Drugie życie Neve 1073: Jak zaprojektowałem 1073LB

Od wielkoformatowego modułu konsolety do pojedynczego slotu w formacie API z serii 500

Niektóre urządzenia audio stają się czymś więcej niż tylko produktami. Stają się punktami odniesienia – konstrukcjami, według których mierzy się wszystko, co powstaje później. Neve 1073 jest jedną z takich konstrukcji.

Wprowadzony w 1970 roku, oryginalny 1073 zyskał swoją reputację dzięki rzadkiemu połączeniu przejrzystości, masywności brzmienia, muzykalności oraz zdolności do nadawania nagraniom pełniejszego, bardziej wyrazistego charakteru. Potrafił czysto wzmocnić delikatny sygnał mikrofonowy, a po mocniejszym wysterowaniu wytwarzał charakterystyczną zawartość harmoniczną, którą realizatorzy szybko nauczyli się wykorzystywać jako narzędzie kreatywne.

Dekady później poproszono mnie o przeniesienie kultowego obwodu przedwzmacniacza mikrofonowego Neve 1073 do zupełnie innego świata: kompaktowego formatu API z serii 500. Rezultatem był AMS Neve 1073LB – projekt, który zrealizowałem jako inżynier projektant układów analogowych w firmie AMS Neve w Burnley, w hrabstwie Lancashire.

Nigdy nie sprowadzało się to do zwykłego zmniejszenia płytki drukowanej. Aby stworzyć 1073LB, musiałem najpierw poznać oryginalny 1073 w najdrobniejszych szczegółach – w tym jedną z jego najbardziej skomplikowanych i łatwo przeoczanych cech: duży, wielosekcyjny przełącznik regulacji wzmocnienia. Dopiero wtedy mogłem zastąpić ten mechaniczny zespół kompaktowym przełącznikiem oraz specjalnie zaprojektowanym dekoderem diodowo-przekaźnikowym, zdolnym do odtworzenia oryginalnego zachowania wewnątrz pojedynczego slotu serii 500.

Dlaczego oryginalny 1073 jest wyjątkowy

Mikrofon generuje niezwykle mały sygnał elektryczny. Zanim będzie można go nagrać, zmiksować lub poddać obróbce, sygnał ten musi zostać wzmocniony do użytecznego poziomu – i to jest zadanie przedwzmacniacza mikrofonowego.

W prostym przedwzmacniaczu regulacja wzmocnienia określa jedynie, jak bardzo sygnał zostanie wzmocniony. 1073 jest znacznie bardziej wyrafinowany.

Jego przełącznik wzmocnienia nie działa jak zwykła regulacja głośności. Gdy użytkownik nim obraca, zmienia się jednocześnie wiele połączeń elektrycznych. Określa on, jak połączone są ze sobą sekcje wejściowe i wzmacniające, które części obwodu są aktywne oraz jak współpracują ze sobą poszczególne stopnie tranzystorowe.

Pod względem architektury oryginalny przedwzmacniacz 1073 składa się z:

dwóch dyskretnych tranzystorowych sekcji wzmacniających pracujących w Klasie A;
stopnia wyjściowego sprzężonego transformatorowo;
symetryzowanych transformatorowo wejść mikrofonowych i liniowych.

Różne części tej architektury wchodzą do gry przy różnych ustawieniach wzmocnienia. Dlatego 1073 nie brzmi identycznie w każdej pozycji. Zwiększanie wzmocnienia robi znacznie więcej niż tylko podnoszenie poziomu wyjściowego – zmienia sposób, w jaki sygnał przepływa przez układ, oraz to, jak mocno wysterowany jest każdy ze stopni wzmacniających.

Przy umiarkowanych ustawieniach rezultat jest czysty, otwarty i kontrolowany. Gdy przedwzmacniacz zostanie wysterowany mocniej, stopnie tranzystorowe i transformatory zaczynają dodawać zawartość harmoniczną, gęstość i charakter. To płynne przejście między przezroczystym wzmocnieniem a muzykalną koloryzacją jest jednym z powodów, dla których 1073 pozostaje punktem odniesienia ponad pięćdziesiąt lat po jego wprowadzeniu.

Problem ukryty za gałką wzmocnienia

Z zewnątrz oryginalna regulacja wzmocnienia wygląda jak jedno duże pokrętło. Wewnątrz jest to złożony, wielosekcyjny przełącznik obrotowy – kilka przełączników zamontowanych na wspólnej osi. Gdy pokrętło obraca się o jedną pozycję, wszystkie sekcje poruszają się razem, a każda z nich steruje inną grupą połączeń.

