Трехполосный УМЗЧ на основе микросхемы 574УД1А, на выходе - КП904
Одним из эффективных средств улучшения качества звуковоспроизведения является применение электронных разделительных фильтров на входах полосовых УМЗЧ.
Как известно, использование LC пассивных фильтров на выходе УМЗЧ приводит к росту интермодуляционных искажений в усилителе, работающем на комплексную нагрузку, и к возрастанию различных искажений в громкоговорителях.
Использование трехполосного усилителя не только повышает качество разделения сигналов, но и облегчает балансировку головок громкоговорителей по звуковому давлению, улучшает согласование головок в УМЗЧ. Ведь верность звуковоспроизведения во многом зависит от громкоговорителей.
Включение пассивных разделительных фильтров между выходом УМЗЧ и громкоговорителями многополосной акустической системы ухудшает электрическое демпфирование.
Кроме этого, расчет таких фильтров достаточно сложен, поскольку к ним предъявляют требования, труднореализуемые в радиолюбительских условиях. К тому же не все фильтры с высокой крутизной скатов АЧХ обеспечивают малую неравномерность суммарной АЧХ.
Типовые разделительные фильтры даже с гладкой суммарной АЧХ нередко являются причиной возникновения фазовых искажений, влияние которых на форму выходного сигнала особенно проявляется вблизи частоты раздела такого фильтра.
Если на частоте раздела высоко- и среднечастотной полос эти искажения еще допустимы, поскольку несильно влияют на качество звучания, то в области раздела низко и среднечастотной полос их весьма желательно устранять. В этом диапазоне частот и чувствительность слуха максимальна.
Кроме гладкой суммарной АЧХ для неискаженной передачи импульсных сигналов необходимо обеспечить одинаковую временную задержку всех составляющих сигнала при прохождении его через разделительный фильтр.
Потеря мощности в пассивном фильтре на выходе УМЗЧ, сложность согласования каждой головки громкоговорителя с выходом УМЗЧ для получения равномерной суммарной АЧХ по звуковому давлению (резистивные делители лишь снижают КПД АС и комплекса в целом, а также дополнительно ухудшают демпфирование), необходимость изготовления крупногабаритных катушек индуктивности и установка конденсаторов большой емкости - вот неполный перечень недостатков многополосных АС с разделительными пассивными фильтрами на выходе УМЗЧ.
Для широкополосного варианта (одноканальное усиление) характерен такой недостаток, как необходимость большого запаса по выходной мощности УМЗЧ. Для неискаженного восприятия всей полосы звуковых частот однополосный УМЗЧ должен иметь приблизительно двойной по сравнению с трехполосным вариантом запас по выходной мощности.
Вот и приходится уменьшать интермодуляционные искажения до тысячной доли процента, а то и еще меньше. Это приводит к значительному усложнению схемотехники усилителя, увеличению затрат времени и средств на его изготовление.
Большая рассеиваемая мощность выходных транзисторов требует применения крупногабаритных и массивных теплоотво-дов. Увеличивается масса трансформатора питания, фильтров выпрямителя и т.д.
Разделение полосы звуковых частот на три способствует весьма значительному снижению всех искажений (!) в УМЗЧ и АС: устраняются все перечисленные причины ухудшения качества звуковоспроизведения или их влияние значительно ослабляется.
Весь комплекс становится более "гибким" как в ремонтопригодности, так и в перспективности его усовершенствования. Появляется, например, возможность оперативной замены громкоговорителя с быстрым выравниванием его АЧХ по звуковому давлению по отношению к двум другим полосовым громкоговорителям.
Для этого достаточно (пусть даже в грубом приближении, но очень эффективно) выставить уровень сигнала на выходе полосового УМЗЧ. В низкочастотной области, например, можно ввести электромеханическую обратную связь (ЭМОС) и избавиться от "бубнения" НЧ громкоговорителей.
В этом случае обеспечивается еще и дополнительное сглаживание АЧХ НЧ громкоговорителя не только вблизи частоты его резонанса, но и во всем диапазоне поршневой работы диффузора.
Разделительные фильтры на входах полосовых УМЗЧ (НЧ и СЧ) ограничивают уровень ВЧ составляющих сигнала, что уменьшает динамические интермодуляционные искажения всего комплекса.
