Тонкоректор Baxandall с операционни усилватели

    Целта на настоящата статия не е толкова за да покажа една конструкция на тонкоректор, колкото да разкажа пътя, извървян от аудиотехниката, за да се стигне до тази схема, както и да събера на едно място най-често срещаните схемни решения.

    Всъщност тонкорекциите представляват схемно решение за промяна на амплитудно-честотната характеристика на един усилвател. Това се извършва чрез прилагане на различни филтрови RC, LC или смесени групи в усилвателните стъпала, чрез които се извършва тази промяна.

    Аз няма да се спирам на всички известни методи за честотна корекция, а на най-популярната: тонкорекцията на инженера по звукотехника Питър Джеймс Баксандал. Името на Баксандал до толкова се свързва с тази корекция, че тя вече придобива най-популярното наименование: "тонкоректор баксандал" или "баксандал-коректор".

    Питър Джеймс Баксандал (Peter James Baxandall) или още популярен като Джеймс Баксандал е живял и творил XX век (1921-1995). През октомври 1952 г. той публикува в сп. "Wireless World" (т. 1) своята разработка на схема за тонконтрол (тонкорекция), включена в отрицателна обратна връзка на усилвателен елемент (вакуум елемент по онова време). Тази схема обикаля света, но той не успява да защити патентно право, което му е отказано под претекст, че се прилагат RC филтри, които вече са познати. Но тази простичка схема, която позволява разделно регулиране на ниските и високите честоти, влиза в стотици милиони радиоприемници, радиокомплекси, усилватели и модули, произвеждани от различни фирми по света, а на базата на нея са разработени съвременните аудио процесори. Тя се използва и в българската електроника до окончателното й закриване (затриване) след 1996 г.

    След публикуването на неговата статия, схемата на тонкорекцията на Баксандал продължава да се развива и от други (аудио) инженери по звукотехника и придобива няколко основни схемни решения според начина на изграждане на RC филтрите, както и по вида си - пасивна или активна. Аз ще разгледам само последната, която намира най-голямо приложение в звукотехниката и съответно в радиолюбителските конструкции и разбира се, такива които съм вложил в мои конструкции.

    Всъщност, Баксандал публикува в далечната 1952 год. своята разработка за прилагане на RC регулируеми филтри в обратната връзка на усилвателно стъпало с радиолампа. Аз ще дам най-популярната схема на филтър за ниски и високи честоти с операционен усилвател, която напълно произлиза от схемата на Баксандал:


Фиг.1

    Питър Дж. Баксандал установява, че човешкото слухово възприятие няма линеен характер. Дори и хората в най-млада възраст чуват най-ниските и най-високите честоти със затихване. Така стига до идеята за разработката на тези тонкорекции, наречени по-късно тонкорекции Баксандал. Чрез изобретените от него корекции се отстранява този недостатък на човешкото ухо, а възприятието става по-пълно. Тези корекции правят революция в нискочестотната техника. Но ето какъв е ефекта от включване на такава корекция:

    Показаната по-горе принципна схема е пълна и може да се използва в този вид. Особеност при нея е, че за да спазя едно основно правило в усилвателната техника, а именно всяко стъпало да се захранва от генератор с ниско изходно съпротивление, на входа съм включил операционния усилвател OP1, именно с тази задача. Той е "емитерен" повторител, с коефициент на усилване = 1 и естествено с високо входно съпротивление (импеданс), така, че към неговия вход може да се добави превключвател на входове на усилвателя (Input Selector). OP2 е самият активен филтър, осъществяващ схемата за регулиране по ниски и високи честоти. Неговия изход също е нискоомен и е свързан към тонкомпенсиран регулатор на усилването (тонкорекция, физиокорекция, Loudness Control, Loudness Contour, Loudness). Ключът S1 е стилизиран, с цел да покаже функцията включена-изключена тонкорекция. P3 е потенциометърът за усилване, който би следвало да бъде логаритмичен, а изводът за тонкоменсация зависи от геометрията и посочените стойности на RC групите са най-често срещаните. А на изхода е свързан потенциометъра P4, баланс между двата стерео канала, който е със средна точка за да се избегне прослушването между тях.

