Тонкоректор Baxandall с транзистори и операционни усилватели
/kn34pc.com/конструкции/...

Част I: Тонкоректор Baxandall с транзистори
Част II: Тонкоректор Baxandall с транзистори, пасивен тонкоректор

Част III: Тонкоректор Baxandall с операционни усилватели
Част VI: Тонкоректор Baxandall с операционни усилватели, пасивен тонкоректор

 

Част I: Тонкоректор Baxandall с транзистори

Освен операционни усилватели, като активен елемент могат да се използват транзистори. Тук са валидни същите правила за съгласуване на входните и изходните импеданси на усилвателните стъпала с RC елементите на тонкоректора "Баксандал". Най-често входните стъпала, които трябва да осигурят високо входно съпротивление, се изграждат с транзисторни емитерни повторители. Няколко типични схеми са показни на следващите фигури:

На фиг.1 и фиг.2 може да видите типичната схема на емитерен повторител. За съжаление входното съпротивление е зависимо от резистивния делител за преднапрежението на базата на транзистор R1, R2 (R4, R5), поради което тези резистори се избират със сравнително високи стойности, както е показано. За избягване на евентуално високочестотно самовъзбуждане, което може да се появи в следствие на голям капацитет на колекторния преход или просто от лош монтаж на печатната платка, между базата и емитера на транзистора може да се включи кондензатор със стойност 200-1000 pF, както е показано на фиг.2.

За да се избегне влиянието на резистивния делител в базата на транзистора често се прибягва до трикове, един от който е показан със схемата на фиг.3. В тази схема напрежението от делителя се подава на базата на транзистор чрез последователен резистор от няколко десетки до стотици килооми. Този начин на свързване значително повишава входния импеданс на стъпалото, като елиминира резистивния делител. Тук е мястото да отбележа, че тази схема е "измислена" от руснаците още в зората на транзисторните усилвателни стъпала и намира много широко приложение в съветското производство на битова усилвателна техника от по-висок клас.

Един от важните елементи на посочените схеми е правилния подбор на работната точка. Най-простичкото практическо правило при оразмеряването и избора на базисния делител е постоянното напрежение на емитера на повторителя да бъде равно на 1/2 Ез, тоест от захранващото напрежение, което в случая е избрано +24V (около 12V).

Друг важен елемент от оразмеряването на транзисторното стъпало е съобразяването с нивото на сигнала, което ще се пропуска и регулира. А стандартно той е избран да бъде 0,7V (700 mV). Тази забележка е особено важна за транзисторната група, която заедно с RC групата на Баксандал образува активния филтър на тонкорекцията. Но за да бъда по-ясен, ето няколко схеми на такива активни елементи:

Веднага отбелязвам, че RC групата на Баксандал се включва като отрицателна обратна връзка (ООВ) между входа и изхода на активния елемент така, както са показани тези изводи по-горе. Както виждате и при трите схеми захранващото напрежение е същото: +24V, което ви подсказва, че комбинацията от описаните по-горе входни стъпала и съответно последните ще ви даде достатъчно комбинации от схеми на тонкоректори. Стига, разбира се, да са оразмерени правилно, което оставям на вас или вашия практически опит. И при тези изходни стъпала, режимът на транзисторите се избира по такъв начин, че например: за Uc на Т1 от фиг.4 да бъде около 1/2 Uз, съответно за фиг.5 и фиг.6 напрежението на емитера на изходния транзистор.

А сега следват две пълни принципн схеми на транзисторен тонкоректор Баксандал, в които практическата разлика е в използваните потенциометри:


Фиг.7


Фиг.8

А на тази снимка са използваните потенциометри за транзисторния тонкоректор:

Виждаме, че първото стъпало, реализирано с транзистора Т1 позволява с много малка преработка да придобие вида на разгледаната по-горе схема на емитерен повторител, а именно като на мястото на R4 поставим мост от проводник и електролитния кондензатор С2 заменим с кондензатор със стойност 220 pF. Така това стъпало се превръща в класически емитерен повторител. По същия начин изходното стъпало, реализирано с транзисторите Т2 и Т3 лено може да придобие вида от схемата на фиг.5 като трябва да внимаваме при включването на базисния резистор. Желателно е да се подберат внимателно стойностите на R3 и R16, така че да получим в емитерите на Т1 и Т3 постояннотоково напрежение около 1/2 Uз, с което осигуряваме работната им точка. Тук искам да отбележа, че нивото на променливия сигнал при приложени максимални положителни корекции на RC групата следва да бъде около 80-90% от пик до пик от постояннотоковото напрежение в емитерите на тези транзистори, за да избегнем сериозни изкривявания на сигнала в следствие на ограничение на синусоидата в положителния или отрицателния полупериод (от горе или от долу).

