Активные фильтры — устройство и как работает. Активный фильтр на лампах


Активный трехполосный фильтр на базе NM2116

Юрий Садиковг. Москва

 

В статье приведены результаты работ по созданию устройства, представляющего собой комплект активных фильтров для построения высококачественных трехполосных усилителей низкой частоты классов HiFi и HiEnd.

В процессе предварительных исследований суммарной АЧХ трехполосного усилителя, построенного с использованием трех активных фильтров второго порядка, выяснилось, что эта характеристика при любых частотах стыков фильтров обладает весьма высокой неравномерностью. При этом она весьма критична к точности настройки фильтров. Даже при небольшом рассогласовании неравномерность суммарной АЧХ может составить 10…15 дБ!

МАСТЕР КИТ выпускает набор NM2116, из которого можно собрать комплект фильтров, построенный на базе двух фильтров и вычитающего сумматора, не имеющий вышеперечисленных недостатков. Разработанное устройство малочувствительно к параметрам частот среза отдельных фильтров и при этом обеспечивает высоколинейную суммарную АЧХ.

 

Основными элементами современной высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры являются акустические системы (АС).

Самыми простыми и дешевыми являются однополосные АС, имеющие в своем составе один громкоговоритель. Такие акустические системы не способны с высоким качеством работать в широком диапазоне частот в силу использования одного громкоговорителя (головка громкоговорителя - ГГ). При воспроизведении разных частот к ГГ предъявляются различные требования. На низких частотах (НЧ) динамик должен обладать большим и жестким диффузором, низкой резонансной частотой и иметь большой ход (для прокачки большого объема воздуха). А на высоких частотах (ВЧ) наоборот – необходим небольшой легкий но твердый диффузор с малым ходом. Все эти характеристики совместить в одном громкоговорителе практически невозможно (несмотря на многочисленные попытки), поэтому одиночный громкоговоритель имеет высокую частотную неравномерность. Кроме этого в широкополосных громкоговорителях существует эффект интермодуляции, который проявляется в модуляции высокочастотных компонент звукового сигнала низкочастотными. В результате звуковая картина нарушается. Традиционным решением этой проблемы является разделение воспроизводимого диапазона частот на поддиапазоны и построение акустических систем на базе нескольких динамиков на каждый выбранный частотный поддиапазон.

 

Пассивные и активные разделительные электрические фильтры

Для снижения уровня интермодуляционных искажений перед громкоговорителями устанавливаются электрические разделительные фильтры. Эти фильтры также выполняют функцию распределения энергии звукового сигнала между ГГ. Их рассчитывают на определенную частоту разделения, за пределами которой фильтр обеспечивает выбранную величину затухания, выражаемую в децибелах на октаву. Крутизна затухания разделительного фильтра зависит от схемы его построения. Фильтр первого порядка обеспечивазатухание 6 дБ/окт, второго порядка - 12 дБ/окт, а третьего порядка - 18 дБ/окт. Чаще всего в АС используются фильтры второго порядка. Фильтры более высоких порядков применяются в АС редко из-за сложной реализации точных значений элементов и отсутствия потребности иметь более высокие значения крутизны затухания.

Частота разделения фильтров зависит от параметров применяемых ГГ и от свойств слуха. Наилучший выбор частоты разделения — при котором каждый ГГ АС работает в пределах области поршневого действия диффузора. Однако при этом АС должна иметь много частот разделения (соответственно ГГ), что значительно увеличивает ее стоимость. Технически обосновано, что для качественного звуковоспроизведения достаточно применять трехполосное разделение частот. Однако на практике существуют 4-х, 5-и и даже 6-и полосные акустические системы. Первую (низкую) частоту разделения выбирают в диапазоне 200…400 Гц, а вторую (среднюю) частоту разделения в диапазоне 2500...4000 Гц.

Традиционно фильтры изготавливаются с применением пассивных L, C, R элементов, и устанавливаются непосредственно на выходе оконечного усилителя мощности (УМ) в корпусе АС, согласно рис.1.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 Традиционное исполнение АС

 Рис.1. Традиционное исполнение АС.

 

Однако у подобного исполнения существует ряд недостатков. Во первых, для обеспечения необходимых частот среза приходится работать с достаточно большими индуктивностями, поскольку необходимо выполнить одновременно два условия – обеспечить необходимую частоту среза и обеспечить согласование фильтра с ГГ (иными словами нельзя уменьшить индуктивность за счет увеличения емкости, входящей в состав фильтра). Намотку катушек индуктивности желательно производить на каркасах без применения ферромагнетиков из-за существенной нелинейности их кривой намагниченности. Соответственно, воздушные катушки индуктивности получаются достаточно громоздкими. Кроме всего существует погрешность намотки, которая не позволяет обеспечить точно рассчитанную частоту среза.

Провод, которым ведется намотка катушек, обладает конечным омическим сопротивлением, что в свою очередь, приводит к уменьшению КПД системы в целом и преобразованием части полезной мощности УМ в тепло. Особенно заметно это проявляется в автомобильных усилителях, где питающее напряжение ограничено 12 В. Поэтому для построения автомобильных стереосистем часто применяют ГГ пониженного сопротивления обмотки (~2…4 Ом). В такой системе введение дополнительного сопротивления фильтра порядка 0,5 Ом может привести к уменьшению выходной мощности на 30%…40%.

При проектировании высококачественного усилителя мощности стараются свести к минимуму его выходное сопротивление для увеличения степени демпфирования ГГ. Применение пассивных фильтров заметно снижает степень демпфирования ГГ, поскольку последовательно с выходом усилителя подключается дополнительное реактивное сопротивление фильтра. Для слушателя это проявляется в появлении "бубнящих" басов.