    Освен в този вид, схемата на Баксандал може да се срещне и в следните разновидности:


Фиг.2


Фиг.3


Фиг.4

    Ако в изхода на OP1 се постави електролитен кондензатор с цел веригата да се "развърже" по променлив ток, то в този случай потенциометъра за баланса може да се включи на неговия изход. Това няма да промени неговата функция в цялостната схема на един усилвател, който може да бъде изграден на базата на тези принципни схеми.

    Може би ви прави впечатление, че регулиращите елементи в коректорните групи са изпълнени с потенциометри от 100 kOm, но това не е задължително. Други стандартни стойности, които често се използват за потенциометри са 47 (50) kOhm и по-рядко 22 kOhm, 220 kOhm, 250 kOhm, а в ламповите варианти 500 kOhm, 1 MOhm. При схемите с обратна връзка потенциометрите задължително са линейни. Разбира се, свързаните с тях пасивни елементи на филтъра трябва да се преизчислят според стойността на потенциометъра, но всеки може да ги намери в приложената на края литература.

    Последните две принципни схеми са в основата на реализираните от мен тонкоректори, които съм използвал в мои конструкции на нискочестотни усилватели на мощност. Пак искам да отбележа, че изхода ОР1 е през разделителен кондензатор от 4.7u - 10u. Тези схеми съм реализирал през годините както с единични операционни усилватели (в един корпус), така и сдвоени такива в един корпус. Едни от най-добрите решения са с двоен операционен усилвател, например които се продават у нас: LM358, LM1458, LM1558, TL082 или нискошумните NE5534, TL072. Разбира се, няма да се връщам назад във времето, когато най-често срещаните операционни усилватели бяха µA709 и µA741, с които също съм правил тонкоректори за НЧ усилватели.

    Разбира се, за да се започне трябва първо да осигурим потенциометри, а и от всеки вид необходимото количество. А ето какви са те:

 

    От ляво на дясно, първите два потенциометъра са линейни, стерео по 100 kOm, като първият е с централна фиксирана точка. Те са предназначени за регулиране на корекциите по ниски и високи честоти. Отдясно двата потенциометъра са предназначени за усилване. И двата имат допълнителни изводи за тонкомпенсации, като първият е CENTER TAPED, тоест с извод от средата, а вторият е с три такива извода, един от който също с извод от средата, а останалите през 10 kOm. Вторият потенциометър е с по-големи възможности за изграждане на тонкомпенсиран регулатор на усилването, както е правилно да се нарича тонкомпенсацията. Но за нея ще стане дума на следващ етап.

    Сега следва една по-пълна схема на тонкоректор за усилвател, в която са спазени горните правила за съгласуване, както и с разделяне на потенциометрите за усилване и баланс чрез буферен операционен усилвател, което значително подобрява амплитудночестотната характеристиката на тонкомпенсирания регулатор на усилването:

    Тук следва да отбележа, че местата на P3 и P4 могат да се разменят, без това да промени честотните свойства на тонкомпенсацията, защото е изпълнено условието тя да е свързана към ниско изходно съпротивление на входа си и към високо входно съпротивление на изхода си, тъй като се намира между два операционни усилвателя. Друго, което отличава тази схема е, че за потенциометър на баланса използвам стерео потенциометър, въпреки че е показан моно потенциометър, но за случая той намалява усилването два пъти, поради което усилвателното стъпало на изхода не е повторител, а усилвател с Ku=2, с което това затихване се компенсира. Предимството на този начин за осъществяване на баланса е в пълното галванично разделяне на двата стерео канала и естествено липсата на междуканално прослушване (прехвърляне на сигнал) от единия към другия канал.