Потенциометъра за баланс между левия и десния канал може да се свърже в две точки, както е отбелязано на схемата - в т. А или т. В. Ако се използва свързването му в т. А без промяна в схемата, то стойността на баланс-потенциометъра трябва да бъде минимум 50 kOm, тъй като е свързан директно към емитера на транзистора и ще промени работната му точка, но ако резистора R6 се замени с електролитен кондензатор от 10µF, тази забележка отпада.

Изходът на тонкоректора е натоварен с потенциометъра за усилване, към който е приложена RC група за тонкомпенсация, която значително подобрява звученето. Чрез превключвателя S1 по желание тонкомпенсацията може да се включва или изключва. Оставям на вас да изберете подходящи нискошумни транзистори и разбира се, да изберете съответния режим на работата им.

Печатната платка е така разработена, че да позволява комбинациите от посочените по-горе усилвателни стъпала, както и видовете Баксандал филтри. Разбира се, аз препоръчвам да си направите примерно две или три платки, според броя на комбинациите, които искате да реализирате, вместо да правите всички експерименти само върху една платка и накрая експериментите да завършат с "изядени" и отлепени писти (пътечки).

Но ето и самата платка:

А ето и тонкоректора:

На тези снимки виждате моя избор на транзисторен тонкоректор Баксандал. Сега следва принципната схема, по която той е реализиран:

Естествено има различия спрямо принципните схеми на транзисторните стъпала, разгледани в началото на статията. Включително има промяна и във вида и стойностите на потенциометрите. Това се получи, тъй като в процеса на реализацията ми попаднаха оригинални потенциометри на SONY. Другата, наглед несъществена промяна, но всъщност изключително важна, е изборът на работната точка на последното стъпало, състоящо се от два постояннотоково свързани транзистора. В показаната по-горе схема резистор от 2,7МΩ е определящият за нея, но се оказа, че в България такъв не се намира. Именно затова реших да премина към традиционния начин за определяне на работна точка чрез делител в базата. Но, забележете, делителят не е спрямо захранването, а запазвам отрицателната обратна връзка с изход по постоянен ток, с което стабилизацията на режима на транзисторите се запазва в по-голям интервал от захранващото напрежение 10-24V, при което аз избрах 15V, а на печатната платка съм предвидил място за интегрален стабилизатор на тази стойност.

Но ето как изглежда и крайния вариант на конструкцията в съчетание с интегрален мощен нискочестотен усилвател:

И накрая искам да отбележа, че печатната платка е така разработена, че да съдържа в себе си всички предложени по-горе принципни схеми, което ще позволи на всеки да направи своя избор на транзисторен тонкоректор Баксандал и просто да "налепи" съответните елементи.

Архив файлове .spl7, .pcb [zip-spl7,pcb][31kb]
Оригинална статия [zip-doc,jpg][1,7mb]

***

Част II: Тонкоректор Baxandall с транзистори, пасивен тонкоректор

Всъщност, в своя оригинал, първоначалния замисъл на Питър Джеймс Баксандал преди 60 години е именно тонкоректор, в който не участват активни елементи. Още тогава се установява, че пасивния RC филтър внася съществено затихване от около 21-22 dB (10-12 пъти), което налага компенсирането му с допълнително усилвателно стъпало. И все пак тази схема остава популярна като "пасивен тонкоректор на Балсандал". На следващата схема е представен регулируемия RC филтър за регулиране на амлитудно–честотната характеристика във звуковия обхват чрез повдигане или подтискане на нискочестотния или високочестотния спектър:

Работата на коректора може да се опише доста опростено, но за нагледност аз ще я представя на следващата схема като за улеснение ще използвам само регулирането по ниски честоти. На нея в ляво е дадено еквивалентното представяне на филтъра когато плъзгача на потенциометъра се намира в горно положение, а на дясната – в долно положение. В първия случай имаме повдигане на ниските честоти, а във втория на тяхното подтискане. Подробно описание на работата на филтъра съм дал в приложената литература към статиите си "Тонкоректор Баксандал", публикувани по рано на страниците на www.kn34pc.com:

Все пак можем да онагледим работата на RC филтъра като за целта ще използвам една простичка програмка, която дава възможност за изчисляване дори и на елементите му, а именно Tone Stack Calculator.

