Предусили́тель-корре́ктор, или усилитель-корректор (УК), или фо́нокорре́ктор — специализированный электронный усилитель тракта воспроизведения граммофонной записи, восстанавливающий исходный спектр записанного на пластинке звукового сигнала и усиливающий выходное напряжение головки звукоснимателя до типичного уровня линейного выхода — от 0,775 В (0 dBu) в бытовой аналоговой аппаратуре до 2 В (8 dBu) в цифровой и радиотрансляционной аппаратуре). Исторически звукозаписывающая промышленность использовала множество различных схем спектра при записи, а для воспроизведения использовались различные типы головок звукоснимателей. На практике абсолютное большинство корректоров предназначены для воспроизведения долгоиграющих пластинок, записанных с предыскажениями по стандарту RIAA, магнитными головками.
Напряжение на выходах относительно высокочувствительных головок с подвижными магнитами (, ММ) измеряется единицами милливольт, а напряжение наименее чувствительных головок с подвижными катушками (, МС) — сотнями, а иногда десятками микровольт. В отличие от цифровой аудиотехники, напряжение полезного сигнала на выходе головки звукоснимателя может превосходить номинальный уровень в несколько раз, а напряжение высокочастотной помехи («щелчка») — на порядок. Эти свойства сигнала и высокие требования к качеству воспроизведения сделали проектирование совершенных корректоров, наряду с проектированием микрофонных усилителей, сложнейшей задачей схемотехники усилителей звуковых частот. При этом корректоры, в отличие от микрофонных усилителей, не только усиливают слабые электрические сигналы, но и преобразуют их спектральный состав (производится частотная коррекция). В пределах звукового диапазона разница между максимальным и минимальным коэффициентами усиления достигает 38,9 дБ (1:88 по напряжению), при этом отклонение амплитудно-частотной характеристики от стандарта, по мнению конструкторов XXI века, не должно превышать ±0,1 дБ (±1,16 % по напряжению).
Исторический очерк
В 1948 году Columbia Records выпустила первые долгоиграющие, тогда ещё монофонические пластинки, записанные по фирменной схеме . В последующие годы американские компании-конкуренты вывели на рынок не менее девяти альтернативных вариантов частотной коррекции; война форматов завершилась с принятием в 1953—1954 годы отраслевого стандарта, ставшего известным как кривая RIAA. С 1956 года по этому стандарту производились практически все новые записи, издававшиеся в странах Запада.
В первые послевоенные десятилетия для воспроизведения долгоиграющих пластинок применялись дешёвые и потому более распространённые пьезоэлектрические головки звукоснимателей, либо относительно дорогие магнитные головки. Пьезоэлектрические головки имели примерно в сто раз бо́льшую, чем магнитные головки, чувствительность, и потому не требовали сложных малошумящих предусилителей. Однако пьезоэлектрический звукосниматель должен был иметь жёсткий подвес, а для его надёжного удержания в звуковой канавке требовалась значительная прижимная сила. При использовании качественных игл с малым радиусом острия такой звукосниматель быстро разрушал пластинку, а относительно щадящие иглы с большим радиусом острия не могли отслеживать высокочастотные смещения канавки. Другим неустранимым недостатком пьезоэлектрических головок была неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). По этим причинам в высококачественной аппаратуре всегда преобладали магнитные головки; к началу 1980-х годов применение пьезоэлектрических головок практически прекратилось.
