3.6.Электронные головки звукоснимателей
Общим свойством описанных выше головок звукоснимателей является зависимость выходной мощности от массы подвижной системы преобразователя (сигналу напряжением 2 мВ на нагрузке 47 кОм соответствует мощность примерно 10~9 Вт). Дальнейшее снижение подвижной массы без ухудшения отношения енгнал/шум почти невозможно. Поэтому большое значение имеют преобразователи, которые не создают выходную мощность, а только влияют на более мощный поток энергии, действуя подобно электронной лампе или транзистору. Подобные электронные головки звукоснимателей всегда работают с подачей энергии извне. Однако необходимость в энергии затрудняет замену магнитной головки звукоснимателя электронной, которая не может работать без вспомогательных блоков. Первые промышленные серии доказали, что эти специальные головки звукоснимателей позволяют получить хорошее качество звуковоспроизведения и в результате проводимого сейчас усовершенствования и модернизации можно ожидать их все большего распространения.
Фотоэлектрические головки звукоснимателей. В августе 1968 г. на выставке высококачественной воспроизводящей аппаратуры в Дюссельдорфе японская фирма «Тосиба» впервые в Европе продемонстрировала головку звукоснимателя типа С-100Р, которая работала на принципе фотоэлектронного преобразования. Схема этой головки звукоснимателя показана на верхней части рис. 1,а. На иглодержателе, упруго подвешенном в точке х, закреплена тончайшая дюралюминиевая пластинка. В этой пластинке имеются две щели, расположенные под углом 90° друг к другу. Непосредственно за щелями этой пластинки расположены щели другой, неподвижной пластинки. Перед подвижной парой щелей располагается низковольтная миниатюрная лампочка накаливания, луч света от которой через пары подвижных и неподвижных щелей, как через диафрагму, попадает на фототранзистор.
В положении покоя через диафрагму проходит примерно половина светового потока. На правой половине рисунка показаны два положения пластин для левого капала: верхнее положение соответствует максимальному световому потоку, а нижнее—минимальному. Если канавка имеет модуляцию в левом канале, то относящаяся к нему щель будет двигаться вдоль более короткой стороны, в то время как щель правого канала будет отклоняться вдоль продольной оси. При соответствующем выборе ширины и длины щелей можно получить, что при наибольших отклонениях в левом канале количество света, проходящего через щель правого канала, не меняется. Так как выходной сигнал фототранзисторов пропорционален количеству света, зависящему от отклонения, то фотоэлектрические головки звукоснимателей могут быть отнесены к группе преобразователей, чувствительных к амплитуде (амплитудных преобразователей). Соответственно этому формируется и амплитудно-частотная характеристика предварительного усилителя. Благодаря большому сигналу на низких частотах, отношение сигнал/шум более благоприятно, чем у магнитных систем.
Миниатюрная лампа накаливания питается от стабилизированного источника постоянного напряжения, ибо внутреннее или внешнее изменение силы света означает вредную модуляцию. Мощность лампочки 0,6 Вт. Для отвода тепла и изоляции от внешнего света имеется сферическая оболочка диаметром 25,4 мм, по которой головки звукоснимателей можно узнать издали. Гарантируется срок службы лампы накаливания в 10000 час.
С особой тщательностью подбирается пара фототранзисторов, характеристики которых в рабочей области частот должны быть идентичными. Коэффициент искажений всей системы составляет 0,65% (f=1000 Гц, v = 5 см/с). Нижняя граница амплитудно-частотной характеристики равна 0 Гц, что достигается коротким замыканием разделительного конденсатора между фотозвукоснимателем и усилителем (рис. 1,6). В этот момент положение щелей зависит от прижимной силы, поэтому предварительный усилитель можно переключить для измерения действующей прижимной силы. Ее значение можно прочитать по шкале измерительного прибора магнитоэлектрического типа. Рекомендованное значение прижимной силы: 15 мН±5 мН. Малая эффективная движущаяся масса позволяет отодвинуть верхнюю границу передаваемых частот до 40 кГц.
