Схемы регуляторов высоких и низких частот. Пассивные регуляторы тембра

Не мечтай, действуй!

Таким образом, вырисовывается следующая структура этой части звукоусилительного тракта:
- пассивный мостовой регулятор низших и высших частот,
- пассивный регулятор громкости,
- предварительный усилитель с линейной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) и минимальными искажениями в рабочем диапазоне частот.
Очевидный недостаток регулировок на входе предварительного усилителя – ухудшение соотношения сигнал/шум в значительной степени нивелируется высоким уровнем сигнала современных устройств звуковоспроизведения.

Предлагаемый предварительный усилитель может применяться в высококачественных стереофонических усилителях звуковой частоты. Регулятор тембра позволяет корректировать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) одновременно по двум каналам в двух частотных областях: нижней и верхней. В результате учитываются особенности помещения и акустических систем, а также личные предпочтения слушателя.

И снова немного истории

Рис. 1. Схема высококачественного блока регуляторов тембра

Путем проб и ошибок я пришел к простой схеме предварительного усилителя (рис. 2), с которой, однако, система звуковоспроизведения намного превзошла в звучании серийно выпускавшуюся аппаратуру, по крайней мере, имевшуюся у моих друзей и знакомых.

Рис. 2. Принципиальная схема одного канала предварительного усилителя для УМЗЧ С. Батя и В. Середы

За основу взята схема предварительного усилителя стереофонического электрофона Ю. Красова и В. Черкунова, демонстрировавшегося на 26 – й Всесоюзной выставке радиолюбителей – конструкторов. Это левая часть схемы, включая регуляторы тембра.

Появление каскада на транзисторах разной проводимости в предварительном усилителе (VT3, VT4) связано с обсуждением усилителей с преподавателем лаборатории телевизионной техники на кафедре Радиосистем А. С. Мирзоянцем, с которым я работал, будучи студентом. В ходе работ понадобились линейные каскады для усиления телевизионного сигнала, и Александр Сергеевич сообщил, что по его опыту наилучшими характеристиками обладают структуры «шиворот – навыворот», как он выразился, то есть усилители на транзисторах противоположной структуры с непосредственной связью. В процессе экспериментов с УМЗЧ я выяснил, что это касается не только телевизионной техники, но и звукоусилительной. Впоследствии я часто применял подобные схемы в своих конструкциях, в том числе пары полевой транзистор – биполярный транзистор.

Попытка применить транзисторы разной структуры в первом каскаде (составном эмиттерном повторителе VT1, VT2) не принесла успехов, т. к. при всех замечательных характеристиках (низком уровне шума, малых искажениях) схема имела существенный недостаток – меньшую перегрузочную способность по сравнению с эмиттерным повторителем.
Характеристики предварительного усилителя:
Входное сопротивление, кОм=300
Чувствительность, мВ=250
Глубина регулировок тембра, дБ:
на частоте 40 Гц=±15
на частоте 15 кГц=±15
Глубина регулировок стереобаланса, дБ=±6

Поскольку в ходе конструирования усилителей возникали новые идеи, старые конструкции я дарил кому-нибудь, или продавал по твердому курсу ватт выходной мощности / рубль. В одну из поездок в Ленинград я захватил с собой этот усилитель, чтобы продать его знакомому друга. Володька сказал, что у этого парня куча всякой западной техники, и увез аппарат к нему на прослушивание. Вечером он сообщил мне результаты: молодой человек включил усилитель, послушал пару вещей и был так удовлетворен звучанием, что без слов отдал положенные деньги.

Честно сказать, когда я узнал, что сравнение будет проходить с импортной техникой, особенно не надеялся, что усилитель произведет впечатление. К тому же, он не был до конца доделан – отсутствовали верхняя и боковые крышки.

Рассмотрим принципиальную схему одного канала предварительного усилителя (рис. 2). На входе установлены высокоомные регуляторы громкости (R2.1) и баланса (R1.1). Со среднего вывода резистора R2.1 через переходной конденсатор С2 звуковой сигнал поступает на составной эмиттерный повторитель VT1, VT2, необходимый для нормальной работы пассивного регулятора тембра, выполненного по мостовой схеме. Для того чтобы устранить вносимое темброблоком затухание и усилить сигнал до необходимого уровня, установлен двухкаскадный усилитель на транзисторах VT3, VT4.

Питание предварительного усилителя нестабилизированное, от положительного плеча усилителя мощности. На каскады VT3, VT4 питающее напряжение подается через фильтр R17, C10, C13, а на входной эмиттерный повторитель - R8, C4. Важную роль играет диод VD1: без него не удалось полностью устранить фон переменного тока частотой 100 Гц на выходе усилителя мощности.

