Главная Контакт Ссылки
Многополосные усилительные системы Версия для печати
Написал И. Прохоров   
понедельник, 22 Сентябрь 2003

При проектировании звуковоспроизводящей аппаратуры разработчику приходится учитывать ряд противоречивых требований: высокое качество звучания, низкую стоимость изделия, простоту, надежность, эстетичность и т. п.

Если разрабатывается изделие, основными требованиями к которому будут низкая стоимость и простота при среднем качестве звучания, то можно однозначно сказать, что усилительный канал нужно строить по схеме: широкополосный усилитель через разделительные фильтры подключен к нескольким динамическим головкам.

Рис. 1 Функциональная схема
Рис. 1 Функциональная схема

Проектирование высококачественной аппаратуры не отвергает подобной схемы, однако разделительные фильтры могут существенно повлиять на параметры аппаратуры, так как они, во-первых, определяют нагрузку усилителя, во-вторых, ухудшают демпфирование громкоговорителей. Подобный недостаток легко устранить, если перенести разделительные фильтры, поставив их внутри электронного усилителя. Функциональная схема подобной системы примет вид, показанный на рис. 1, для случая деления частотного диапазона сигналов на три полосы.

Функциональная схема многополосной усилительной системы содержит:

1 — предусилитель-корректор;
2 — регулятор громкости, тембров и баланс каналов;
3, 4, 5 — разделительные фильтры низкой (3), средней (4) и высокой (5) частоты;
6, 7, 8 — три усилителя мощности;
9, 10, 11 —три динамические головки.

Преимущества подобной схемы построения сводятся к следующему [ 1 ]:

  1. Хорошее электрическое демпфирование подвижной части громкоговорителя (катушка динамика непосредственно подсоединена к малому выходному сопротивлению усилителя мощности).
  2. Лучшие переходные характеристики усилителей.
  3. Возможность получения фильтров с большой крутизной АЧХ и согласованными характеристиками.
  4. Снижение напряжения источника питания (выходная мощность усилителя равна сумме мощностей трех усилителей мощности 5, 6, 7 на рис. 1).

На вход предусилителя-корректора поступают сигналы с магнитной головки звукоснимателя проигрывателя, уровень которых не превышает 2,5...8 мВ. В соответствии с принятыми стандартами сигнал на входе и на выходе регулятора громкости (тембров и баланса каналов) не превышает 0,7...1,0 В. Для того чтобы в подобной конструкции можно было использовать стандартные усилители мощности (со входными сигналами 0,7...1,0 В), необходимо предусмотреть постоянство уровня сигналов фильтров в пределах своей полосы пропускания.

Легко заметить, что блоки 1 и 2 идентичны для однополосной и многополосной систем. Для многополосной системы специфичным являются вопросы, связанные с разделением по частоте сигналов (на этапе проектирования фильтров) и разделением сигнала по мощности (на этапе проектирования усилителя мощности). Это деление определяется частотными параметрами динамических головок.

Рассмотрим вопросы проектирования и выбора номиналов элементов электрических схем отдельных блоков.

Предусилитель-корректор

Отличительная особенность предусилителя-корректора — его неравномерная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Сигналы с магнитной головки звукоснимателя возрастают по амплитуде при возрастании частоты. И хотя их значение зависит от типа головки, закон возрастания регламентируется соответствующими ГОСТами. Назначение предусилителя-корректора: усилить входные сигналы и скорректировать их по частоте таким образом, чтобы результирующая АЧХ пары “магнитная головка + предусилитель-корректор” была линейной.

Рис. 2. Аппроксимация АЧХ
Рис. 2. Аппроксимация АЧХ

Точная кривая АЧХ уже приводилась на страницах журнала “Радио” [2]. Она подходит при проверке уже готовых изделий. При проектировании АЧХ удобно пользоваться аппроксимирующими ломаными линиями, показанными на рис. 2. Частоты излома имеют следующие значения: f1 = 50 Гц, f2= 500 Гц, f3 = 2120 Гц. Они являются основными при выборе номиналов элементов электрической схемы.