Как горизонтальная, так и вертикальная гибкости имеют значения около 30*10-3 м/Н и обеспечивают при малой прижимной силе передачу сигналов на низких частотах с высоким качеством. Интересно отметить, что чувствительность головки звукоснимателя примерно в 10 раз больше чувствительности магнитных головок звукоснимателей (15 мВ при колебательной скорости сигнала 7 см/с). Из-за чувствительности к амплитуде головки звукоснимателей этого типа не могут испытываться при помощи измерительных пластинок, разработанных для проверки скоростных головок звукоснимателей (например, передача П-образных импульсов).
Рис. 1. Принцип работы фотоэлектрической головки звукоснимателя, вид спереди и расположение щелей при максимальном и минимальном световых потоках (а); схема соединений фотоэлектрической головки звукоснимателя С-100Р и электронного блока SZ-1, относящегося к нему (б)
Емкостные головки звукоснимателей. В микрофонной технике уже давно наряду с индуктивными (магнитными) преобразователями используются работающие на электрическом принципе емкостные или конденсаторные микрофоны. Одним из главных препятствий к распространению емкостных головок звукоснимателей до последнего времени была невозможность расположить предварительный усилитель с большим входным сопротивлением достаточно близко к преобразователю. При вынесенном усилителе и относительно длинном тонарме распределенная емкость проводов существенно снижает КПД преобразователя.
Принципиально имеются две возможности для изготовления емкостной головки звукоснимателя, а именно с высокочастотным и низкочастотным устройством. При высокочастотном исполнении иглодержатель является подвижной обкладкой конденсатора колебательного контура генератора с частотой сигнала в несколько мегагерц. Благодаря этому частота генерируемого сигнала будет пропорциональна отклонению канавки. Следовательно, после определенного усиления и демодуляции (например, дробным детектором) может быть выделен сигнал звуковых частот. Излишне отмечать сложность электронных устройств, примененных в головке звукоснимателя. Такие головки выпускает японская фирма «Стакс».
Емкостную головку звукоснимателя с выходным сигналом, лежащим в области звуковых частот, конструктивно можно изготовить подобно предыдущей, если на подвижной обкладке конденсатора поддерживать постоянный заряд. Из соотношения Q = CU видно, что изменение емкости вызывает изменение напряжения. Основная трудность заключается в обеспечении постоянного заряда, который может быть достигнут только подключением конденсатора через большое сопротивление к генератору постоянного напряжения, Это одновременно обусловливает большое выходное сопротивление и плохое отношение сигнал/шум. Вполне вероятно, что в будущем описанный способ будет вытеснен электретной конденсаторной головкой звукоснимателя.
Развитие низкочастотных емкостных головок звукоснимателей можно ожидать после разработки материалов, обладающих постоянным электрическим зарядом (электретов). Одним из представителей электретных конденсаторных преобразователен является головка типа C-401S фирмы «Тосиба», выходной сигнал которой лежит в полосе звуковых частот, т. е. нет необходимости в его демодулировании.
Функциональная схема простой конструкции показана в верхней части рис. 2. Подвижной частью преобразователя является иглодержатель, который и при большем, чем обычно, диаметре представляет собой небольшую подвижную массу. Иглодержатель с увеличенным диаметром имеет повышенную прочность на изгиб. Металлическая трубочка иглодержателя, соединенная с землей, является подвижной обкладкой конденсатора. Против трубочки под прямым углом расположены два синтетических электретных электрода размером 1x2 мм с протнвоэлектродами на обратных сторонах. Малые изменения напряжения на противоэлектродах усиливаются усилителем на интегральной микросхеме, вмонтированной непосредственно в головку звукоснимателя (см. схему соединений внизу рисунка). Входное сопротивление повторителя на полевых транзисторах интегральных микросхем равно 1010 Ом. Так как электретный преобразователь чувствителен к амплитуде, то необходим предварительный усилитель с характеристикой, отличной от характеристики, применяемой для магнитных головок звукоснимателей. Предварительный усилитель и источник питания интегральных микросхем содержит блок SZ-200, подключенный к выходу головки звукоснимателя.
