USKOK PRETPOJAČALO

Prologue

The 3 levels in the making of an ultimate audio design "legend" :

Level 1: It's a clone. I invented it first 30 years ago! (But my dog ate the schematic.)
Level 2: It's a semi-clone. I invented it 30 years ago! (But the schematic was lost in the fire.)
Level 3: I don't care what it is but lemme tell ya fools – I INVENTED IT! (Aliens took the schematic and are selling it on Mars.)

The Flying Circus lives on!

Update: 13 April 2012

And, indeed, the story continues...

John Curl still thinks I am a Russian while others hit closer to home but do not seem to be able to quite wrap their heads around the issue of my nationality (Serb? Croat? WTF?), which is (as everyone knows) one of the key issues in audio design.:) Admittedly, I do find the renewed discussion about yours truly quite entertaining, particularly the part where some guy shares "an interesting sidelight" about what appears to be a nazi-loving Croatian Church (Roman Catholic) somewhere in the US. He finishes his post with extending his sympathy to Scott Wurcer for having the misfortune to find himself in the path of such a looney 'non-fan' as me. LOL! I mean, c'mon dude, that's whack right there! NHF. :)

Alas, Scott Wurcer jumps in quickly and spoils the guy's fun, saying:"One of my best friends in high school was Serbian, I got some first hand accounts. This thing was unfortunate, in retrospect I used words that were too harsh. Milan is obviously a very intelligent person and very well spoken in English more than I can say of my Serbo-Croatian."

THANK YOU, Scott, that is very gentlemanly of you and I appreciate it. I agree, the whole thing was unfortunate.

John Curl, with all due respect, but you are the last person to complain about "below-the-belt attacks" because that is precisely what you have been doing. For the umpteenth time, I am not in the business of selling home audio equipment. I have never even seen a Blowtorch, let alone took one apart. I am not one of your competitors. I have a real job. :-))) It’s been 5 years now since I published the Uskok project and to date no preamplifiers have been made and sold for profit by me. This is a DIY website and people are supposed to learn how to build this stuff by themselves for themselves, hence the schematics and instructions on the site. And no, I am definitely no Russian (you know, btw, the Cold War is over). Anyhow, I wish you well, too, and hope this is our final farewell.

P.S. You should have just asked if that's of so much interest to y'all; born and raised in Croatia, part Croat, part Montenegrin, no nazi affiliations. The horror! The horror!

P.P.S. Something must be terribly wrong with the US audio industry if its 'champions' get so easily threatened by diyers who seem to know what they're talking about. I hope that is not the general case.

Click here for the history of the Uskok controversy

4 September 2007

ABSTRACT
The USKOK© is a Class A zero-feedback (i.e. no global feedback) solid state preamplifier. It is a balanced two-stage differential design based on low-noise FETs (2SK170 and 2SJ74 BL) and MOSFETs (2SJ77 and 2SK214). The preamplifier is DC coupled and uses a DC servo to null out output offset. The innovative fully-balanced attenuator design provides a constant input impedance to reduce the impact of noise and distortion on the audio signal to the minimum level possible. For the same reason, the power supply is implemented in a separate chassis. The Uskok has 4 line inputs: 2 balanced and 2 un-balanced. The input switch allows for the absolute-phase inversion of inputs 1 and 4. The preamplifier is equipped with both balanced and unbalanced outputs to accommodate a variety of output connections. Internal wiring is made with silver wires in Teflon tubing. Linearity and stability are very good (see measurements).

Key words:

USKOK pretpojačalo (gornji uređaj) s pripadajućim napajanjem (donji uređaj). Oba kućišta kućna radinost.

