Оптический ламповый компрессор и секрет живого звука оптопары

Есть приборы, которые появились давно, а звучат так, будто их придумали вчера - специально для того, что делают звукорежиссёры сегодня. Ламповый оптический компрессор Teletronix LA-2A из этой категории. Даже после прекращения производства около 40 лет назад звукорежиссёры продолжали платить большие деньги за оригинальный б/у ламповый опто-компрессор, если, конечно, могли найти подходящий экземпляр. И не ставили его на полку в домашний музей, а активно использовали в студии. За этим прибором охотились, его копировали, о нём написаны горы статей - и всё равно каждый, кто впервые слышит его в деле на вокале или бас-гитаре, удивляется тому, насколько компрессия звучит как будто её нет. Вся тайна в том, чего в схеме почти нет - никаких активных элементов управления в сигнальном тракте, никаких VCA, никаких транзисторов на пути звука. Только свет, фоторезистор и лампа.

Что такое оптопара и зачем она нужна в компрессоре

Прежде чем говорить о том, как работает LA-2A, надо понять саму идею оптической пары в цепи обратной связи. Резисторная оптопара - оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучателя и приёмника света, которые соединены оптической связью и гальванически изолированы друг от друга. Приёмником служит фоторезистор на основе селенида кадмия или сульфида кадмия, а излучателем - светодиод, миниатюрная лампа накаливания, реже неоновая лампа.

Идея применить такую пару в компрессоре элегантна до удивления. Входной сигнал, вместо того чтобы управлять VCA или открывать транзистор напрямую, поступает на боковую цепь - сайдчейн - которая возбуждает источник света. Чем сильнее сигнал, тем ярче светит источник. Фоторезистор, освещённый этим светом, снижает своё сопротивление. А этот фоторезистор включён в аттенюатор на пути звука - и снижение его сопротивления означает снижение уровня сигнала. Компрессия происходит не через электронный ключ, а через свет.

В управляющей цепи оптического компрессора находится специальный оптико-электрический элемент, он состоит из источника света, который облучает фоторезистор. Чем выше уровень сигнала, тем больше света излучает источник на резистор, который в свою очередь оказывает влияние на усиление компрессии сигнала. Так как фоторезистор обладает инерционностью, он достаточно медленно реагирует на изменение интенсивности света. Эта инерционность - не недостаток, а главный секрет характера звука.

Как устроена оптопара T4 в Teletronix LA-2A

LA-2A представляет собой классический одноканальный компрессор/лимитер, разработанный для радиовещания инженерами компании Teletronix в начале 60-х. Его изобретатель, Джим Лоуренс, пришёл к оптической схеме через работу с оптическими сенсорами в аэрокосмической сфере - и именно эта нетривиальная инженерная биография определила нестандартное решение.

T4 - это сборка из электролюминесцентной панели и фотоэлемента. Электролюминесцентная панель по сути является ночником. Чем больше сигнал, подаваемый на неё, тем ярче свет, который она генерирует. Этот свет падает на фотоэлемент - светочувствительный прибор, сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего света. Чем ярче свет, тем ниже сопротивление. Фотоэлемент используется для управления усилением цепи, по существу выступая нижним плечом делителя напряжения.

Усилитель аттенюатора пассивен, в отличие от активных VCA-схем в более современных компрессорах. Аттенюатор усиления состоит из последовательного фиксированного резистора и двух фотоэлементов Clairex, подключённых параллельно. Сопротивление фотоэлементов меняется под воздействием света от электролюминесцентной панели Grimes. Фотоэлементы и панель EL смонтированы на ламповой базе-октале и закрыты металлическим кожухом - это и есть оптический аттенюатор T4.

Принципиально важная деталь: T4 стоит не в сайдчейне, а прямо в сигнальном пути. Звук буквально проходит через фоторезистор, включённый в делитель. Сайдчейн управляет светом, свет управляет сопротивлением, сопротивление управляет уровнем. Три физических явления стоят между входом и выходом - и это объясняет характер звука.

Топология feedback и почему это меняет характер компрессии

Цепь сайдчейна в LA-2A построена по топологии feedback. Аудиосигнал с выхода компрессора подаётся обратно на аттенюатор усиления через сайдчейн. Сайдчейн выпрямляет, сглаживает и усиливает аудиосигнал, превращая его в управляющий сигнал. При такой схеме топологии управляющий сигнал, управляющий сайдчейном, зависит от уже скомпрессированного сигнала на выходе.

Это ключевое отличие от feedforward-компрессоров, где сайдчейн смотрит на входной сигнал до обработки. В feedback-схеме система реагирует на то, что уже произошло на выходе. Это создаёт петлю с самоограничением - компрессия не может стать избыточной, потому что сама собой затухает по мере того, как уровень выхода снижается. Отсюда тот характерный эффект, который звукорежиссёры описывают как "прозрачность": компрессор как будто следует за музыкой, а не стоит у неё поперёк дороги.