Рис. 3Рис. 4
Рис. 3Рис. 4
Исходные расчетные соотношения
По рис. З:По рис. 4:
f1 = 1/(2πC3R3)f1 = 1/(2πC3R2)
f2 = 1/(2πC3R2)f2 = 1/(2πC3R3)
f3 = 1/(2πC4R2)f3 = 1/(2πC4R3)
KU = (R1 + R2)/R1KU = (R1 + R3)/R1
где Ku — коэффициент усиления по напряжению на частоте 1000 Гц;
С2 >= 1/(2π f0 R1),
f0= 20 Гц—начало частотной характеристики.

Для реализации АЧХ рис. 2 на операционных усилителях в настоящее время получили распространение две электрические схемы, показанные на рис. 3 и 4.

При работе с непостоянной амплитудой сигнала может потребоваться различное значение KU, тогда для выбора номиналов удобно пользоваться табл. 1. Отклонение номиналов элементов от расчетных не должно превышать 2%.

Таблица 1
KuR3, кОмR2, кОмR1, ОмСЗ, мкфС4, пфС2, мкф
100100101000,032750071,3
12010010830,0327500100
14010010700,0327500100
20010010500,0327500143

Регулятор тембра

Регулятор тембра служит для коррекции частотной характеристики всей схемы, а также для придания звуку желаемой окраски. Изменение характеристики в большинстве случаев происходит на краях частотного диапазона, где мы хотим создать нужную величину подъема (сплошная линия) или спада (пунктирная линия), как показано на рис. 5. На этом рисунке можно выделить три области:

область низких частот f < f2, где происходит изменение низкочастотных сигналов; область средних частот f2 < f < f3, где уровень сигналов не меняется, и область высоких частот f > f3.

Область низких частот корректируется регулятором низкого тона, область высоких — регулятором высокого тона. Если величина подъема (спада) на краях частотного диапазона одинакова, то такие регуляторы называются симметричными. Наклон характеристик 20 дБ/дек (6 дБ/окт). При проектировании необходимо выбрать величину изменения характеристик АА и частоты излома f1, f2, f3, f4, при этом можно руководствоваться приблизительными соотношениями:

  • для подавляющего большинства слушателей достаточно значение ΔА = 10...20 дБ;
  • частоты f2 и f3 необходимо дальше разносить друг от друга (на 0,5...1,0 дек), чтобы избежать взаимного влияния низкочастотного и высокочастотного регуляторов.

Различают пассивные и активные регуляторы тембра. Схема пассивного регулятора тембра выполнена на RC элементах и приведена на рис. 6. Резисторы R1, R2, R3 и конденсаторы Cl, C2 реализуют регулятор низкого тона, резисторы R5, R6, R7 и конденсаторы СЗ, С4 — регулятор высокого тона, R4 — развязывающий резистор.

Рис. 5. АЧХ регулятора тембраРис. 6. Схема пассивного регулятора тембра
Рис. 5. АЧХ регулятора тембра Рис. 6. Схема пассивного регулятора тембра
Исходные соотношения для выбора элементов схемы:
R1 /R2 = R3/R1 = C1/C2 - величина подъема (спада) в области низких частот;
R6/R5 + C3/C4 - величина подъема (спада) в области высоких частот;
f1 = 1/(2πR1C2) = 1/(2πR2C1);f2 = 1/(2πR1C1) = 1/(2πR3C2);
f3 = 1/(2πR5C3) = 1/(2πR6C4); f4 = 1/(2πR6C3)

Подобная схема требует переменных резисторов (R2, R7) с сопротивлениями, меняющимися по логарифмическому закону при перемещении движка. В крайнем верхнем положении движков коэффициент передачи схемы по напряжению KU на краях частотного диапазона будет равен 1. В области средних частот (так же, как и при среднем положении движков во всем диапазоне частот) 20 lg KU = —Δΐ (в децибелах).

Для реализации этих равенств необходимо соблюдать соотношения: R2>>R1>>R3, R7>>R5>>R6. В пассивных регуляторах величина подъема характеристики получается за счет уменьшения коэффициента передачи при среднем положении движков потенциометра. Например, пассивный регулятор с ΔА = 20 дБ имеет коэффициент передачи KU = 0,1 при f2 < f< f3 (так же, как и при среднем положении движков во всем диапазоне частот), поэтому после него должен стоять усилитель с коэффициентом КU = 10.

