衰減式唱放電路實驗

hsiehwm

用聽覺辨別兩組聲音,困難在聽覺不像儀器,隨時都能聽出差異,
每次要靠參考訊號"訓練"聽覺,等習慣了聲音之後才能聽出真正的差別,
而不是心理因素造成的錯覺.所以"盲聽"測試有極大陷阱,尤其對一般人.

使用單音的振幅調制波,是避開音色的干擾(音色可以看成是諧波或說泛音的不同組合),
所以重點不在"好聽"或"不好聽",把調制波想像成樂器音,用聽覺辨別樂器發音的清楚準確程度.

和理想電壓源產生的"參考音"比較,負反饋式唱放的聲音普遍傾向"拖延","扁平",
就我試過的電路來說,包括所謂"經典"電路.

相對的,我的實驗唱放,有"美化"聲音的傾向,是指負面的意思,顯然電路仍待改善.

這個調制波想要拿來比較功放電路,選了三個電路
宣稱"無缺損"的功放電路 <blameless amp.jpg>
類似達蕭架構的功放電路 <dartzeel_amp.jpg>
我的無大環負反饋功放電路 <single_end_amp.jpg>

在接8歐姆負載時,調整輸入電壓,使輸出約20V上下,1kHz的總諧波失真
<blameless amp_thd.gif>
<dartzeel_amp_thd.gif>
<single_end_amp_thd.gif>

"無缺損"功放最低,達蕭功放最高,我的功放居其中.

負載改接 FOSTEX FE103E單體的電路模型,偵測的訊號 I(Rm),物理意義是振膜的運動速度.
(我認為振膜的運動速度比音圈電流 I(Re)更適合做比較)
(.WAVE 指令以 1V 當作轉換滿刻度,我調在最大值0.6V上下)
(暫態分析值行時間是100msec,事後以編輯器複製成兩秒八次)

理想電壓源產生的訊號當作參考 <fe103e_pwl3m.wav>
"無缺損"功放 <blameless amp_pwl3m.wav>
達蕭功放 <dartzeel_amp_pwl3m.wav>
我的功放 <single_end_amp_pwl3m.wav>

我的看法,達蕭功放的聲音最鮮活,"無缺損"功放的聲音最沉悶,我的功放聲音居其中.

對功放來說,總諧波失真太高絕不是光彩的事,但是如果聲音是最優先考慮的對象?

hsiehwm

設置一個50Hz弦波的振幅調制波,用來比對唱放電路的低頻域差異,
希望這聲音聽起來像低音大提琴(double bass)拉弓的感覺.
<vs_pwl4.gif>

調制波通過RIAA衰減參考電路的輸出波形當作比較的依據
<riaa_ref_pwl4.wav>
單運放唱放的輸出
<9802k_phono_pwl4.wav>
我的實驗唱放的輸出
<k30_phono_1_pwl4.wav>
比起來,我的實驗唱放,振動的力度比參考電路弱了一些,(還可以改進)
單運放唱放,雖然等化曲線已經修正了,但是振動感向後拖延而且不自然.

另外,借用樓上朋友的SS9014衰減式唱放,它在低頻域振幅和相位有些微偏移,
比較輸出電壓的頻譜(fft),在100Hz的地方和參考電路有明顯的差異,
聲音的比較,SS9014唱放振動的尾音比較鬆散,可能在聽像是管弦樂的大編制音樂會有些干擾.
<riaa_ref_pwl4_fft.gif>
<9014 phono_pwl4_fft.gif>
<9014 phono_pwl4.wav>

mxwmke1

正规唱放的RIAA网络是衰减通道频带来满足唱头的重放特性。不知道楼主这种衰减式唱放是否能够满足唱头的重放特性。

mxwmke1

这是金噪子 C-200的唱放，日系机器对唱放的RIAA网络设计比较精密。

hsiehwm

mxwmke1 发表于 2018-12-12 21:30
这是金噪子 C-200的唱放，日系机器对唱放的RIAA网络设计比较精密。

感謝關注.