Komponenty są zamontowane wokół tego dużego przełącznika, a liczne przewody łączą go z płytkami wzmacniaczy tranzystorowych. Każda pozycja wzmocnienia tworzy określoną kombinację połączeń elektrycznych.

Taki układ sprawdza się wygodnie wewnątrz pełnowymiarowego modułu konsolety, gdzie jest dużo głębokości i przestrzeni mechanicznej. Nie można go przenieść w niezmienionej formie do obudowy formatu API z serii 500.

Oryginalny przełącznik był po prostu za duży.

Jednoslotowy moduł serii 500 ma tylko około 38 mm szerokości. W tej przestrzeni – w przybliżeniu 132 × 38 × 145 mm – 1073LB wciąż musiał pomieścić kluczowe układy przedwzmacniacza, duże transformatory, elementy sterujące na przednim panelu, złącza, funkcje przełączania, wielowarstwowo ułożone płytki drukowane, okablowanie, wsporniki mechaniczne i układy zabezpieczające.

Nie było miejsca na oryginalny wielosekcyjny przełącznik i jego wiązkę przewodów. Ale zastąpienie go nigdy nie było tak proste, jak zamontowanie mniejszego elementu: oryginalny przełącznik był częścią samego obwodu. Zanim mogłem cokolwiek nim zastąpić, musiałem dokładnie zdekodować, co robił w każdej pozycji.

Zrozumieć 1073 od podszewki

Aby prawidłowo zaprojektować 1073LB, musiałem wejść znacznie głębiej niż tylko czytanie specyfikacji czy słuchanie działającego urządzenia.

Szczegółowo przeanalizowałem schematy i prześledziłem ścieżkę sygnału przez każdy istotny styk przełącznika i stopień tranzystorowy. Dla każdej pozycji wzmocnienia musiałem ustalić:

które połączenia były otwarte lub zamknięte;
która sekcja wzmacniacza była aktywna;
jak prowadzony był sygnał;
które komponenty znajdowały się wokół stopni tranzystorowych;
jak wybierane były zakresy mikrofonowe i liniowe;
jak struktura wzmocnienia zmieniała się krok po kroku;
jak układ przechodził między różnymi obszarami roboczymi.

Proces ten przypominał dekodowanie programu mechanicznego. Duży przełącznik nie zawierał żadnego oprogramowania, a jednak jego liczne styki tworzyły sekwencję złożonych instrukcji elektrycznych.

Schemat może pokazać, jak coś jest połączone, ale nie zawsze przekazuje takie samo zrozumienie, jak praca z rzeczywistym obwodem. Zbudowałem więc fizyczne modele części oryginalnego przedwzmacniacza 1073 na uniwersalnych płytkach prototypowych. Korzystając z oryginalnego układu, zrekonstruowałem jedną z dwóch głównych sekcji wzmacniacza tranzystorowego i spędziłem sporo czasu na jej pomiarach za pomocą profesjonalnego sprzętu do testowania audio.

Obserwowałem, jak układ reaguje na sygnały. Badałem, jak wzmacnia, jak jego zachowanie zmienia się przy różnych poziomach roboczych i jak oddziałują na siebie poszczególne komponenty.

Była to kluczowa praca. Nie chciałem odtworzyć układu tylko na papierze. Musiałem zrozumieć jego wewnętrzne zachowanie na tyle głęboko, aby wiedzieć, które cechy są fundamentalne, a które szczegóły practicalne można dostosować do nowego formatu.

Pod koniec tego etapu moja wiedza o 1073 wykraczała daleko poza jego schemat. Prześledziłem jego wewnętrzną logikę, odbudowałem jego część, zmierzyłem go i zaobserwowałem jego działanie z pierwszej ręki.

Zastąpienie jednego dużego przełącznika dekoderem przekaźnikowym

Rozwiązaniem było oddzielenie funkcji oryginalnego przełącznika od jego konstrukcji fizycznej.

1073LB wykorzystuje znacznie mniejszy, jednosekcyjny przełącznik obrotowy, który mieści się za wąskim panelem przednim. Sam w sobie przełącznik ten nigdy nie mógłby odtworzyć wszystkich jednoczesnych połączeń tworzonych przez oryginalny element wielosekcyjny.

Zamiast tego każda pozycja małego przełącznika działa jako instrukcja dla specjalnie zaprojektowanego dekodera, który zbudowałem z diod i przekaźników.