Высокочастотный же канал из-за отсутствия НЧ и СЧ составляющих имеет большой запас по линейности амплитудной характеристики, а значит, и по мощности. Поэтому и динамические искажения очень малы.
Схема электронных разделительных фильтров (кроссоверов)
Испытано несколько вариантов электронных разделительных фильтров (кроссоверов). Схема одного из них показана на рис.1. Сначала была повторена схема [1].
Оказалось, что многое из сказанного о недостатках пассивных фильтров между УМЗЧ и АС справедливо и для электронных фильтров. В многокаскадных фильтрах каждый последующий каскад существенно нагружает предыдущий.
Это приводит к тому, что суммарная характеристика многокаскадного фильтра уже не является простой совокупностью характеристик каскадов. Для устранения влияния каскадов друг на друга каждый предыдущий каскад должен иметь выходное сопротивление намного меньше, чем входное сопротивление последующего каскада как на рис.1.
Такими буферными элементами являются полевые транзисторы VT1-VT12 типа КП303Д. Переключатель SA1 предназначен для ступенчатого ослабления подаваемого на вход кроссовера сигнала.
Если для однозвенного фильтра частота среза ftp ~ 160/RC, где R - в кОм; С - в мкФ, а частота ftp - в Гц, то для трех-звенного фильтра ftp ~ 31/RC. Аналогичная ситуация справедлива и для ФНЧ.
Однозвенный ФНЧ рассчитывают по той же формуле, что и ФВЧ первого порядка (^ср=160/RC). ФВЧ третьего порядка рассчитывают приближенно по формуле ftp=825/RC.
Рис. 1. Принципиальная схема электронных разделительных фильтров (кроссоверов) для НЧ, СЧ, ВЧ.
Были испытаны и другие схемы фильтров: Баттерворта, Чебышева, Бесселя, Саллена и Келя и др., а также простейшие фильтры на пассивных RC-звеньях. У фильтра Баттерворта (наиболее плоская характеристика в полосе пропускания) плохая фазовая характеристика, плоская характеристика достигается ценой уменьшения крутизны спада в полосе подавления.
Фильтры Чебышева обеспечивают более крутой спад АЧХ за границей прозрачности, но вносят нежелательные равноволновые колебания АЧХ в полосе прозрачности (на средних частотах звукового диапазона лучше их вообще не применять).
Фильтры Бесселя (наибольшее постоянство временного запаздывания) имеют наименьший спад АЧХ среди перечисленных фильтров за границей полосы прозрачности (немногим более пассивных RC-фильтров соответствующего порядка).
Можно использовать фильтры и на основе звеньев второго порядка (их существует большое количество). Однако было выяснено, что фильтры, имеющие крутизну среза АЧХ за полосой прозрачности более 24 дБ/октаву, вносили свои искажения, которые субъективно воспринимались на слух как значительное увеличение искажений в области средних частот при прослушивании одновременно трех полос.
Были испытаны простые RC-звенья первого порядка (вместо фильтров третьего порядка). Несмотря на явную примитивность схемы таких фильтров, малое значение среза АЧХ (6 дБ/октаву или 20 дБ/декаду), аппаратура работала на слух лучше (и заметно лучше), чем с трехзвенными RC-фильтрами.
Необходимо приводить частоты среза фильтров к одному и тому же значению, иначе сравнение будет только субъективным. Необходимо также компенсировать затухания, вносимые многозвенными пассивными элементами фильтров и дополнительными усилителями напряжения сигнала.
На рис.2 изображена схема одного из усилителей напряжения полосового фильтра. Такие усилители установлены после каждого фильтра. Подстроечным резистором R3 нужно установить на затворе полевого МОП-транзистора VT1 постоянное напряжение, необходимое для получения на стоке этого транзистора потенциала, равного половине напряжения питания (ток стока 1с при этом равен приблизительно 20 мА). Можно для этой цели использовать и усилители на ОУ.
Рис. 2. Схема усилителя напряжения полосового фильтра.
Схема УМЗЧ
При выборе типа УМЗЧ лучше использовать более качественные конструкции с совершенной схемотехникой. УМЗЧ, длительное время эксплуатировавшиеся с данным кроссовером, выполнены по схемотехнике [2].