Često se postavlja pitanje koja je svrha pretpojačala u audio sustavu te je li ono uopće potrebno. Sastoji li vam se sustav od CD reproduktora i izlaznog pojačala s potenciometrom za glasnoću (poput Academie), to pitanje i nije baš bez veze. Naime, što je manje uređaja u lancu, to je manje mogućih mjesta degradacije audio signala. To je otprilike i nit vodilja većine zagovornika pasivnih atenuatora, osobito u slučajevima kada je signal iz izvora dovoljne razine da bez problema može pogoniti izlazno pojačalo do njegovog maksimuma. Takvi se pasivni atenuatori onda sastoje samo od potenciometra, višepoložajnog otporničkog preklopnika ili transformatora, kao što ste mogli vidjeti i u nekoliko ranije predstavljenih primjera na našim stranicama.

Međutim, slušate li svoju omiljenu glazbu iz više izvora ili jednostavno uživate u čestom larpurlartističkom mijenjaju komponenti (nerijetko različitih karakteristika, tj. ulazne osjetljivosti, impedancije, itd.), pretpojačalo je taj uređaj koji bi trebao spojiti sve te vaše igračke u jednu, više-manje koherentnu, cjelinu. U nastavku teksta slijedi moja vizija jednog takvog pretpojačala... ili mojih 7 lakih komada, kako bi NP rekao. ;)

Pretpojačalo treba imati i balansirane i nebalansirane ulaze i izlaze. Naime, CDP-i i pojačala nerijetko imaju balansirane priključke i stvarno je šteta ne iskoristiti ih. Između ostaloga, balansirani spojevi su imuniji na smetnje, a konektori nešto kvalitetniji u odnosu na nebalansirane.
Pretpojačalo treba imati mogućnost okretanja apsolutne faze. Iako mnogi spore čujnost razlike pri okretanju apsolutne faze, ja sam moram priznati u nekoliko navrata (ne uvijek, naravno) uspio primijetiti zanimljivu, mada vrlo suptilnu, razliku u reprodukciji.
Pojačanje pretpojačala ne mora biti veliko, ako je uopće i potrebno. 6dB sasvim je dovoljno.
Ulazna bi impedancija trebala biti stalna bez obzira na položaj regulatora glasnoće. Tu mi se 10koma čini kao sasvim zadovoljavajuća vrijednost: nije premala da bi preopteretila izvor, a niti je prevelika da bi povećala opasnost od utjecaja vanjskih smetnji.
Izlazna impedancija pretpojačala treba biti što manja da bi pretpojačalo moglo bez problema pogoniti pojačala manje ulazne impedancije.
Dobro bi bilo da je modularne izvedbe: odvojeno napajanje, linijski dio s regulatorom glasnoće i selektorom ulaza te opcionalno RIAA pretpojačalo za prihvat MC ili MM zvučnice. Takva bi modularnost donijela veće mogućnosti eksperimentiranja i bolju kvalitetu jer bi se neki dijelovi pretpojačala mogli kvalitetnije isprojektirati, a eventualni izvori šuma i brujanja dodatno izolirati od najosjetljivijih dijelova pretpojačala.
Pretpojačalo treba imati što manji nepovoljan utjecaj na zvuk. Naravno, najpoželjnije je da nema nikakav ili da ima, ako ništa drugo, barem povoljan utjecaj na zvuk.

Halo Bing, cijena...? Po meni, DIY ne znači samo proći jeftinije da bi se dobilo jednako dobro ili tek nešto lošije od kupovnog. Pravi smisao samogradnje, kako ja to vidim, znači potrošiti onoliko koliko treba da bi se realizirala nesvakidašnja, unikatna, pa čak i originalna ideja i pritom dobio proizvod vrhunskih performansi. Samo usputno će izrada takvog DIY-end unikata koštati mnogostruko manje od uvjetno usporedive komercijale na high-end tržištu, ali sigurno neće koštati pivo i ćevape.

