|
Analoge audio op vinyl is aan een tweede leven begonnen. Als u interesse hebt in audio-elektronica is het van belang dat u zich de kunst van het analoog versterken van de kleine uitgangssignalen van een platenspeler weer eigen maakt.
|
Achtergrondinformatie over RIAA
Wat is RIAA?
RIAA is de afkorting van 'Recording lndustries Association of America', een vereniging van fabrikanten van geluidsdragers die ooit een wereldstandaard heeft opgesteld waarin staat beschreven hoe geluid vastgelegd wordt in de groeven van een vinyl langspeelplaat. In Europa heeft men dezelfde standaard ondergebracht in de Duitse DIN-normen 45.546 en 45.547. Dankzij de RIAA-correctie kunt u de dynamiek van het geluid op een plaat verhogen en kunt u op eenvoudige manier de plaatruis tot een vrijwel onhoorbaar niveau terug dringen. In principe komt het er op neer dat de hoge tonen flink versterkt worden alvorens zij in de groeven worden gemoduleerd en dat de lage tonen flink verzwakt worden. In onderstaande foto ziet u hoe de spiraalvormige groef in het vinyl wordt gemoduleerd met de twee audio-signalen en hoe deze informatie wordt afgetast met de naald van het element.
 |
| De modulatie van de twee audio-signalen in de groef van een vinyl geluidsdrager. (© http://snvinyl.co.uk) |
RlAA-correctie
Bij het afspelen van een vinyl-plaat moet u deze opnamekarakteristiek uiteraard weer compenseren door het extra versterken van de lage tonen en door het extra verzwakken van de hoge tonen. De noodzakelijke frequentiekarakteristíek van een RIAA-voorversterker voor platendraaiers is weergegeven in onderstaande figuur.
De belangrijkste ijkpunten van deze grafiek zijn:
- 50,05 Hz: +17 dB
- 500,5 Hz: +3 dB
- 1 kHz: 0 dB
- 2,12 kHz: -3 dB
- 21,21 kHz: -20 dB
De gestippeld getekende verzwakking van de zeer lage frequenties is een aanvulling op de norm, die is ingevoerd om het gerommel van de motor van de platendraaier te onderdrukken. Dat bleek noodzakelijk toen versterkers en luidsprekers steeds beter werden en steeds lagere frequenties konden weergeven.
Bij het afspelen van een vinyl-plaat moet u deze opnamekarakteristiek uiteraard weer compenseren door het extra versterken van de lage tonen en door het extra verzwakken van de hoge tonen. De noodzakelijke frequentiekarakteristíek van een RIAA-voorversterker voor platendraaiers is weergegeven in onderstaande figuur.
De belangrijkste ijkpunten van deze grafiek zijn:
- 50,05 Hz: +17 dB
- 500,5 Hz: +3 dB
- 1 kHz: 0 dB
- 2,12 kHz: -3 dB
- 21,21 kHz: -20 dB
De gestippeld getekende verzwakking van de zeer lage frequenties is een aanvulling op de norm, die is ingevoerd om het gerommel van de motor van de platendraaier te onderdrukken. Dat bleek noodzakelijk toen versterkers en luidsprekers steeds beter werden en steeds lagere frequenties konden weergeven.
 |
| De weergavekarakteristiek voor het compenseren van de opnamekarakteristiek. (© 2018 Jos Verstraten) |
Frequentie-afhankelijke terugkoppeling
De standaard versterker, zoals getekend links in onderstaande figuur, werkt lineair. Dat wil zeggen dat alle frequenties even veel versterkt worden. Bij RIAA-versterkers moet u echter de weergave van de schakeling frequentie-afhankelijk maken. Dat kan door het aanpassen van de terugkoppeling. In de linker schakeling wordt wél terugkoppeling toegepast, maar deze werkt volledig frequentie-onafhankelijk. De onderdelen van de terugkoppeling zijn immers zuiver resistief. De weerstandsdeler R1/R2 koppelt alle signalen in even grote mate terug.
