Potencjometry i inne regulatory głośności
Zanim przejdziemy to omówienia wspomnianych w tytule regulatorów głośności, zwróćmy uwagę na rozróżnienie regulacji głośności oraz regulacji wzmocnienia. Zgodnie z formalną terminologią elektroniczną regulacja głośności jest jednym z elementów, które wpływają na całkowite wzmocnienie pomiędzy terminalami wejściowymi a wyjściowymi wzmacniacza. Jednak w normalnej praktyce kiedy mówimy o regulacji głośności oraz regulacji wzmocnienia to chodzi o różne układy we wzmacniaczach.
Do regulacji głośności stosowane są różne rozwiązania jak potencjometry, czy drabinki rezystorowe. W większości przypadków są to w istocie dzielniki napięca wykorzystujące zmienne - płynnie lub skokowo - rezystancje. Każdy typ układu ma swoje wady i zalety. Nie ma pojedyczego rozwiązania, które by było najlepsze pod każdym względem.
Powszechnie przyjmuje się, że regulacja głośności powinna działać zgodnie z krzywą logarytmiczną, aby dopasować się do postrzegania głośności przez nasz słuch. Ze względu na ułatwienie współdziałania z towarzyszącymi układami elektronicznymi zwykle przyjmuje się też, że korzystna jest stała i dość wysoka impedancja wejściowa oraz niska impedancja wyjściowa. W rezystorowych dzielnikach napięcia wskazana jest minimalizacja nierezystancyjnych składowych impedancji. Generalne zalecenia dotyczące impedancji z reguły są w mocy, ale dokładniejsze wymagania można sprecyzować dopiero wtedy gdy określimy jakie układy czy urządzenia będą współpracować z regulatorem głośności - w różnych projektach przyjmuje się różne kompromisy i różne są wymagania techniczne.
Potencjometry
Najczęściej do regulacji głośności stosuje się potencjometry. W domowym audio stosowane są zazwyczaj potencjometry obrotowe, rzadziej spotyka się też suwakowe. W potencjometrze znajduje się ścieżka oporowa ze specjalnie dobranego materiału i po tej ścieżce przesuwany jest ślizgacz. Sygnał wejściowy podawny jest na skrajne styki potencjometru, a sygnał wyjściowy jest pobierany z jednego styku skrajnego (masa) oraz ze ślizgacza, co widać na schemacie zamieszczonym obok. W ten sposób powstaje dzielnik napięcia, a położenie ślizgacza decyduje jaka część napięcia wejściowego zostanie przekazana na wyjście.
Potencjometry mają kilka istotnych zalet. Ich konstrukcja jest prosta co pozwala produkować je tanio z wykorzystniem niedrogich materiałów. Można też wykonać potencjometry z lepszych materiałów przy zachowaniu ściślejszych tolerancji. Potencjometry mogą więc obsłużyć szeroki zakres cenowo-jakościowy. W sensie elektronicznym są proste w aplikacji, zapewniają płynną regulację bez generacji pasożytniczych sygnałów związanych z przełączaniem, nie wymagają dodatkowego zasilania, w większości przypadków zajmują niewiele miejsca. Poza tym impedancja wejściowa potencjometru jest w przybliżeniu stała.
Potencjometry mają też sporo wad. Ścieżka i ślizgacz podlegają zużyciu. Potencjometry mogą być podatne na zabrudzenie ścieżki oporowej i/lub ślizgacza - stopień tej podatności zależy od jakości wykonania potencjometru. W potencjometrach trudno jest zapewnić dokładną powtarzalność charakterystyki - co dotyczy nawet drogich modeli. Z tego względu potencjometry stereofoniczne z reguły nie zapewniają dokładnej równowagi kanałów, a największe rozbieżności występują na początku zakresu, gdy mamy ustawioną niską głośność. Jeśli przy cichym słuchaniu dźwięk jest słyszalnie przesunięty do jednego kanału, niestety trzeba to zaakceptować jako rzecz normalną. Trudne jest też uzyskanie w sposób ekonomiczny dobrej zgodności z krzywą logarytmiczną i najpopularniejsze potencjometry mają charakterystyki tylko zbliżone krzywej do logarytmicznej. W praktyce użytkownicy raczej nie odczuwają dyskomfortu z powodu tego typu odstępstwa od teoretycznych założeń.
Drabinki rezystorowe
W uproszczeniu można traktować drabinki rezystorowe jako dyskretne odpowiedniki potencjometrów - czyli układy działające skokowo i wykonane z osobnych rezystorów. Takie uproszczenie jest dopuszczalne w przypadku gdy chodzi nam jedynie o zrozumienie ogólnej idei działania układu - gdy ograniczamy się do stwierdzenia, że drabinki rezystorowe oraz potencjometry są dzielnikami napięcia. Natomiast jeśli interesuje nas porównanie technicznych, ekonomicznych, odsłuchowych i użytkowych walorów poszczególnych rozwiązań, to trzeba uwzględnić istnienie różnych typów drabinek rezystorowych.