PRETPOJAČALO

Pretpojačalo prikazano na slikama koje upravo gledate dijelom je originalna umotvorina, a dijelom kombinacija poznatih topologija različitih dizajnera iz cijeloga svijeta te, u pojedinim segmentima, oživotvorenje nekih do sada isključivo teorijski promišljanih ideja i koncepata. Onima upućenijima među vama neka će se rješenja stoga zasigurno učiniti poznatima.

Pretpojačalo se temelji na diskretnoj SS tehnologiji s malo, ako uopće, upotrijebljene povratne veze i sa što je manje moguće elemenata, osobito onih na putu signala. Slika 1 prikazuje shemu pretpojačala.

Slika 1

Unutrašnjost pretpojačala
(Highlights: balanced inputs/outputs, switchable absolute-phase inversion, silver wires in Teflon tubing,
Shallco Precision Rotary Switch, Caddock & PRP resistors, JFETs 2SK170/J74, Elna Cerafine capacitors)

Možemo reći da se pretpojačalo sastoji od dva stupnja. Ulazni stupanj se sastoji od dva (dvostruka) komplementarna FET-a, spregnuta izlaznim stupnjevima u obliku kaskode (preciznije, folded cascode). Pojačanje pretpojačala se više-manje određuje otpornikom R24. Koristim relativno dobavljive FET-ove 2SK170 i 2SJ74 s BL ekstenzijom. Tranzistore sam upario na vrijednost Idss=7,5mA. Uzimaju li se tranzistori s V ekstenzijom, tada treba koristiti jednostruke parove s Idss= cca 15mA. Umjesto ovih FET-ova mogu se koristiti i drugi parovi (kao npr: 2SK389/2SJ109BL ili V). Pojačalo se napaja iz stabiliziranog izvora ±24V, a potrošnja po kanalu iznosi oko 100mA. Izlazni se tranzistori postavljaju na malo hladilo ili montiraju na dno kutije. Otpornici R7,8,9,10 trebaju biti snage 1W.

Kao što se vidi, pretpojačalo nema globalnu povratnu vezu, ali zbog degenerativne povratne veze (source otpornici ulaznih FET-ova) i kaskode, izobličenja su vrlo mala a frekvencijska karakteristika linearna sve do 200kHz. Na slikama koje slijede prikazana su neka mjerenja pretpojačala koja sam informativno obavio u kućnim uvjetima.

Frekvencijski odziv i THD+N za 1Vrms izlaznog napona
(THD+N je 0,02%, treći harmonik K3 je 0,003%, a drugi harmonik K2 iznosi 0,002%)

Na gornjoj se slici vidi da je frekvencijska karakteristika ravna u audio području, bez ikakve naznake opadanja. THD je, kao i frekvencijska karakteristika, mjeren pri izlaznom naponu Vout=1Vrms, gdje je dobivena vrijednost THD+N=0,02% u cijelom spektru. Pojedinačni harmonici K2, K3, K4 i K5 vrlo su mali, s vrijednostima na razini rezolucije mjernog instrumenta (0,001%). Doduše, i ova nešto veća vrijednost THD+N (0,02%) zapravo je rezultat utjecaja induciranog vanjskog šuma na mjerenje, koje je provedeno bez korištenja bilo kakvih filtara i u ne baš laboratorijskom okruženju (blago rečeno).

Maksimalni hod signala pretpojačala je oko Vpp=20V. Iako se pretpojačalo napaja daleko većim naponom, koje bi korištenjem nekih drugih topologija moglo dati i Vpp=40V, ovdje dolazi do izražaja jedna od (sporednih!) mana kaskodnog spoja u obliku manjeg maksimalnog izlaznog napona. No, to u ovom slučaju nije razlog za brigu jer je taj maksimalni hod sasvim dovoljan za pogon bilo kojeg (normalnog) izlaznog pojačala (ne i Passovog F4, sorry!).