    И след като се запознахме с повечето разновидности на схемата на НЧ тонкоректор на П. Баксандал, както и ви показах практически схеми на използването му, е време да покажа принципната схема на един от реализираните от мен тонкоректори:

    Както виждате има някои особености, които я отличават от показаните преди нея, като например пълно разделяне по променлив ток, резистори на изходите на операционните усилватели. Тези особености са предизвикани от възможностите, които предлага този операционен усилвател, а именно захранването може да бъде еднополярно и двуполярно. Аз съм използвал двуполярно захранване с типичното за операционните усилватели напрежение +/-15V. В ООВ на ОР1 е предвиден резистора R2 който в съотношение с R1 определя коефициента на усилване. С промяната на стойността му (аз съм избрал между 1 и 4.7к) може да се промени усилването и да се компенсира намаляването му от въздействието на делителя на потенциометъра за баланса. При стойност 1 kOm Ku=1. Кондензаторът C12, включен в обратната връзка на ОР1 служи за предотвратяване на самовъзбуждане. Включва се само ако се появи такова.

    Както казах по-горе, ако използваме три операционни усилватели бихме могли да направим тонкоректор, в който всички регулировки да се извършват в отделни стъпала, което ще повиши увереността ни, че сме спазили условието за съгласуване на усилвателните стъпала. Ето така възникна следващата схема на тонкоректор. В нея няма нищо по-различно от предишната. Тя се явява еволюция на тонкоректора с два операционни усилвателя, показан току-що. В тази схема възможностите за компенсация на спада на усилването при свързване на стерео потенциометър за баланса са както в ОР1, така и в последното стъпало с ОР3. Но ето и това развитие:

    А на следващата снимка е практическото изпълнение:

    На тази снимка се вижда превключвателя за избор на входовете (Input Selector). Той дава избора към три входни устройства по избор, но най-често срещаните са тунер, CD или DVD плеър. Във фабричните усилватели в миналото имаше входове за сигнал от касетен дек и грамофон.

    Принципната схема с три операционни усилвателя освен посочените предимства има и един недостатък, а той е по-малкото съотношение сигнал/шум, в следствие на шумовите свойства на ОУ от по-големия брой последователно свързани усилвателни елементи (ОУ). Затова препоръчвам интегралния операционен усилвател NE5534, който е с достатъчно нисък собствен шум, пренебрежимо малък, а при по-малки мощности е незабележим.

    На следващата снимка са двете печатни платки, както следва - с два и с три операционни усилвателя, както направих по-горе разглеждането на принципните схеми:

    На платката долу, в долния десен край е потенциометъра за усилване и неговата тонкомпенсация. Същите могат да се монтират на кое да е друго място на предния панел на усилвателя. Това позволява избор при оформлението на панел. В случая, аз съм монтирал всички потенциометри на платката през равно разстояние и съм реализирал нискочестотен усилвател на мощност с интегралната схема BTL TDA7294, с изходна мощност 2х100W. Тази мощност се постига с достатъчно мощен трансформатор, докато този който аз успях да намеря е 30W, с което мощността е ограничена до 2х15W. Но за домашни условия ми е достатъчна.

Архив файлове [zip-spl7][29kb]
Оригинална статия [zip-doc][1mb]

Виж също: "Тонкоректор "Баксандал" с транзистори"


Литература:

1. Negative Feedback Tone By Peter James Baxandall, Wireless World, October 1952
2. Designing And Building Audio Amplifiers, www.angelfire.com
3. Baxandall Tone Control Revisited by M. B. Thomas, Wireless World, September 1974
4. "Тонкоректори за нискочестотни усилватели", н.с. инж. В. Захариев, сп. "Радио, Телевизия, Електроника", кн.11, 1976 г.
5. "Нискочестотен усилвател с тонкоректор", Веселин Георгиев / LZ2WSG, юни, 2010 г.
6. "Простой УНЧ", журнал "Радиоконструктор", кн. 12, 2012 г.

Валери Терзиев
10 април 2014 година