Эффективным решением является использование не пассивных, а активных электронных фильтров, в которых все перечисленные недостатки отсутствуют. В отличие от пассивных фильтров, активные фильтры устанавливается до УМ как показано на рис.2.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 Построение звуковоспроизводящего тракта с использованием активных фильтров

Рис.2. Построение звуковоспроизводящего тракта с использованием активных фильтров.

 

Активные фильтры представляют собой RC фильтры на операционных усилителях (ОУ). Несложно построить активные фильтры звуковых частот любого порядка и с любой частотой среза. Расчет подобных фильтров производится по табличным коэффициентам с заранее выбранным типом фильтра, необходимым порядком и частотой среза.

Использование современных электронных компонентов позволяет изготавливать фильтры, обладающие минимальными значениями уровней собственных шумов, малым энергопотреблением, габаритами и простотой исполнения/повторения. В результате, использование активных фильтров приводит к увеличению степени демпфирования ГГ, снижает потери мощности, уменьшает искажения и увеличивает КПД звуковоспроизводящего тракта в целом.

К недостаткам такой архитектуры относится необходимость использования нескольких усилителей мощности и нескольких пар проводов для подключения акустических систем. Однако в настоящее время это не является критичным. Уровень современных технологий значительно снизил цену и размеры УМ. Кроме того, появилось достаточно много мощных усилителей в интегральном исполнении с отличными характеристиками, даже для профессионального применения. На сегодняшний день существует ряд ИМС с несколькими УМ в одном корпусе (фирма Panasonic выпускает ИМС RCN311W64A-P с 6-ю усилителями мощности специально для построения трехполосных стереосистем). Кроме того УМ можно расположить внутри АС и использовать короткие провода большого сечения для подключения динамиков, а входной сигнал подать по тонкому экранированному кабелю. Однако, если даже не удается установить УМ внутри АС, применение многожильных соединительных кабелей не представляет собой сложную проблему.

 

Моделирование и выбор оптимальной структуры активных фильтров

При построении блока активных фильтров было решено использовать структуру состоящую из фильтра высокой частоты (ФВЧ), фильтра средней частоты (полосовой фильтр, ФСЧ) и фильтра низкой частоты (ФНЧ).

Это схемотехническое решение было практически реализовано. Был построен блок активных фильтров НЧ, ВЧ и ПФ. В качестве модели трехполосной АС был выбран трехканальный сумматор, обеспечивающий суммирование частотных компонент, согласно рис.3.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 Модель трехканальной АС с набором активных фильтров и ФСЧ на ПФ

Рис.3. Модель трехканальной АС с набором активных фильтров и ФСЧ на ПФ.

 

При снятии АЧХ такой системы, при оптимально подобранных частотах среза, ожидалось получить линейную зависимость. Но результаты оказались далеки от предполагаемых. В точках сопряжения характеристик фильтров наблюдались провалы/выбросы в зависимости от соотношения частот среза соседних фильтров. В итоге подбором значений частот среза не удалось привести проходную АЧХ системы к линейному виду. Нелинейность проходной характеристики свидетельствует о наличии частотных искажений в воспроизводимом музыкальном оформлении. Результаты эксперимента представлены на рис.4, рис.5 и рис.6. Рис.4 иллюстрирует сопряжение ФНЧ и ФВЧ по стандартному уровню 0.707. Как видно из рисунка в точке сопряжения результирующая АЧХ (показана красным цветом) имеет существенный провал. При раздвижении характеристик глубина и ширина провала увеличивается, соответственно. Рис.5 иллюстрирует сопряжение ФНЧ и ФВЧ по уровню 0.93 (сдвижка частотных характеристик фильтров). Эта зависимость иллюстрирует минимально достижимую неравномерность проходной АЧХ, путем подбора частот среза фильтров. Как видно из рисунка, зависимость явно не линейна. При этом частоты среза фильтров можно считать оптимальными для данной системы. При дальнейшем сдвиге частотных характеристик фильтров (сопряжение по уровню 0.97) наблюдается появление выброса в проходной АЧХ в точке стыка характеристик фильтров. Подобная ситуация показана на рис.6.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.707

Рис.4. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.707.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.93

Рис.5. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.93.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.97 и появление выброса

Рис.6. АЧХ ФНЧ (черный), АЧХ ФВЧ (черный) и проходная АЧХ (красный), согласование по уровню 0.97 и появление выброса.

 

Основной причиной нелинейности проходной АЧХ является наличие фазовых искажений на границах частот среза фильтров.

Решить подобную проблему позволяет построение среднечастотного фильтра не в виде полосового фильтра, а с использованием вычитающего сумматора на ОУ. Характеристика такого ФСЧ формируется в соответствии с формулой: Uсч = Uвх – Uнч - Uвч

Структура такой системы представлена на рис.7.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 Модель трехканальной АС с набором активных фильтров и ФСЧ на вычитающем сумматоре

Рис.7. Модель трехканальной АС с набором активных фильтров и ФСЧ на вычитающем сумматоре.

 

При таком способе формирования канала средних частот пропадает необходимость в точной настройке соседних частот среза фильтров, т.к. среднечастотный сигнал формируется вычитанием из полного сигнала сигналов фильтров высоких и низких частот. Кроме обеспечения взаимодополняющих АЧХ, у фильтров получаются так же и комплементарные ФЧХ, что гарантирует отсутствие выбросов и провалов в суммарной АЧХ всей системы.

АЧХ среднечастотного звена с частотами среза Fср1 = 300 Гц и Fср2 = 3000 Гц приведена на рис. 8. По спаду АЧХ обеспечивается затухание не более 6 дБ/окт, что, как показывает практика, вполне достаточно для практической реализации ФСЧ и получения качественного звучания СЧ ГГ.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 АЧХ фильтра средних частот

Рис.8. АЧХ фильтра средних частот.