Prva slika u galeriji ispod prikazuje valni oblik na izlazu kada je pretpojačalo preopterećeno. Jasno se vidi izobličenje vrha sinusoide, što će rezultirati većim THD izobličenjima, ali se jednako tako vidi i da pretpojačalo vrlo dobro podnosi te trenutke preopterećenja, ne proizvodeći nikakve dodatne artefakte niti pokazujući znakove nestabilnosti (druga slika u galeriji). Na zadnjim dvjema slikama u donjoj galeriji vidi se odziv pretpojačala na kvadratni signal frekvencije 1kHz i 100kHz, iz kojega možemo iščitati vrlo dobru stabilnost pretpojačala i frekvencijski opseg od preko 200kHz (-1dB).



Izgled maksimalnog izlaznog signala iz pretpojačala (20V peak-to-peak)	Izgled izlaznog signala kada je pretpojačalo prepobuđeno, tzv. clipping (izlazni napon preko 20V pp)	Izgled pravokutnog signala na izlazu pretpojačala pri 1kHz	Izgled pravokutnog signala na izlazu pretpojačala pri 100kHz

Karakteristike pretpojačala

Frekvencijski opseg	10Hz-200kHz (-1dB)
S/N	veći od 80dB (filtar 20Hz-20kHz)
THD	ispod 0,008% (Vout=1Vrms)
IMD	ispod 0,004%
Ulazna impedancija	10kohm (bez obzira na položaj regulatora glasnoće)
Izlazna impedancija	1kohm
Broj ulaza	2 balansirana, 2 nebalansirana
Broj izlaza	1 balansirani, 1 nebalansirani

SERVO

Kako ste vjerojatno primijetili, ovo pretpojačalo ne sadrži vezne/odvojne kondenzatore na ulazu i izlazu. Zbog toga koristim servo stupanj, koji osigurava da na izlazu pretpojačala nikada nema DC komponente, bez obzira na mogući DC offset iz izvora signala ili onaj uzrokovan promjenama u aktivnim elementima zbog promjene temperature ili sl. Slika 2 pokazuje izvedbu servo stupnja i napajanja pretpojačala.

Slika 2

Servo sam izveo pomalo neuobičajeno. Jedan OPAMP kontrolira razliku između balansiranih izlaza, a drugi njihov zbroj. Svaki utječe na pripadni komplementarni izlaz, promjenom struje kroz source otpornike izlaznih tranzistora. Ovakva izvedba je nešto imunija na nepreciznosti koje su uzrokovane nedovoljno točnom referentnom vrijednosti mase odnosno nultog potencijala, te efikasnije smanjuje, tj. poništava, istosmjerni potencijal između dva izlaza u balansiranom spoju. Ne zaboravite, naime, da je izvedba pretpojačala balansirana te je veći problem istosmjerni napon između dva izlaza nego pojedinačni mali potencijal prema masi. Izmjereni DC offset bilo kojeg izlaza prema masi ili međusobno manji je od 1mV.

U izvedbi sam predvidio podnožje za servo OPAMP, radi lakšeg eksperimentiranja s različitim OPAMP-ima. Ovdje koristim standardni LF412 s izvrsnim rezultatima, ali se može naravno koristiti i AD712 itd. MOSFET-i Q7 i Q8 služe za dodatnu filtraciju napona napajanja. Ovakva izvedba pretpojačala nema baš prevelik PSRR (imunost na smetnje u napajanju) pa dodatno filtriranje napajanja koje dolazi iz posebnog uređaja nije naodmet.

ULAZNI SELEKTOR

Za ulazni selektor odabrao sam ELMA preklopnik 4 pola-6 položaja s pozlaćenim kontaktima. Budući da mi nije potrebno 6 ulaza na pretpojačalu, ovi dodatni položaji iskorišteni su da bi se ostvarila funkcija promjene apsolutne faze. Shema ulaznog selektora prikazana je na Slici 3.