Als u echter, zoals geschetst in het rechter schema, een van de weerstanden van de terugkoppeling vervangt door een condensator, dan zal de schakeling niet lineair werken, maar frequentie-afhankelijk. De versterking van de trap daalt nu in functie van de frequentie. Dat is een gevolg van het feit dat een condensator geen constante impedantie heeft, maar een impedantie die afhankelijk is van de frequentie. Naarmate de frequentie stijgt zal de impedantie van de condensator dalen. De terugkoppeling koppelt dus meer hoge frequenties terug dan lage, zodat de terugkoppeling groter is naarmate de frequentie stijgt. Hoe meer terugkoppeling, hoe kleiner echter de versterking van de trap wordt. De rechter versterker zal dus steeds minder gaan versterken naarmate de frequentie van het signaal stijgt.
De standaard versterker, zoals getekend links in onderstaande figuur, werkt lineair. Dat wil zeggen dat alle frequenties even veel versterkt worden. Bij RIAA-versterkers moet u echter de weergave van de schakeling frequentie-afhankelijk maken. Dat kan door het aanpassen van de terugkoppeling. In de linker schakeling wordt wél terugkoppeling toegepast, maar deze werkt volledig frequentie-onafhankelijk. De onderdelen van de terugkoppeling zijn immers zuiver resistief. De weerstandsdeler R1/R2 koppelt alle signalen in even grote mate terug.
Als u echter, zoals geschetst in het rechter schema, een van de weerstanden van de terugkoppeling vervangt door een condensator, dan zal de schakeling niet lineair werken, maar frequentie-afhankelijk. De versterking van de trap daalt nu in functie van de frequentie. Dat is een gevolg van het feit dat een condensator geen constante impedantie heeft, maar een impedantie die afhankelijk is van de frequentie. Naarmate de frequentie stijgt zal de impedantie van de condensator dalen. De terugkoppeling koppelt dus meer hoge frequenties terug dan lage, zodat de terugkoppeling groter is naarmate de frequentie stijgt. Hoe meer terugkoppeling, hoe kleiner echter de versterking van de trap wordt. De rechter versterker zal dus steeds minder gaan versterken naarmate de frequentie van het signaal stijgt.
 |
| Het introduceren van een frequentie-afhankelijke terugkoppeling in een versterker. (© 2018 Jos Verstraten) |
Ingewikkelder netwerken
Door die ene condensator in de terugkoppeling lijkt de weergavekarakteristiek van de versterker al een beetje op de RIAA-grafiek. Het volstaat dus niet een eenvoudig R/C-netwerkje in de terugkoppeling op te nemen om de RIAA-karakteristiek te reproduceren. Er zijn ingewikkelder netwerken nodig, die de ideale RIAA-karakteristiek bovendien dan nog niet meer dan benaderen. Het zal duidelijk zijn dat het voor echte LF-ontwerpers steeds een grote uitdaging is geweest een terugkoppeling te ontwerpen die de theoretische RIAA-karakteristiek zo goed mogelijk benadert. Vandaar dat er in de loop der jaren tientallen ontwerpen van RIAA-versterkers zijn verschenen, vaak gekoppeld aan de naam van hun ontwerper.
Diverse soorten elementen
Een tweede punt waar u bij het ontwerpen van RIAA-versterkers rekening mee moet houden is dat u in een platenspeler verschillende soorten elementen kunt aantreffen:
- Piëzo-ceramische.
- Magneto-dynamische.
- Elektro-dynamische.
Piëzo-ceramisch
Dit zijn de eenvoudigste en goedkoopste elementen. De naald oefent een druk uit op een klein piëzo-elektrisch kristalletje. Het gevolg is dat over het kristal een kleine spanning ontstaat. Vanwege de fysische eigenschappen van zo'n element zal de uitgangsspanning echter lager zijn bij hoge frequenties dan bij lage frequenties. De eigen frequentiekarakteristiek van een piëzo-ceramisch element is vrijwel identiek aan de RIAA-karakteristiek. Bij voorversterkers voor dergelijke elementen hoeft u dus nauwelijks iets aan de frequentie-karakteristiek van een lineaire versterker te veranderen.