Przekaźnik to przełącznik sterowany elektrycznie – mały sygnał sterujący powoduje otwarcie lub zamknięcie styków w innym miejscu obwodu. Połącz odpowiednią ich liczbę, a odtworzysz zachowanie znacznie większego przełącznika mechanicznego. Sieć diod decyduje, która kombinacja przekaźników musi się załączyć dla danej pozycji regulacji wzmocnienia: jedno ustawienie aktywuje określoną grupę przekaźników; następna pozycja wybiera inną kombinację.

W uproszczeniu:

Jedna pozycja małego przełącznika obrotowego jest tłumaczona na skoordynowany wzorzec pracy przekaźników. Przekaźniki te odtwarzają wielokrotne połączenia elektryczne, które duży, oryginalny przełącznik wykonywał mechanicznie.

Z tego powodu zdjęcie wnętrza 1073LB pokazuje tak wiele przekaźników gęsto upakowanych obok siebie. Nie są one przypadkowym dodatkiem – pełnią jedną z najważniejszych funkcji w produkcie: emulują złożony, wielosekcyjny przełącznik wzmocnienia oryginalnego 1073.

Użytkownik nadal doświadcza znajomej, skokowej regulacji wzmocnienia. Za panelem przednim jednak jej działanie zostało całkowicie zaprojektowane na nowo. W rzeczywistości jest to stały, elektromechaniczny system logiczny – kompaktowy dekoder, który pozwala małemu, jednosekcyjnemu przełącznikowi sterować znacznie bardziej złożonym obwodem analogowym.

Zachowanie oryginalnego charakteru pracy

Zaprojektowanie tego dekodera przekaźnikowego wymagało bezwzględnej pewności co do tego, co robił każdy oryginalny styk przełącznika.

Drobny błąd mógłby doprowadzić do powstania pozycji wzmocnienia, która wydawałaby się działać, ale nie zachowywała się dokładnie tak jak oryginał. Mogła ona aktywować niewłaściwą sekcję wzmacniacza, podłączyć nieprawidłową sieć komponentów, zmienić obciążenie lub zmienić punkt, w którym kolejny stopień wzmocnienia wchodził w ścieżkę sygnału.

Wpłynęłoby to na znacznie więcej niż tylko zmierzone wzmocnienie – zmieniłoby sposób, w jaki układ reaguje dynamicznie, a tym samym to, jak brzmi.

Dlatego etap badań i prototypowania miał tak duże znaczenie. Bez naprawdę szczegółowego zrozumienia oryginalnego 1073 nie mógłbym odtworzyć jego zachowania przełączania przy użyciu zupełnie innego mechanizmu fizycznego.

Celem nie było stworzenie modelu cyfrowego ani wygodnego przybliżenia. 1073LB musiał pozostać autentycznym, analogowym przedwzmacniaczem 1073, z zachowaną podstawową architekturą tranzystorową w Klasie A i symetryczną transformatorowo ścieżką sygnałową. Metoda przełączania uległa zmianie, ponieważ oryginalny mechanizm fizycznie nie mógł się zmieścić. Fundamentalne zachowanie wzmacniacza musiało pozostać wierne oryginalnemu projektowi.

Upakowanie wszystkiego w pojedynczym slocie

Rozwiązanie problemu przełącznika wzmocnienia było tylko jedną z części projektu. Zdjęcie wnętrza gotowego 1073LB pokazuje, jak niewiele niewykorzystanego miejsca znajduje się wewnątrz modułu. Duże komponenty magnetyczne zajmują znaczną część obudowy. Wokół nich umieszczono ułożone w stos płytki drukowane, dyskretne tranzystory, kondensatory, przekaźniki, złącza, okablowanie, kompaktowy przełącznik obrotowy, elementy montażowe i otwory wentylacyjne.

Transformatory stanowiły szczególne wyzwanie. W przeciwieństwie do małych elementów elektronicznych, transformatorów nie można swobodnie zmniejszać bez zmiany ich zachowania elektrycznego. 1073LB wykorzystuje ekskluzywne transformatory Marinair na wejściu mikrofonowym, wejściu liniowym i wyjściu – trzy fizycznie dominujące, ciężkie komponenty, które generują również pola magnetyczne. Ich położenie i orientacja mają znaczenie, ponieważ niepożądane sprzężenie magnetyczne może indukować przydźwięk lub szum bezpośrednio do czułych obwodów mikrofonowych.

