Простой оптический компрессор

Приветствую всех любителей аудио-самоделок.

Тема компрессоров (устройств, уменьшающих амплитуду звукового сигнала) довольно обширна. Существует множество решений, как по используемым элементам, так и по схемотехнике основного узла — управляемого усилителя или иной цепи, передаточная характеристика которой изменяется внешним сигналом.

Наиболее стабильным, точным и работающим с самым широким динамическим диапазоном считается компрессор на основе VCA (усилителя, управляемого напряжением). Самым быстрым, с минимальным временем атаки, является компрессор с полевым транзистором в качестве управляющего элемента. Самым же простым в построении и, в то же время, наиболее «музыкальным» (то есть вносящим минимум заметных искажений) считается оптический компрессор.

Принцип его работы прост: входной сигнал усиливается до уровня, достаточного для работы миниатюрной лампы накаливания или светодиода. Этот источник света воздействует на фоторезистор, включённый в цепь обратной связи операционного усилителя либо в резистивный делитель напряжения в ламповых схемах. Чем громче сигнал — тем ярче светится источник света, тем меньше сопротивление фоторезистора и, соответственно, тем меньше усиление (или больше ослабление) сигнала.

На основе этого принципа и построена моя схема компрессора, которая по своей структуре не является уникальной и в том или ином виде неоднократно реализовывалась радиолюбителями, начиная с 70-х годов. Преимущество же именно этой, моей, модификации заключается в простоте сборки, доступности элементов и их удобной компоновке, позволяющей разместить схему в компактном корпусе. Схема очень простая. В ней используется сдвоенный операционный усилитель — TL072, NE5532 или любой другой ОУ с той же цоколёвкой. Питание — двуполярное, ±15 В.

Первый операционный усилитель работает как управляемый усилитель. В его цепь обратной связи включён фоторезистор (VR1): по мере увеличения освещённости его сопротивление уменьшается. Последовательно с ним установлен потенциометр (R7), выносимый на переднюю панель и задающий уровень «компрессии»: при большом сопротивлении R7 усиление ОУ будет максимальным. При установке R7 в нулевое положение усиление становится полностью зависимым от амплитуды входного сигнала.

Подстроечный резистор (R5) является опциональным (поэтому он отмечен синим цветом), однако при его установке с его помощью можно ограничить максимальный коэффициент усиления.

Также на схеме присутствуют входные диоды, отмеченные синим цветом. Они также являются опциональными и выполняют в основном защитную функцию, предохраняя вход от чрезмерной перегрузки по сигналу.

Второй операционный усилитель дополнительно усиливает сигнал, управляющий светодиодом. За ним следует буфер на комплементарной паре транзисторов — это необходимо для возможности использования сверхъяркого светодиода. Далее установлен диодный мост.

Можно заметить, что транзисторы включены без смещения, то есть работают в чистом классе B. Это сделано намеренно. В отличие от выходного каскада усилителя, где такое включение привело бы к искажениям на малых уровнях сигнала, здесь оно формирует порог срабатывания. Иными словами, пока сигнал не достигнет определённой амплитуды (падение около 0,6 В на p–n-переходе транзистора плюс примерно 0,6 В на диодном мосте, суммарно около 1,2 В), компрессор не будет «вмешиваться» в сигнал.

После диодного моста установлен единственный сглаживающий конденсатор ёмкостью 1 мкФ. Отдельной регулировки времени мягкого восстановления (release) не предусмотрено, однако при необходимости можно подключить дополнительный конденсатор ёмкостью 10 мкФ.

Первая модицикация печатной платы представлена на изображении. Ссылки на исходные файлы будут в конце статьи.

Несколько слов о конструкции оптопары. Она предельно проста: берётся отрезок термоусадочной трубки, с одной стороны в неё устанавливается сверхъяркий светодиод, с другой — фоторезистор. Затем всё заполняется клеем — и на этом конструкция готова. На печатной плате предусмотрено специальное место для установки этого узла. Термоусадка здесь обязательна: без неё внешняя засветка будет мешать нормальной работе устройства.

Собранное устройство выглядит примерно так:

Возможно, интерес читателя к схеме был бы не столь высок, если не продемонстрировать результат её работы. И к этому я подготовился!

Планируя испытать собранную схему с использованием тестовых аудиозаписей, я решил параллельно привлечь к этому и других энтузиастов. На одном очень известном англоязычном форуме, посвящённом звуковой электронике, я разместил статью, а также разослал готовые печатные платы (без элементов) нескольким самодельщикам в разные точки мира — в США, Великобританию, Японию и ряд других европейских стран. Я попросил их описать свои впечатления и поделиться результатами измерений — и они меня не подвели.

