Dit is een verhaal over de eerste phono voorversterker van Grimm Audio, de PW1. Ik heb in de loop der tijd behoorlijk wat phono voorversterkers ontworpen, ik denk zo’n 10 tot 20, en daarbij heb ik allerlei technologieën gebruikt: transistors, fets en buizen. Ik heb een veelvoud daarvan aan commerciële phono’s bekeken en gemodificeerd voor vrienden en klanten. Elke nieuwe phono is een serieuze uitdaging, of het nu gaat om het zelf ontwerpen van een nieuwe of het verbeteren van een fabrieks phono. Het is bekend onder audio ontwerpers dat het bedenken van een echt goede phono voorversterker geen sinecure is. Bij lijnversterkers bijvoorbeeld, ondanks het feit dat ook hier een heleboel keuzes moeten worden gemaakt, is het echt niet zo moeilijk om een goed klinkend resultaat te krijgen. Zelfs een eindversterker is tot op zekere hoogte gemakkelijker dan een phono-trap.
Wat is er zo moeilijk aan een phono voorversterker?
Nou, om te beginnen zijn de phono signalen die uit je MM of MC element komen erg klein. De meeste MM cartridges geven een nominale 5 mV af, maar dat is voor muziek met een gemiddelde luidheid. En bij 1 kHz. Maar bij 20 Hz is de output van de cartridge tien keer kleiner: 0,5 mV, wat gelijk is aan 500 µV (microvolt, een miljoenste van een Volt – ter vergelijking: de meeste luidsprekers werken met spanningen tot 30 Volt). Maar we zijn er nog niet. Muziek is niet altijd luid, in heel stille passages kan het 60 dB zachter zijn. 60 dB is 1000 keer, dus nu hebben we het over 5 µV en 500 nV (nano = een miljardste) bij respectievelijk 1 kHz en 20 Hz. En met MC cartridges is de situatie erger, omdat hun output meestal 10 keer en in sommige gevallen 30 keer lager is dan die van MM-pickups. Dat betekent dat je in het geval van MC te maken kunt krijgen met signaalniveaus van ongeveer 300 nV: 0,0000003 V. Nogmaals, dit is bij 1 kHz; voor 20 Hz voeg je nog een 0 toe! Om duizelig van te worden…
Laten we om een beter idee te krijgen van hoe klein dit is eens kijken naar meters in plaats van volts. Om een luidspreker aan te sturen heb je tot zo’n 30 V nodig. Laten we nu naar meters gaan: 30 m hoog is de hoogte van een kantoorgebouw van 6 verdiepingen. Stel je nu voor dat er een mensenhaar aan je voeten ligt terwijl je voor dat gebouw staat. De dikte van een mensenhaar is ongeveer 100 µm, maar om een zwak MC signaal te beschrijven, zou je kijken naar 1/100e tot zelfs 1/300e van de dikte van een haar! En dat zou zelfs onder een microscoop moeilijk te zien zijn. Deze vergelijking maakt duidelijk dat het maar al te gemakkelijk is om deze zeer zeer zeer kwetsbare signalen te verstoren.
Dus ja, een phono ingang moet heel ruisarm zijn, in het geval van een MC ingang: extreem ruisarm. Zelfs voor MM ingangen moet de versterking enorm zijn, in de orde van 60 dB (1000 keer) bij 20 Hz en 40 dB (100 keer) bij 1 kHz. In het geval van MC tel je 20 tot 30 dB op, wat betekent dat je uitkomt op iets als 90 dB bij 20 Hz (30.000 keer!) en 70 dB bij 1 kHz (3000 keer), wat nodig is om bij de uitgang van de phono voorversterker signaalniveaus te creëren waar een lijntrap mee uit de voeten kan.
RIAA-equalisatie
Maar waarom is het signaal van je element eigenlijk tien keer zachter bij 20 Hz dan bij 1 kHz? En daar houdt het niet op: bij 20 kHz is het ingangssignaalniveau tien keer harder dan bij 1 kHz! Het korte antwoord is: dit is gedaan om meer muziek op een LP te kunnen snijden én om een betere signaal-ruisverhouding te krijgen bij hoge frequenties. Lage frequenties vergen namelijk een grotere uitslag en dus meer ruimte op de plaat. En de oppervlaktestructuur in de spiraalvormige groef van een LP geeft nogal wat ruis bij hoge frequenties. Door nu bij het snijden het laag te verzwakken ontstaat er meer ruimte voor muziek op de plaat. Bij afspelen moeten de lage frequenties dan versterkt worden. Vanzelfsprekend versterk je dan ook ruis, maar de groefruis bij lage frequenties valt mee en bovendien is ons gehoor minder gevoelig voor zachte laagfrequente geluiden. Bij hoge frequenties gaat het andersom: daar worden de frequenties bij het snijden versterkt en bij weergave worden ze dan weer verzwakt. Tegelijk wordt dan ook de groefruis verzwakt. In 1955 kwamen platenmaatschappijen een standaard correctiecurve overeen, voorgesteld door een instituut genaamd de RIAA. Als gevolg hiervan is het noodzakelijk om een correctienetwerk toe te voegen, genaamd RIAA-equalisatie, als u wilt dat uw muziek uit de phono-voorversterker komt met een normale, d.w.z. vlakke frequentierespons. De opname- en afspeelcurves kunt u zien in figuur 1.