Magneto-dynamisch of moving magnet
Tegenwoordig bevatten echter vrijwel alle platenspelers een magneto-dynamisch element. Bij de magneto-dynamische elementen beweegt een magneetje, dat aan de naald is bevestigd, in twee vast opgestelde spoeltjes. Dit element werk frequentie-lineair en dan moet u dus wel gaan compenseren. Dergelijke elementen worden vaak MM genoemd, letterwoord van 'Moving Magnet' oftewel bewegende magneet.
Door die ene condensator in de terugkoppeling lijkt de weergavekarakteristiek van de versterker al een beetje op de RIAA-grafiek. Het volstaat dus niet een eenvoudig R/C-netwerkje in de terugkoppeling op te nemen om de RIAA-karakteristiek te reproduceren. Er zijn ingewikkelder netwerken nodig, die de ideale RIAA-karakteristiek bovendien dan nog niet meer dan benaderen. Het zal duidelijk zijn dat het voor echte LF-ontwerpers steeds een grote uitdaging is geweest een terugkoppeling te ontwerpen die de theoretische RIAA-karakteristiek zo goed mogelijk benadert. Vandaar dat er in de loop der jaren tientallen ontwerpen van RIAA-versterkers zijn verschenen, vaak gekoppeld aan de naam van hun ontwerper.
Het soort element speelt ook een rol
Diverse soorten elementen
Een tweede punt waar u bij het ontwerpen van RIAA-versterkers rekening mee moet houden is dat u in een platenspeler verschillende soorten elementen kunt aantreffen:
- Piëzo-ceramische.
- Magneto-dynamische.
- Elektro-dynamische.
Piëzo-ceramisch
Dit zijn de eenvoudigste en goedkoopste elementen. De naald oefent een druk uit op een klein piëzo-elektrisch kristalletje. Het gevolg is dat over het kristal een kleine spanning ontstaat. Vanwege de fysische eigenschappen van zo'n element zal de uitgangsspanning echter lager zijn bij hoge frequenties dan bij lage frequenties. De eigen frequentiekarakteristiek van een piëzo-ceramisch element is vrijwel identiek aan de RIAA-karakteristiek. Bij voorversterkers voor dergelijke elementen hoeft u dus nauwelijks iets aan de frequentie-karakteristiek van een lineaire versterker te veranderen.
Magneto-dynamisch of moving magnet
Tegenwoordig bevatten echter vrijwel alle platenspelers een magneto-dynamisch element. Bij de magneto-dynamische elementen beweegt een magneetje, dat aan de naald is bevestigd, in twee vast opgestelde spoeltjes. Dit element werk frequentie-lineair en dan moet u dus wel gaan compenseren. Dergelijke elementen worden vaak MM genoemd, letterwoord van 'Moving Magnet' oftewel bewegende magneet.
 |
| Het werkingsprincipe van een moving magnet element. (© Audio Technica) |
Elektro-dynamisch of moving coil
Tot slot heeft men ook nog de zogenoemde elektro-dynamische elementen. Deze worden ook wel eens 'moving coil' genoemd, omdat de spoeltjes waarin de spanningen wordt gegenereerd aan de naald hangen. Deze elementen zijn heel duur, hebben een zeer kleine weerstand en geven zeer kleine spanningen af. Zij vereisen speciale versterkers, die 'parallelle versterkers' worden genoemd en lineair versterken. Na deze lineaire versterker moet u dan toch nog een RIAA-versterker inzetten voor het bereiken van de gewenste RIAA-compensatie.
RIAA-versterker voor de standaard platenspeler
In deze paragraaf worden versterkers besproken die bedoeld zijn voor het afsluiten van de normale, meestal gebruikte, moving magnet elementen.
Zoals reeds geschreven is het niet zo gemakkelijk een netwerk te ontwerpen dat de RIAA-karakteristiek nauwkeurig volgt. De heren Livy en Baxandall, twee beroemde ontwerpers van audio-schakelingen, hebben alle mogelijkheden op een rijtje gezet. Zij ontdekten niet minder dan tien principiële mogelijkheden om de RIAA-karakteristiek in een ontwerp in te bouwen. Die gaan wij niet allemaal bespreken, want er zijn uiteraard zeer exotische schakelingen bij. De vier het vaakst voorkomende netwerken zijn voorgesteld in onderstaande figuur. Met Rin wordt de impedantie van het MM-element aangegeven, in de meeste gevallen is dat 47 kΩ.