Так, Йен из Кембриджа пишет:

Без сигнала большинство опторезисторов будут иметь сопротивление, приближающееся к 1 МОм. При R2 1 кОм и отсутствии R56 усиление будет слишком большим. Поэтому R5 не является необязательным. При R2 1 кОм и C1 1 мкФ нижняя частота среза составляет около 160 Гц. Предположительно, это было сделано непреднамеренно. Поскольку у вас раздельное питание, вам не нужен C1. Я внес некоторые изменения: я вообще не устанавливал осевой конденсатор на входе — он не был нужен. Я также отказался от потенциометров и установил вместо них фиксированное значение. Самое важное , мне пришлось попробовать несколько фоторезисторов , чтобы получить правильную реакцию. Изначально усиление было слишком высоким, и компрессия была незаметна. Компрессор лучше всего работает с фоторезистором, у которого «темновое» сопротивление составляет около 30-40 кОм , а «световое» — около 2-4 кОм. Вот график зависимости сопротивления постоянному току от тока светодиода для двух разных типов фоторезисторов: 

Чуть позже коллега поделился своей версией конструкции на этапе испытаний:

И - наконец - замеры с графиком и комментарием:

Здесь довольно много переменных, поэтому на графике ниже следующие параметры зафиксированы:
- Используется устройство «Opto 1» (сообщение № 71 выше)
- R5 (подстроечный резистор 56 кОм) установлен на половину (фактически это резистор 27 кОм)
- R6 установлен на 1 кОм (так что коэффициент усиления OP2 составляет около 2)
Я также увеличил R9 до 220 Ом, так как немного опасался, что схема может превысить максимальный прямой ток светодиода (30 мА). Кривые ниже построены с R7 («компрессионным» потенциометром) посередине и на обоих концах диапазона. Это с устойчивым сигналом (синусоида 1 кГц), не измеряются времена атаки и затухания.
Вот он — обратите внимание, что это логарифмический график; обе оси указаны в дБВ.

Таким образом, резистор R7 выступает в роли регулятора соотношения — примерно от 2:1 на одном конце до 10:1 на другом, но при более низких значениях соотношения зависимость немного нелинейная. Возможно, некоторая корректировка значений резисторов сгладит кривые.
Также следует отметить, что ниже порога компрессии наблюдается значительное усиление — около 30 дБ, как и следовало ожидать, учитывая значения резисторов, — поэтому это необходимо учитывать в общей сигнальной цепи.

Стэн из Токио также дал своё замечание на счёт входного конденсатора:

Как уже упоминалось выше, конденсатор C1 емкостью 1 мкФ в таком положении выглядит действительно странно.
Но конденсатор в том же положении в боковой цепи имеет смысл для создания фильтра верхних частот. Значение конденсатора — на ваш вкус...
С 1 мкФ получается частота среза 72 Гц. Что тоже логично, потому что без фильтра верхних частот компрессор "задыхается" на басах и искажает низкие частоты.

Конденсатор C3, подключенный к светодиоду, — интересный момент. На схеме указан 10 мкФ. Сначала я установил 22 мкФ, но для тестирования заменил его на гораздо более мощный — 220 мкФ. Это убирает скрип и дребезжание при высокой громкости.

Учтя эти рекомендации, я собрал "чистовую" версию конструкции. Делал я её в компактном металлическом корпусе. Как видите, плата идеально помешается.

В таких корпусах делают гитарные "педали-примочки", но не означает, что данное устройство предназначено для гитары.

Обратите внимание, как решён вопрос двуполярного питания: непосредственно на плату устанавливается компактный DC–DC-преобразователь, приобретённый в готовом виде на AliExpress. Он, как показала практика, работает достаточно стабильно и без заметных шумов, легко преобразуя 5 В от стандартного USB в необходимые ±15 В без просадок даже на пиках аудиосигнала.

И, наконец, обещанные испытания.
С выхода одной звуковой карты воспроизводились заранее подготовленные тестовые записи вокала. На другую звуковую карту велась запись: её первый канал был подключён ко входу схемы (для контроля исходного сигнала), а второй — к выходу компрессора (уже обработанный сигнал). Ниже приведены скриншоты осциллограмм (waveform), поскольку по ним работу компрессора зачастую нагляднее оценить, чем на слух.

Надеюсь, моя конструкция была для вас интересна и - если вы решитесь её собрать - по этой ссылке есть все исходные материалы. Там же есть и сами аудио записи.

Успехов в сборке и в звукозаписи!