Kiedy można stosować pasywny przedwzmacniacz

Samo sformułowanie pasywny przedzwzmacniacz jest nieraz krytykowane jako pozbawione sensu. Faktycznie, pasywne przedwzmacniacze niczego nie wzmacniają, w przeciwieństwie do swych aktywnych krewniaków. W tym przypadku jednak nie warto walczyć z utartą konwencją. Pasywne przedwzmacniacze pozwalają na wybór źródeł i regulację głośności, tak więc są zdolne do wykonywania dwóch najważniejszych funkcji spotykanych w przedwzmacniaczach aktywnych. Oczywiście nie zapewnią wzmocnienia dla sygnału z wkładki gramofonowej czy regulacji barwy, ale i nie wszystkie przedwzmacniacze aktywne mają takie możliwości. Natomiast napięcia sygnałów z wszelkich źródeł cyfrowych są zwykle tak duże, że ich wzmacnianie przed podaniem na wejście wzmacniacza mocy nie jest potrzebne.

Nie wnikajmy jednak w dyskusje językowe. Pozostawmy też kwestię oceny dopasowania możliwości funkcjonalnych do indywidualnych potrzeb - jeśli ktoś faktycznie potrzebuje poszerzonej funkcjonalności zapewnianej przez przedwzmacniacz aktywny to po prostu nie będzie brał pod uwagę urządzeń pasywnych. Skupmy się na sprecyzowaniu technicznych warunków jakie powinny być spełnione aby pasywny wzmacniacz dobrze spełnił swe zadanie.

Co do zasady dobór parametrów przedwzmanicaczy pasywnych nie różni się od przedwzmacniaczy aktywnych. W obu przypadkach należy zadbać aby każde wyjście było dopasowane do współpracującego z nim wejścia. Czasami trzeba też dokładniej przeanalizować parametry interkonektów. W tranzystorowych przedwzmacniaczach aktywnych generalnie nie stanowi to problemu - projektanci mają dużą swobodę w ustalaniu parametrów technicznych wejść i wyjść, a poza tym powszechnie stosowane konwencje doboru parametrów powodują, że problemy są spotykane sporadycznie. Za to w układach pasywnych pole manewru jest dużo mniejsze. Żeby prawidłowo dobrać przedwzmacniacz pasywny trzeba uwzględnić parametry wyjść podłączonych źródeł i parametry wejścia podłączonego wzmacniacza mocy.

Sterowanie napięciowe

W sprzęcie audio zdecydowanie dominującą formą współpracy wyjść z wejściami jest tak zwane sterowanie napięciowe. Oznacza to, że impedancja wyjściowa źródła jest relatywnie mała, impedancja wejściowa odbiornika jest relatywnie duża, a niemal całe napięcie generowane przez źródło odkłada się na odbiorniku. Teoretyczny ideał mielibyśmy w sytuacji gdy impedancja wyjściowa jest zerowa, a impedancja wejściowa nieskończona. W praktyce chodzi o to aby proporcja impedancji wejściowej odbiornika do impedancji wyjściowej źródła (R_wejścia/R_wyjścia) była odpowiednio duża. Zazwyczaj przyjmuje się, że powinna być nie mniejsza niż 10.

Typowe impedancje wyjściowe i wejściowe urządzeń

Impedancje wejściowe wzmacniaczy zazwyczaj mają co najmniej 10kΩ, popularną wartością jest 47kΩ, spotyka się też większe impedancje wejściowe, rzędu kilkuset kΩ. Duże wartości są bardziej typowe dla wzmacniaczy lampowych, ale i we wzmacniaczach tranzystorowych też spotyka się takie wartości.

Generalnie impedancje wyjściowe źródeł są jeszcze bardziej zróżnicowane. Zaczynają się już od ułamków oma. W sprzęcie tranzystorowym zwykle nie przekraczają kilkuset omów, choć wartości rzędu pojedynczych kΩ też się spotyka, zwłaszcza w tańszym sprzęcie. Sporadycznie spotykane są źródła ze stopniami lampowymi o dużej impedancji wyjściowej, nawet ponad 10kΩ.

W zdecydowanej większości przypadków proporcja impedancji wejście/wyjście ma wartość znacznie większą od zalecanej liczby 10. Mało kto zastanawia się nad dopasowaniem impedancyjnym przy zakupie sprzętu i zazwyczaj nie powoduje to żadnych problemów. Jedynie nabywcy urządzeń z wyjściami lampowymi muszą być ostrożniejsi.

Wymagania dotyczące napięcia wyjściowego i czułości wejścia

Ponieważ układ pasywny nie może wzmocnić sygnału a tylko może go stłumić, to musimy mieć gwarancję, że napięcia wyjściowe źródeł i czułości wejść wzmacniaczy są odpowiednie. Zasada jest prosta - napięcia wyjściowe źródeł mają być wyższe od czułości wejścia wzmacniacza mocy. Typowe napięcia źrodeł to 2V lub więcej. Natomaist typowe czułości wejść wzmacniaczy mocy to mniej niż 1V. Tak więc z reguły ten warunek jest spełniony, choć dla pewności warto sprawdzić dane katalogowe.