 

Проходной коэффициент передачи такой системы с ФНЧ, ФВЧ и ФСЧ на вычитающем сумматоре получается линейным во всем диапазоне частот 20 Гц…20 кГц, согласно рис. 9. Полностью отсутствуют амплитудные и фазовые искажения, что обеспечивает кристальную чистоту воспроизводимого звукового сигнала.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 АЧХ системы фильтров с ФСЧ на вычитающем сумматоре

Рис.9. АЧХ системы фильтров с ФСЧ на вычитающем сумматоре.

 

К недостаткам подобного решения можно отнести жесткие требования к точности номиналов резисторов R1, R2, R3 (согласно рис.10, на котором представлена электрическая схема вычитающего сумматора) обеспечивающих балансировку сумматора. Эти резисторы должны использоваться с допусками на точность не более 1%. Однако при возникновении проблем с приобретением таких резисторов потребуется сбалансировать сумматор используя вместо R1, R2 подстроечные резисторы.

Балансировка сумматора выполняется по следующей методике. Сначала на вход системы фильтров необходимо подать низкочастотное колебание с частотой, намного ниже частоты среза ФНЧ, например 100 Гц. Изменяя значение R1 необходимо установить минимальный уровень сигнала на выходе сумматора. Затем на вход системы фильтров подается колебание с частотой заведомо большей частоты среза ФВЧ, например 15 кГц. Изменяя значение R2 опять устанавливают минимальный уровень сигнала на выходе сумматора. Настройка закончена.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 Схема вычитающего сумматора

Рис.10. Схема вычитающего сумматора.

 

Методика расчета активных ФНЧ и ФВЧ

Радиолюбители сами могут рассчитать ФНЧ и ФВЧ на необходимую частоту среза, используя следующие выкладки.

Как показывает теория для фильтрации частот звукового диапазона необходимо применять фильтры Баттерворта не более второго или третьего порядка, обеспечивающие минимальную неравномерность в полосе пропускания.

Схема ФНЧ второго порядка представлена на рис. 11. Его расчет производится по формуле:

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116

где a1=1.4142 и b1=1.0 - табличные коэффициенты, а С1 и С2 выбираются из соотношения C2/C1 больше равно 4xb1/a12, причем не следует выбирать отношение C2/C1 много большим правой части неравенства.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 Схема ФНЧ Баттерворта 2-го порядка

Рис.11. Схема ФНЧ Баттерворта 2-го порядка.

 

Схема ФВЧ второго порядка представлена на рис. 12. Его расчет производится по формулам:

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116

 

где C=C1=C2 (задаются перед расчетом), а a1=1.4142 и b1=1.0 - те же табличные коэффициенты.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 Схема ФВЧ Баттерворта 2-го порядка

Рис.12. Схема ФВЧ Баттерворта 2-го порядка.

 

Специалисты МАСТЕР КИТ разработали и исследовали характеристики такого блока фильтров, обладающего максимальной функциональностью и минимальными габаритами, что является существенным при применении устройства в быту. Использование современной элементной базы позволило обеспечить максимальное качество разработке.

 

Технические характеристики блока фильтров

  Напряжение питания, В  12…30
  Ток потребления, мА  10
     НЧ фильтр  Усиление в полосе пропускания, дБ   Затухание вне полосы пропускания, дБ/окт     Частота среза, Гц  0   12  300
     ВЧ фильтр   Усиление в полосе пропускания, дБ   Затухание вне полосы пропускания, дБ/окт   Частота среза, Гц  0   12  3000
     СЧ фильтр (полосовой)   Усиление в полосе пропускания, дБ   Затухание вне полосы пропускания, дБ/окт  Частоты среза, Гц  0  6   300, 3000  
  Размеры печатной платы, мм  61x42

 

Принципиальная электрическая схема активного фильтра показана на рис.13. Перечень элементов фильтра приведен в таблице.

Фильтр выполнен на четырех операционных усилителях. ОУ объединены в одном корпусе ИМС MC3403 (DA2). На DA1 (LM78L09) собран стабилизатор питающего напряжения с соответствующими фильтрующими емкостями: С1, С3 по входу и С4 по выходу. На резистивном делителе R2, R3 и конденсаторе С5 выполнена искусственная средняя точка.

На ОУ DA2.1 выполнен буферный каскад сопряжения выходного и входных сопротивлений источника сигнала и фильтров НЧ, ВЧ и СЧ. На ОУ DA2.2 собран фильтр НЧ, на ОУ DA2.3 - фильтр ВЧ. ОУ DA2.4 выполняет функцию формирователя полосового СЧ фильтра.

На контакты X3 и X4 подается напряжение питания, на контакты X1, X2 - входной сигнал. С контактов X5, X9 снимается отфильтрованный выходной сигнал для тракта НЧ; с X6, X8 – ВЧ и с X7, X10 – СЧ трактов соответственно.

Рис.13. Схема электрическая принципиальная активного трехполосного фильтра

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116 Схема электрическая принципиальная активного трехполосного фильтра 

 

Перечень элементов активного трехполосного фильтра

  Позиция   Наименование     Примечание   Кол.  
  С1, С4  0,1 мкФ  Обозначение 104  2
  C2, С10, C11, C12, C13, C14, C15    0,47 мкФ  Обозначение 474  7
  С3, C5  220 мкФ/16 В  Замена 220 мкФ/25 В    2
  С6, C8  1000 пФ  Обозначение 102  2
  С7  22 нФ  Обозначение 223  1
  С9  10 нФ  Обозначение 103  1
  DA1  78L09   1
  DA1  MC3403  Замена LM324, LM2902    1
  R1…R3  10 кОм   3
  R8…R12  10 кОм  Допуск не более 1%*  5
  R4…R6  39 кОм   3
  R7  75 кОм  -  1
  Колодка DIP-14    1
  Штыревой разъем   2-х контактный  2
  Штыревой разъем   3-х контактный  2

 

Внешний вид фильтра показан на рис.14, печатная плата – на рис.15, расположение элементов – на рис.16.