Конструктивно предварительный усилитель выполнен в «линейку», все детали установлены на печатной плате, закрытой сверху П-образным экраном из стали толщиной 0,8 мм.

--
Спасибо за внимание!

Для плавной регулировки тембра необходимы переменные резисторы с обратной логарифмической зависимостью (кривая В).
Наглядно просмотреть работу спроектированного регулятора тембра позволяет программа Tone Stack Calculator 1.3 (рис. 9).

Рис. 9. Моделирование регуляторов тембра для схемы, изображенной на рис. 8

Рис. 11. Принципиальная схема темброблока и предварительного усилителя для «студенческого» УМЗЧ

Экспериментальная проверка нескольких экземпляров операционных усилителей показала, что и без конденсатора в заземленной ветви делителя отрицательной обратной связи постоянное напряжение на выходе составляет единицы милливольт. Тем не менее, из соображений универсальности применения, на входе темброблока и выходе предварительного усилителя включены разделительные конденсаторы (С1, С6).
В зависимости от требуемой чувствительности усилителя величину сопротивления резистора R10 выбирают из табл. 2. Следует стремиться не к точному значению сопротивлений резисторов, а их попарному равенству в каналах усилителя.

Таблица 2

Хорош! Халява кончилась. Хочешь файлы и полезные статьи - помоги мне!

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Главным недостатком пассивного регулятора тембра является низкий коэффициент передачи. Другой недостаток заключается в том, что для получения линейной зависимости уровня громкости от угла поворота необходимо использовать переменные резисторы с логарифмической характеристикой регулирования (кривая «В»).
Достоинством пассивных регуляторов тембра является меньшие искажения, чем активных (например, регулятора тембра Баксандала, рис. 12).

Рис. 12. Активный регулятор тембра П. Баксандала

Рис. 13. Размещение деталей на печатной плате

Элементы, относящиеся к правому каналу предварительного усилителя, обозначены со штрихом. Такая же маркировка выполнена и в файле печатной платы (с расширением *.lay) – надпись появляется при подведении курсора к соответствующему элементу.
Вначале на печатной плате устанавливают малогабаритные детали: проволочные перемычки, резисторы, конденсаторы, ферритовые «бусинки» и панельку для микросхемы. В последнюю очередь монтируют клеммники и переменные резисторы.
После проверки монтажа включают питание и контролируют «ноль» на выходах операционного усилителя. Смещение составляет 2 – 4 мВ.
При желании можно погонять устройство от синусоидального генератора и снять характеристики (рис. 14).

Рис. 14. Установка для снятия характеристик предварительного усилителя

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Упомянутые источники

Владимир Мосягин (MVV)

Россия, Великий Новгород

Радиолюбительством увлекся с пятого класса средней школы.
Специальность по диплому - радиоинженер, к.т.н.

Автор книг «Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником», «Секреты радиолюбительского мастерства», соавтор серии книг «Для прочтения с паяльником» в издательстве «СОЛОН-Пресс», имею публикации в журналах «Радио», «Приборы и техника эксперимента» и др.

Читательское голосование

Статью одобрили 70 читателей.