Внесенные в схему изменения позволили значительно уменьшить искажения, вносимые ОУ. Основные достоинства такого УМЗЧ - относительная простота конструкции, симметрия по выходу, значительно "укороченный" тракт усиления мощности по сравнению с аналогичными конструкциями на биполярных транзисторах, хорошие технические характеристики за счет добавки двух транзисторов на выходе ОУ, значительно расширенная полоса эффективно воспроизводимых частот (с 20 в [2] до 50 кГц).
Коэффициент гармоник (КГ) уменьшен более чем в два раза (0,005 % против 0,01 %). Строго говоря, в [2] он значительно занижен и практически равен 0,02-0,03 %, а не 0,01 %).
Основной недостаток данного УМЗЧ - его малая выходная мощность, ограниченная главным образом максимально возможным выходным напряжением ОУ (из-за невысокого напряжения питания ±15 В).
Более мощный вариант усилителя сконструирован на базе УМЗЧ высокой верности [3]. Поскольку УМЗЧ находились в непосредственной близости от громкоговорителей, то система компенсации искажений соединительных проводов ("чистая земля") и триггерная защита из схемы удалены.
Схема УМЗЧ высокой верности, описанная в [4], при этом значительно упростилась практически без ухудшения технических характеристик. Отметим, что процесс налаживания всего звуковоспроизводящего комплекса для трехполосного усилителя упрощается.
Рис. 3. Принципиальная схема усилителя мощности ЗЧ на ОУ К574УД1А и полевых транзисторах КП904А.
Рис. 4. Принципиальная схема блока питания для получения двухполярного напряжения 12В (питание кроссовера).
Детали
Полевые транзисторы типа КП303Д можно заменить другими из этой серии с любой буквой или КП307. Очень хорошо работают и полевые МОП
транзисторы типа КП305, КП902 с изолированным затвором (они очень чувствительны к статическому заряду). Транзистор VT1 КП901А можно заменить КП904А (использовались экземпляры с начальным током стока порядка 1-5 мА).
Если же 1с.нач i 20 мА, то, возможно, не потребуется цепь подачи положительного смещения (резисторы R1 и R3 на рис.2). Левый вывод резистора R2 при этом соединяют с общим проводом. Значительно уменьшать сопротивление резистора R4 не следует, так как будут возрастать вносимые этой схемой нелинейные искажения.
Усилитель (рис.2) неплохо согласуется с небольшим входным сопротивлением УМЗЧ (рис.3, Rвх ~ 5 кОм). Все полевые транзисторы VT1-VT12 схемы кроссовера (рис.1) можно заменить любыми полевыми транзисторами с аналогичными характеристиками, в том числе и p-типа (КП103, К504НТ3 и т.п.). Сборки полевых транзисторов сокращают количество используемых элементов.
Схема блока питания кроссовера изображена на рис.4. Это известное схемотехническое решение, сочетающее в себе достоинства компенсационного и параметрического типов стабилизаторов.
Коэффициент стабилизации не менее 1000, выходное сопротивление несколько сотых ома. Несмотря на простоту схемного решения, блок питания имеет хорошие параметры. Конденсаторы типов КСО и К73-17, электролитические конденсаторы типа К50-35 и др.
Резисторы типа МЛТ, транзисторы типа КТ825 и КТ827 (VT2 и VT4 на рис.4) использованы для упрощения схемы стабилизатора и повышения надежности устройства кроссовера в целом.
При использовании полевых транзисторов типа КП305 и КП103 необходимо снизить питающие напряжения почти в два раза. Для КП103 необходимо поменять полярность подключения источников питания и электролитических конденсаторов С8, С23 (рис.1).
Налаживание УМЗЧ (рис.3) сводится к установке требуемого тока покоя выходных транзисторов (VT6 и VT7) в пределах 150-200 мА. Налаживать без ошибок собранный блок фильтров (рис.1) из исправных деталей не требуется.
Автор: А. Г. Зызюк, г. Луцк, Украина.
Литература:
- Чантурия А. Трехполосный усилитель // Радио.- 1981.- №5, 6.-С.39.
- Якименко Н. Полевые транзисторы в мостовом УМЗЧ // Радио.-1986.- №9.- С.38.
- Корзинин М. Схемотехника усилителей мощности звуковой частоты высокой верности // Радио.- 1995.- №12.- С.17.
- Сухов Н. УМЗЧ высокой верности // Радио.- 1989.- №6.-С.55.