Непременными «спутниками» магнитных головок всех типов были предусилители-корректоры, усиливавшие напряжение на выходе головки и восстанавливавшие исходный спектр записанного сигнала. Компания-разработчик стандарта RIAA, RCA, рекомендовала к использованию двухкаскадные ламповые корректоры с пассивной фильтрацией. Два триода с высоким коэффициентом усиления обеспечивали достаточную чувствительность (усиление 45 дБ на частоте 1 кГц), но лишь при подключении корректора к высокоомной (не менее 220 кОм) нагрузке. Наибольшее же распространение в ламповой технике 1960-х годов получила схема активного инвертирующего фильтра на единственном пентоде EF86, охваченном частотнозависимой параллельнойЦепь параллельной обратной связи по напряжению подключается ко входу усилителя параллельно с входным сигналом, и непосредственно шунтирует входной ток источника сигнала (отсюда англ. shunt feedback). Принципиальный недостаток параллельной ОС — необходимость включения в цепь входного сигнала относительно большого сопротивления, неизбежно генерирующего тепловой шум. Схемы с последовательной ОС по напряжению, в которых выход цепи ОС подключен последовательно с источником сигнала, этого недостатка не имеют. обратной связью.
В транзисторной схемотехнике 1960-х и отчасти 1970-х годов преобладала двухкаскадная схема активного фильтра на биполярных транзисторах, работавших в режиме ОЭ, предложенная Динсдейлом в 1965 году. Все корректоры этого поколения звучали посредственно, а иногда просто плохо; ни один из них не стал классическим так, как стали классикой лучшие образцы усилителей мощности послевоенных лет. Недостаточный запас усиления «двойки» порождал заметный спад АЧХ на нижних частотах, недостаточная скорость нарастания выходного напряжения — спад и нелинейные искажения на верхних частотах; на средних частотах АЧХ заметно отклонялась от стандарта из-за неточного расчёта корректирующих цепей. Конструкторы 1960-х с этими недостатками мирились, так как низкое качество шасси и тонармов тогдашних бытовых проигрывателей лишало смысла какие-либо усовершенствования корректоров.
В 1970-е годы положение изменилось. На массовый рынок вышли новые высококачественные проигрыватели, и слабым звеном воспроизводящего тракта стали именно корректоры на «двойках». Вначале конструкторы сосредоточились на совершенствовании традиционных «двоек»; по мере перехода бытовой электроники на двуполярное питания усилителей постепенно распространилась и более совершенная топология с входным дифференциальным каскадом. Лучшие схемы на дискретных транзисторах 1970-х годов отклонялись от стандарта RIAA на доли децибела при отношении сигнал/шум 70…74 дБ (на 10…20 дБ лучше базовой «двойки»).
С выходом на рынок доступных интегральных схем проектирование корректоров с активной фильтрацией заметно упростилось. Универсальные операционные усилители 1970-х годов ещё не были пригодны для качественного усиления звука; вместо них в корректорах применялись специализированные микросхемы малошумящих УНЧ с дифференциальным входом, например, TDA2310 и LM381 (аналоги — К153УД2, К548УН1). В первую половину 1970-х годов, под влиянием авторитета , доминировала относительно шумная схема на ОУ в инвертирующем включении (с параллельной обратной связью); после выхода в 1972 году работы Уокера на первый план постепенно вышла малошумящая, но менее гибкая и более сложная в расчёте и настройке схема на ОУ в неинвертирующем включении (с последовательной обратной связью). Отношение сигнал/шум улучшилось, а точность следования кривой RIAA ухудшилась из-за специфических для этой схемы искажения АЧХ на высоких частотах и недостаточного запаса усиления тогдашних интегральных схем. Математический аппарат для точного расчёта активных корректоров этого типа был опубликован Стэнли Липшицем лишь в 1979 году. Параллельно со схемотехникой фильтров совершенствовалась и схемотехника усилительных каскадов. В 1980-е годы конструкторы разработали множество совершенных, высококачественных схем корректоров на дискретных биполярных и полевых транзисторах, но по мере выхода на рынок малошумящих ОУ с низкими искажениями эти технически сложные решения остались невостребованными.