Zacznijmy od drabinek rezystorowych opierających się na wykorzystaniu tradycyjnego przełącznika mechanicznego. Oferta przełączników zdatnych do realizacji drabinek rezystorowych jest dość skromna. Przykładowo można wymienić 24-pozycyjne oraz 47-pozycyjne przełączniki Elma czy 45-pozycyjne przełączniki Shallco. W drabinkach wykorzystujących przełączniki mechaniczne stosuje się zwykle jedną z trzech topologii:
1. Tłumik szeregowy składa się z łańcucha rezystorów, które tworzą swoisty odpowiednik ścieżki oporowej potencjometru. W każdym położeniu selektora wszystkie rezystory zawsze uczestniczą w tworzeniu dzielnika napięcia. Aby uzyskać logarytmczną charakterystykę trzeba odpowiednio dobrać wartości rezystorów. Impedancja takiego układu jest stała podobnie jak w potencjometrze. Prądy płyną przez zespoły szeregowo połączonych rezystorów.
2. Stały rezystor szeregowy / zmienny bocznik. Dla każdego położenie tylko dwa rezystory tworzą dzielnik napięcia. Ze względu na to, że rezystor szeregowy jest ciągle ten sam niestety zmienna jest impedancja takiego układu, ale podobnie jak w tłumiku szeregowym zminimalizowana jest liczba zużytych rezystorów.
3. Drabinka nazywana po angielsku L-pad, gdzie dla każdego położenia mamy osobny rezystor szeregowy i osobny bocznik. Dla każdego położenie tylko dwa rezystory tworzą dzielnik napięcia. Dzięki temu, że wartości rezystorów każdej pary są odpowiednio dobrane impedancja takiego układu jest stała podobnie jak w potencjometrze, ale jest to drabinka, która wymaga zużycia największej ilości rezystorów.
W wielu praktycznie stosowanych drabinkach dla konkretnego położenia regulatora głośności cały układ tworzą tylko dwa rezystory, styki oraz wyprowadzenia selektora. Jeśli zastosujemy selektor o wysokiej jakości styków oraz dobre rezystory to otrzymamy bardzo prosty, purystyczny układ złożony wyłącznie z wysokojakościowych elementów. Dominuje pogląd, że dobra drabinka rezystorowa góruje nad najlepszymi i najdroższymi potencjometrami.
W drabinkach rezystorowych, które wykorzystują elektrycznie sterowane przekaźniki do zestawiania połączeń sytuacja wygląda inaczej. Przy pomocy przekaźników można zrealizować trzy wymienione wyżej topologie stosowane z przełącznikami mechanicznymi, ale jest też sporo innych opcji do wyboru. Poszczególne topologie mają różne mieszanki wad i zalet. Różnice dotyczą ilości niezbędnych elementów, wymaganych tolerancji rezystorów, stałości impedancji wejściowej, czy ilości elementów potrzebnych do zestawienia wybranego dzielnika i ilości elementów, przez które płynie sygnał. Jest to temat rozległy, którego w tym miejscu szerzej nie rozwiniemy. Najłatwiej dostępne, gotowe układy dla majsterkowiczów bazują głównie na topologiach zoptymalizowanych pod kątem minimalizacji liczby potrzebnych elementów.
Drabinki rezystorowe zwykle są traktowane jako rozwiązanie lepsze od potencjometrów pod względem brzmieniowym. Niezależnie od subiektywnych opinii są one bardziej precyzyjne, można uzyskać dobrą zgodność z krzywą logarytmiczną i bardzo małe różnice między kanałami.
Poza tym można w niektórych topologiach drabinek zróżnicować jakość stosowanych rezystorów i zastosować lepsze, droższe elementy dla ważniejszych pozycji, a dla pozostałych pozycji wybrać elementy tańsze.
Niestety drabinki mają kilka wad. Średnio rzecz biorąc są dużo droższe, zajmują sporo miejsca, mają ograniczoną ilość pozycji, a przełączenia pomiędzy pozycjami nie są płynne, lecz dają słyszalne efekty uboczne.
Scalone drabinki rezystorowe
Scalone drabinki rezystorowe są na tyle odmienne od drabinek wykonanych z osobnych - inaczej dyskretnych - rezystorów, że trzeba je potraktować jako oddzielną grupę o innych właściwościach. Same schematy drabinek scalonych są takie same jak niektóre drabinki budowane z osobnych rezystorów. No ale są też istotne różnice. Do przełączania nie wykorzystuje się elementów ze stykami, lecz elektroniczne układy tranzystorowe. Same rezystory w technologii scalonej też różnią się od rezystorów dyskretnych. Większość scalonych regulatorów głośności ma też wbudowany wzmacniacz, przez który przepływa sygnał. Wzmacniacz taki może być różnie wykorzystywany, zależnie od wyboru projektanta. Jego funkcja może się ograniczyć do buforowania, ale może też być wykorzystany do dodatkowego wzmocnienia i powiększenia zakresu regulacji głośności. Istnieją też scalone drabinki bez wbudowanego wzmacniacza.