Конструктивно фильтр выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Конструкция предусматривает установку платы в стандартный корпус BOX-Z24A, для этого предусмотрены монтажные отверстия по краям платы диаметром 4 и 8 мм. Плата в корпусе крепится двумя винтами-саморезами.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116

Рис.14. Внешний вид активного фильтра.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116

Рис.15. Печатная плата активного фильтра.

 

Мастер Кит Активный трехполосный фильтр на базе NM2116

Рис.16. Расположение элементов на печатной плате активного фильтра.

 

Материал опубликован в журнале Радиосхема 2007`06.

 

masterkit.ru

21.4. Активные фильтры высокого порядка

Для увеличения крутизны АЧХ т.е. избирательности применяют АФ высокого порядка. В целях обеспечения устойчивой работы в одном ОУ включается не более трех звеньев пассивных RC - фильтров. Поэтому АФ высокого порядка строят на нескольких ОУ, соединив последовательно АФ третьего и второго порядков. В этом случае K(f) перемножаются, и получается общая АЧХ. От перестановки каскадов АФ общая АЧХ не меняется. В качестве примера приведем схему фильтра пятого порядка, рис.21.6.

Рис. 21.6. Активный фильтр НЧ пятого порядка

21.5. Полосовые и заграждающие аф

Полосовые фильтры могут быть построены с использованием двухзвенного RC-фильтра ФНЧ и ФВЧ, рис.21.7.

Рис. 21.7. Полосовой АФ второго порядка и его АЧХ

Рассмотрим аппроксимированную АЧХ

; ,

обозначив через 1=R1C1 и 2=R2C2

,

Из этого выражения можно найти частоты нулей. При ω1/1

; ; при ω21/2ω2 =1/R1C2.

Частоты среза определяются

;

Для реализации полосовых АФ широкое применение находят двойные Т-фильтры, т.е. 2Т-фильтры, рис.21.8.

В этой схеме 2Т-фильтр включен в цепь ООС. Следовательно при 100% ООС на всех частотах кроме f0 , Uвых полностью поступает на инвертирующий ход. В следствие чего это устройство работает как повторитель напряжения (К=1; КдБ=0). Так цепь ООС преобразовывает заграждающий фильтр в полосовой.

На квазирезонансной частоте f0 =1/(1/2RC) отсутствует ООС по цепи 2Т-фильтра ООС возникает через делитель R1R2. Отношением этих резисторов определяется К0. В результате имеем резонансную характеристику, приведенную на рис.12.8.

Рис. 21.8. Полосовой АФ с 2Т - фильтром в цепи ООС и его АЧХ

Для построения заграждающего (режекторного) АФ 2Т-фильтр включают в цепь межкаскадной связи, рис.21.9.

Рис.21.9. Режекторный активный фильтр и его АЧХ

В обеих схемах эквивалентная добротность АФ будет определяться выбором величины Ко=1+R2/R1. Квазирезонансная частота определяется элементами 2Т-фильтра (рис.21.9).

21.6. Общие сведения о регулировках тембра

Для высококачественного воспроизведения различных передач или записей необходимо регулировать частотную характеристику УНЧ, т.е. подстроить АЧХ усилителя под частотный спектр прослушиваемого сигнала. Это осуществляют при помощи регулятора тембра, представляющего собой активный фильтр на основе ОУ.

Заметное на слух изменение тембра происходит, если частотная характеристика K(f) изменяется не менее чем в 2 раза, т.е. на 6 дБ. Для изменения тембра звучания в широких пределах регуляторы тембра должны обеспечивать изменение усиления не менее чем на ±20 дБ. В современной высококачественной аппаратуре применяются довольно сложные устройства регуляторов тембра с использованием активных фильтров.

21.7 Принцип регулировки тембра на основе аф

Для пояснения принципа регулировки тембра рассмотрим различные варианты включения RC – фильтров, рис.21.10, и изменения АЧХ при реализации этих вариантов, рис.21.11.

Рис.21.10. Варианты реализации регулировки тембра

Вариант а - усилитель с равномерной АЧХ, К0=-R2/R1.

Вариант б - усилитель с подъемом АЧХ на верхних частотах. С увеличением частоты сопротивление С1 уменьшается, следовательно, увеличивается К ()=-R2/Z1; Z1=R1/(1+jωC1R1).  Z1K().

Вариант в - усилитель с завалом АЧХ на верхних частотах. С увеличением частоты за счет уменьшения сопротивления С1 уменьшается Z2, вследствие чего возникает спад АЧХ на верхних частотах К()=-Z2/R1; Z2=R2/(1+ jωR2C1).  Z2K().

Вариант г - усилитель с завалом АЧХ на нижних частотах. При уменьшение частоты увеличивается комплексное сопротивление Z1=R1+1/ jωC1, вследствие чего уменьшается K()=-R2/Z1. Z1K().

Вариант д - усилитель с подъемом АЧХ на низких частотах. С уменьшением частоты комплексное сопротивление Z2=R2+1/jωC1 возрастает, следовательно, увеличивается K()=-Z2/R1. Z2K().

Изменение АЧХ при различных вариантах включения RC-фильтров рассмотрено на рис.21.11.

Рис. 21.11. Изменение АЧХ при различных вариантах включения RC-фильтров

studfiles.net

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ ДЛЯ САБВУФЕРОВ

     При использовании современной магнитолы с акустикой чувствительностью 89 дБ и выше уровень громкости обычно вполне достаточен. Поэтому первый (бюджетный) усилитель, как правило, предназначается в первую очередь для сабвуфера. Обычно там есть блок формирования сигнала, но его возможности ограничены. Чаще всего фильтры имеют фиксированную частоту среза. А специализированный усилитель с плавно перестраиваемыми фильтрами - это вещь уже не бюджетная.