ACCUPHASE C200 應該是 ACCUPHASE第一代的前級放大器,70年代的產品
<accuphase c200 .jpg>

和後期的產品相比,C200 失真<0.05%,訊噪比(唱頭輸入)>70dB,不算特別優秀.

它的唱頭放大部分和後期的產品比多起來了一些小功能,

唱頭輸入1,輸入阻抗切換 30kohms/47kohms/100kohms
唱頭輸入1/2輸入範圍(連續)調整 2-6mV
低頻增強,和標準RIAA相比,可以選擇 不增強(0dB)/增強0.5dB(在100Hz)/增強1.0dB(在100Hz)
同時它的唱頭放大還兼作麥克風(MIC)放大,所以它的電路看起來比較"複雜",
但是它的唱頭放大部分還是依循RIAA播放曲線設計的.

選擇零件庫裡適合的零件設置唱頭放大部分的電路,
<accuphase c200電路.jpg>
低頻增強選擇在 0dB/0.5dB/1dB時,唱放輸出和 RIAA參考電路輸出的比對,
<c200 0db.gif>
<c200 0.5db.gif>
<c200 1db.gif>
應該可以看出低頻增強的效果.

hsiehwm

為了檢驗唱放的高頻域,用10kHz弦波設置10msec的振幅調變波,
<vs_pwl2.gif>
這才發現我的實驗電路嚴重的缺點,
<k30_phono_1_pwl2.gif>
輸出級工作點嚴重偏移(將近100mV),信號結束後,暫態時間遠超過20msec,

如果放大仔細觀察參考電路的輸出,
<riaa_ref.gif>
因為輸入訊號不對稱,當訊號結束後有少許暫態(-2.7mV,0.4msec)

當這個輕微不對稱的訊號接到電路上,觀察第一級J1的源極和第二級J2的閘級,
<k30_phono_1 電路.jpg>
<k30_phono_1_n021.gif>
<k30_phono_1_n013.gif>

可以這樣解釋,因為第一級放大器輕微的工作點偏移,再加上衰減電路積分的效果,
到達第二級閘極時,造成第二級工作點大幅偏移,以及輸出嚴重暫態現象.

目前是把單端放大電路改成用差動的形式建立工作點,
<k30_phono_1a 電路.jpg>

沒有大電容造成工作點飄移,輸入訊號結束後,輸出僅有少許暫態
<k30_phono_1a_pwl2.gif>
<k30_phono_1a_pwl2(2).gif>

真實的音樂不容易出現這樣極端的訊號,但是輕微的不對稱必然是存在的,
單端電路工作點的擺動,像是極低頻的振幅調變,會改變音樂訊號的頻譜分布,
比對新舊電路對50Hz調變波的輸出,舊的單端電路唱放會讓低頻"鬆軟".

hsiehwm

樓上朋友提供的2SK170 衰減式唱放,
<k170 phono 電路.jpg>

它源極電阻上沒有濾波電容,可是,第一級放大的輕微正負半周偏差,
經過衰減網路累積後,仍然造成輸出約27mV的電壓偏移,
<k170 phono_pwl2.gif>

這個電路輸出端電容/電阻值是 1uF/1Meg ohms,時間常數 1u*1Meg=1sec
雖然放大電路已經回復穩定,但是輸出電容C1上多餘的電壓還要更長時間才能放完.

hsiehwm

唱放電路的衰減曲線應該依據什麼規範,至少,對我來說有一些疑惑,
<Muffsy Phono Preamp LTSpice Simulation File.png>

附圖是某廠商網站上的圖,
可能是為了表示他的唱放電路"準確"依據(3180us/318us/75us)播放曲線設計,
他在唱放電路前端放置一個用s參數表示的轉移函數(transfer function)

Laplace=(1+3.18e-3*s)*(1+7.5e-5*s)/(1+3.18e-4*s)

剛好就是播放曲線轉移函數的倒數,所以從V3到OUT,可以得到一條平直的頻率響應.