В самом конце «виниловой эпохи», в 1980-е годы, головки с подвижными магнитами захватили массовый рынок, а верхний сегмент рынка заняли магнитные головки с подвижными катушками . Головки этого типа, известные с 1930-х годов, отличались лучшим качеством звучания, но долгое время оставались в тени из-за крайне низкой чувствительности. Схемотехника 1970-х и 1980-х годов ещё не позволяла создавать действительно высококачественные, малошумящие каскады усиления сигнала, измеряемого сотнями или десятками микровольт; основным средством усиления такого сигнала были повышающие трансформаторы. Полностью транзисторные корректоры для головок МС, обходящиеся без входных трансформаторов, распространились лишь после выхода фундаментальной статьи Дугласа Селфа в декабре 1987 года.
Характеристики источника сигнала
Чувствительность
В первом приближении электродвижущая сила магнитной головки прямо пропорциональна скорости поперечного смещения иглы звукоснимателя во всём диапазоне звуковых частот. Паспортные значения чувствительности различных головок, выраженные в мВ или мкВ, обычно указываются для номинальной колебательной скорости 5 см/с; для выпускаемых в XXI веке моделей чувствительность составляет от 40 мкВ до 11 мВ: Высокочувствительные головки с подвижными магнитами (, MM) характеризуются чувствительностью от 3 до 11 мВ. Наибольшие значения (8…11 мВ) свойственны специализированным диджейским головкам, а типичные головки для обычного воспроизведения имеют чувствительность 4…6,5 мВ (редко — до 8 мВ). Оптимальный коэффициент усиления корректора для головок этого типа (корректора ММ) составляет 40 дБ (1:100) на частоте 1 кГц, но во избежание перегрузок конструкторы транзисторной аппаратуры нередко выбирают ме́ньшие величины, от 30 до 40 дБ. Этого достаточно, чтобы усилить сигнал типичной головки ММ до принятого в аналоговой электронике номинального уровня 0,775 В (0 dBu). Для достижения принятого в цифровой электронике и телерадиоиндустрии уровня 2 В (8 dBu), напротив, предпочтительны бо́льшие значения коэффициента усиления. Головки с подвижными сердечниками (, MI) фирмы Grado характеризуются чувствительностью 5 мВ и рассматриваются как подкласс Низкочувствительные головки с подвижными катушками (, MC) характеризуются меньшими уровнями выходного напряжения и широчайшим разбросом чувствительности — от 40 мкВ до 2,5 мВ. Абсолютное большинство производимых в XXI веке головок МС укладывается в два диапазона чувствительности: 100…300 мкВ и 500…700 мкВ. Оптимальные коэффициенты усиления корректора для этих диапазонов превосходят оптимальный коэффициент усиления корректора ММ на 28 дБ (1:25) и на 20 дБ (1:10) соответственно.
Благодаря меньшей, чем у головок ММ, массе подвижной системы головки МС отличаются меньшими нелинейными искажениями, лучшей передачей динамического диапазона записанного сигнала, и лучшим разделением стереоканалов. По той же причине диапазон воспроизводимых ими частот простирается далеко за пределы звукового диапазона, а их высокочастотные резонансы сосредоточены на частотах порядка 60 кГц. Генерируемый головкой МС сигнал содержит относительно бо́льшую долю нежелательных ультразвуковых помех и шумов, поэтому системы с головками МС более подвержены перегрузкам и интермодуляционным искажениям, и более требовательны к качеству предусилителя-корректора.
Предельные уровни Стандарты ограничивают предельную колебательная скорость долгоиграющей записи уровнями 7, 10 или 14 см/c, но на практике эти пределы систематически нарушались, особенно при производстве 12-дюймовых синглов. По данным исследования Shure абсолютный максимум музыкального сигнала, когда-либо записанного на серийной долгоиграющей пластинке, составляет 38 см/c на частоте 2 кГц; на низких и высоких частотах рекордные уровни спадают до 26 см/c на 400 Гц и 10 см/c на 20 кГц. Максимальный среднеквадратический уровень напряжения, на который ориентируются конструкторы качественной аппаратуры, равен 64 мВ (40 см/c при чувствительности 8 мВ).