Но за да покажа нагледно промяната на амплитудно–честотната характеристика при горно и долно положение на плъзгача на потенциометъра направих съответната симулация с цитираната програмка, която ви представям на следващата фигура:

Всеки висококачествен усилвател разполага освен с регулиране на усилването, честотно тонкомпенсиран, така и с възможност за регулиране на амплитудно-честотната характерситика, ако е стерео, за всеки от двата канала, поотделно или заедно. Регулирането се извършва за ниските и високите честоти на звуковия обхват 20-20000 Hz. Прочутата схема на Баксандал се използва и за изграждането на лентови филтри и съответно на графични еквалайзери.

Сега следва една реална принципна схема на пасивен тонрегулатор за ниски и високи честоти тип "Баксандал", в която споменатото в началото на статията затихване, дължащо се на RC групите във филтъра може да се компенсира с едно съвсем опростено транзисторно усилвателно стъпало:


Сх. 1

Както се вижда от схемата усилвателното стъпало предхожда филтъра на Баксандал, тоест входното ниво на сигнала се усилва 10-12 пъти, след което филтъра го подтиска със същия коефициент, така че коефициента на предаване за цялата схема е около Ku ~ 1.

Лично аз не съм привърженик на подобна комбинация от усилвателно стъпало и филтър на Баксандал по следните съображения:

а) транзисторът работи по схема общ емитер, респективно тя не може да осигури достатъчно ниско изходно съпротивление, каквото е изискването за входно съпротивление на филтъра.

б) много е вероятно при коефициент на усилване на Т1 Ku = 10-12 пъти, напрежението на колектора да достигне 1/2 от захранващото напрежение и да се увеличат нелинейните изкривявания.

Имайки предвид тези забележки, намирам, че следващата схема в по-голяма степен отговаря на изискванията и е достатъчно проста за реализация:


Сх. 2

Може би ще забележите, че усилвателното стъпало в случая е след филтъра, а по схемно решение по нищо не се различава от същото в предходната схема. Но в последната схема посочените малко по-нагоре недъзи са отстранени. Трябва да припомня едно от правилата за построяване на тонрегулатор тип "Баксандал", а именно дълбочината на регулирането е толкова по-голяма, колкото е по-малко входното и по-голямо изходното съпротивления на свързващите стъпала. В основата на представения по-долу тонкоректор е пасивния филтър на Баксандал с компенсация на усилването с транзисторен усилвател и едновременно регулиране на двата стереоканала.

Разбира се, всеки би могъл да направи разделено регулирането на ниските и високите честоти с отделни потенциометри, но трябва сам да разработи печатната платка за тези цели. Зaхранващото напрежение на предложената схема е +14 ÷ 18V. За разлика от активния тонкоректор при който RC веригите са включени в обратните връзки на усилвателното стъпало, а потенциометрите са линейни, при пасивния тонкоректор RC веригите се свързват последователно на транзисторното стъпало, а потенциометрите са логаритмични. В случая, повдигането на амплитудно–честотната характеристика е в посока придвижване на плъзгача на потенциометрите нагоре, към С4.

А сега следва схемното решение на пасивния тонкоректор:


