Полный усилитель на микросхемах. Часть 2. Предварительный усилитель и регулятор тембра

Эксперименты с различными предварительными усилителями, регуляторами громкости и тембра показали, что наилучшее качество звучания обеспечивается при минимальном количестве усилительных каскадов, с пассивными регуляторами. При этом регулировки на входе усилителя мощности нежелательны, так как приводят к увеличению уровня нелинейных искажений комплекса. Данный эффект сравнительно недавно обнаружил известный разработчик аудиоаппаратуры Дуглас Селф [1].

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

Первым претендентом на роль предварительного усилителя с регулятором тембра стала схема Д. Стародуба (рис. 1) [2]. Но конструкция так и не «прижилась» в усилителе мощности: требовалась тщательная экранировка и источник питания с чрезвычайно малым уровнем пульсаций (порядка 50 мкВ). Однако главной причиной стало отсутствие ползунковых переменных резисторов.



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.



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.

↑ Расчет пассивных мостовых регуляторов тембров

Наиболее распространенной является комбинированная схема регуляторов нижних и верхних частот. Как видно из аппроксимированной логарифмической амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) регулятора тембра (рис. 3), в области средних частот f0≈1000 Гц передаточная функция остается неизменной, а на краях частотного диапазона ее можно регулировать в некоторых пределах.



Обычно величины подъема и спада и их частоты регулирования делают одинаковыми. На рис. 3 приняты следующие обозначения: fнр, fвр – соответственно, нижняя и верхняя частоты регулирования, fнп, fвп – нижняя и верхняя частоты перегиба АЧХ, f0 – частота раздела.
Для того чтобы регуляторы нижних и верхних частот не влияли друг на друга, необходимо выполнение условий не перекрытия зон регулирования

 fнп < f0 < fвп

В практических схемах пассивных регуляторов тембра величины подъема и спада АЧХ составляют ±(8…20) дБ, нижняя частота регулирования равна fнр=(20…80) Гц, а верхняя частота регулирования fвр=(5…18) кГц.
Недостатком пассивных корректоров тембра является большое собственное затухание, превышающее полный коэффициент регулирования – (16…40) дБ.

↑ Высококачественный регулятор тембра

В высококачественной аппаратуре нашел применение пассивный регулятор нижних и верхних частот, показанный на рис. 4 [3, 4].



Здесь элементы R1 – R3, C1, C2 образуют пассивный частотно – зависимый корректор нижних частот; R5 – R7, C3, C4 – корректор верхних частот. Включенный между регуляторами резистор R4 является развязкой, уменьшающей влияние регуляторов друг на друга. Конденсатор C0 служит для развязки по постоянному току.

Для расчета регулятора тембра, приведенного на рис. 4, мною подготовлен файл в табличном процессоре Microsoft Excel. На рис. 5 показан скриншот рабочего листа таблицы (без прилагаемого здесь же графического материала). В ячейки, закрашенные светло – синим цветом заносятся исходные данные, в ячейках таблицы, залитых оранжевым цветом, размещены результаты расчета.
В начале расчета выберем величины сопротивлений переменных резисторов R2 и R7 в килоомах, далее заносим диапазон регулировок нижних и верхних частот в децибелах. Как только запишем в оставшиеся три ячейки светло – синего цвета частоты fнр, fвр и fн, сразу увидим результаты расчета всех остальных элементов регулятора. Останется только привести их к ближайшим значениям из выбранного стандартного ряда Е24 или Е48.


Контрольный пример №1. Рассчитаем с помощью электронной таблицы пассивный регулятор тембра с пределами регулирования АЧХ ±20 дБ, рис. 11.2.3 [3]. Исходные данные: R2=R7=100 кОм, fнр=50 Гц, fвр=10000 Гц.
Получаем: R1=R5=10 кОм, R3=R6=1 кОм, R4=10 кОм, C1=0,032 мкФ, C2=0,318 мкФ, C3=0,0159 мкФ, C4=0,159 мкФ, C0=0,16 мкФ. Округляем до ближайшего номинала: R1=R5=10 кОм, R3=R6=1 кОм, R4=10 кОм, C1=0,033 мкФ, C2=0,33 мкФ, C3=0,015 мкФ, C4=0,15 мкФ, C0=0,15 мкФ.

↑ Пассивный упрощенный регулятор тембра

На практике, пожалуй, большее распространение получила еще одна схема пассивного регулятора тембра, с упрощенным регулятором верхних частот (рис. 6) [5-7].



Расчет такого регулятора с помощью таблиц и номограмм предложен Л. Ривкиным [5]. Я переложил методику Л. Ривкина на язык табличного процессора Microsoft Excel, позволившего обойтись без номограмм, не совсем удобных в использовании и снижающих оперативность расчетов.
Скриншот листа таблицы Excel с примером расчета показан на рис. 7. Здесь действуют все соглашения, приведенные выше.


