цепью коррекции (фиг. 5).
По аналогии с выражением (7) и с учетом (14) для предлагаемого фонокорректора можно записать:
Здесь множитель  учитывает уменьшение падения напряжения на резисторе 9 из-за ответвления через резистор 8 части  тока .
Сравнение выражений (15) и (7), показывает, что выходное напряжение у предлагаемого (фиг. 7) и пассивного (фиг. 5) фонокорректоров формируется по одному и тому же закону. Это третий признак принадлежности предлагаемого устройства (фиг. 7) к фонокорректорам с пассивной цепью коррекции.
9
Выражение (15) также показывает, что у предлагаемого фонокорректора импеданс цепи коррекции  больше истинного значения  на величину сопротивления резистора R (что можно рассматривать как "плату" за введение следящего питания этой цепи):
9
Однако, нет принципиальных ограничений выбрать R и , такими, чтобы
и, тем самым, обеспечить необходимую точность соответствия импеданса  стандарту RIAA (фиг. 2).
На основании схем принятого в качестве прототипа (фиг. 3) и предлагаемого (фиг. 7) фонокорректоров перечислим все существенные признаки заявляемого изобретения.
В фонокорректоре (фиг. 3), содержащем усилитель источник тока 3, неинвертирующий вход которого соединен с общим проводом, а инвертирующий вход имеет соединения с резистором 1, на другой вывод которого подается сигнал от звукоснимателя, и с цепью коррекции по стандарту RIAA 2, другой вывод которой подключен к первому выводу резистора 9, второй вывод которого соединен с общим проводом, а резистор 8, включен между первым выводом резистора 9 и выходом усилителя источника тока 3, предусмотрены следующие конструктивные отличия (фиг. 7):
резистор 8 включен между инвертирующим входом усилителя источника тока 3 и первым выводом резистора 9, между которым и выходом усилителя источника тока 3 включена цепь коррекции по стандарту RIAA 2.
out
Указанные конструктивные отличия обеспечивают следящее питание цепи коррекции 2 (поддержание тока через цепь коррекции  равным своему неискаженному значению I), притом так, что цепь коррекции остается пассивной. Тем самым, решается поставленная техническая проблема снижения искажений тока , питающего цепь пассивной коррекции 2, что снимает ограничение повышения качества звука фонокорректоров наиболее высокого класса (фиг. 5).
Таким образом, достигаются следующие технические результаты:
- снижаются искажения тока , питающего цепь пассивной коррекции 2;
- снижаются требования к высокому выходному сопротивлению усилителя источника тока 3 и входному сопротивлению последующего (за фонокорректором) каскада.
Возможны следующие два частных случая выполнения заявляемого изобретения.
1. Предлагаемый фонокорректор, отличающийся тем, что между вторым выводом резистора 9 и общим проводом введены параллельно соединенные разделительный конденсатор 11 и подстроечный резистор 12, усилитель источник тока 3 выполнен в виде транзистора 5, база которого является инвертирующим входом, эмиттер - неинвертирующим входом, а выходом усилителя служит соединенный с источником тока 6 коллектор транзистора 7, база которого соединена с общим проводом через источник напряжения 10, а его эмиттер соединен с коллектором транзистора 5 (фиг. 8).
При этом реализуется дополнительный технический результат, состоящий в обеспечении простоты устройства и короткого аудиотракта, содержащего только один усилительный каскад. Последний выполнен по каскодной схеме на транзисторах 5 и 7, улучшающей его характеристики, в том числе, частотные и по выходному сопротивлению.
oc
Введение разделительного конденсатора 11, закорачивающего второй вывод резистора 9 на общий провод на звуковых частотах и разрывающий эту цепь для постоянного тока, обеспечивает увеличение коэффициента K усиления в контуре ОС (глубины ОС) примерно в  раз на постоянном токе (без учета незначительного влияния подстроечного резистора 12). Тем самым повышается точность поддержания заданного постоянного напряжения на выходе фонокорректора, устанавливаемого подстроечным резистором 12. В этом состоит еще один дополнительный технический результат в первом частном случае выполнения предлагаемого фонокорректора.