Предлагаемые схемы предназначены как раз для таких случаев. Большинство из них были разработаны "по просьбе трудящихся. Поэтому, кстати, мало рисунков печатных плат - это дело сугубо индивидуальное, зависит от деталей и компоновки в целом. Но платы зависит многое, в том числе и количество "граблей", на которые наступит радиолюбитель при повторении, поэтому все дополнения только приветствуются. Я пока проектирую платы только для конструкций "личного употребления", на все нет времени...

При разработке ставилось два условия:

  • обойтись только однополярным питанием 12 вольт, чтобы не связываться с изготовлением преобразователей и не лезть за повышенным напряжением внутрь усилителя
  • схема должна быть предельно простой и не требовать для повторения особой квалификации.

Первая схема предназначена для простейших установок. Поэтому ее характеристики далеки от идеала, но возможности вполне достаточны. Большой диапазон перестройки частоты частоты среза позволяет использовать сабвуфер практически с любой акустикой. Если у магнитолы нет линейных выходов - не беда. Схема может работать и с "колоночных" выходов магнитолы. Для этого нужно только увеличить сопротивление резисторов R1,R2 до 33...100 кОм.

     При широкой полосе частот, воспроизводимых сабвуфером, для "стыковки" звучания с фронтальной акустикой необходимо использовать регулируемый фазовращатель. Схема простейшего сумматора с фазовращателем приведена на следующем рисунке. По сравнению с предыдущей схемой пределы перестройки частоты среза несколько сужены, все остальные рекомендации остаются в силе. Печатная плата не приводится - пусть это будет "домашним заданием".

Однако возможности простейших схем ограничены. Пассивный сумматор дает большое затухание сигнала, что заставляет использовать максимальную чувствительность усилителя. Кроме того, при работе от небуферизованного линейного выхода магнитолы (а в бюджетных линейках они все такие) возможно ухудшение разделения стереоканалов из-за невысокого входного сопротивления сумматора.     Поэтому нужно перейти к активному смесителю сигналов левого и правого каналов. Удобнее всего выполнить его на полевых транзисторах - при использовании транзисторов с напряжением отсечки более 3 вольт (КП303Г, КП303Е) необходимый режим работы достигается без смещения на затворе. В таком случае разделительный конденсатор на входе необязателен. А это дополнительное повышение качества звучания. Да и сами полевые транзисторы "благороднее".

 

  Если встроенный фильтр усилителя устраивает, схему можно упростить.

И, наконец, когда есть все, что нужно и нужен только фазовращатель.

Наконец, если сабвуфер представляет сообой что-то более сложное, чем закрытый ящик, в канал усиления нужно включить фильтр обрезки инфранизких частот. Правда, для увеличения добротности пришлось выполнить его по схеме третьего порядка, хотя АЧХ соответствует второму.

В тех случаях, когда нужно встроить блок формирования сигнала сабвуфера непосредственно в усилитель, есть смысл перейти на двухполярное питание ОУ. Ниже приводится вариант схемы, дополненный входом высокого уровня и регулятором усиления. Резистор R18 определяет минимальный уровень выходного сигнала. Если нужно снижать его до нуля, резистор следует заменить перемычкой или снизить сопотивление до 100-200 Ом. Входные каскады и фильтр остались практически без изменений, но благодаря увеличению напряжения питания до 15 В несколько повышена перегрузочная способность. Небольшое изменение номиналов фильтра увеличило его добротность, как следствие - повысилась крутизна АЧХ непосредственно в зоне перегиба. При широкой полосе она приближается к фильтру третьего порядка. При налаживании нужно добиться, чтобы постоянное напряжение на эмиттере транзистора VT3 составляло 6-7 вольт.     Если нужно увеличить коэффициент передачи этого фильтра, можно зашунтировать резисторы в истоках полевых транзисторов электролитическими конденсаторами емкостью от 10 мкф и выше. Усиление возрастет примерно в 3 раза, но есть риск появления искажений.

Детали и монтаж     Для плавной регулировки частоты среза нужны резисторы с нелинейной зависимостью сопротивления (тип Б). В среднем пложении движка сопротивление одной половины "подковки" у них заметно больше, чем у другой. Включить их нужно так, чтобы движок закорачивал секцию с бОльшим сопротивлением.     Керамические конденсаторы в звуковом тракте использовать нельзя из-за микрофонного эффекта, их можно ставить только в цепи питания. Из недорогих и доступных лучше всего использовать полипропиленовые, фторопластовые или лавсановые. Например, К73-17 (от 0,01 до 6,8 мкф, напряжение от 50 до 630В, цена от 0,5 до 8 р за штуку в зависимости от размера и допуска). Конденсаторы нужно подобрать в пары с минимальным разбросом (важно не точное значение емкости, а рассогласование по каналам). Многие современные мультиметры позволяют измерить емкость непосредственно. Если такой возможности нет, лучше использовать конденсаторы с допуском 5%.     Полевые транзисторы по каналам нужно подбирать в пары по начальному току стока и напряжению отсечки. Если нет такой возможности, лучше использовать транзисторы из одной партии - в пределах упаковки разброс параметров обычно невелик. Вместо КП303 можно использовать сборки серии КПС, там идентичность пар обеспечивается технологически. Вместо КТ3102Е можно использовать любые другие n-p-n транзисторы с коэффициентом передачи тока более 50. Словом, возможности для творчества открываются широкие...     Чтобы избежать наводок, у транзисторов КП303 нужно соединить с общим проводом "земляную" ножку транзистора (вывод корпуса). Входные делители также должны быть как можно ближе к транзистору, чтобы в цепи "делитель-затвор" не было длинных проводников. Особенно важно это при высоком сопротивлении делителя.

 

Источник http://www.bluesmobil.com/shikhman/ © А. И. Шихатов 1999-2003

instalator.ru

Многополосные усилители

Многополосные усилители.

У любителей хорошего звука часто возникают вопросы о применении двух, трехполосных усилителей.