Układ musiał jednocześnie pogodzić kilka problemów:

odstępy fizyczne między dużymi komponentami;
interakcję magnetyczną między transformatorami;
szum w stopniach mikrofonowych o wysokim wzmocnieniu;
prowadzenie masy i zasilania fantomowego (phantom);
ciepło generowane przez układy Klasy A i cewki przekaźników;
moc dostępną z obudowy zbiorczej (rack) serii 500 (zazwyczaj 250 mA na slot);
wsparcie mechaniczne podczas transportu;
praktyczny montaż i serwisowanie;
spójną, powtarzalną produkcję każdego egzemplarza.

Oprócz podstawowego przedwzmacniacza, 1073LB otrzymał pełny zestaw nowoczesnych funkcji:

przełączalny wybór wejścia z przodu i z tyłu poprzez kombi-złącze XLR/TRS na przednim panelu;
przełączalną impedancję wejścia mikrofonowego (300 Ω / 1 200 Ω);
odwrócenie fazy;
zasilanie fantomowe 48 V z blokadą zabezpieczającą;
diodowy wskaźnik poziomu sygnału;
precyzyjną regulację wyjściową od −20 dB do +5 dB z pozycją 0 dB zlokalizowaną na wyczuwalnym kliku środkowym;
system kaskadowego wpinania obwodów (Audio Processing Insert) do łączenia kompatybilnych, sąsiadujących modułów Neve, takich jak 1073LBEQ lub 2264ALB.

Wszystko to musiała pomieścić pojedyncza obudowa o wymiarach w przybliżeniu 132 × 38 × 145 mm, ważąca około 1,1 kg – wyjątkowo dużo jak na jednoslotowy moduł serii 500. Znaczna część tej wagi wynika z transformatorów i gęstej konstrukcji mechanicznej wymaganej do ich podtrzymania.

Uzyskana specyfikacja jest bezkompromisowa: do 80 dB wzmocnienia mikrofonowego w krokach co 5 dB, do +28 dBu maksymalnego poziomu wyjściowego, pasmo przenoszenia w granicach ±0,5 dB od 20 Hz do 20 kHz (sięgające −3 dB przy 40 kHz), zniekształcenia 0,07% przy +20 dBu oraz ekwiwalentny szum wejściowy lepszy niż −125 dBu przy wzmocnieniu 60 dB.

Dlaczego 1073 brzmi w taki sposób

Ludzie często określają 1073 jako ciepły, duży, dynamiczny, gładki lub trójwymiarowy. Słowa te są subiektywne, ale zachowanie, które za nimi stoi, jest jak najbardziej realne.

Za brzmienie nie odpowiada żaden pojedynczy, magiczny element. Charakter wynika z interakcji całego systemu:

transformatora wejścia mikrofonowego;
impedancji źródłowej mikrofonu;
dyskretnych tranzystorowych stopni wzmocnienia;
sposobu, w jaki te stopnie są wybierane i łączone;
wewnętrznych poziomów roboczych;
wzmacniacza wyjściowego;
transformatora wyjściowego;
obciążenia podłączonego do przedwzmacniacza.

Transformatory zapewniają izolację elektryczną i symetryzację, ale zachowują się również inaczej w zależności od częstotliwości i poziomu sygnału. Dyskretne stopnie w Klasie A wnoszą własną strukturę harmoniczną w miarę ich wysterowywania. Przełącznik wzmocnienia decyduje o tym, które stopnie są używane i jak mocno pracują.

1073LB zapewnia do 80 dB wzmocnienia mikrofonowego. Poniżej w przybliżeniu 55 dB większość pracy wykonuje pierwsza sekcja wzmacniająca. Powyżej tego punktu przejścia do ścieżki wprowadzana jest druga sekcja wzmacniająca.

Daje to realizatorowi dużą elastyczność. Przedwzmacniacz może być używany do czystego wzmocnienia lub też wzmocnienie główne można celowo podnieść, aby mocniej wysterować stopnie wewnętrzne, podczas gdy precyzyjna regulacja wyjściowa jest cofana, aby utrzymać ostateczny sygnał wyjściowy na praktycznym poziomie.

Technika ta jest nadal szeroko stosowana do dodawania analogowego charakteru do nagrań i materiałów produkowanych cyfrowo. Sygnał może pochodzić z komputera, ale przepuszczenie go przez rzeczywisty obwód analogowy wprowadza zachowania zależne od poziomu, częstotliwości, impedancji i czasu. Nie jest to po prostu stały efekt nałożony na dźwięk.