Сх. 3

За да осигуря изискванията пасивния филтър да бъде захранен от стъпало с ниско изходно съпротивление аз използвам съставен транзистор, който чрез Т1 осигурява усилване 10-12 пъти по напрежение, или 20-22dB, към чийто изход чрез галванично свързано стъпало, реализирано с Т2 е включен емитерния повторител, чието ниско изходно съпротивление натоварва RC групата на филтъра. Резисторът R11 е предвиден за по-точно определяне на работната точка на стъпалото, но може да се окаже, че не е необходим, ако на изхода на Т2, в емитера измереното постоянно напрежение е около 1/2 Uc, захранването. Изходът на RC филтъра е десния край на резистора R8 и би следвало според горните изисквания да бъде натоварен с високо входно съпротивление на следващото стъпало. С цел намаляване на броя на активните елементи (и съответно собствени шумове) директно съм свързал потенциометъра за регулиране на усилването, който от своя страна е със средна точка и позволява свързването на допълнителна RC филтърна група за тонкомпенсация, описана в статията ми "Тонкомпенсиран регулатор на усилването", която няма да разглеждам. Бих предложил на тези, които проявяват голяма доза любопитство, да направят комбинация от горната схема и последната, като използват усилвателното стъпало Т1-Т2 като изходно стъпало към предишната. При всички положения тази комбинация отговаря на изискванията за изграждане на коректор "Баксандал".

Тук искам да отбележа, че използвания потенциометър P3 е 50 kΩ, но силно препоръчвам стойността му да бъде по-висока, съобразно споменатите по-горе изисквания, а именно една такава стандартна е 100 kΩ.

За посочените стойности на RC филтъра на коректора "Баксандал" направих съответната симулация с Tone Stack Calculator. Целта беше да проверя дълбочината на постигнатото регулиране при, естествено, фиксирани стойности на съпротивлението на потенциометрите, просто защото такива имах в шкафа със стари резервни части.

Друга симулация, която следваше да направя беше със стойност на потенциометрите 100 kΩ, каквито също намерих в дълбоките резерви на шкафа. Тъй като потенциометрите от 50 kΩ се оказаха линейни, докато (както отбелязах по-горе) за построяването на пасивен тонрегулатор "Баксандал" се изискват логаритмични потенциометри, избрах вторите, които се оказаха такива. Естествено част от стойностите на RC филтърната група трябваше да се променят за да се получат съответните симетрични характеристики, както и дълбочина на регулирането и окончателната принципна схема на пасивния тонрегулатор придоби следния вид:


Сх. 4

Естествено тук използвах потенциометър за регулиране на усилването със стойност 100 kΩ – стойността, с която се натоварва изхода на коректора и с която е направена симулацията. На следващата фигура представям две симулации на последните две схеми със стойности на потенциометрите 50 kΩ и 100 kΩ и промяна на стойностите на кондензаторите за високочестотното регулиране:

Графиката със зелен цвят е с потенциометри 50 kΩ, а с жълт цвят – 100 kΩ. Отличителната разлика е забележима в дълбочината на повдигането/подтискането на ниски честоти под 100 Hz. Оставям на вас да направите избора, а аз се ограничавам до използването на логаритмичните потенциометри със стойност 100 kΩ, които намерих.

Както отбелязах по-горе, за да се спазят напълно изискванията за входно и изходно натоварване на пасивния филтър, както и за да се предотврати опасността входния сигнал да бъде усилен твърде много от входното транзисторно стъпало, е по-добре то да бъде след филтъра. Ето една такава пълна принципна схема на тонкоректор, в която всички потенциометри са логаритмични и със стойност 100 kΩ:


Сх. 5

Ако за подбор на работната точка на Т4 не се използва резистора R16X, това може да стане с подбор на стойността на резистора R15.

Докато подготвях този материал за да покажа моята конструкция на пасивен тонрегулатор "Баксандал", попаднах на абсолютно същата схема в мрежата, но използвания в нея активен елемент беше операционен усилвател. Бих искал да ви я представя, тъй като операционния усилвател е лесно и бързо решение на изискванията към схемата, посочени в началото на статията:

В горната схема, активния елемент е операционен усилвател, чието усилване се определя с отношението на резисторите R2/R1, което очевидно е 22 пъти. Тоест, около два пъти над коефициента на затихване на пасивния филтър. Вероятно това е във връзка с друга част от схемата, която не е публикувана, но ако вие я използвате в този вариант, ще се наложи да замените резистора R2 със стойност 1 MΩ за да установите коефициент на усилване около 10 пъти, приблизително равен на коефициента на затихване. Може би от всичко, което представих до момента, на всички се изясни, че аз предпочитам компенсацията на затихването да се извършва след филтъра. Но ето една схема на тонкоректор с пасивен филтър "Баксандал", в която усилването е разпределено в две стъпала – входно и изходно и представлява интересно решение:

Тази схема на тонкоректор изпълнява всички изисквания, споменати в началото на статията. Тя е реализирана с операционен усилвател с изключително нисък шум NE5532, а общия коефициент на усилване от 10 пъти е разпределен по равно между входното и изходното стъпало, като всяко е с Ku ≈ 3,13 пъти (R2/R3 и R12/R13).