Slika 3

Prvi položaj je balansirani ulaz 1 u fazi.
Drugi položaj je balansirani ulaz 1 u protufazi.
Treći položaj je balansirani ulaz 2 u fazi.
Četvrti položaj je nebalansirani ulaz 1 u fazi.
Peti položaj je nebalansirani ulaz 2 u fazi.
Posljednji, šesti položaj je nebalansirani ulaz 2 u protufazi.

Na ovaj način, balansirani ulaz 1 i nebalansirani ulaz 2 moguće je jednostavno prespajati u odnosu na fazu i relativno jednostavno pratiti utjecaj promjene na zvuk sustava. Interno ožičenje izvedeno je srebrnim žicama promjera 0,2mm koje su izolirane teflonskim bužirom.

REGULATOR GLASNOĆE

Regulator glasnoće (Slika 4) izveden je sa 6 pojedinačnih balansiranih L atenuatora. Atenuatori imaju atenuaciju izvedenu prema binarnom zakonu (1,2,4,8,16,32 dB) pa je odabirom uključenih atenuatora moguće ostvariti ukupnu atenuaciju od 63dB rezolucije 1dB.

Slika 4

Otpornici u atenuatoru vrlo su visoke kvalitete (Caddock), a releji su standardne visokokvalitetne izvedbe za preklapanje malih struja i napona. Otpornici su proračunati tako da atenuator ima uvijek, bez obzira na broj uključenih pojedinačnih atenuatora (bez obzira na položaj regulatora glasnoće), jednaku ulaznu impedanciju, koja iznosi 10kohma. Uz malo računanja na kalkulatoru i nešto borbe s decibelima, svatko si može sam izračunati atenuator za neke druge korake i neku drugu nazivnu impedanciju, već prema želji. Atenuatorom se upravlja pomoću kvalitetnog 24-koračnog preklopnika (Shallco) tipa break-before-make i diodne matrice kojom se kodira željena atenuacija za određeni korak. Izvedba matrice za jedan proizvoljni set koraka prikazan je na slici 5. Naravno, svaki korisnik može izmjenom dioda u matrici podesiti sebi najprikladniji raster i korak.

Slika 5

ISPRAVLJAČ

Ispravljač je izveden u posebnoj kutiji i sadrži dva potpuno odvojena i približno jednaka stabilizirana ispravljača, koja daju ±28V/0,5A. Jedan se koristi za napajanje pretpojačala, dok će se drugi koristiti za napajanje RIAA korekcijskog pretpojačala koje će biti smješteno u zasebnu kutiju. Izgled unutrašnjosti vidi se na slici ispod, a shema je prikazana na slici 6.

Napajanje (PSU)

Slika 6

Kako se vidi na shemi, ispravljač je jednostavan. Sastoji se od predimenzioniranog filtarskog dijela i aktivnog stabilizatora sastavljenog od diferencijalnog pojačala greške i izlaznog MOSFET tranzistora. Ovakva izvedba je odabrana stoga što su se standardni LM3xx stabilizatori pokazali neprikladnima i nesigurnima za stabilizaciju ovih napona, a kompleksnije izvedbe ne bi proporcionalno doprinijele kvaliteti pretpojačala. Dizajn se pokazao izrazito stabilnim i pouzdanim, uz vrlo malen izmjenični napon na izlazu (u razini šuma osciloskopa).

Pored navedenog, iz pomoćnog namotaja transformatora od 12V (nije prikazano na shemi) dobio sam pomoćni napon od 12V, koji služi za odgođeno uključenje pretpojačala i za pogon releja u regulatoru glasnoće. Na taj je način napon za napajanje pretpojačala potpuno odvojen od mogućih izvora smetnji koji se mogu pojaviti u trenucima preklapanja releja. Ispravljač se spaja na pretpojačalo posrebrenim 5-pinskim Neutrik konektorima.