СХЕМА ТЕМБРОБЛОКА И ЕГО РАСЧЕТ

Оценка качества воспроизведения звукового сигнала ламповым УНЧ, как и любым звуковоспроизводящим устройством, осуществляется каждым слушателем индивидуально, на основании субъективного восприятия усиливаемого сигнала. При этом каждый пользователь в процессе прослушивания какой-либо фонограммы не только оценивает ее качество, но и желает иметь возможность изменять параметры воспроизводимого сигнала в соответствии со своими личными запросами. Качество воспроизведения, в первую очередь, определяется частотной характеристикой звуковоспроизводящего устройства, поэтому в нем необходимо использовать регулятор частотной характеристики, который позволил бы устанавливать наилучшее для слушателя соотношение напряжений в диапазоне воспроизводимых частот. Для этой цели в УНЧ применяются специальные каскады, представляющие собой регуляторы частотной характеристики. В этих каскадах, часто называемых регуляторами тембра, обеспечиваются подъем или завал сигналов определенных частот по отношению к сигналам других частот в пределах полосы пропускания. Довольно часто задача таких регуляторов ограничивается подъемом или завалом сигналов крайних частот звукового диапазона относительно сигналов средних частот. В ламповых УНЧ эффективно действующие регуляторы частотной характеристики позволяют скорректировать характеристику усиливаемого сигнала в соответствии с акустическими свойствами помещения, компенсировать возможные отклонения от типовых характеристик вследствие возможных искажений, добиться наиболее естественного звучания фонограммы.
Со времени появления первых ламповых УНЧ в звуковоспроизводящей аппаратуре применялось множество схемотехнических решений регуляторов тембра. Некоторые из них не выдержали проверку временем, так как не удовлетворяли постоянно растущим требованиям пользователей. Другие же, после многочисленных модернизаций и усовершенствований, и сейчас используются в современной промышленной и радиолюбительской высококачественной ламповой аппаратуре. Ограниченный объем предлагаемой книги не позволяет подробно рассказать обо всех возможных вариантах регуляторов тембра для ламповых УНЧ. Поэтому ниже будут рассмотрены лишь наиболее часто используемые схемы.
Подавляющее большинство схемотехнических решений регуляторов тембра базируется на использовании переменных сопротивлений и постоянных конденсаторов. Работа этих регуляторов основана на том, что с увеличением частоты сопротивление конденсатора уменьшается. Необходимо отметить, что обычно в высококачественной звуковоспроизводящей ламповой аппаратуре регулировка тембра осуществляется с использованием отдельных регуляторов для сигналов низших, средних и высоких частот. Однако часто, особенно в радиолюбительских конструкциях, можно встретить регуляторы тембра, объединенные механически. Элементы схемы таких каскадов подбираются так, чтобы при одновременном регулировании тембра получить сбалансированное изменение полосы пропускания лампового УНЧ, чем обеспечивается приятное звучание усиливаемого сигнала даже при сравнительно узкой полосе пропускания.
Чаще всего в каскадах регуляторов тембра высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры непосредственно в качестве регуляторов используются переменные резисторы, позволяющие постепенно или плавно изменять усиление в пределах воспроизводимого диапазона частот. Однако нередко в ламповых усилителях НЧ применяются и ступенчатые регуляторы, которые иногда называют тон-регистрами. С их помощью для наилучшего воспроизведения определенной фонограммы можно сразу выбрать соответствующую частотную характеристику усилительного тракта. Особого внимания заслуживают многоканальные (чаще всего трехканальные) регуляторы тембра, которые применяются совместно с раздельными усилительными трактами, например, для высших, средних и низших частот, работающих на соответствующие отдельные акустические системы. Преимущества этих систем особенно заметны в больших аудиториях и при больших мощностях.
В ламповых УНЧ промышленного производства каскады, обеспечивающие регулировку тембра, обычно входят в состав предварительного усилителя. Регуляторы тембра могут устанавливаться и на входе усилителя, а также между предварительным и оконечным усилителями. Аналогичные схемотехнические решения применяются и в некоторых радиолюбительских конструкциях.
В современной ламповой аппаратуре высокой верности воспроизведения звука регулирование тембра обычно осуществляется с использованием как частотно-зависимых регуляторов усиления, так и регуляторов уровня частотно-зависимой отрицательной обратной связи. Помимо этого возможно построение регуляторов тембра с применением различных комбинаций указанных способов. При выборе схемы регулятора тембра необходимо учитывать, что для первого способа регулирования характерна переменная крутизна наклона частотной характеристики на границах диапазона и неизменная частота перехода. Регуляторы тембра, установленные в цепи частотно-зависимой отрицательной обратной связи, имеют переменную частоту перехода и неизменную крутизну наклона частотной характеристики.
Одним из важнейших условий, определяющим выбор схемы регулировки тембра в ламповом УНЧ, является устойчивость работы усилителя и отсутствие нелинейных искажений или генерации. На практике довольно часто регуляторы тембра, включенные в цепь отрицательной обратной связи, являются причиной искажений. Эти искажения обусловлены изменениями фазовой характеристики при глубокой регулировке частотной характеристики. Поэтому в любительских конструкциях предпочтение нередко отдается схемам, в которых регулировка тембра осуществляется в канале усиления, а не в цепи отрицательной обратной связи.
Необходимо отметить, что заметное на слух изменение тембра обычно происходит, когда соответствующие регуляторы обеспечивают изменение усиления на данной частоте не менее чем на 6 дБ, то есть в 2 раза. Однако для высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры этого минимального изменения усиления оказывается недостаточно. Поэтому, для того чтобы слушатель мог в широких пределах изменять тембр звучания любой фонограммы, регуляторы тембра должны обеспечивать изменение усиления на крайних частотах звукового спектра не менее чем до 15-20 дБ. При этом выбор пределов для каждого отдельного регулятора тембра должен определяться и с учетом свойств и особенностей акустической системы.
Следует также учитывать, что для регулирования тембра в широких пределах и с подъемом частотной характеристики на крайних частотах полосы пропускания при любом способе регулирования необходимо иметь в усилителе соответствующий запас по усилению.
Отличительной особенностью простых регуляторов тембра, применяемых, чаще всего, в маломощных ламповых УНЧ, является обеспечение относительного подъема сигналов низших частот, достигаемого за счет завала высших частот. В свое время такие регуляторы получили широкое распространение по нескольким причинам. Во-первых, простейшие акустические системы на низких частотах имеют весьма заметный завал частотной характеристики, а во-вторых, чувствительность человеческого слуха к низким тонам несколько понижена, особенно при малой громкости. Помимо этого, такие регуляторы просты в обращении.