В сайдчейне LA-2A работает ламповая пентодная схема на 6AQ5 и двойной триод 12AX7. После фильтра лампа 6AQ5 предоставляет сигнал, необходимый для возбуждения электролюминесцентной панели. Панели EL изначально проектировались для ночников и рассчитаны на 120 В переменного тока, 60 Гц. Они не предназначены для аудио, и подача широкополосных сигналов, возникающих в аудиоприложениях, сокращает их срок службы. Именно поэтому схема LA-2A включает специальную фильтрацию в сайдчейне - он не пропускает весь спектр напрямую на EL-панель, а обрабатывает управляющий сигнал.

Двухэтапное время отпускания и эффект памяти фоторезистора

Вот где начинается самое интересное с точки зрения физики. Фоторезистор на основе сульфида кадмия ведёт себя не как обычный резистор. Его сопротивление при включении и выключении света меняется по-разному и с разной скоростью.

Первый важный аспект ячейки - это её "двухступенчатое затухание". После того как свет убирается с ячейки, она быстро отпускает от 40 до 80 миллисекунд до примерно половины своего сопротивления в тёмном состоянии. Остаток отпускания может занять несколько секунд. В связи с тем, что скорость нарастания фототока при освещении несколько отличается от скорости его спада после затемнения фоторезистора, различают постоянные времени нарастания и спада.

Время срабатывания фотоэлемента базовой оптопары T4 составляет около 10 мс, оно и определяет время атаки компрессора. Фотоэлемент проявляет специфический эффект памяти, зависящий от длительности и интенсивности засветки элемента. Если используется жёсткая компрессия, то есть входной сигнал длительное время превышает порог, то время отпускания LA-2A будет медленным, что позволяет прибору не вносить слышимые артефакты в обрабатываемый сигнал.

Эффект памяти - это то, что делает LA-2A программно-зависимым прибором. Он буквально помнит, насколько долго и насколько сильно его компрессировали. После длинного громкого фрагмента прибор отпускает медленно. После короткого пика - быстро. Этого нельзя установить ручкой, нельзя запрограммировать числом. Это физика полупроводника, нагретого светом.

Ламповый тракт и его роль в итоговом звуке

Оптопара отвечает за характер компрессии, но окраска звука формируется ламповым усилительным трактом. LA-2A сочетает в себе как электрооптическую схему, так и ламповый усилитель для плавного и приятного сжатия, что было особенно полезно на вокальных треках. Обладает характерным окрасом лампового звука, с бархатными низкими частотами и сглаженными верхними частотами.

Выходной усилительный каскад построен по схеме заземлённого катода с катодным повторителем - это классическая ламповая топология, обеспечивающая низкое выходное сопротивление и широкую полосу пропускания. Входной и выходной трансформаторы согласуют импедансы и создают гальваническую развязку. Трансформатор на входе - не просто согласующий элемент, он мягко ограничивает высокие частоты и добавляет лёгкую магнитную насыщаемость при больших уровнях, которая субъективно воспринимается как тепло.

У ламповых компрессоров атака и восстановление быстрее, чем у оптических, тем не менее, они не настолько "быстры", как компрессоры на базе VCA. Именно поэтому приборы на лампах менее эффективны при подавлении переходных пиковых значений, нежели VCA-компрессоры. Но LA-2A не пытается конкурировать с VCA по скорости - он работает в другой нише, там где нужна прозрачность, а не хирургическая точность.

Почему оптическую схему сложно воспроизвести точно

Современные фотоэлементы спроектированы максимально быстрыми, но они не имеют нужного многоступенчатого отклика, чтобы звучать как оригинальный дизайн Teletronix. Исследования в области DSP помогли понять, как работает оригинальный T4 на уровне квантовой физики. Это позволило разработать точную DSP-модель редукции усиления.

Для ламп накаливания связь тока и полезной освещённости можно установить только опытным путём: светимость лампы зависит от тока нелинейно, при этом с ростом тока спектр излучения непрерывно смещается. Нелинейность лампы плюс нелинейность фоторезистора в сочетании с их тепловой инерцией создают поведение системы, которое принципиально не описывается простой формулой. Поэтому каждый экземпляр LA-2A звучит немного по-своему - и поэтому точная цифровая копия этого прибора долгие годы оставалась трудно достижимой задачей.

Срок службы резисторной оптопары определяется сроком службы излучателя и допустимым диапазоном изменений свойств фоторезистора. Среднее время наработки на отказ лампы накаливания не превышает 20 тысяч часов, а сам отказ происходит почти мгновенно и необратимо. Именно поэтому в оригинальных T4-ячейках, дожившие до наших дней, нередко заменена лампа - или вся ячейка целиком. Это расходный элемент с вполне конечным ресурсом, несмотря на весь романтический ореол легенды.

Понять принцип работы оптического компрессора - значит понять, что звук бывает хорошим не вопреки физическим ограничениям, а именно благодаря им. Инерция фоторезистора, нелинейность лампы, память полупроводника - всё это не баги, а особенности, которые превратили прибор 1962 года в инструмент, востребованный по сей день.