可是,如果把這圖想成實際聲音信訊號的處理過程,就會發生矛盾,
因為真實世界裡沒有任何一個系統能滿足這個轉移函數,
簡單的解釋是,把s參數的大小 (2*pi*f)放回轉移函數中,當頻率f持續增加,放大倍率也持續增加,
所以這個系統放大倍率和頻寬沒有上限,這個結論當然會讓有些人不安.

網路上搜尋 "enhanced riaa curve"得到一些資料
<enhanced riaa curve.jpg>

他們第一個想到的問題點就是刻片機,以Neumann SAB 74B刻片機為例,它的頻寬是100kHz,
但是在訊號送入刻刀之前,先經過49.9kHz的二階butterworth低通濾波器,(可能是要保護刻刀)
所以,他們宣稱,播出曲線至少必須在50kHz(3.18us)增加一個零點,讓高頻端的滑落停止,才能符合真實情況,
他們稱這個新的時間常數叫Neumann time constant,這條新的曲線叫"enhanced riaa curve"

wiki上的說法是這個方法有爭議,我覺得這個方法很有趣,至少,不只一個商品採用這條新的曲線
<aqvox_phono 2ci.jpg><aqvox_phono 2ci_2.jpg>

江南望尘

越搞越复杂，高深！

skyboat

唱放只针对唱片的放音等化做处理还算好办，一唱放电路也要一并摆平唱头丶刻片刀的"个别特性"，这会是个难题。

hsiehwm

RIAA 和 E_RIAA播放曲線的比較:
<riaa e_riaa.jpg> <riaa e_riaa.gif>

riaa_ref1是三個時間參數的 RIAA 播放曲線
riaa_ref2 增加第四個時間參數 3.18us(50kHz)的 E_RIAA 播放曲線
RIAA播放曲線(綠色)在高頻端(10kHz以上)放大率持續下降,
E_RIAA播放曲線在高頻端的放大率拉回成固定增益(約-47.44dB).
但是二者的相位差在1kHz以上明顯增加.

衰減式唱放,要符合 E_RIAA播放曲線,放大電路的頻寬至少要100kHz吧!
把我的唱放電路去掉唱頭等效阻抗,負載電容和衰減網路,
仿真一看,頻寬還不到20kHz.
<k30 phono bandwidth_1.jpg> <k30 phono bandwidth_1.gif>

要增加頻寬,加共基極電路形成串疊電路(cascode),頻寬果然拉到約100kHz.
<k30 phono bandwidth_2.jpg> <k30 phono bandwidth_2.gif>

小小調整衰減網路,得到的曲線大致符合E_RIAA播放曲線.
<k30 phono e_riaa.jpg> <k30 phono e_riaa.gif>

最後,接回我的唱頭等效阻抗,但是不加負載電容,和原始的RIAA播放曲線比較,
<k30 phono e_riaa_2.jpg> <k30 phono e_riaa_2.gif>

和原本的唱放電路比較,這個電路在高頻端,沒有因負載電容引起的諧振峰,相位平滑的緩慢滑落.
也就是說,我可以不依賴負載電容來提升高頻端,也可以得到足夠的高頻響應.

前面提到的 AQVOX PHONO 2Ci 型錄裡說他的唱放有自然的高頻(Natural Highs),似乎有些道理.

hsiehwm

MM唱頭和電動式喇叭的基本原理,一樣是電磁效應,
電動式喇叭是將電氣能轉換成機械能(振動)再轉換成聲能,
MM唱頭則是把機械能(振動)轉換成電氣能.

以下是我的猜測:

電動式喇叭的電氣阻抗低頻端的高峰,是由於機械振動系統的諧振(紙盆/音圈振動質量和懸邊順服性),
反射到電氣端造成的,

同樣的道裡, 在MM唱頭的電氣端加上負載電容,讓負載電容和唱頭的電感產生諧振,
應該也會反射到機械振動系統上(唱針/磁鐵質量和支撐橡膠),至少會降低振動系統的阻尼.