Tot slot heeft men ook nog de zogenoemde elektro-dynamische elementen. Deze worden ook wel eens 'moving coil' genoemd, omdat de spoeltjes waarin de spanningen wordt gegenereerd aan de naald hangen. Deze elementen zijn heel duur, hebben een zeer kleine weerstand en geven zeer kleine spanningen af. Zij vereisen speciale versterkers, die 'parallelle versterkers' worden genoemd en lineair versterken. Na deze lineaire versterker moet u dan toch nog een RIAA-versterker inzetten voor het bereiken van de gewenste RIAA-compensatie.
RIAA-versterkers voor moving magnet elementen
RIAA-versterker voor de standaard platenspeler
In deze paragraaf worden versterkers besproken die bedoeld zijn voor het afsluiten van de normale, meestal gebruikte, moving magnet elementen.
Zoals reeds geschreven is het niet zo gemakkelijk een netwerk te ontwerpen dat de RIAA-karakteristiek nauwkeurig volgt. De heren Livy en Baxandall, twee beroemde ontwerpers van audio-schakelingen, hebben alle mogelijkheden op een rijtje gezet. Zij ontdekten niet minder dan tien principiële mogelijkheden om de RIAA-karakteristiek in een ontwerp in te bouwen. Die gaan wij niet allemaal bespreken, want er zijn uiteraard zeer exotische schakelingen bij. De vier het vaakst voorkomende netwerken zijn voorgesteld in onderstaande figuur. Met Rin wordt de impedantie van het MM-element aangegeven, in de meeste gevallen is dat 47 kΩ.
 |
| De vier RIAA-netwerken die u het vaakst zult aantreffen. (© 2018 Jos Verstraten) |
Een eenvoudig praktisch schema
In onderstaande figuur wordt een eenvoudige RIAA-versterker voorgesteld, opgebouwd uit een tweetraps PNP/NPN-versterker en een emittervolger aan de uitgang. Het terugkoppel netwerk dat zorgt voor de RIAA-compensatie bestaat uit de onderdelen R9, R10, C5 en C6. U moet de waarde van deze onderdelen zo nauwkeurig mogelijk aanhouden. De niet-standaard condensator van 6,2 nF moet u samenstellen uit de parallel- of serieschakeling van verkrijgbare condensatoren. De weerstandsdeler R2/R3, die de basis van de eerste transistor instelt, wordt niet rechtstreeks gevoed uit de voedingsspanning. De condensator C2 vlakt de voedingsspanning voor de weerstandsdeler extra af. De emittercondensator C4 zorgt voor de extra verzwakkíng van de allerlaagste frequenties. Voor deze frequenties heeft de condensator een hoge impedantie, waardoor de versterking van de schakeling gaat dalen.
U kunt de schakeling het best zo dicht mogelijk bij het element in uw platenspeler inbouwen. De versterker levert een versterking van ongeveer 50 bij 1 kHz en kan gestuurd worden met signalen tot maximaal 120 mVeffectief. De maximale onvervormde waarde van de uitgangsspanning bedraagt, dank zij de hoge voedingsspanning van 30 V, 6,2 Veffectief.
In onderstaande figuur wordt een eenvoudige RIAA-versterker voorgesteld, opgebouwd uit een tweetraps PNP/NPN-versterker en een emittervolger aan de uitgang. Het terugkoppel netwerk dat zorgt voor de RIAA-compensatie bestaat uit de onderdelen R9, R10, C5 en C6. U moet de waarde van deze onderdelen zo nauwkeurig mogelijk aanhouden. De niet-standaard condensator van 6,2 nF moet u samenstellen uit de parallel- of serieschakeling van verkrijgbare condensatoren. De weerstandsdeler R2/R3, die de basis van de eerste transistor instelt, wordt niet rechtstreeks gevoed uit de voedingsspanning. De condensator C2 vlakt de voedingsspanning voor de weerstandsdeler extra af. De emittercondensator C4 zorgt voor de extra verzwakkíng van de allerlaagste frequenties. Voor deze frequenties heeft de condensator een hoge impedantie, waardoor de versterking van de schakeling gaat dalen.