Figuur 1. De RIAA opname- en afspeelcurven.
Waarmee we bij het volgende probleem komen. Het is tegenwoordig niet zo moeilijk om een correct RIAA-netwerk te berekenen, nauwkeurig binnen ±0,1 dB. Veel studieboeken bieden de juiste formules en verschillende internetsites bieden een spreadsheet-achtige tool aan. Ik heb echter de afgelopen jaren behoorlijk wat voorbeelden gezien van versterkers met ernstige RIAA-fouten, laten we zeggen meerdere dB’s afwijkend op sommige stukken van de frequentieband. Ik kwam zelfs een Chinees ontwerp tegen met afwijkingen van wel 10 dB bij de frequentie-extremen, wat niet alleen totaal onnodig maar ook totaal onacceptabel en totaal belachelijk is.
Maar zelfs als je de frequentiecorrectie goed krijgt, is het van groot belang hoe je de RIAA-correctie in je circuit realiseert. Er zijn veel manieren om dat te doen en ze leiden allemaal tot verschillende overbelastingsmarges en ruisprestaties. En klank. Laat me een paar opties schetsen in figuur 2.
Figuur 2. Een paar opties voor RIAA-filterschemastrategieën.
En dan heb ik nog niet eens de helft van de problemen behandeld die opduiken bij het ontwerpen van een phono versterker. Ik zal niet in alle details treden maar om een idee te geven, hierbij nog een paar onderwerpen waarin keuzes moeten worden gemaakt en waarbij zich allerlei potentiële problemen kunnen voordoen: actieve componenten (transistoren, fets, opamps, buizen), passieve componenten (condensatoren, weerstanden, schakelaars), voedingen (lokaal en extern), vervorming, printplaat lay-out, oversturingsmarges tot 26 dB, etc.
Hoe pak je deze problemen aan? Enerzijds is er de puur technische, wetenschappelijke benadering: streef naar minimale ruis, minimale vervorming en maximale overbelastingsmarges. Dit is de weg die veel hifi-bedrijven volgen. Hun specificaties zien er zeer geruststellend uit, zelfs indrukwekkend. Maar vaak is dit het resultaat van brute kracht, niet van elegantie. En in mijn ervaring is dit niet zomaar een garantie voor goede klank, hoewel sommigen toch raak schieten en eindigen met een verfrissend klinkend resultaat, dat geef ik eerlijk toe.
Een andere benadering wordt vaak gezien bij fabrikanten van buizenapparatuur. De ontwerper zal iets meer ruis moeten accepteren, en zeker meer vervorming, maar zal anderzijds gezegend zijn met ruime overbelastingsmarges, zodat je geen scheurende vervorming zal krijgen door clipping. Nauwkeurige RIAA-curven kunnen echter een probleem zijn, vooral bij verschillen tussen samples van buizen. De specificaties zien er misschien wat minder overtuigend uit, maar het is algemeen bekend dat je als ontwerper compleet geschift moet zijn als je kans ziet om buizen slecht te laten klinken. Dus dat is ook een groot pluspunt. En sommige buizen phonoversterkers klinken absoluut prachtig, maar dan vaak wel met een aanzienlijk kostenplaatje.
De Grimm Audio PW1
Dus wat heb ik gedaan bij het ontwerpen van de phono voorversterker van Grimm Audio, waarbij de wens was om deze in solid state te maken? Vanwege de schijnbaar eindeloze hoeveelheid keuzes die gemaakt moeten worden als je vanaf nul begint, zul je met een paar intuïtieve ideeën moeten beginnen (en hopen dat je inderdaad eindigt waar je naar toe wilde). Je kunt immers niet alle mogelijkheden uitproberen. Dus om te beginnen heb ik besloten om geen bipolaire transistoren te gebruiken in het eerste deel van de signaalketen: naar mijn ervaring zijn die te grof voor signalen met een heel laag niveau. Vervolgens koos ik twee parallelle routes: opamps en fets. En in beide geval probeerde ik te voorkomen om de actieve componenten te veel belasten, te stressen zeg maar. Ook besteedde ik veel aandacht aan de voedingen. Na meer dan honderd uur aan studie, metingen, prototypen en luistertests besloten we om de opamp-route te laten vallen. Ondanks alle moeite hield het niet stand tegenover de 3-fets-per-kanaal-aanpak die langzaam was uitgekristalliseerd in een parallel universum. De laatste was gewoon verleidelijker, natuurlijker en zo muzikaal meeslepend. In figuur 3 een foto van het eerste prototype van de PW1, voltooid in 2017-2018.