Контрольный пример №2. Рассчитаем регулятор тембра с пределами регулировок ±17 дБ, R2=R5=47 кОм, fнр=30 Гц, fвр=18000 Гц. Получаем: R1=4,673 кОм, R3=470 Ом, R4=4,7 кОм, C1=0,114 мкФ, C2=1,133 мкФ, C3=1916 пФ, C4=0,019 мкФ. Выбираем из стандартного ряда Е24: R1=4,7 кОм, R3=470 Ом, R4=4,7 кОм, C1=0,1 мкФ, C2=1,0 мкФ, C3=2000 пФ, C4=0,022 мкФ.

Следует напомнить, что для обеспечения расчетной глубины регулировки тембра необходимо, чтобы сопротивление нагрузки регулятора тембра было намного больше его выходного сопротивления Rнрт≥(5…10)Rвыхрт≈(5…10)[R1R3/(R1+R3)+R4], а внутреннее сопротивление источника сигнала намного меньше входного сопротивления регулятора: Rвыхис≤(0,1…0,2)Rвхрт≈(0,1…0,2)(R1+R3).

↑ Расчет регулятора тембра с помощью программы Е. Москатова

Для частного случая глубины регулировок ±20 дБ, частот регулировки fнр=72 Гц, fвр=16000 Гц Евгением Москатовым из города Таганрога разработана программа «Timbreblock 4.0.0.0» (рис. 8).


Результаты расчета для различных значений сопротивлений переменных резисторов регулятора тембра сведены в табл. 1.
🎁table_1.rar  26.89 Kb ⇣ 203
Расчет выполнен по следующим соотношениям: R1 = R3; R2 = 0,1R1; R4 = 0,01R1; R5 = 0,06R1; C1[нФ] = 105/R3[Ом]; C2 = 15C1; C3 = 22C1; C4 = 220C1.
При R1=R3=100 кОм темброблок будет вносить затухание около 20 дБ на частоте 1 кГц. Можно взять переменные резисторы R1 и R3 другого номинала, пусть, для определенности, в наличии оказались резисторы сопротивлением 68 кОм. Несложно пересчитать номиналы постоянных резисторов и конденсаторов мостового регулятора тембра без обращения к программе или табл. 1: уменьшаем величины сопротивлений резисторов в 68/100=0,68 раза и увеличиваем емкости конденсаторов в 1/0,68=1,47 раза. Получаем R1=6,8 кОм; R3=680 Ом; R4=3,9 кОм; С2=0,033 мкФ; С3=0,33 мкФ; С4=1500 пФ; С5=0,022 мкФ.

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).


Программа Tone Stack Calculator предназначена для анализа семи типовых схем пассивных регуляторов тембра и позволяет сразу показать АЧХ при изменении положения виртуальных регуляторов.

↑ Регулятор тембра с небольшим диапазоном регулировок

В по-прежнему популярной конструкции предварительного усилителя Ю. Солнцева [5] применен пассивный регулятор тембра, показанный на рис. 10.



Отличие от регулятора, изображенного на рис. 6 заключается во введении резисторов R5, R7, предотвращающих монотонный подъем (R5) и спад (R7) АЧХ с ростом частоты.

↑ Делаем «правильный» регулятор тембров

На практике могут быть использованы все приведенные выше схемы пассивных регуляторов тембра, что открывает простор для творчества.
Для выбора «своего» регулятора тембра были проведены субъективные прослушивания, в ходе которых выяснилось, что регуляторы с небольшим (от ±6 до ±10 дБ) пределами регулирования практически не ухудшают качество звучания. Небольшой диапазон регулировок вполне достаточен для устранения мелких огрехов фонограмм и в то же время не допускает «накручивания» тембров, которым грешат многие любители.
В итоге я выбрал схему темброблока с пределами регулирования ±8 дБ, показанную на рис. 10 со следующими значениями пассивных элементов: R1=15 кОм, R2=R6=50 кОм, R3=4,02 кОм, R4=5,1 кОм, R5=2,4 кОм, R7=2 кОм, C0=1 мкФ, C1=0,1 мкФ, C2=0,33 мкФ, C3=3300 пФ, C4=0,01 мкФ.

↑ Предварительный усилитель для «студенческого» УМЗЧ

Перейдем к построению предварительного усилителя для «студенческого» УМЗЧ.
Принципиальная схема одного канала усилителя для УМЗЧ Питера Смита представлена на рис. 11. Входной сигнал подается непосредственно на пассивный регулятор тембра. Дело в том, что современные источники звука (персональный компьютер, ноутбук, проигрыватель компакт-дисков, DVD – проигрыватель) имеют малое выходное сопротивление и высокий уровень сигнала, достаточный для непосредственной работы с усилителем мощности (0,5…2 В эфф.).

