Phono preamp không phải là một thiết bị mới mẻ, với những công nghệ hiện đại. Cùng sự xuất hiện của mâm đĩa than, phono preamp là một thiết bị có tuổi đời từ khá lâu.
Phono preamp thực chất cũng là preamp, là một thiết bị đóng vai trò quan trọng trong hệ thống âm thanh. Đây là thiết bị có chức năng khuếch đại tín hiệu âm thanh từ phono cartridge rồi gửi đến cổng vào tín hiệu của power-amp. Bên cạnh cái tên phono preamp, người ta còn gọi thiết bị này bằng những cái tên như tầng phono, RIAA preamp hay preamp cho mâm đĩa than.Vậy chính xác phono preamp làm những gì, và hiện tại trên thị trường đang có những loại phono preamp nào?
Phono preamp là gì
Vấn đề lớn nhất của tín hiệu từ cartridge đĩa than, đó là tín hiệu này quá nhỏ, không đủ để lái tầng power-amp, bên cạnh đó, tín hiệu này lại cũng không được “phẳng”, có nghĩa là âm lượng của bass, midrange và treble sẽ bị thay đổi so với tín hiệu gốc. Trong nhiều trường hợp, treble sẽ lớn hơn midrange, và midrange lại lớn hơn bass. Do đó, nếu đấu nối mâm đĩa than trực tiếp vào cổng Line của preamp (một số gọi đây là cổng AUX), thứ tiếng duy nhất người ta có thể nghe thấy chỉ là âm treble cực kỳ nhỏ, các tiếng khác bị mất đi hoàn toàn. Một vài mâm đĩa than đời mới có tích hợp phono preamp bên trong, cho phép đầu ra của thiết bị là đầu RCA giống như các thiết bị nguồn phát khác. Tuy nhiên, với những đầu đĩa than này, người dùng sẽ không thể thay đổi hay nâng cấp được cho thiết bị để cải thiện chất lượng âm thanh, trong khi ai cũng biết rằng preamp là nhân tố quan trọng tác động đến chất âm của hệ thống. Nếu đó không phải là một mâm đĩa than cực đắt đỏ với phono preamp tích hợp chất lượng cao, lựa chọn tốt nhất vẫn là mua mâm đĩa than bình thường và sử dụng phono preamp rời hoặc preamp thường có tích hợp thêm tầng phono.
Nguyên lý hoạt động và RIAA Equalization
Khác biệt lớn nhất giữa một preamp thông thường và một phono preamp là đáp tuyến tần số của từng thiết bị: Phono preamp phải làm nhiệm vụ cân bằng tất cả các dải tần số từ tín hiệu do cartridge gửi đến, như vậy khi xuất tín hiệu đến power-amp, đáp tuyến tần số mới có thể “phẳng” được và các dải tần số lúc này mới có âm lượng to, rõ ràng như nhau.
Vậy tại sao họ không thiết kế phono cartridge với tín hiệu đầu ra “phẳng” ngay từ đầu?
Trên thực tế, đã từng có những nỗ lực chế tạo loại cartridge như vậy, nhưng tất cả đều không thành công bởi một lý do, cartridge là chi tiết quyết định chất lượng tín hiệu và đĩa thu được cắt dựa vào cartridge. Cho nên dù có sử dụng cartridge gốm hay pha lê, loại dùng cho đĩa thu âm có xuất xứ từ Anh, với tín hiệu đầu ra “phẳng”, nhưng nếu không dùng đúng loại đĩa cho cartridge ấy thì kết quả là âm trung, dải tần số mà tai rất nhạy cảm sẽ nhanh bị mất. Thực ra vấn đề có thể xử lý nếu dùng equalizer, nhưng cách làm cực kỳ phức tạp và tốn kém, do đó giải pháp cuối cùng vẫn là sử dụng cartridge thông thường, dành cho đĩa thu âm cắt theo chuẩn của Mỹ. Nguyên nhân bộ cân chỉnh, viết tắt là EQ (equalization) cần thiết có liên quan đến quá trình thu âm đĩa than và phát lại tín hiệu. Đầu kim cắt đĩa phải vừa với rãnh đĩa 25 phút trên đĩa 12 inch loại 33.3 vòng/phút. Như vậy, trung bình một đĩa than có 33.3 x 25 = 832 đường xoắn ở mỗi bên rãnh đĩa, chưa kể đoạn mở đầu và đoạn kết thúc và nhãn đĩa nữa.
Để tạo ra những đường xoắn này không quá phức tạp (đó là còn chưa kể để tạo ra đĩa stereo, khi cắt đĩa còn phải tạo rãnh chữ V với thông tin ở hai bên trái phải vách rãnh đĩa). Rãnh đĩa thực chất là đường cắt có hai mặt bên, cho phép đầu kim chạy, dao động với mặt bên của rãnh tạo thành tín hiệu đầu ra, chuyển về cartridge. Điện áp mà phono cartridge tạo ra tương ứng với tốc độ đầu kim di chuyển từ bên này sang bên kia trong khi đang chạy trên rãnh đĩa. Để có tín hiệu đầu ra cho các dải tần số giống nhau, khoảng cách di chuyển cho dải bass phải rộng hơn so với khoảng cách cho dải treble, và như vậy đường cắt cho dải bass có thể cắt cả vào những đường xoắn liền kề. Nếu như số lượng đường cắt bị giảm để vừa các dải bass thì gần như sẽ không có tín hiệu đầu ra cho dải treble. Thực tế cũng cho thấy làm vậy sẽ khiến âm treble bị lấn át bởi nhiễu ở bề mặt đĩa cho dù đầu kim cắt đĩa được làm nóng để cắt đĩa mượt hơn Vì thế, khi thu âm, lý tưởng nhất là cắt đĩa với biên độ không đổi (constant amplitude). Tín hiệu đầu ra của cartridge (vốn phụ thuộc vào tốc độ) sẽ giảm nếu tần số giảm, do đó, phono preamp có thể cân bằng tín hiệu bằng cách đảo ngược lại quá trình (tăng tiếng bass và giảm tiếng treble khi đọc đĩa than để bù đắp lượng tiếng bass bị giảm và lượng tiếng treble tăng lên trong quá trình biên tập âm thanh khi làm đĩa). Tuy nhiên, headroom (khoảng cách biệt dự trữ từ tín hiệu bình thường đến tín hiệu tối đa trong hệ thống âm thanh, chẳng hạn, nếu hệ thống âm thanh có thể phát được 120dB, mà tín hiệu trung bình chỉ là 100dB, thì headroom là 20dB) cho âm bass có thể yêu cầu rất lớn, vì thế khoảng tần số thường chia ra làm hai phần trên và dưới của một dải tần số midrange tham chiếu.
Trong nhiều trường hợp, tầm số tham chiếu là 1kHz. Khi cắt giữa khoảng 500Hz và 2122Hz, đầu kim sẽ cắt với tốc độ không đổi (constant velocity) thay vì theo biên độ không đổi. Như vậy, tín hiệu đầu ra của cartridge giữa hai điểm sẽ giữ nguyên, tiết kiệm được 20dB khoảng headroom cho thiết bị. Những ai sử dụng mâm đĩa than chắc sẽ nghe đến đường cong đặc tuyến RIAA, thường được miêu tả dưới dạng biểu đồ khá phức tạp. Đường cong này là dạng đồ thị hóa cho đặc tả các thông số Equalizer áp dụng cho các thao tác ghi phát đĩa Vinyl Hiệp hội công nghiệp thu âm Hoa Kì (Recording Industry Association of America) ban hành từ 1954. Tiêu chuẩn này quy định rõ ràng và nghiêm ngặt về các thông số thiết lập chi tiết cho EQ để cắt tại các tần số quy định với tham số Q chính xác cho từng tần số đó. Ở biểu đồ trên, đường nét đứt màu tím là đáp tuyến tần số ghi lại từ đĩa than, đường màu đỏ là EQ được sử dụng ở tầng phono preamp để cân bằng tín hiệu, tức là làm cho tín hiệu trở nên “phẳng”, ra thành đường thẳng màu xanh trên biểu đồ bằng cách tăng dải bass và giảm treble cùng lúc, khuếch đại tín hiệu lên mức cực lớn, lên đến mức ngang với tín hiệu line-level thông thường. Có thể thấy, để “làm phẳng” tín hiệu, dải tần của EQ giống như dải tần của mâm đĩa than nhưng lệch pha 180 độ để có thể bù đắp cho nhau và tạo thành đáp tuyến “phẳng” mà power-amp hay hệ thống âm thanh yêu cầu.
Nam châm động (moving magnet) và cuộn dây động (moving coil)
Ở kỳ trước, chúng ta đã tìm hiểu về cách thức phono preamp hoạt động, cũng như cách mà kim (cartridge) tạo ra tín hiệu để đưa đến phono preamp. Và đối với những loại kim khác nhau, điện áp đầu ra cũng sẽ khác nhau. Do đó, chọn đúng loại kim là điều quan trọng mà người dùng cần lưu ý khi dùng đầu đĩa than. Hiện nay trên thị trường có hai loại kim là nam châm động (MM) và cuộn dây động (MC)
Để hình dung về sự khác biệt của chúng, trước hết hãy bắt đầu từ đầu kim (stylus). Khi chạy dọc rãnh đĩa, đầu kim di chuyển theo chiều dọc cũng như theo chiều ngang, và các chuyển động này được thu lại và chuyển đổi thành tín hiệu điện từ, được truyền qua dây tonearm và trực tiếp đến tầng phono preamp. Tín hiệu âm thanh này có mức cực thấp và được tạo ra bởi một nam châm và / hoặc một cuộn dây. Mỗi loại kim đều có một nam châm và một cuộn dây, nhưng vị trí và chức năng của chúng có thể khác nhau và điều này sẽ ảnh hưởng đến đầu kim. Đây cũng chính là điểm khác biệt của các loại kim. Kim MM là loại phổ biến nhất, đặc biệt là với những hệ thống mâm đĩa than phổ thông. Điện áp đầu ra cao khiến chúng phù hợp với tầng phono preamp của những chiếc preamp hifi hay các đầu AV Receiver. Kim MM có hai nam châm (mỗi chiếc cho một kênh stereo) ở cuối mũi kim. Điểm cộng của chúng là điện áp đầu ra lớn nhưng trọng lượng của nam châm lại là điều bất lợi, vì nó làm giảm ‘sự nhanh nhẹn’ của đầu kim – do đó ít chính xác hơn một chút, ảnh hưởng đến những chi tiết cực kỳ ngắn.
Kim MC lại trái ngược với kim MM. Thay vì dùng hai nam châm chúng lại sử dụng hai cuộn dây. Do cuộn dây nhỏ và nhẹ hơn nên mũi kim sẽ di chuyển chính xác hơn và độ trung thực của các chi tiết cũng cao hơn. Tuy nhiên, cuộn dây tạo ra một dòng điện từ nhỏ hơn nam châm, và đây chính là điểm bất lợi lớn khi so sánh kim MC với các kim MM. Mặc dù chất âm rất tuyệt với, điện áp đầu ra của kim MC rất thấp, đến nỗi chúng không thể sử dụng được với các phono preamp hifi thông thường. Đây là lý do vì sao phono preamp chuyên dụng cho kim MC lại rất cần thiết nhất và combo này cũng là một bước tiến nghiêm túc để bước vào thế giới vinyl hi-end. Không giống như kim MM có thể thay thế được đầu kim, kim MC lại gắn kim tích hợp, do đó không thể thay thế được và khi kim bị hỏng hoặc bị mòn, người dùng chỉ có thể mua một chiếc mới. Mặc dù hầu hết các preamp có tích hợp tầng phono hiện nay đều hỗ trợ cả kim MM và MC, không có gì lạ khi một thiết bị cao cấp như Marchand LN112 MC hay Viva Fono chỉ hỗ trợ duy nhất cho kim MC.
Quan hệ giữa kim và trở kháng
Mỗi loại kim sẽ có mức trở kháng khác nhau, và để có được chất lượng âm thanh tốt nhất có thể, các giá trị này cũng cần phải “khớp” với thông số đầu vào của phono preamp. Kim MM thông dụng có trở kháng rất cao, lên đến 47kOhm và đối với phono preamp, đây cũng là trở kháng đầu vào của thiết bị. Nhưng kim MC thì lại rất khác, trở kháng thấp hơn nhiều và trở kháng của phono preamp cũng phải thay đổi. Đối với kim MC, để phù hợp, thiết lập giá trị trở kháng của phono preamp cần phải cao hơn khoảng 2,5 lần so với giá trị trở kháng của kim. Chẳng hạn, nếu bạn dùng kim Denon DL103 MC có giá trị trở kháng là 40 Ohm, thiết lập trở kháng lý tưởng cho phono preamp sẽ phải là 100 Ohms. Để đạt thiết lập quan trọng này, nhiều năm qua audiophile đã phải sử dụng thêm biến thế thượng (step-up transformer) để phono preamp có thể nhận được tải chính xác, trước khi khuếch đại tín hiệu lên ngang với tín hiệu lin-level. Biến thế thượng vẫn còn được sử dụng, nhưng nhiều phono preamp cao cấp hiện nay có thể chuyển sang bất cứ mức trở kháng nào – hoặc tự động, hoặc thông qua các công tắc.
Khuếch đại đầu vào
Để đáp ứng yêu cầu về độ lợi (gain), đặc biệt là cho kim LOMC (low output moving coil – kim MC có điện thế đầu vào thấp), phono preamp có thể sử dụng nhiều cách khác nhau và kết quả phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thứ nhất, phono preamp là preamp bán dẫn hay là ampli đèn có ảnh hưởng rất lớn – ampli bán dẫn thường dễ đạt được hiệu suất cao và độ nhiễu ồn thấp hơn so với ampli đèn chân khôgn. Thiết kế phono preamp bán dẫn phụ thuộc vào các mạch op-amp (operational amplifiers) và điện trở. Cũng giống như chipset DAC có tác động rất quan trọng đối với mạch audio digital, op-amp chính là chi tiết tác động trực tiếp đến khả năng khuếch đại tín hiệu đầu vào (độ lợi) cũng như chất âm của mạch phono. Đối với các ampli đèn điện tử, chất âm chắc chắn sẽ rất tuyệt vời. Nhưng để đảm bảo đáp ứng độ lợi cần thiết, người thiết kế thường sử dụng thêm một chi tiết chuyên biệt để tăng độ lợi, có thể là thêm một tầng chủ động (active stage) cho thiết bị, nhưng thường là sử dụng biến áp thượng. Không có những chi tiết này, ampli đèn vẫn có thể hoạt động tốt với kim MM, nhưng với kim MC có điện áp đầu ra cực thấp thì các chi tiết như biến áp thượng bắt buộc.