Рис. 7. Схема активного регулятора тембраИсходные соотношения для выбора элементов схемы:
R1=R3, R5=R7, C1=C2, R6>>2(R1+R5);
(R1+R2)/R1 - величина подьема (спада) в области низких частот
(R5+R1+2R4)/R5 - величина подьема (спада) в области высоких частот
f1 = 1/(2πR2C1); f2 = 1/(2πR1C1); f3 = 1/(2π(R1+R5+2R4)C3); f4 = 1/(2πR5C3)
Рис. 7. Схема активного регулятора тембра 

Схема активного регулятора тембра приведена на рис. 7. Резисторы Rl, R2, R3 и конденсаторы Cl, C2— регулятор низкого тона, R5, R6, R7 и СЗ — регулятор высокого тона, R4 — развязка. Подобная схема требует переменных резисторов (R2, R6) с линейным законом изменения сопротивления при перемещении движка.

Разделительные фильтры

Основное назначение разделительных фильтров — разбить частотный диапазон сигналов на отдельные полосы, при этом сумма сигналов на выходе всех полос (по напряжению) должна оставаться равной входному сигналу. Из известных типов разделительных фильтров наибольшее распространение получили фильтры Баттерворта.Частотная характеристика фильтра может быть определена следующими параметрами: частотой среза fc и наклоном амплитудно-частотной характеристики, который зависит от порядка фильтра п. Амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот — кривая 1 и фильтра верхних частот — кривая 2 показаны на рис. 8. Частота, на которой эти кривые пересекаются, называется частотой сопряжения f0.

Рис. 8. АЧХ фильтров нижних и верхних частот
Рис. 8. АЧХ фильтров нижних и верхних частот

В согласованных фильтрах на f0 АЧХ опускается на 3 дБ. Выбор частот сопряжения определяется только АЧХ динамических головок акустической системы. При выборе наклона необходимо учитывать, что малый наклон накладывает менее жесткие требования к номиналам элементов фильтров, однако равномерная АЧХ динамической головки должна быть более широкой. Так, для фильтра первого порядка (наклон 6 дБ/окт) допустимый разброс номиналов ± 5%, а равномерная АЧХ динамической головки должна перекрывать частотный диапазон фильтра за частоту сопряжения на две октавы. Для фильтра третьего порядка (наклон 18 дБ/окт) допустимый разброс номиналов 1... 2%, а отклонение от этого требования приводит к искажению суммарной АЧХ усилителя более чем на ±3 дБ. Практика проектирования подобных систем показала, что наиболее целесообразно применить фильтры третьего порядка.

Рис. 9. Схема фильтра нижних частот.Рис. 10. Схема фильтра верхних частот.
Рис. 9. Схема фильтра нижних частот.Рис. 10. Схема фильтра верхних частот.
Исходные расчетные соотношения [3]
по рис. 9 по рис. 10
R1 = R2 = R3 = 0,5R4 C1 = C2 = C3 = 2C4
C1 = 2,4553 / 2πf0R1R1 = 0,4074 / 2πf0C1
C2 = 2,1089 / 2πf0R1R2 = 0,4742 / 2πf0C1
C3 = 0,1931 / 2πf0R1R3 = 5,1766 / 2πf0C1

На рис. 9, 10 приведены принципиальные электрические схемы фильтров нижних и верхних частот соответственно, реализующих характеристику Баттерворта третьего порядка.

Подобрать номиналы элементов R или С, которые бы соответствовали расчетным, как правило, не представляется возможным. Поэтому на практике предварительно индивидуально измеряют несколько номиналов, а потом с помощью параллельного или последовательного соединения добиваются совпадения практических и теоретических номиналов с указанной выше точностью.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Лексины В. и В. Однополосный или многополосный? — Радио, 1981, № 4, с. 35—38.
  2. Сухов Н., Байло В. Высококачественный предусилитель-корректор.— Радио, 1981, № 3, с. 35—38.
  3. Audio Handbook, National Semiconductor Corporation, 1977, p. 53—55.
  4. Hull M. D., End CAMLER .E. Building Hi-fi Speaker Systems, 1980, p. 74—78.
След. >
up Главная | Новости | Усилители мощности | Предусилители | Акустика | Источники сигнала | FAQ | Форум | Карта сайта up
 

Mambo is Free Software released under the GNU/GPL License.