Идеальным вариантом можно считать один широкополосный динамик, но… Такие динамики если и существуют, то стоят очень дорого. И даже они не позволяют хорошо отыграть бас.

К тому же многие акустические системы имеют раздельные входы для нч и сч-вч динамиков для подключения по схеме биампинг (два усилителя). У Ю.Макарова в 70-х годах были подобные конструкции.

Рассмотрим два варианта:

  1. использование фильтров акустики.
  2. использование фильтров на входе усилителя.

Первый вариант более простой, для этого нужно два (три) стереоусилителя.

В случае ламповых усилителей упрощается требования к выходным трансформаторам, так как они работают в узкой полосе. Мощность сч-вч канала может быть меньше, так как на долю НЧ приходится максимум мощности.

И еще вопрос, что будет дешевле? Один широкополосный выходной трансформатор или два с узкой полосой.

Второй вариант сложнее, те же требования что и в первом, только нужно поставить фильтр на входе усилителя. В таком случае из колонок фильтр лучше убрать. Можно оставить только конденсатор на ВЧ динамик. Который скорее будет работать как защита.

Можно применить ламповый фильтр по схеме ЛАМПОВЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ САБВУФЕРА на лампе 6Н1П.

Я предпочитаю двухполосное усиление с частотой раздела 60-100гц.

СЧ-ВЧ КАНАЛ.

Это позволяет применить для СЧ-ВЧ канала широкополосный динамик (например, 3гд-38, 3гд-32, 10гд-36, 4гд-35,4гд-28, 4а28, фостексы, визатон и т.п.) и использовать усилители на 1-2 ватта. При необходимости можно добавить ВЧ динамик через фильтр первого порядка с частотой раздела 7000-10000гц. Основной диапазон, особо чувствительный для наших ушей, будет воспроизводится одним динамиком.

Например:

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ОДНОЛАМПОВАЯ СХЕМА ПРЕДУСИЛИТЕЛЯ, УСИЛИТЕЛЯ ДЛЯ ТЕЛЕФОНОВ И УМЗЧ на лампе 6ж52п.

ЕЩЕ РАЗ О 6Ф5П (ЛОФТИН-УАЙТ)

Требования к выходному трансформатору упрощаются. В крайнем случае, можно использовать даже ТВЗ 1-9. Диапазон частот у него по уровню -3дб – 40-32000 гц.

Худшее значение 50-24000гц. Но даже это неплохо для СЧ-ВЧ канала.

На входе достаточно поставить фильтр первого порядка на 100гц. (один конденсатор, еще лучше использовать разделительный конденсатор между каскадами, не потребуется ввода дополнительных деталей)

Для лучшего среза можно применить активный фильтр 3 порядка.

НЧ КАНАЛ.

Для НЧ канала необходим фильтр с регулируемой частотой среза.

ЛАМПОВЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ САБВУФЕРА или НЧ-КАНАЛА на лампе 6Н1П.

Мощность канала должна быть достаточной для применяемого нч динамика.

Например:

ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НЧ КАНАЛА НА 6П45С.

УСИЛИТЕЛЬ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ВЫХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ (Двухтактник на ГУ-50)

ОДНОТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ГУ-50. (С одной и двумя лампами)

ОДНОТАКТНИК НА 6С33С

ОДНОТАКТНИК НА ГУ-29.

ДВУХТАКНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА БАЗЕ ПРИБОЯ НА ЛАМПАХ 6Н1П И 6П36С

УСИЛИТЕЛЬ НА 6П45С

МОЙ ОПЫТ ПЕРЕДЕЛКИ ПРИБОЯ

Требования к вых трансу тоже упрощаются. Нет необходимости секционирования.

Можно применить в качестве выходного сетевой транс ТС-180 или ТС -270.

При использовании одного канала для НЧ (сабвуфер) нужно добавить сумматор.

Сумматор на лампе 6н1п.

Третий- ВЧ канал

Для желающих сделать трехполосную систему.

Чтобы не сжечь ВЧ динамик, надо поставить последовательно ему конденсатор, который будет не столько фильтром, сколько защитой с частотой среза ниже, чем срез в усилителе.

В ВЧ канале можно применить выходной трансформатор, намотанный на ферритовом сердечнике от ТВС (от старых ламповых телевизоров) или тот же ТВЗ1-9. Дело вкуса.

 Для экстрималов можно даже сделать трансформатор без сердечника.

Пишите sergeev158()mail.ru

 

На главную.

Форум.

 

sergeev21.narod.ru

Активные фильтры: определение, схема, принцип устройства

Фильтром называют устройство, которое передает (пропускает) синусоидальные сигналы в одном определенном диапазоне частот (в полосе пропускания) и не передает (задерживает) их в остальном диапазоне частот (в полосе задерживания). Естественно, фильтры используют для передачи не только синусоидальных сигналов, но, определяя полосы пропускания и задерживания, ориентируются именно на синусоидальные сигналы.

Зная, как фильтр передает синусоидальные сигналы, обычно достаточно легко определить, как он будет передавать сигналы и другой формы. В устройствах электроники фильтры используются очень широко. Различают аналоговые и цифровые фильтры. В аналоговых фильтрах обрабатываемые сигналы не преобразуют в цифровую форму, а в цифровых перед обработкой сигналов осуществляют такое преобразование.

Ниже рассматриваются аналоговые фильтры.

Такие фильтры строят на основе как пассивных (конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов), так и активных элементов (транзисторов, операционных усилителей). Для аналоговой фильтрации широко используют также электромеханические фильтры: пьезоэлектрические и механические. В пьезоэлектрических фильтрах используют естественный и искусственный кварц, а также пьезокерамику. Основу механического фильтра составляет то или иное механическое устройство.