Figuur 3. Het eerste prototype van de PW1.
In de loop der jaren ben ik steeds meer een voorstander geworden van het KISS-principe: minder is meer. Dat lukt alleen als je ‘met de stroom meezwemt’. Ik bedoel, je zult het item dat je gebruikt, of het nu een fet, een transistor of een opamp is, moeten accepteren voor wat het is. Want zodra je de eigenaardigheden ervan probeert te corrigeren ga je kracht uitoefenen en dingen ingewikkelder maken die je daardoor misschien, of waarschijnlijk, van je doel afleiden. Mijn gekozen aanpak is dus bijna alsof je je identificeert met een fet en ermee omhoog kijkt naar de voeding, en omlaag kijkt naar hoe en waar deze aan massa wordt bevestigd. Op dezelfde manier zul je, wanneer je door het RIAA-netwerk kruipt, rond kunnen kijken en ‘voelen’ of het comfortabel in de omringende schakelingen ‘zit’. Wat, haast ik toe te voegen, niet betekent dat je overboord gooit wat de wetenschap, de elektronicatheorie en de datasheets je hebben geleerd. Integendeel, je hebt alle mogelijke technische inzichten en gegevens nodig om te weten waar je bent en wat je doet!
Als voorbeeld hiervan vond ik het nodig om een zorgvuldig overdachte uitzondering te maken op de KISS-regel: ik liet één bipolaire transistor binnensluipen! Waarom? Om twee ongewenste eigenschappen van fets te verhelpen die schadelijk zijn voor de geluidskwaliteit (ja, fets zijn leuk, maar helaas verre van ideaal). Maar niet door middel van geweld, de bipolaire wordt hier gebruikt in een bijna passieve functie (cascode genoemd, geen signaalversterking) en kan dus niet knoeien met de signaalkwaliteit. En we voegen toch één opamp toe, aan het eind, als buffer tegen de buitenwereld: daar zijn opamps heel goed in. En we kozen natuurlijk voor de meest muzikale…..
Je zou kunnen zeggen dat mijn aanpak tot op zekere hoogte op Zen lijkt. Ik herinner me dat iemand me ooit een boek gaf met de titel “Zen en de kunst van het motoronderhoud” van Robert Pirsig, dat moet ergens in 1981 zijn geweest. Ik las het en in eerste instantie begreep ik geen snars van waar het over ging. Ondanks dat ik al sinds 1970 motor reed (bijna altijd Italiaans!), was mijn westers wetenschappelijke opleiding nog steeds dominant in mijn denken, zowel over technologie als over het leven in het algemeen. Het duurde nog een paar jaar aan levenservaring, omgaan met frustratie, pijn, verdriet en dood. En toen, eind jaren tachtig, pakte ik het boek weer op en was het ineens glashelder! Je moest proberen je motor te zien als een levend wezen, hem met liefde behandelen. En motorrijden werd ook anders: ik ging niet meer gewoon er op zitten en en dan de voorgeschreven handelingen verrichten, ik werd één met mijn motor tijdens elke rit.
Dus ja, sommige elektronische componenten die je in hifi gebruikt doen misschien niet precies wat je wilt. Maar als je dat accepteert en langs de lijnen van hun sterke punten werkt en je je voorzichtig met hun zwakke punten bemoeit, dan kun je eindigen met een prachtig resultaat. Zoals een Chinese tandarts ooit zei: “Vecht niet tegen de pijn, want pijn zal terugvechten. Ga met de pijn, en de pijn zal verward raken.” (cit. Doeschka Meijsing, De Tweede Man, 2000).
Waarom deze aanpak? Omdat ik een geluid wil dat zo natuurlijk en levendig mogelijk is. En hierin loopt KISS voorop, voor mij althans. Naar mijn ervaring geldt: hoe complexer je je schakelingen maakt, zelfs als dit is gedaan om de harmonische vervorming van het circuit te elimineren of wat dan ook, hoe groter het risico dat je de betrokken elektronica hoort. Dus terwijl andere versterkerschakelingen je misschien de mogelijkheid bieden om een opname tot in elk technisch detail te ontleden (handig in studio’s, dat geef ik toe), ga ik in mijn ontwerpen in de eerste plaats voor het overbrengen van emotie, en de warmte van een menselijke stem. Ik let wel op harmonische vervorming, maar meer op het karakter ervan (ik vermijd oneven harmonischen) dan dat ik zou streven naar een heel laag percentage. Liever ga ik voor de verleidelijke toon van een viool, de lucht rond stemmen en instrumenten (hun 3D-realiteit), de breedte en diepte van het stereobeeld. Als ik dat allemaal krijg, voelt het hemels en ben ik blij.
Peter van Willenswaard