Рис. 2. Конструкция емкостной головки звукоснимателя (вверху) и электронного блока (внизу):
Исследования электретных конденсаторных звукоснимателей показали, что их частотная характеристика пригодна для проигрывания пластинок CD-4. Из принципа емкостного преобразования вытекает их большое преимущество — полная нечувствительность к магнитным полям рассеяния. На выходе предварительного усилителя при колебательной скорости ы = 5 см/с на частоте 1000 Гц получают напряжение 200 мВ, которое можно подать на линейный вход усилителя. Ожидаемые направления развития электретных звукоснимателей — это снижение относительно большой прижимной силы и повышение гибкости.
Полупроводниковые головки звукоснимателя. Десять лет назад американская фирма «Эуфоникс» разработала полупроводниковую головку звукоснимателя, получившую название «Миниконик». В ней был применен кремниевый полупроводниковый элемент, в котором было использовано только что открытое физическое свойство кристаллов изменять сопротивление полупроводника пропорционально действующей на него сжимающей или растягивающей силе. На преобразователь необходимо подать постоянное напряжение, которое изменением сопротивления модулируется соответственно с отклонениями канавки. Следовательно, эта головка чувствительна к амплитуде.
Модулирующий элемент показан на рис. 3. Нижнюю и верхнюю поверхности пластинки из эпоксидной смолы длиной 10 мм, шириной 1,25 мм и толщиной 0,5 мм покрывает медная пластинка толщиной 25 мкм, покрытая с внешней стороны золотом. В середине пластинки имеется протравленная канавка шириной 0,5 мм. В этом месте первоначальная толщина пластинки уменьшена в 4 раза, чем достигается требуемая гибкость. Через протравленную канавку перекинута пластинка из полупроводникового кремния шириной 0,2 мм и толщиной в несколько сотых миллиметра. Концы полупроводника точечной сваркой соединены с медной фольгой. Замыкание электрической цепи обеспечивается соединением верхней и нижней медной фольги на конце, противоположном выводам.
Рис. 3. Элемент модулятора полупроводниковой головки:
Два таких модулирующих элемента закрепляются в традиционной прямоугольной системе, как и при пьезоэлектрических преобразователях. Передатчик, соединяющий свободные концы элементов, подсоединяется к трубке иглодержателя примерно в ее центре. Благодаря этому на модулирующий элемент передастся половина отклонения, но с трансформированной в 2 раза силой. Значительное, по сравнению с пьезоэлектрическими головками звукоснимателей, отточие заключается в том, что благодаря протравке пластинки из эпоксидной смолы и малой толщины кремниевого элемента упругие отношения полупроводниковой головки существенно более благоприятны. Головка «Миниконик» при температуре 24 °С имеет гибкость 25*10-5 м/Н, т. е. такую же как у хороших магнитных звукоснимателей. Для звукоснимателя с эллиптической иглой рекомендуется прижимная сила 5—15 м/Н, эффективная масса подвижной системы около 0,6 мг, чувствительность головки примерно 5 мВ/см/с.
Сигнал с головки звукоснимателя усиливается на 32 дБ усилителем, встроенным в корпус блока питания, обеспечивающего постоянное напряжение 20 В. Как особенность можно отметить поворот фазы сигнала одного из каналов усилителя на 180°. Необходимость в компенсации фазы объясняется тем, что при проигрывании монофонической канавки один из модулирующих элементов сжимается, а другой растягивается, поэтому в модулированном сигнале происходит поворот фазы.
Подводя итог, можно сказать, что работающая с модуляцией сопротивления полупроводниковая головка совмещает в себе достоинства магнитных головок звукоснимателей (широкую полосу частот, равномерную амплитудно-частотную характеристику, большую гибкость и малую прижимную силу) с положительными качествами пьезоэлектрических головок звукоснимателей (малую массу — всего 2 г, большое выходное напряжение, нечувствительность к магнитным полям и материалам).
Полупроводниковая головка может работать не только с модуляцией сопротивления. Известны головки звукоснимателей, работающие па принципе непосредственней модуляции транзистора. Активным его элементом является полевой МОП-трапзистор, электрические параметры которого могут изменяться механическими колебаниями, действующими на него.