Важно различать требования, предъявляемые к фильтрам силовой и информативной (информационной) электроники. Фильтры силовой электроники должны иметь как можно больший коэффициент полезного действия. Для них очень важной является проблема уменьшения габаритных размеров. Такие фильтры часто строят на основе только пассивных элементов. К фильтрам силовой электроники относятся сглаживающие фильтры, рассматриваемые при изучении вторичных источников питания. Фильтры информативной электроники чаще разрабатывают при использовании активных элементов. При этом широко используют операционные усилители.

Фильтры, содержащие активные элементы, называют активными. Ниже рассматриваются активные фильтры, в которых обычно не используются катушки индуктивности. Поэтому они могут быть изготовлены с применением технологии интегральных микросхем (катушки с большой индуктивностью не удается изготовить по указанной технологии). Нередко активные фильтры оказываются дешевле соответствующих фильтров на пассивных элементах и занимают меньшие объемы. Активные фильтры способны усиливать сигнал, лежащий в полосе пропускания. Во многих случаях их достаточно легко настроить. Укажем также и недостатки активных фильтров:

● использование источника питания;

● невозможность работы на таких высоких частотах, на которых используемые операционные усилители уже не способны усиливать сигнал.

pue8.ru

Активный фильтр для трехканальной АС

Ценителям Hi-Fi известно, что трудно создать хорошие громкоговорители на базе широкополосных головок, которые передавали бы одинаково качественно всю слышимую область звуковых частот (от 20 Гц до 20 кГц). Как «на слух», так и с помощью точных анализаторов нетрудно установить, что наилучшее качество звука достигается, если указанную область частот разбить минимум на три части, и озвучивание каждой их них поручить отдельному динамику.

В соответствии с этим разбиением частот динамики называют высоко-, средне- и низкочастотными. На практике разбиение частот осуществляется двумя способами. Первый, наиболее распространенный, состоит в том, что используются пассивные фильтры из элементов L, С и R. Громкоговоритель имеет три фильтра, с которыми соединяются соответствующие звукоизлучатели.

Это решение далеко не идеальное, несмотря на всю его популярность. Пассивные цепи обуславливают потери мощности, к тому же, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) возле частоты среза получается весьма пологой. Поэтому происходит излучение сигналов соседних диапазонов частот, что вызывает искажения, не говоря уже о размерах LC-элементов фильтра, особых требованиях к материалам и пр.

При другом, более корректном решении, с помощью фильтров с крутыми АЧХ разделяются диапазоны, соответствующие высоко-, средне- и низкочастотной звуковым областям, после чего сигналы каждого диапазона усиливаются отдельным УМЗЧ, к выходу которого подключается соответствующий громкоговоритель. Отсюда становится понятно, почему такое решение редко применяется производителями звуковых колонок — три канала УМЗЧ стоят существенно дороже, нежели пассивный фильтр.

Но тем кто превыше всего ценит качество звуковоспроизведения, следует непременно обратить внимание на предлагаемую схему поскольку, самостоятельно изготовив УМЗЧ и фильтр мы достигнем значительной экономии и еще более значительного улучшения качества звучания. При формировании диапазонов высоких, средних и низких частот очень важно достичь линеиного хода фаз.

Для чего это нужно? Дело в том что первоначальная звуковая картина после разделения на частотные полосы, их усиления и воспроизведения должна остаться в ушах слушателя единым целым. Если фазо-частотная характеристика системы звуковоспроизведения не тождественна звуковые волны излучаемые громкоговорителями, могут гасить либо усиливать друг друга, что приводит к значительным искажениям.

Схема на рис.1 имеет линейный ход фаз во всех трех фильтрах. В ней необходимо намного больше операционных усилителей чем потребовалось бы при применении фильтров высокого порядка. К счастью, параметры операционных усилителей не связаны жесткими ограничениями, поэтому можно использовать недорогие ОУ широкого применения.

Из схемы видно, что фильтры состоят из одинаковых каскадов. Входной сигнал поступает на IC1 а, где происходит регулировка уровня с помощью триммера Р4. С выхода IC1 а сигнал разветвляется. Один путь ведет к фильтру высокой частоты. Он образован из четырех фильтров первого порядка C4-R2, C5-R3 C6-R5 и C7-R6, разделенных усилителями IC2a, IC2b, IC2c и IC2d, включенными повторителями. На выходе этого фильтра выделяется диапазон высоких частот, регулируемый потенциометром Р1.

Второй путь сигнала с выхода 1С 1а проходит через всепропускающие фильтры на 1С1Ь и 1С1с, время задержки которых такое же как у фильтра ВЧ. Эти два сигнала вычитаются в каскаде на IC1 d. На его выходе получаем точно такой же сигнал что и на входе но у него отсутствует область высоких частот. Теперь с этим сигналом поступаем так же, как с сигналом на выходе 1С 1а.

Легко видеть, что следующие каскады фильтра имеют ту же конструкцию, что и предыдущие, с той разницей, что у них другие номиналы составляющих элементов фильтра. Оно и понятно, поскольку теперь нужно пропустить диапазон средних частот. В соответствии с этим на выходе IC3d получаем диапазон средних частот, регулируемый с помощью Р2.

Этот диапазон вычитателем на 1С4с’выводим» из сигнала всепропускающего фильтра на 1С4а и 1С4Ь. На выходе 1С4с получаем сигнал НЧ, регулируемый с помощью РЗ. Сюда подключается инвертирующий каскад на IC4d, завершающий обращение фаз. В результате получаем парафазный выход НЧ. Это может быть необходимо для того, чтобы скорректировать фазу излучаемого низкочастотным громкоговорителем сигнала (вследствие его физических размеров).

На рис.2 приведены передаточные характеристики построенных фильтров. Особых пояснений к рисунку не требуется, поскольку характеристики говорят сами за себя. В интересах наилучшего приближения к показанным характеристикам очень важно как можно точнее определить номиналы RC-элементов. Если есть возможность, советую подобрать номиналы элементов с учетом отклонений их значений.