換個角度想,加上負載電容來提升唱頭高頻端的輸出電壓,意思就是讓唱針在高頻端的振動加大,
(比唱片溝槽應該有的振幅還要再大一些),而這些多出來的高頻是負載電容諧振造成的,和溝槽裡的音樂無關.

所以,如果(衰減式)唱放的頻寬夠寬到可以增加50kHz的零點,至少在某些MM唱頭上,可以不需要負載電容,
僅靠唱放就能得到足夠寬的頻率響應,沒有了負載電容諧振對唱針振動的干擾,就可以得到更自然平順的高頻.

gtmaker

大神啊，我是看天书，顶一个。
能不能用简体字啊？

hsiehwm

gtmaker 发表于 2019-3-28 22:35
大神啊，我是看天书，顶一个。
能不能用简体字啊？

MM唱头和电动式喇叭的基本原理,一样是电磁效应,
电动式喇叭是将电气能转换成机械能(振动)再转换成声能,
MM唱头则是把机械能(振动)转换成电气能.

以下是我的猜测:

电动式喇叭的电气阻抗低频端的高峰,是由于机械振动系统的谐振(纸盆/音圈振动质量和悬边顺服性),
反射到电气端造成的,

同样的道里, 在MM唱头的电气端加上负载电容,让负载电容和唱头的电感产生谐振,
应该也会反射到机械振动系统上(唱针/磁铁质量和支撑橡胶),至少会降低振动系统的阻尼.

换个角度想,加上负载电容来提升唱头高频端的输出电压,意思就是让唱针在高频端的振动加大,
(比唱片沟槽应该有的振幅还要再大一些),而这些多出来的高频是负载电容谐振造成的,和沟槽里的音乐无关.

所以,如果(衰减式)唱放的频宽够宽到可以增加50kHz的零点,至少在某些MM唱头上,可以不需要负载电容,
仅靠唱放就能得到足够宽的频率响应,没有了负载电容谐振对唱针振动的干扰,就可以得到更自然平顺的高频.

gtmaker

谢谢，慢慢拜读！

skyboat

有关唱头负载电阻与电容对频率特性的影响，早期的中丶外杂志有不少理论与实测文章发表，一般玩家在没有适当的仪器设备与标准测试唱片的情况下，只能依赖制造商提供的参考值。然而这也"仅供参考"罢了，例如负载电容值还得计入"信号线"的等效电容值，这包括了唱臂管内那一小段与连接至唱放的这一长条，简言之，要完全摆平频响曲线真不简单啊～

hsiehwm

<passive phono.jpg>
衰减式唱放现在的电路,前端 L1(225m) R31(1k) 代替唱头内阻,不属于唱放电路,
2sk30GR虽经过挑选配对,仍不能使差动电路工作电流足够接近,R34(3k) R35(3k)电阻值须调整.
(不建议调整源极电阻)

<features.jpg>
前面说的 aqvox_phono 2ci唱放,它型录里介绍它电路的特色,
1.支援平衡式输入/输出,电路必然是差动(differential)或对偶(dual)的,
2.不使用运放,没有跨级负返馈,只能是最基本的共射极或共源极放大,
3.只能用被动衰减式RIAA,而且要有 Neumann 时间常数(3.18us)
4.要有 Neumann 时间常数,电路频宽至少要达到100kHz,最可能是使用串叠电路(cascode),
它自己说是"Singl-Ended Advanced Class-A"

他在另外的专访文章说,它每一级放大用了八个红色LED当参考电源(reference voltage)
<aqvox_phono 2ci.jpg>
图片中,四个LED排成一列,像是串叠电路的参考电源(电压大约6V)
另外四个可能是电流源的参考电压,(只是猜测)
我的电路是差动形式,只用固定电阻产生工作电流R2(51k)R17(51k)
关于串叠电路的参考电源,刚开始实验时,电压比6V高,用的电路也不是红色LED,
经过实际声音比对,最后还是采用它的方式.

