ТрехполосныйУМЗЧ

А Г Зызюк, г. Луцк

Одним из эффективных средств улучшения качества звуковоспроизведения является применение электронных раздели-телных фильтров на входах полосовых УМЗЧ. Как известто, 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 спожен, поскольку к ним предъявляет требования, труднореал1зуемые в радиолобитоль-ских 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 среднечастоттой полос этн искажения еще допустимы, поскольку несильно тт на качество звучания, то в области раздела низко- и среднечастотной полос их весьма желательно усфанятъ. 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 раздештельный фильтр.

Потеря мощности в пассивном фильтре на выходе УМЗЧ, спожностъ согласования каждой головки громкоговорителя с выходом УМЗЧ для получения равномерной суммарной АЧХ по звуковому давлению (резистнвные 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 недостапюв многополосных АС с разделительными пассивными фил>трами 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 успожнению схемотехники усилителя, увеличению зафат времени и средств на его изготовление.

Большая рассеиваемая мощность выходных транзисторов требует применения крупногабаритных и массивных теплоотво-дов. Увенчивается масса трансформатора питания, фильтров выпрямителя и тф.

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 вшяние значительно ослабляется. Весь комплекс становится более "гибким" как в ремонтопригодности, так и в перспективности его усовершенствования. Появляется, например, возможность оперативной замены громкоговорителя с бьютрым выравниванием его АЧХ по звуковому давлению по отношению к двум другим полосовым громкоговорителям.

Для этого достаточно (пусть даже в грубом прибшжении, но очень эффективно) выставить уровень сигнала на выходе полосового УМЗЧ. В низкочастотной области, например, можно ввести электромеханическую обратную связь (ЗМОС) и избавиться от "бубнения" НЧ громкоговорителей. В этом случае обеспечивается еще и дополнителное сглаживание АЧХ НЧ громкоговорителя не только вблизи частоты его резонанса, но и во всем диапазоне поршневой работы диффузора.

Раздел1тел.ные фильтры на входах полосовых УМЗЧ (НЧ и СЧ) офаничивают уровень ВЧ составляющих сигнала, что уменьшает динамические интермодуляционные искажения всего комплекса. Высокочастотный же канал из-за отсутствия НЧ и СЧ составляощих имеет большой запас по линейности амплитудной характеристики, а значит, и по мощности. Поэтому и динамические искажения очень мал>1.

Испьпано 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 справедшво и для электронных фил>тров. В многокаскадных фильтрах каждый последующий каскад существенно нагружает предыдущий. Это приводит к тому, что суммарная характеристика многокаскадного фильфа уже не является простой совокупностью характеристик каскадов. Для устранения веяния 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 КПЗОЗД.

Переклочател. SA1 предназначен для ступенчатого ослабления подаваемого на вход кроссовера сигнала.

Еспи для однозвенного фил.фа частота среза fcp -160/RC, где R - в кОм; С - в мкФ, а частота fcp - в Гц, то для фех-звенного фил.тра fcp - 31/RC. Аналогичная ситуация справедлива и для ФНЧ. Однозвенный ФНЧ рассчитывают по той же формуле, что и ФВЧ первого порядка (fcp=160/RC). ФВЧ фетьего порядка рассчитывают приближенно по формуле fcp=825/RC.

Были испьпвны и другие схемы фильтров: Баттерворта, Чебышева, Бесселя, Саллена и Келя и др., а также простейшие фильтры на пассивных RC-звеньях. У фильтра Багтерворта (наиболее пд)ская характеристика в подхж пропускания) плохая фа-