Но за реализация вече беше твърде късно – вече бях "изчертал" платката и бях дал поръчка за изработването й. Печатната платка, която предлагам, е така разработена, че върху нея могат да бъдат реализирани всички предложени схеми: 1, 2, 3, 4 и 5, като някои от връзките се осъществяват с мостчета върху нея, така че да не загрозяват монтажа. Монтажа на елементите извърших по реда, по който описах схемите в статията. Първо монтирах пасивния филтър с потенциометрите за регулиране по ниски и високи честоти и, естествено, направих измерване с генератор и осцилоскоп.

Установих, че съотношението на входното към изходното ниво на сигнала е десет пъти в полза на входното, тоест имаме затихване, което изразено в логаритмични единици е K = 20 . log(Ui/Uo), или К = 20 dB. Но ето това измерване:

А ето последователното насищане на платката, съгласно описаните по-горе принципни схеми – Схема 1 (пасивна част), Схема 2, Схема 5.

Какво показват резултатите от практическите измервания:

Измерванията на регулирането на амплитудно-честотната характеристика в нискочестотния обхват на честота F = 40 Hz при средно положение на потенциометъра и крайно дясно (максимална амплитуда) показват повдигане от седем пъти, или по формулата по-горе това съотношение се изразява като K = 20.log(7) = 20 x 0,884 = 17 dB. Същото измерване във високочестотната част на звуковия обхват, на честота 16 kHz дава следния резултат: K = 20 . log (8) = 20 x 0,9 = 18 dB.


Oбща тестова схема с карйното стъпало на ИС TDA1560
 
***

Част III: 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 kΩ, но това не е задължително. Други стандартни стойности, които често се използват за потенциометри са 47 (50) kΩ и по-рядко 22 kΩ, 220 kΩ, 250 kΩ, а в ламповите варианти 500 kΩ, 1 MΩ. 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 4,7µ - 10µ. 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 kΩ, 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 kΩ. 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 4,7 kΩ) може да се промени усилването и да се компенсира намаляването му от въздействието на делителя на потенциометъра за баланса. При стойност 1 kΩ 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]

***

Част VI: Тонкоректор Baxandall с операционни усилватели, пасивен тонкоректор

След като ви запознах с по-голямата част от моите експерименти с тонкоректори на Baxandall, като последната ми конструкция беше с пасивен филтър, но с транзисторни усилвателни стъпала, се насочих към поредния опит за изграждане на такъв, но с усилвателен елемент, изпълнен с операционен усилвател. Като си припомним изискванията относно входното и изходното съпротивление (пардон: импеданс) на пасивния филтър, се оказва, че тези условия са най-лесно изпълними с операционни усилватели, които съчетават в себе си високо входно и ниско изходно съпротивление до няколко десетки ома. Коефициента на усилване на операционния усилвател лесно може да се коригира с промяната само на един резистор в обратната връзка, а както стана ясно от предишните статии на тази тема, изборът на Ku = 10 се осъществява трудно с транзисторни стъпала.

Така стигнах до компилация от вече използвани активни стъпала, които изпълняват описаните условия. Като начало се спрях на принципна схема, в която запазих входното транзисторно стъпало, свързано по схема общ колектор или по-известно като емитерен повторител, което "натоварих" с пасивния филтър на Baxandall, а него, съответно, с операционен усилвател с коефициент на усилване, който може да бъде подбран по наше желание, но, разбира се не по-малко от 10-12 пъти за да преодолеем затихването на филтъра. Тази принципна схема придоби следния вид:


схема 1

Както се вижда от горната схема, взети са всички предпазни мерки срещу самовъзбуждане във входното стъпало, а режимът на транзистора в клас "А" е така подбран, че на емитера се получава постояннотоково напрежение от около 6-7 волта. От своя страна операционния усилвател е свързан по схема с изкуствена средна точка, определяща се чрез резисторния делител R10-R11, а усилването се определя от приблизителното отношение на резисторите R13/R12, което с избраните стойности е 11 пъти, тоест около 22 dB. За разлика от други принципни схеми на тонкоректори, които съм разглеждал в мои статии, в изхода на операционния усилвател съм свързал частично тонкомпенсиран регулатор на усилването с пасивната група C12-R16, а превключвателят S1 позволява включването или изключването й. Обръщам внимание, че използвания потенциометър за усилване е със "средна" точка - отвод на 10 kΩ.