audioXpress 11/09 的一篇专访文章
<Hawksford.jpg><Active ground.jpg>
针对唱放电路,Hawksford先生介绍一种比并联式电源"地杂讯"更低的方式,叫Active ground
我把它简化成射极随偶电路,其中Q10 Q12对声音改善显著,所以电路也保留下来.

hsiehwm

红色框里是有JFET缓冲的RIAA反转电路,
搭配实验的唱放电路,刚好形成近似放大一倍的缓冲级,
也就是说,在低频端,反转电路大约衰减讯号1000倍,然后唱放电路再放大1000倍,

电路原来是用来验证唱放电路设计,
高电平讯号(例如CD播放器),从反转电路前端输入,唱放输出接到功放,

实验后发现,CD讯号的声音变得"柔软"些,像是印象中唱放(黑胶)的味道,
对我那些廉价的CD机,数位播放器还有液晶电视的声音输出,听起来舒服些(虽然不传真)
所以电路就保留下来,除了是唱放,还当作高电平讯号缓冲前级用.

hsiehwm

有些遗憾,前面的2sk30唱放电路已经舍弃不用,
换成这个电路<phono amp.jpg>

用了上下对称的结构,是为了减少地回路的干扰,
在仿真上看,这电路有-50(或-100)的放大倍数,频宽约1MHz,
适当的谐波失真(也就是没有特别低),输入阻抗设定成47kohm,
只是用了电解质电容当交连,看起来不高级,
而且输出阻抗约2.27kohm,也就是电路里R10和R11的并联,高了些,
勉强可以推我自己的功放,实作时,只用了现有的电晶体,
高频噪音难免,实际使用还可以接受.

换电路的原因,因为英国的 Abbingdon Music Research(AMR)
出了两款唱放 iFi Micro iPhono/iPhono2, <ifi Audio Iphono.jpg>
以及 PH-77 Reference Class Dual-Mono Phono Equaliser <ph77 spec.jpg>

两款都是衰减式的等化,都能执行eRIAA(Enhanced RIAA)等化曲线,
iFi Micro iPhono据说是用Burr-Brown Soundplus 的运放,
PH-77每声道用三只真空管:EZ80电源整流,Mullard ECC81/12AT7第一级放大,
Philips 5687WB第二级放大,

频率响应, iFi Micro iPhono: 10Hz – 100KHz (±0.5dB)
PH-77: 12Hz to 95kHz +0.3/-3dB

除了频宽,更在意的,iFi Micro iPhono面板上有三段等化选择:
COLUMBIA/RIAA/DECCA, PH-77的等化选择更多,立体声7种,单声17种,
(其中DECCA ffrr 可能是最神秘的)
如果手里有一些总是播不好的老唱片.

hsiehwm

基本放大电路完成后,根据仿真很快调整出衰减网路的零件值,
<phono circuit.jpg> <riaa_2rc.png>
V(riaa_ref1) 是原始 RIAA 曲线 (3180us 318us 75us)
V(riaa_ref2) 是原始 RIAA 曲线增加 3us 零点 (3180us 318us 75us 3us)
V(riaa_out) 是唱放输出
调整从低频端开始,(相位和振幅都比对要),低频依循 riaa_ref1,过了1kHz,
改依循 riaa_ref2.
  
为方便更换曲线,衰减网路做成模组
<rc module.jpg>

无意间收进一张唱片,才是苦难的开始, DECCA LXT-5669
<planets.jpg>
卡拉扬在单声道时期,由 DECCA 录的行星组曲,用 RIAA 来播,不是好不好听,
而是没法听,尤其火星里乐团齐奏时,简直灾难,我想,片况再糟,也不该是这个声音,
PH-77的规格里, DECCA 列了四种曲线,但是我只能上网找资料.