Для облегчения расчетов рекомендуется программа моделирования темброблоков Tone Stack Calculator . Данная программа позволяет расчитать любой из популярных пассивных темброблоков, причем как для лампового усилителя мощности, так и для полупроводникового.

Слева приведена принципиальная схема исследуемого темброблока, справа - его амплитудочастотная характеритика. Двигая движки переменных резисторов, которые находятся ниже принципиальной схемы на графике АЧХ будет изменяться кривая, показывая коррекцию АЧХ выбранной схемой.
В программе имеется семь вкладышей с различными схемами темброблоков:

Схема данной программы интерактивна - два раза щелкая по элементу появляется окошко для введения желаемых номиналов элемента, что позволяет подбирать компоненты в зависимости от реальных выходных сопротивлений используемого источника сигнала и входного сопротивления усилителя мощности.
В даннйо версии программы так же имеется функция для сохранения полученных результатов, а так же распечатки формы полученной АЧХ и номиналов используемых в темброблоке компонентов. Правда саму схему темброблока программа не распечатывает, к сожалению.
В настройках принтера устанавливается орентация бумаги - по умолчанию стоит "Книжная", что не очень удобно при распечатке графика амлитудо частотной характеристики, поэтому галочку лучше переставить на "Альбомную".
Скачать программу для расчета темброблока Tone Stack Calculator можно нажав

Решил послушать как звучит усилитель класса Д на IRS2092. После недолгих
поисков на Али был сделан заказ. Ради интереса «как оно звучит» для него был так же заказан и темброблок.
Так как усилитель ещё в дороге а темброблок уже пришёл то решил
сделать обзор пока на него. Как придёт усилитель сделаю обзор и на
него с замерами.
Плата пришла в конверте с пупыркой. В комплект входит сама схема и
четыре ручки на резисторы. Флюс везе отмыт пайка более менее
аккуратная. Разводка платы средняя. Регуляторы на фото - с лева на право - ВЧ, СЧ, НЧ, Громкость.

На плате установлены ОУ NE5532P


Так же на плате расположены цепи стабилизации питания (L7812 и L7912) и выпрямитель.
Можно подавать переменное напряжение с трансформатора для питания
платы.
Принципиальная схема регулятора похожа на эту


Отличаются номиналы некоторых резисторов и отсутствие некоторых проходных
конденсаторов.

Теперь самое главное - тесты.
Тестировал на этой карте

Creative Sound Blaster X-Fi Titanium PRO с небольшой доработкой - полностью за экранирована обратная сторона печатной платы, заменён выходной ОУ на OPA2134, все конденсаторы по питанию шунтированы керамикой.
АЧХ (розовым цветом - со входа на выход миную темброблок, синим цветом
- через темброблок - все регуляторы тембра в среднем положении)


Виден небольшой подъём на на низких частотах (ниже 200Гц) и завал на
высоких (выше 6кГц)
Регуляторы НЧ в крайних положениях


Регуляторы СЧ в крайних положениях


Регуляторы ВЧ в крайних положениях

КНИ «THD», правый канал идёт минуя темброблок для сравнения (с выхода карты на
вход), КНИ темброблока 0.016%, хотелось бы поменьше конечно. Пробовал ставить OPA2134 вместо родных ОУ, искажения немного снизились но незначительно, скорее всего из за не совсем правильной разводки платы.


Зависимость КНИ от частоты (правый канал идёт минуя темброблок,
розовый цвет на графике)


Темброблок не инвертирует фазу сигнала (правый канал идёт минуя темброблок,
розовый цвет на графике)

Довольно средний по качеству блок, для домашних поделок пойдёт если устраивает КНИ.
Ставить в планируемый усилить вряд ли буду из за высоких
гармонических искажений. Буду разводить плату сам, и собирать темброблок.
Надеюсь инфа была полезна.