Ponieważ musiałem zrekonstruować, zmierzyć, zdekodować i zaprojektować ten układ na nowo, zacząłem rozumieć te interakcje na wyjątkowo głębokim poziomie. Coś, co realizatorzy nazywają „sekretem” 1073, wcale nie jest sekretem. Jest to starannie zbalansowana zależność między kilkoma sekcjami obwodu – zależność, która staje się w pełni widoczna dopiero wtedy, gdy przedwzmacniacz jest badany jako kompletny system.

Podążając inżynieryjną ścieżką Ruperta Neve’a

Rupert Neve i inżynierowie, którzy opracowali oryginalny 1073, stworzyli jego architekturę na początku lat 70., kiedy każda funkcja musiała być zrealizowana za pomocą fizycznych obwodów – komponentów, przełączników, transformatorów i okablowania.

Dekady później moja praca nad 1073LB wymagała ode mnie podążania tą samą inżynieryjną ścieżką w odwrotnym kierunku.

Musiałem zacząć od gotowego obwodu i odkryć tok myślenia w nim zawarty: dlaczego stopnie zostały rozmieszczone tak, jak zostały, co osiągał duży przełącznik i jak oddziaływały na siebie poszczególne sekcje. Następnie musiałem kontynuować tę ścieżkę naprzód, zadając nowe pytanie:

Jak zachować oryginalne zachowanie, gdy fizyczny produkt musi być zupełnie inny?

Nie twierdzę, że ktoś może obiektywnie zmierzyć, kto „zna” 1073 lepiej niż wszyscy inni. Mogę powiedzieć tylko tyle, że bardzo niewielu inżynierów musiało go zrozumieć w ten konkretny sposób. Aby zaprojektować 1073LB, musiałem zbadać układ na poziomie pojedynczych komponentów, poszczególnych stopni, logiki przełączania, ścieżki sygnałowej i gotowego produktu – a następnie przetłumaczyć jego oryginalną logikę mechaniczną na nowy system oparty na przekaźnikach, zachowując przy tym nienaruszone zachowanie analogowego przedwzmacniacza.

Praca ta dała mi rzadką głębię praktycznej wiedzy – nie tylko o tym, co 1073 robi, ale dlaczego to robi.

Drugie życie dla klasycznej konstrukcji

Oryginalny 1073 należał do świata dużych konsolet Neve. Z czasem realizatorzy zaczęli wymontowywać moduły z wycofywanych konsolet i instalować je w zewnętrznych obudowach zbiorczych (rack). Pomogło to udostępnić przedwzmacniacz 1073 poza jego oryginalnym środowiskiem, ale zabytkowe moduły były ograniczone ilościowo, drogie i często wymagały specjalistycznych zasilaczy, okablowania, konserwacji oraz renowacji.

Format API z serii 500 zaoferował inną możliwość.

Przekształcając przedwzmacniacz 1073 do postaci pojedynczego slotu modularnego, 1073LB znacznie ułatwił integrację autentycznej konstrukcji Neve we współczesnym studio. Realizator nie musiał już posiadać wielkoformatowej konsolety ani polować na zabytkowy moduł i go odnawiać. Przedwzmacniacz mógł podróżować między studiami, dzielić obudowę ze sprzętem innych producentów lub stanowić trzon kompaktowego systemu nagraniowego.

1073LB nie zawiera sekcji korektora barwy (EQ) pełnego, oryginalnego modułu 1073. Skupia się na przedwzmacniaczu mikrofonowym i liniowym – transformatorach, dyskretnym wzmocnieniu w Klasie A, strukturze wzmocnienia, zapasie dynamiki/przesterowania (headroom) i zachowaniu przy przesterowaniu, które tworzą fundament brzmienia 1073. Strona korekcji barwy tej historii toczy się osobno, poprzez moduły takie jak 1073LBEQ, które można nawet łączyć z 1073LB za pomocą systemu kaskadowego wpinania obwodów (Audio Processing Insert).

W tym sensie 1073LB dał tej konstrukcji drugie życie.

Przedwzmacniacz stworzony dla dużej konsolety w 1970 roku odrodził się jako przenośny produkt modułowy dla nowej generacji inżynierów, producentów, muzyków i studiów nagraniowych. Obudowa stała się mniejsza. Mechaniczny system przełączania został wymyślony na nowo. Środowisko pracy zmieniło się całkowicie.

Ale zasadnicza idea analogowa przetrwała.

I to był prawdziwy cel tego projektu: nie po prostu zmniejszyć 1073, ale przenieść jego inżynieryjną tożsamość w przyszłość.