U kunt de schakeling het best zo dicht mogelijk bij het element in uw platenspeler inbouwen. De versterker levert een versterking van ongeveer 50 bij 1 kHz en kan gestuurd worden met signalen tot maximaal 120 mVeffectief. De maximale onvervormde waarde van de uitgangsspanning bedraagt, dank zij de hoge voedingsspanning van 30 V, 6,2 Veffectief.
 |
| Een eenvoudige RIAA-versterker voor MM-elementen. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het Linsley Hood ontwerp
De Britse LF-specialist Linsley Hood heeft een RIAA-versterker ontwikkeld met drie transistoren, waarvan het schema is getekend in onderstaande figuur. Deze schakeling is een industriële standaard geworden, die u nu nog steeds (vaak met een ruisarme geïntegreerde versterker) in heel wat apparatuur kunt aantreffen. De drie transistoren dragen bij aan de open lus versterking van de trap, zodat u flink kunt tegenkoppelen om de versterking terug te brengen tot de reële waarde. De tegenkoppeling van de instelling wordt verzorgd door de weerstand van 2,2 kΩ tussen de emitters van T1 en T3. In de emitterleidingen zijn condensatoren van 22 μF aangebracht, die de extra verzwakking van de lage frequenties voor hun rekening nemen.
De RIAA-terugkoppeling werkt tussen de collector van T3 en de basis van T1. In normale gevallen (namelijk bij versterkers voor algemeen gebruik) is zoiets verboden, omdat de impedantie van de bron van invloed wordt op de frequentiekarakteristiek van de terugkoppeling. Maar omdat een dergelijke versterker toch maar alleen wordt aangesloten op elementen met een impedantie van 47 kΩ kunt u deze impedantie in de berekeningen van het netwerk betrekken.
De Britse LF-specialist Linsley Hood heeft een RIAA-versterker ontwikkeld met drie transistoren, waarvan het schema is getekend in onderstaande figuur. Deze schakeling is een industriële standaard geworden, die u nu nog steeds (vaak met een ruisarme geïntegreerde versterker) in heel wat apparatuur kunt aantreffen. De drie transistoren dragen bij aan de open lus versterking van de trap, zodat u flink kunt tegenkoppelen om de versterking terug te brengen tot de reële waarde. De tegenkoppeling van de instelling wordt verzorgd door de weerstand van 2,2 kΩ tussen de emitters van T1 en T3. In de emitterleidingen zijn condensatoren van 22 μF aangebracht, die de extra verzwakking van de lage frequenties voor hun rekening nemen.
De RIAA-terugkoppeling werkt tussen de collector van T3 en de basis van T1. In normale gevallen (namelijk bij versterkers voor algemeen gebruik) is zoiets verboden, omdat de impedantie van de bron van invloed wordt op de frequentiekarakteristiek van de terugkoppeling. Maar omdat een dergelijke versterker toch maar alleen wordt aangesloten op elementen met een impedantie van 47 kΩ kunt u deze impedantie in de berekeningen van het netwerk betrekken.
 |
| Een beroemd ontwerp: de Linsley Hood RIAA-versterker. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het Bailey ontwerp
Terugkoppelen naar de ingang, zoals bij Linsley Hood schakeling, heeft als nadeel dat de capacitieve en reactieve eigenschappen van het element de schakeling kunnen beïnvloeden. Het spoeltje van het element heeft immers een bepaalde capaciteit en een bepaalde reactantie. Men heeft versterkers ontwikkeld, waarbij deze inwerking wordt uitgesloten. Een bekend voorbeeld van een dergelijke schakeling is ontworpen door Bailey en is getekend in onderstaande figuur.
De ingangstrap is nu als verschilversterker uitgevoerd. Het MM-element wordt verbonden met de basis van T1, de terugkoppeling met de basis van T2. Op deze manier zijn beide signalen die op de ingang moeten inwerken zorgvuldig van elkaar gescheiden. De frequentiekarakteristiek van de schakeling wordt nu alleen bepaald door de elementen in de terugkoppeling en niet meer door moeilijk in de hand te houden eigenschappen van het element.