Impedancja pasywnego regulatora głośności

Jak pisaliśmy szerzej (link do artykułu) pasywne regulatory głośności mogą mieć różną postać, zwłaszcza układy drabinkowe pozwalają na implementację różnych topologii, o różnych parametrach impedancyjnych. Skupmy się jednak na najpopularniejszym wariancie, czyli na potencjometrze.

Obecność potencjometru do regulacji głośności zmienia dopasowanie impedancyjne źródła i wzmacniacza. Podane wyżej wymaganie by proporcja R_wejścia/R_wyjścia wynosiła co najmniej 10 już nie będzie wystarczające gdy pomiędzy źródłem a wzmacniaczem włączymy pasywny tłumik. W przybliżeniu można przyjąć, że impedancja potencjometru w pasywnym przedwzmacniaczu powinna być co najmniej 12 razy większa niż impedancja wyjściowa źródła i jednocześnie co najmniej 3 razy mniejsza od impedancji wejściowej wzmacniacza. Ponieważ wybór potencjometrów jest ograniczony i zwykle mamy do dyspozycji tylko najpopularniejsze wartości z szeregu, to proporcja impedancji wejściowej wzmacniacza do impedancji wyjściowej źródła powinna raczej wynosić nie mniej niż 50.

Przykładowo dla źródła o impedancji wyjściowej 800Ω i wzmacniacza o impedancji wejściowej 47kΩ można zastosować potencjometr z zakresu 10kΩ-15kΩ.

Wpływ kabli na ograniczenie pasma

Dodatkowym problemem mogą być interkonekty, ponieważ ich pojemność powoduje ograniczenie pasma przenoszenia od góry. Pojemność kabla jest zależna od jego konstrukcji i długości. W praktyce pojemność interkonektu będzie miała wartość co najmniej kilkadziesiąt pF. Im większa jest ta pojemność i im większa impedancja potencjometru tym węższe pasmo. Przykładowo przy zastosowaniu potencjometru 47kΩ i 1-metrowego kabla o całkiem konwencjonalnej pojemności 150pF/m już wchodzimy na problematyczny obszar. Przy bardziej typowej impedancji potencjometru 10kΩ i typowych interkonektach o długościach do 1,5m odpowiednio szerokie pasmo będzie zapewnione. No ale jeśli musimy jednak zastosować potencjometr 47kΩ to zalecane będą niskopojemnościowe kable (kilkadziesiąt pF/m) o możliwie małej długości rzędu kilkudziesięciu centymetrów. Dla dokładnego obliczenia pasma przenoszenia powinniśmy też dodać do pojemności kabla pojemność samego wejścia wzmcniacza, ale ten parametr często nie będzie nam znany.

Zwróćmy też uwagę na ważny aspekt dotyczący kabli. Przy wcześniejszej analizie impedancji wyjścia, potencjometru i wejścia interesowały nas tylko wzajemne proporcje tych trzech parametrów. Duża impedancja wyjściowa sama w sobie nie była problemem, trzeba było tylko dobrać odpowiednio większą impedancję potencjometru i wejścia wzmacniacza. Natomiast obecność kabli powoduje zmianę reguł gry, bo tu problem jest zależny wprost od wielkości impedancji potencjometru. Ze wzrostem tej impedancji zawęża się pasmo dla danego kabla i nie da się tego skompensować doborem proporcji pozostałych parametrów.

Sytuacja na rynku

Pasywne przedwzmacniacze nie są urządzeniami uniwersalnymi, ale zakres ich potencjalnych zastosowań jest duży. Pomijając sprzęt niższej klasy i bardziej egzotyczne konstrukcje lampowe w zdecydowanej większości przypadków impedancje wyjściowe źródeł nie przekraczają kilkuset omów. A jeśli skupimy się na sprzęcie średniej i wyższej klasy, to wówczas bardziej typowe będą wartości około 100Ω i mniejsze. To pozwala na zastosowanie potencjometrów o wartościach około 10kΩ, co z kolei minimalizuje problemy z doborem okablowania i zapewnia też prawidłową współpracę z większością wejść wzmacniaczy mocy.

Szanse na to, że pasywny przedwzmacniacz zadziała prawidłowo w przeciętnym systemie są duże, ale mimo wszystko nie powinniśmy kupować takich urządzeń w ciemno. Należy najpierw sprawdzić wszystkie impedancje wyjściowe naszych źródeł i impedancję wejściową wzmacniacza mocy. Jeśli chcemy zastosować interkonekty dłuższe niż typowe i/lub ze wstępnych obliczeń wynika, że potencjometr powinien mieć wartość większą niż 15kΩ, należy też sprawdzić i uwzględnić pojemność interkonektu pomiędzy pasywnym przedwzmacniaczem a wzmacniaczem mocy. A gdybyśmy chcieli zastosować potencjometr o rezystancji mniejszej niż 10kΩ to należy się upewnić, że układy wyjściowe naszych źródeł podołają wysterowaniu relatywnie niskiej impedancji obciążenia.