Фильтр R1 – R3, C2, C3 производит регулировку тембра в нижней частотной области, а R5, - R7, C4, C5 – в верхней. Буферный резистор R4 служит для уменьшения влияния фильтров друг на друга. Параметры элементов фильтров выбирают таким образом, чтобы примерно в среднем положении движков резисторов регуляторов тембра R2 и R6 АЧХ была горизонтальной; при этом коэффициент передачи регулятора тембра меньше единицы.

При перемещении движка резистора R2 в верхнее (по схеме рис. 11) положение получаем подъем АЧХ на нижних частотах; смещая движок в нижнее положение – завал. Аналогичным образом работает регулятор тембра R6, который осуществляет регулировку АЧХ в области высоких частот.

Регулятор тембра нагружен на регулятор уровня сигнала R8.1, далее следует усилительный каскад на малошумящем операционном усилителе OPA2134, включенном по неинвертирующей схеме. Его назначение – компенсировать затухание, вносимое регулятором тембра и обеспечить низкое выходное сопротивление, необходимое для работы усилителя мощности.

На выходе предварительного усилителя установлена индуктивность L1 – «бусинка» из феррита, применяемая в телевизорах и компьютерной технике (материнских платах, платах ввода-вывода, мониторах и т.п.). В результате принятых мер коэффициент гармоник предварительного усилителя на частоте 1 кГц не превышает одной десятитысячной доли процента!



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.

🎁table_2.rar  11.53 Kb ⇣ 208

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).

Как видно из схемы, показанной на рис. 12, активный регулятор тембра содержит пассивные элементы (резисторы R1 - R7, конденсаторы C1 – C4), включенные в стопроцентную параллельную отрицательную обратную связь по напряжению операционного усилителя DA1. Коэффициент передачи данного регулятора в среднем положении движков регуляторов тембра R2 и R6 равен единице, а для регулировки используются переменные резисторы с линейной характеристикой регулирования (кривая «А»). Иными словами, активный регулятор тембра свободен от недостатков пассивного регулятора.
Однако по качеству звучания этот регулятор явно хуже пассивного, что замечают даже неискушенные слушатели.

↑ Детали

Сдвоенный операционный усилитель DA1 с полевыми транзисторами на входе типа OPA2134 может быть заменен на ОРА2604 или LM4562NA.

↑ Монтаж и налаживание

Перед монтажом желательно провести входной контроль всех элементов. Я уже давно взял за правило попарно подбирать компоненты в каналах усилителя. Вот и для этой конструкции подобрал резисторы и конденсаторы с точностью до одного процента. Сделать это оказалось не так сложно: отбор происходил из 6 – 8 элементов каждого номинала.

Наверняка такая точность подбора не нужна, но результатом проделанной работы стало практически идеальное совпадение АЧХ по каналам предварительного усилителя.

Все детали предварительного усилителя размещены на печатной плате размером 125х45 мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм (рис. 13).



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).

↑ Характеристики предварительного усилителя:

Напряжение питания, В=±15
Ток потребления, мА=8…10
Номинальное входное напряжение, В=0,775
Номинальное выходное напряжение, В=0,775
Полоса частот по уровню -0,5 дБ, Гц=25…100000
Диапазон регулировки тембра, дБ
на частоте 40 Гц=±7,
на частоте 10 кГц=±7
Коэффициент гармоник при входном напряжении 1 В, %
на частоте 1 кГц=0,0001,
на частоте 20 кГц=0,002
Отношение сигнал/шум (невзвешенное), дБ=89
Входное сопротивление, кОм=20
Выходное сопротивление источника сигнала, кОм, не более=1,8

Можно включить устройство с усилителем мощности и послушать музыку.
Об этом в следующей части проекта.

↑ Файлы

Файл XLS с расчетом регуляторов тембра, схему и печатную плату предварительного усилителя можно взять тут:
🎁part2.rar  90.61 Kb ⇣ 780

↑ Упомянутые источники

1. Дайджест // Радиохобби, 2003, №3, с.10, 11.
2. Стародуб Д. Блок регуляторов тембра высококачественного усилителя НЧ // Радио, 1974, №5, с. 45, 46.
3. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. – М.: Мир, 1991, с. 150 – 153.
4. Шихатов А. Пассивные регуляторы тембра // Радио, 1999, №1, с. 14, 15.
5. Ривкин Л. Расчет регуляторов тембра // Радио, 1969, №1, с. 40, 41.
6. Солнцев Ю. Высококачественный предварительный усилитель // Радио, 1985, №4, с.32 – 35.
7. //www.moskatov.narod.ru/ (Программа Е. Москатова «Timbreblock 4.0.0.0»).

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации