Prosty kompresor dynamiki audio na JFET, LM13700, THAT2180 – schemat, parametry, DIY

Pytanie

prosty kompresor dynamiki

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Prosty kompresor dynamiki składa się z toru sygnałowego z elementem o sterowanym wzmocnieniu (np. JFET, OTA LM13700, VCA THAT2180) oraz toru sterującego (detektor szczytowy/RMS + filtr RC).
• Minimalny układ można zrealizować na jednym wzmacniaczu operacyjnym, prostowniku diodowym i tranzystorze JFET pełniącym rolę zmiennego rezystora.

Kluczowe punkty
• tor sygnałowy + tor sterujący (side-chain)
• regulacje: Threshold, Ratio, Attack, Release, Make-up Gain
• prosty hardware: 1 × TL072/NE5532, 1 × JFET (N-ch), kilka diod 1N4148, RC

Szczegółowa analiza problemu

1. Zasada działania

1. Detektor poziomu prostuje i wygładza próbkę sygnału:
   \[ V{\text{det}}(t)=\frac{1}{C}\int{0}^{t} \frac{|v_{\text{in}}(\tau)|}{R}\,d\tau \]
2. Gdy \(V_{\text{det}}\) przekroczy napięcie progowe \(V_{\text{th}}\), powstaje prąd bramki JFET/sterowanie OTA:
   \[ I{g} \propto (V{\text{det}}-V_{\text{th}}) \]
   co zmniejsza wzmocnienie toru głównego.
3. Dla części nadprogowej wprowadzamy tłumienie:
   \[ G{\text{dB}}= \begin{cases} 0,& L{\text{in}} \le T\ -\left(1-\frac{1}{R}\right)(L{\text{in}}-T),& L{\text{in}}>T \end{cases} \] gdzie \(R\) – Ratio, \(T\) – Threshold.

2. Bloki funkcjonalne

1. Bufor wejściowy: TL072, R_in ≈ 100 kΩ.
2. Element sterowany: • JFET w roli rezystora (dzielnik napięcia) – najprostszy, „miękki” charakter.
   • OTA LM13700 – tanie, mniejsze zniekształcenia.
   • VCA THAT2180 – audio-hi-fi, THD < 0,01 %.
3. Detektor (feed-forward): dwie diody 1N4148 + RC (czas ataku 1–20 ms, release 100–1000 ms).
4. Wzmacniacz make-up: drugi kanał TL072 (regulacja 0–20 dB).

3. Schemat referencyjny – kompresor na JFET

(oznaczenia elementów dobrane dla ±12 V, poziom nominalny 0 dBu)

        IN ──R1 10k──┬─► Out (po kompresji)
                     │
                +----+----+
                |  TL072  |
                |  U1A    |–– R5 100k ––►   Make-up Gain (U1B)
                +----+----+
                     │
                   RDS(on)
                 N-JFET (J201)
                     │
          RVth 50k ←─┼── D1-D2 (detektor) ──┬── Cdet 4.7µ
                     │                      │
                 Rrel 470k                  │
                     │                      │
                    GND                    GND

Parametry:
• Threshold: potencjometr RVth 0…–20 dB.
• Ratio ≈ 4 : 1 (zmiana przez R5/RDS).
• Attack: Cdet 4,7 µF   +  Rser 10 kΩ ≈ 47 ms.
• Release: Rrel 470 kΩ → ~2 s.

4. Alternatywne topologie

• Opto-LDR + LED (LA-2A-style) – bardzo łagodne „soft-knee”.
• OTA LM13700 w pętli sprzężenia zwrotnego op-ampa – regulacja ratio 1,2 : 1 … ∞ : 1.
• Cyfrowy DSP (np. ADAU1701, Teensy Audio) – RMS-detektor programowy, logarytmiczna tablica LUT, oversampling.

5. Praktyczne zastosowania

• nagrania lektorskie/podcast (zwiększona czytelność),
• mikrofony CB/SSB 12 V – AVT2454 (link w źródłach online),
• zabezpieczenie głośników PA przed przesterowaniem,
• DIY „pedalboard” gitarowy (wersja FET 9 V).

Aktualne informacje i trendy

• Zintegrowane moduły z THAT Corp (THAT4305, Analog Engine™) – pełny tor VCA + detektor + VCA-drive w jednej obudowie.
• Kompresory cyfrowe zautomatyzowane (Auto-Gain, Look-Ahead) w układach DSP ADAU1467, SHARC; kod otwarty na GitHub (np. ARM CMSIS-DSP).
• W świecie DIY popularne są płytki z LM13700 oraz kity AVT (AVT5564, AVT2454) – łatwa adaptacja do 9 ÷ 18 V.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Detekcja RMS (uśrednianie kwadratu sygnału) daje bardziej „muzyczne” działanie niż detekcja szczytowa.
• Soft-knee realizuje się przez wprowadzenie logarytmicznego miksu sygnału detektora z napięciem progu – rezystor 2,2 MΩ + dioda w łańcuchu side-chain.
• Wersja FET wymaga dobierania FET-ów (Idss, Vgs(off)) – warto zastosować trymerek 1 kΩ w źródle.

Aspekty etyczne i prawne

• Nadmierna kompresja w radiu powoduje zmęczenie słuchaczy („loudness war”); zaleca się zgodność z normami EBU R128 (broadcast) lub ITU-BS.1770-4 (LUFS).
• Przy integracji w mikrofonach SSB sprawdź wymagania CEPT/ERC oraz maksymalny deviation-level.
• Bezpieczeństwo: unikaj przekroczenia dopuszczalnych poziomów SPL (> 100 dB) w systemach PA.

Praktyczne wskazówki

• Zasilanie: dobre filtrowanie ±12…±15 V, osobne masy analog/sterowanie.
• Kalibracja:
  1. Ustaw Threshold tak, aby zaczynała się redukcja przy 0 dBu.
  2. Podaj 1 kHz/ +10 dBu, obserwuj redukcję (oscyloskop lub VU).
  3. Skoryguj Attack/Release według zastosowania (mowa – krótsze).
• Testy: generator sygnału krokowego (burst), pomiar THD + N (Audio Precision lub REW).

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Układy JFET i opto-LDR różnią się egzemplarzem – konieczna selekcja.
• LM13700 wprowadza szum prądowy; przy poziomach mikrofonowych dodaj preamp o niskim EIN.
• Układy VCA THAT wymagają precyzyjnych rezystorów 0,1 % w pętli sprzężenia.

Sugestie dalszych badań

• Porównanie feed-forward vs feed-back (język „British” vs „American” kompresorów).
• Implementacja kompresji wielopasmowej (cross-over + 3 × VCA).
• Analiza psychoakustyczna wpływu czasów attack/release na postrzeganą głośność.
• Zastosowanie neuronowych VCA (CTAG Face DNN) w czasie rzeczywistym.

Krótkie podsumowanie

Prosty kompresor dynamiki można zbudować już na jednym wzmacniaczu operacyjnym, prostowniku diodowym i tranzystorze JFET, uzyskując podstawowe regulacje Threshold, Ratio, Attack i Release. Dla lepszych parametrów sięgnij po OTA LM13700 lub specjalizowany VCA THAT2180/4305. Prawidłowa separacja toru sygnałowego i sterującego, staranna kalibracja czasów ataku/zwolnienia oraz przestrzeganie norm głośności zapewnią transparentną i bezpieczną pracę układu.