Например, в звене фильтра можно включить резистор с сопротивлением ниже номинального значения и конденсатор с емкостью большей номинального значения, чтобы постоянная времени τ=RC как можно меньше отклонялась от рассчитанной.

Схема размещена на односторонней печатной плате, чертеж которой приведен на рис.3, а схема расположения элементов — на рис.4. Рисунок схемы — не слишком «замысловатый», кроме того, печатные дорожки достаточно «жирные», поэтому ее можно легко изготовить в любительских условиях.

Перед началом сборки освещаем плату ярким светом и проверяем, нет ли на ней разрывов или замыканий дорожек, вызванных дефектами изготовления. Согласно схеме установки деталей (рис.4) последовательно припаиваем резисторы, конденсаторы, панельки для установки ИМС в зависимости от их высоты, начиная с самых низких. Сопротивление резисторов рекомендуется проверять омметром, а не идентифицировать по их цветовой маркировке.

После сборки и тщательной проверки монтажа подаем на плату напряжения питания (±12 В) Измеряем постоянный уровень на выходах операционных усилителей. Он везде должен быть близким к 0. Отклонение от этого свидетельствует о дефекте панельки или ИМС. Лучше всего проверить работу платы с помощью звукового генератора и осциллографа, контролируя передачу сигнала во всем диапазоне частот.

Находящиеся на плате подстроенные резисторы (триммеры) обеспечивают настройку чувствительности и уровня сигнала при наладке. Их использование в процессе эксплуатации не требуется (достаточно органов управления усилителя). На рис.5 показана структурная схема звукового тракта с использованием данного активного фильтра. Сразу возникает вопрос: какова должна быть мощность оконечных каскадов (УМЗЧ)? Целесообразно выбрать пропорцию 2:1:1, те. если взять усилитель низких частот мощностью 100 Вт, для средних и высоких частот будет достаточно УМЗЧ по 50 Вт.

www.radiochipi.ru

Лекция №21 Активные фильтры

21.1. Общие сведения об активных фильтрах

Как известно, для получения избирательных характеристик в обычной схемотехнике широко используются LС - фильтры. Однако в интегральной схемотехнике индуктивности трудно реализуемы.

Поэтому в интегральной схемотехнике широкое применение находят активные фильтры, представляющие собой пассивные RС - фильтры, включенные в цепи инвертирующих и неинвертирующих усилителей. Другими словами, активные фильтры - это усилители на основе ОУ в сочетании с пассивными RС - фильтрами. Активные фильтры (АФ) находят самое широкое применение в качестве УВЧ, УПЧ, регуляторов тембров и т.д. Избирательная АЧХ АФ реализуется благодаря применению RС - пассивных фильтров. Следовательно, для анализа АФ необходимо знать характеристики пассивных фильров.

21.2. Пассивные rс – фильтры

Различают фильтры нижних частот (ФНЧ), полоса пропускания которых распологается в области нижних частот; фильтры высоких частот (ФВЧ), пропускающие сигналы высоких частот; полосовые и заграждающие (режекторные фильтры). Рассмотрим схему ФНЧ, рис.21.1a.

Рис.21.1. ФНЧ и его передаточная характеристика

Комплексный коэффициент передачи этого RC-фильтра определяется:

K(jω)=Uвых/Uвх=1/(1+jωRC).

Передаточная характеристика ФНЧ имеет выражение:

;

где fc-частота среза, равная 1/2RC.

В соответствии с выражением (21.1) построим передаточную характеристику ФНЧ, рис.21.1,б.

При частотах f<<fc f/fc<<1; K(f)=1 KдБ=0,

При частотах f>>fcf/fc >>1; K(f)=fc/f.

Полоса пропускания фильтра определяется частотой среза. При дальнейшем увеличение частоты имеет место затухание сигнала, т.е. спад частотной характеристики 20 дБ/дек. Если ФНЧ имеет несколько звеньев, то спад АЧХ равен n 20 дБ/дек.

Рассмотрим принципиальную схему ФВЧ, рис. 21.2.

Рис.21.2. ФВЧ и его передаточная характеристика

Передаточная характеристика ФВЧ определяется выражением

В области низких частот, где при f<<fс fс/f<<1 K(ω)=ωRC; K(f)=f/fc;

при f>>fc fc/f>>1 K(ω)=1; KдБ=0 дБ.

Для построения полосовых и заграждающих АФ широкое применение находит 2Т фильтр, рис. 21.3.

Рис.21.3. 2Т-фильтр и его передаточная характеристика

2Т филтр пропускает все частоты с коэффициентом передачи К=1, кроме квазирезонансной. На квазирезонансной частоте f0=1/2RC коэффициент передачи равен нулю.

21.3. Реализация активных фильтров

Активные фильтры бывают первого, второго, третьего и высших порядков. Порядок фильтра определяется числом RC звеньев.

Для получения АФ пассивный RС - фильтр включают в схему усилителя. АФНЧ первого порядка на ОУ легко реализуется по схеме рис.21.4,а, в которой использовано неинвертирующее включение.

Рис. 21.4. Активный фильтр НЧ первого порядка с RС фильтром:

а – в цепи межкаскадной связи; б – в цепи ООС

АЧХ АФ определяется выражением

, (21.2)

где ;.

Если RC-фильтр включается в цепь ООС, то для получения фильтра нижних частот в цепи обратной связи необходимо использовать ФВЧ, так как при включении пассивного фильтра в цепь ООС происходит преобразование ФНЧ в ФВЧ и обратно. АФНЧ первого порядка с инвертирующим усилителем приведен на рис. 21.4,б. K(ω) определяется выражением (21.2),

где ;.

АЧХ активного фильтра низкой частоты приведена на рис.21.5. АЧХ разомкнутого ОУ приведена штриховой линией.

Рис.21.5. АЧХ активного фильтра НЧ

studfiles.net