(Banggood sponsor advertentie)
DSO188 Pocket Digital Ultra-small Oscilloscope
Terugkoppelen naar de ingang, zoals bij Linsley Hood schakeling, heeft als nadeel dat de capacitieve en reactieve eigenschappen van het element de schakeling kunnen beïnvloeden. Het spoeltje van het element heeft immers een bepaalde capaciteit en een bepaalde reactantie. Men heeft versterkers ontwikkeld, waarbij deze inwerking wordt uitgesloten. Een bekend voorbeeld van een dergelijke schakeling is ontworpen door Bailey en is getekend in onderstaande figuur.
De ingangstrap is nu als verschilversterker uitgevoerd. Het MM-element wordt verbonden met de basis van T1, de terugkoppeling met de basis van T2. Op deze manier zijn beide signalen die op de ingang moeten inwerken zorgvuldig van elkaar gescheiden. De frequentiekarakteristiek van de schakeling wordt nu alleen bepaald door de elementen in de terugkoppeling en niet meer door moeilijk in de hand te houden eigenschappen van het element.
De verschilversterker wordt ingesteld door middel van een constante stroombron rond T3 in de emitters. De eindtrap is volledig complementair uitgevoerd, hetgeen garant staat voor een zeer lage uitgangsimpedantie. U herkent de elementen van de RIAA-terugkoppeling tussen de uitgang en de basis van T2. Dank zij de lage uitgangsimpedantie zal de RIAA-terugkoppeling volledig onafhankelijk worden van de waarde van de uitgangsimpedantie.
Na de transistortrap volgt nog een extra trap met een op-amp. Deze zorgt dank zij de condensator in de terugkoppeling voor een aanpassing van de frequentiecurve boven 1 kHz.
Na de transistortrap volgt nog een extra trap met een op-amp. Deze zorgt dank zij de condensator in de terugkoppeling voor een aanpassing van de frequentiecurve boven 1 kHz.
 | |
| Een praktisch bruikbaar voorbeeld van het Bailey ontwerp. (© 2018 Jos Verstraten) |
Schakeling met low-noise op-amp
Tot slot geeft onderstaande figuur het schema van een RIAA-versterker met een speciale op-amp met extreem lage ruis, de NE5534. Deze Texas Instruments chip is speciaal ontwikkeld voor het ruisvrij versterken van kleine audio-signalen, zoals deze van een MM-element. De schakeling is recht-toe-recht-aan. De RIAA-componenten zitten in de terugkoppeling van de uitgang naar de inverterende ingang van de op-amp. Het signaal wordt rechtstreeks aan de niet-inverterende ingang aangeboden. Met kortgesloten ingang levert deze versterker een ruissignaal aan de uitgang van minder dan 0,8 mVeffectief. De NE5534 heeft een gegarandeerde uitgangsweerstand van slechts 0,3 Ω, zodat afsluiten van de schakeling met een lange afgeschermde kabel geen probleem is.
Tot slot geeft onderstaande figuur het schema van een RIAA-versterker met een speciale op-amp met extreem lage ruis, de NE5534. Deze Texas Instruments chip is speciaal ontwikkeld voor het ruisvrij versterken van kleine audio-signalen, zoals deze van een MM-element. De schakeling is recht-toe-recht-aan. De RIAA-componenten zitten in de terugkoppeling van de uitgang naar de inverterende ingang van de op-amp. Het signaal wordt rechtstreeks aan de niet-inverterende ingang aangeboden. Met kortgesloten ingang levert deze versterker een ruissignaal aan de uitgang van minder dan 0,8 mVeffectief. De NE5534 heeft een gegarandeerde uitgangsweerstand van slechts 0,3 Ω, zodat afsluiten van de schakeling met een lange afgeschermde kabel geen probleem is.
 |
| Een RIAA-versterker met een ruisarme op-amp. (© 2018 Jos Verstraten) |
DSO188 Pocket Digital Ultra-small Oscilloscope