2. Первый частный случай выполнения предлагаемого фонокорректора, отличающийся тем, что между коллектором транзистора 5 и эмиттером транзистора 7 введена цепочка, одним из выводов которой служит вывод резистора 13, другой вывод которого соединен с включенным в проводящем направлении диодом или транзистором в диодном включении 14, а другой вывод диода или транзистора 14 служит другим выводом этой цепочки, к эмиттеру транзистора 7 подключен введенный резистор 15, другой вывод которого соединен с эмиттером введенного транзистора 16, противоположной проводимости по отношению к транзисторам 5 и 7, коллектор транзистора 16 соединен с общим проводом, а его база с коллектором транзистора 5 (фиг. 9).
oc
Введенные резисторы 13, 15, транзистор 16 и диод или транзистор в диодном включении 14 реализуют каскад усиления тока, позволяющий увеличить коэффициент K усиления в контуре ОС (глубину ОС).
Таким образом, во втором частном случае выполнения заявляемого изобретения дополнительный технический результат состоит в еще большем улучшении (благодаря увеличению глубины ОС) технических результатов, указанных для предлагаемого фонокорректора.
Техническая сущность и принцип действия аналогов, прототипа и предлагаемого усилителя поясняются чертежами, на которых:
фиг. 1 - инвертирующий фонокорректор;
фиг. 2 - график изменения импеданса цепи коррекции от частоты по стандарту RIAA;
фиг. 3 - инвертирующий фонокорректор с делителем выходного напряжения;
фиг. 4 - пример реализации инвертирующего фонокорректора с делителем выходного напряжения;
фиг. 5 - фонокорректор с пассивной цепью коррекции;
фиг. 6 - пример реализации фонокорректора с пассивной цепью коррекции;
фиг. 7 - предлагаемый фонокорректор;
фиг. 8 - первый частный случай выполнения предлагаемого фонокорректора;
фиг. 9 - второй частный случай выполнения предлагаемого фонокорректора;
фиг. 10 - практическая схема цепи коррекции по стандарту RIAA.
Для проверки, предлагаемой в изобретении концепции фонокорректора со следящим питанием пассивной цепи коррекции, автором была собрана схема, представлявшую собой первый частный случай выполнения заявляемого изобретения (фиг. 8) и показавшую весьма позитивные результаты. Этот фонокорректор и представляется в качестве примера осуществления предлагаемого изобретения.
21
Здесь (фиг. 8) источником тока 6 служит полевой транзистор 2sj103, включенный диодом-генератором тока (~ 2 ма), транзисторы 5 и 7 типа ВС550С (h ~ 500), источник напряжения 10 выполнен на светодиоде, сопротивления резисторов 1, 8, 9 и 12 составляют 47к, 30к, 470ом и 100к соответственно, разделительный конденсатор 11 - электролитический, 100мкф, а схема цепи коррекции 2 представлена на фигуре 10 (ее сопротивление на частоте 1 кГц составляет ~ 100к).
При указанных элементах схемы на фигуре 8 обеспечиваются следующие ее характеристики:
Koc ~ 6 (в диапазоне звуковых частот),
u
K ~ 101 (40 дБ) на частоте 1 кГц.
21
Отметим, что при этом функция Koc(ƒ) близка к идеальной, поскольку имеет только один полюс на частоте  спада коэффициента усиления по току h транзистора 5 (~150 мГц/500=300 кГц). Это означает и столь же хорошую переходную характеристику у системы "следящего питания" в предлагаемом фонокорректоре. Последнее обстоятельство подтверждает все сказанное выше об отсутствии влияния на звук переходной характеристики, если цепь коррекции выведена из ОС (в пассивных и предлагаемом фонокорректорах).