Podobnie jak krewniacy z osobnych rezystorów, scalone drabinki też zapewniaja dużą dokładność nastaw i dobrą równowagę kanałów. Jak żadne inne rozwiązanie, drabinki scalone nadają się znakomicie do realizacji regulatora z dużą ilością kroków. Przykładowo układ Burr-Brown PGA2310 pozwala na regulację w zakresie o rozpiętości 127dB z krokiem 0,5dB. Scalone drabinki dają też dodatkową elastyczność, bo są to układy sterowane przez zewnętrzny kontroler, czyli zwykle mikroprocesor. Jeszcze jedna zaleta to łatwość realizacji wielokanałowej regulacji głośności przy pomocy zespołu działających razem scalonych drabinek.
Trudno odnieść się do sprawy łatwości aplikacji. Zależnie od wybranego modelu układu i zależnie od potrzeb aplikacja może być łatwa, a może też narzucić dodatkowe wymagania. Zróżnicowane są też zniekształcenia związane z przełączaniem - zmieniają się one zależnie od wybranego układu jak i od sposobu aplikacji. Warto zwrócić uwagę, że w drabinkach scalonych możliwe jest synchronizowanie momentu przełączenia poziomu głośności z momentem przejścia sygnału przez zero, co redukuje słyszalne zakłócenia.
Scalone drabinki są przez purystów traktowane jako rozwiązanie gorsze niż drabinki z osobnych rezystorów. Scalonym drabinkom zarzuca się niższą jakość samych rezystorów, niższą jakość elementów przełączających, a wbudowany wzmacniacz jest traktowany jako kolejny element w torze degradujący jakość sygnału. Z drugiej strony drabinki są z powodzeniem stosowane przez wielu renomowanych producentów w cenionych i kosztownych wzmacniaczach.
Cyfrowa regulacja głośności
Wraz z postępującą cyfryzacją i komputeryzacją sprzętu audio rośnie też popularność regulacji głośności w dziedzinie cyfrowej. Taką regulację można oczywiście zastosować tylko gdy pracujemy z sygnałem cyfrowym. Regulacja cyfrowa zapewnia znakomitą precyzję nastawy i równowagę kanałów. Generalnie rzecz biorąc jest to rozwiązanie tanie, bo wykorzystuje procesor, który tak czy inaczej jest niezbędnym elementem składowym komputera lub odtwarzacza.
Cyfrowa regulacja głośności ma jednak istotne wady. Ściszanie cyfrowe to nic innego jak wykonywanie arytmetycznej operacji mnożenia kolejnych próbek przez odpowiednią liczbę z zakresu od 0 do 1. Powstają wówczas zniekształcenia wynikające z ograniczonej precyzji cyfrowych obliczeń, maleje dynamika sygnału, pogarsza się odstęp od szumów i liniowość dla sygnałów o niskich poziomach. Z punktu widzenia użytkownika dbającego o wysoką jakość dźwięku są to poważne wady.
Mimo wszystko cyfrowa regulacja głośności jest coraz częściej z powodzeniem stosowana w wysokojakościowych systemach audio. Wspomniane zniekształcenia i straty jakościowe można bowiem skutecznie minimalizować. Sami użytkownicy mogą zminimalizować poziom zniekształceń dobierając w odpowiedni sposób parametry poszczególnych urządzeń. Zniekształcenia są tym większe im bardziej ściszamy dźwięk. Tak więc kiedy operujemy poziomami głośności zbliżonymi do poziomu cyfrowego 0dB (cyfrowe maksimum), zniekształcenia są nieduże. Jeśli czułość wzmacniacza jest dopasowana do poziomu wyjściowego źródła, to nie trzeba ściszać sygnału zbyt mocno. Kluczowe znaczenie ma jednak sam sposób realizacji cyfrowej regulacji głośności, a szczególnie chodzi o dwa aspekty. Po pierwsze o wykorzystanie w odpowiedni sposób wyższych niż 16 bitów rozdzielczości sygnału i rozdzielczości konwertera cyfrowo-analogowego. Nawet jeśli oryginalny sygnał z pliku czy płyty jest 16-bitowy, to wykorzystanie układów o wyższej rozdzielczości może przynieść korzyści pod warunkiem, że regulator głośności znajdzie się w odpowiednim miejscu na drodze sygnału. Po drugie istotne jest wykorzystanie specjalnie dobranego szumu (dither). Połączenie tych dwóch technik pozwala zminimalizować znieksztłcenia cyfrowej regulacji głośności. Można się spodziewać, że cyfrowa regulacja głośności będzie zyskiwać na popularności i wcale nie oznacza to regresu jakościowego.