Полевой МОП-транзистор формируется на монокристалле кремния толщиной 0,2—0,4 мм с выводами шириной 10 мкм и длиной 100 мкм (исток, сток, затвор). Если в направлении протекания тока через транзистор (исток — сток) на отрезок кристалла действует сжимающая или растягивающая сила, ток насыщения транзистора изменяется. При соответственно больших сопротивлении нагрузки и напряжении батареи головка звукоснимателя уже может работать. Однако более выгодно, если вместо резистора нагрузочным сопротивлением послужит сопротивление находящегося в области насыщения еще одного такого же, но неуправляемого (пассивного) транзистора.
На стоке активного транзистора отклонение в 10 мкм при напряжении батареи 20 В вызывает изменение напряжения на 200 мВ. Однако это напряжение, соответственное сопротивлению насыщения МОП-транзистора, можно снять с генератора, обладающего внутренним сопротивлением около 100 кОм. Полное выходное сопротивление может быть снижено установкой третьего МОП-транзистора. В схеме на рис. 4 полное выходное сопротивление равно 6,8 кОм, а напряжение на выходе превышает 700 мВ.
Рис. 4 Активный элемент головки звукоснимателя на полевых МОП-транзисторах (слева) и принципиальная схема (справа):
Головки звукоснимателей на МОП-транзисторах обладают характерным спектром шумов. Шумы складываются из шума мерцания с характеристикой 1/f и шума, обусловленного генерацией и рекомбинацией зарядов. В полосе 10—20 000 Гц можно достичь отношения сигнал/шум 1000 : 1, т. е. 60 дБ.
Бесконтактные головки звукоснимателей. Все рассмотренные до сих пор головки звукоснимателей были контактными. В них смещение к центру пластинки (в соответствии с шагом записи) и передача колебаний канавки производятся с помощью одного элемента — иглы. Однако несмотря на все уменьшающуюся прижимную силу и улучшение качества материала пластинки при проигрывании возникает деформация канавки. Часто вследствие чрезмерного уменьшения прижимной силы, предпринятого именно для сохранения канавки, ухудшается способность следования иглы по канавке и тогда даже при однократном проигрывании на пластинке остается больше повреждений, чем после стократного проигрывания с прижимной силой, увеличенной па несколько процентов.
Идеальным было бы такое устройство для проигрывания пластинок, которое смещало бы звукосниматель без непосредственного контакта с канавкой. К такому устройству относится видеопроигрыватель фирмы «Филипс», продемонстрированный осенью 1972 г. Он пригоден только для проигрывания видеодисков типа VLP, в которых видеосигналы вместе со звуковой информацией записываются лучом лазера в виде последовательности микроскопических углублений шириной 0,8 мкм, глубиной 0,16 мкм и длиной от 0,6 до 4 мкм.
Воспроизведение этих видеодисков также осуществляется с помощью луча лазера, сфокусированного на дорожку записи. При оптическом воспроизведении возникают трудности, вызванные, с одной стороны, низкой светоотражающей способностью черного материала, из которого изготовлены видеодиски, а с другой — сложностью устройства, осуществляющего ведение луча по дорожке записи.
В последнее время разработано несколько систем для бесконтактного воспроизведения записанной информации. Кроме оптической предложена емкостная система воспроизведении, в которой для ведения видеоснимателя по канавке используется традиционная игла, но она скользит только по самой верхней части канавки и не вызывает повреждений углублений, расположенных на ее дне. Распространение такого рода бесконтактных систем можно ожидать в следующем десятилетии. Приведем интересный расчет плотности записи на видеодисках.
Скорость передачи информации с видеодисков VLP при записи цветного телевизионного изображения равна 84 Мбит/с, следовательно, на тридцатиминутном видеодиске V LP может храниться 150 Гбит информации. Так как пластинка способна хранить 1080 Мбит, это означает, что на одном видеодиске можно записать программу, соответствующую 140 большим пластинкам.