6800

Вход

R2 47к

R3 ЗООк

R4 □ R5 / 4,7к ЗООк

по , R7 , 1,7к ЗООк

4,7к

R9 ЗЗк

юомкхгбЦ

iCTjMK

R12 4,7к

R13 ЗЗк

R16 ЗЗк

VT7 С11 0,01 мк

C10 L nR17 200 -J- 2М

R18 4,7к

R19 33K

С12-1 nR20 200 ~~ 2М

VT8 С13

0°!" R22 33K

R21 4,7к

С15 2,2мк

га С14. 200 ~~ 2М

R24 47к

R25 47к

О.ОЗЗмк

VTIO

R26110K

-cs:-

C17 L /

©Jo,033mkr29110k /TV

VT11

),033mkr32iiOk

R30 2M

4,7k

C21 J I/

VT12

C22 4,7mk

□ R34 t\. U4,7k LT

+12 В

47,( ][ Выход ВЧ

-> Выход СЧ -> -12 В

VT1...VT12 КПЗОЗД

I С23 ЗТ00мкх25В

Выход НЧ

зовая харакгеристака, плоская характеристика достигается ценой уменьшения крутизны спада в полосе подавления. Фильтры Чебышева обеспечивают более крутой спад АЧХза фаницей прозрачности, но вносят нежелательные равноволновые колебания АЧХ в полосе прозрачности (на средних частотах звукового диапазона лучше их вообще не применять). Фильфы Бесселя (наибольшее постоянство временного запаздывания) имеют наименьший спад АЧХ среди перечисленных фильтров за фаницей полосы прозрачности (немногим более пассивных RC-фильтров соответствующего порядка). Можно исползать филлры и на основе звеньев второго порядка (их существует большое количество). Однако было выяснено, что фильфы, имеющие крутизну среза АЧХ за полосой прозрачности более 24 дБ/октаву, вносили свои искажения, которые субъективно воспринимаюсь на слух как значительное увеличение искажений в области средних частот при прослушивании одновременно фех полос. Быт испытаны простые RC-звенья первого порядка (вместо фильтров третьего порядка). Несмотря на явную примитивность схемы таких фильтров, малое значение среза АЧХ (6 дБйктаву или 20 дБ/декаду), аппаратура работала на слух лучше (и заметно лучше), чем с трехзвенными RC-фильфами.

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 филлра. Такие усилители установлены после каждого фильтра. Подстроечным резистором R3 нужно установить на затворе полевого МОП-фанзис-тора VT1 постоянное напряжение, необхо-

R1 150к

VT1 КП901А

равен приблизительно 20 мА). Можно для этой цели использовать и усилители на ОУ.

При выборе типа УМЗЧ лучше использовать более качественные консфукции с совершенной схемотехникой. УМЗЧ, дш-телное 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" факт усиления мощности по сравнению с аналогичными консфукциями на биполярных транзисторах, хорошие технические характеристики за счет добавки двух транзисторов на выходе ОУ, значител.-но 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 находил1Сь в непосредственной 6Л130СТИ от громкоговорителей, то система компенсации искажений соединительных проводов ("чистая земля") и фигтерная защита из схемы удалены. Схема УМЗЧ высокой верности, описанная в [4], при этом значительно упростилась практически без ухудшения технических характеристик.

Отметим, что процесс налажива-

-т--> ния всего звуковоспроизводящего ком-

R4*n ,.-г плекса для трехподхюго усилителя уп-

димое для получения на стоке этого тран-зистора потенциала, равного половине на- пряжения питания (ток стока 1с при этом

R2iaOK -С]-

Вход>

LC1 iMK

47мк1

Выход

-R5* 51

рощается.

О деталях. Полевые фанзисторы типа КПЗОЗД можно заменить другими из этой серии с любой буквой или КП307. рчень хорошо работают и полевые МОП

da1,da2 к574уд1а vt1 кпзозд vt2...vt5 кт3102д vd1...vd4 кд521

-15В Ф

транзисторы типа КП305, КП902 с изолированным затвором (они очень чувствительны к статическому заряду). Транзистор VT1 КП901А можно заменить КП904А (исполал1Сь экземпляры с началным током стока порядка 1-5 мА). Если же 1с.нач i 20 мА, то, возможно, не потребуется цепь подачи положителного смещения (резисторы R1 и R3 на рис2). Левый вывод резистора R2 при этом соединяют с общим проводом. Значительно уменьшать сопротивление резистора R4 не следует, так как будут возрастать вносимые этой схемой нешнейные искажения.

Усилител. (рис2) неплохо согласуется с неболшим входным сопротивлением УМЗЧ (рийЗ, Rbx 5 кОм). Все полевые транзисторы VT1-VT12 схемы кроссовера (рис.1) можно заменить любыми полевыми транзисторами с аналогичными характеристиками, в том числе и р-тнпа (КПЮЗ, К504НТЗ и т.п.). Сборки полевых транзисторов сокращают количество используемых элементов.

Схема блока питания кроссовера изображена на рис.4. Это известтое схемотехническое i2b < решение, сочетающее в себе достоинства компенсационного и параметрического типов стабитза-торов. 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 устройстеа кроссовера в целом. При использовании полевых транзисторов типа КП305 и КПЮЗ необходимо снизить пи- +12в <

тающие напряжения почти в два раза. Для КП103 необходимо поменять полярность подклочения 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. Литература

1. Чантурия А. Трехполосный усил1тел. Радио.-1981.- №5,6.-С.39.

2. Якименко Н. Полевые транзисторы в мостовом УМЗЧ Радио.-1986.-№9.-С.38.

3. Корзинин М. Схемотехника усилителей мощности звуковой частоты высокой верности Радио.-1995.- №12.- С.17.

4. Сухов Н. УМЗЧ вьюокой верности Радио.- 1989.- №6.-C.55.R

fu2 1a

Общ.