ZAKLJUČAK

Puno sam vremena potrošio na razmišljanja kako optimalno i što kvalitetnije napraviti ovo pretpojačalo. Kakvu topologiju koristiti, koliko povratne veze, koje otpornike, kako izvesti atenuator a da ne izgleda kao mreža pauka početnika... samo su neka pitanja na koje sam trebao pronaći suvisao odgovor. Priručna rješenja s potrošnim dijelovima iz kućne apoteke nisu dolazila u obzir. Čak naprotiv, dijelovi su pomno birani i strpljivo nabavljani kako na najkritičnijim mjestima pretpojačala ne bi bilo nikakvih kompromisa. Da ne zaboravim ponoviti, katkada najskuplje ne znači i najbolje. Proizvoljno, nasumično i neupućeno predoziranje sklopova skupocjenim komponentama ne mora (niti vjerojatno neće) dati najbolje rezultate. Tako u slučaju ovoga pretpojačala mogu reći da je veći efekt na krajnji rezultat dala bolja uparenost tranzistora (čitaj: kupovina dvostruko, trostruko veće količine od potrebne i nakon toga težak i dosadan rad na uparivanju) nego uporaba super-regulatora bilo koje provenijencije u napajanju (nije da nisam probao).

Cijena izvedbe ovog pretpojačala nije mala. Zato, ako vam nešto nije jasno i/ili ne možete saznati odgovore na svoja pitanja, radije se nemojte upuštati u projekt. Nacrt pločica i raspored elemenata ovdje su kritični faktori uspjeha pa sam zato tisak svojih nacrta povjerio iskusnim profesionalcima. Rezultat su dvoslojne pločice visoke kvalitete koje ovdje vidite. Višak izrađenih pločica mogu ustupiti zainteresiranim graditeljima, uz adekvatnu naknadu.

Pretpojačalo je pokazalo, osim izvrsnih mjernih rezultata (za SS pretpojačalo bez globalne povratne veze), i izvrsne zvučne karakteristike. Trenutno sam ushićen pa možda ne bi bilo korektno da vas maltretiram samohvalom, superlativima te općenitim (i iritatnim) nedostatkom bilo kakve samokritike. Činjenica je da su sva ostala pretpojačala (da, da, i cijevna) nakon slušnih testova završila u ormarima. Čak me nadahnuo da za njega isprojektiram i napravim poseban DIY-end kabel (Tam-An). Pretpojačalo svoj zadatak obavlja odlično: ne kolorira zvuk niti ga nagrđuje ikakvim istitravanjima u visokotonskom dijelu spektra (tipična boljka mnogih transformatorskih koncepata), ne komprimira zvučnu pozornicu, ne kljaštri (teškom mukom postignutu) rezoluciju ostatka sustava niti na neki drugi način degradira zvuk. A opet, glazba je nekako... pa ljepša za neku neuhvatljivu nijansu (u nedostatku preciznijeg izraza i uz ogradu da je možda samo riječ o autosugestiji). U svakom slučaju, objektivni slušači dobit će priliku reći svoje.

Bilo kako bilo, moja je misija i vizija izrade kvalitetnog (beskompromisnog, ako baš hoćete) pretpojačala ispunjena. Što se mene tiče, to je to. Ako će ovaj članak nekome u cijelosti ili bar djelomice biti inspiracija ili dobar izvor informacija u vlastitim DIY nastojanjima, bit će to samo dodatni bonus. Uživajte. (-v)



Pass X250.5-based system shootout (courtesy of Mr. Zoran Radenkovic)	Uskok rear view	Uskok and DIY Aleph 3 combo. Bingo!	Tam-An interkonekti (limited edition)

Visitors since 24 Aug. 2010

COPYRIGHT NOTICE
This material is not public domain. It is provided for your personal use only and may not be reproduced, re-distributed, re-transmitted, copied or otherwise used in any form without the express written permission of the author. You may not upload this material to any public server, on-line service, network or bulletin board without the prior written permission of the author. The use or copying of the contents of this page, in whole or in part, for any commercial purpose is expressly prohibited.

...to top of page