За тези, които искат да изпробват и други възможности, предлагам, всъщност основата. На тази конструкция, тоест единствено пасивен тонкоректор, в който затихването се компенсира само с операционен усилвател и няма никакви други активни елементи. Но ето и тази принципна схема в "изчистен" вид:


схема 2

Една мааалко по-различна принципна схема на пасивния тонкоректор на Baxandall, в който местата на основния усилвателен елемент и емитерния повторител са разменени спрямо схема 1, но отново основните изисквания за натоварване по вход и изход на филтъра са спазени, ви представям на следващата схема. Това е схемата, която реализирах, измерих и изработих печатна платка, чийто графичен оригинал прилагам в края на статията. Тази печатна платка позволява да се реализират тонкоректорите от схема 2 и схема 3, като последната следва:


схема 3

Прави впечатление, че използвам еднополярно захранване, но с много кратка преработка, може да се използва и двуполярно захранване. За моите експериментални цели това не беше необходимо. Интересното в случая, че аз предлагам различни активни елементи - входно стъпало с операционен усилвател и изходно стъпало с транзистор по схема общ колектор за да подсигуря изискванията за натоварване на филтъра и тонкомпенсирания регулатор на усилването. Последния вече съм използвал и като първо входно стъпало в предишни схеми на тази тема. Искам да припомня, че пасивния филтър внася затихване, което трябва да бъде компенсирано, за да не се намалява значително изходния сигнал на тонкоректора и всъщност да стане неизползваем с мощно крайно стъпало. Това компенсиране се извършва чрез операционния усилвател. Неговия коефициент на усилване може приблизително да се изчисли въз основа на съотношението Ku~R5/R4. В случая той съответства на Ku = 10, който от своя страна е равно тойностен на Ku = 20.log10 = 20x1 = 20 dB. Това означава, че ако резистора R4 се замести със стойност 91 kΩ, ще достигнем необходимото усилване за компенсация на затихването на филтъра на Baxandall. Резистора R6 предпазва изхода на операционния усилвател от евентуално късо съединение по време на монтажа. Изхода на ОУ е натоварен със самия филтър, изпълнен по стандартна схема. И тук искам да припомня, че увеличаването на амплитудата в ниските и високите честоти на звуковия обхват се постига в горно положение на плъзгачите на потенциометрите. Надявам се, че на всички предназначението на емитерния повторител е ясно - неговото високо входно съпротивление се съгласува с филтъра, а изходното му ниско съпротивление, респективно с тонкомпенсирания регулатор на усилването. Работата на тези стъпала вече съм описвал в предишни мои конструкции, така че препоръчам на този, който за първи път попада на тази статия да прочете и другите статии на тази тема. Те имат свързан характер.

А сега няколко думи за печатната платка. Въпреки че горната схема е в моно-вариант, изпълнението на конструкцията е в стерео-вариант. Използвал съм двоен операционен усилвател в корпус DIP8. И въпреки това платката, която показвам, няма универсален характер, както в предишните статии. Причината е, че съм използвал фабрични потенциометри, част от които с дълги оси, а усилването с къса ос. Естествено, за да постигна една и съща геометрия за предния панел на усилвателя и една равнина за копчетата (врътките) на потенциометрите, съм ги разместил в дълбочина на печатната платка. Но в края на краищата, това са си моите потенциометри, които съм решил да използвам в моята си конструкция. Няма да ги хвърлям, нали? Интересното в тези потенциометри е, че те са стъпкови, с централна точка. Именно това ме въодушеви при използването им в тази конструкция. Примерно, всяка стъпка предлага регулиране през +/-6 dB. По принцип, обикновено аз не използвам скъпи елементи в моите конструкции, освен ако не се изисква да се обърне специално внимание на качеството им. В случая, така съм постъпил и с използваните операционни усилватели, като съм се водил от желанието да се намират лесно на пазара. Например такива са TL082 или NE5532, като и двете интегрални схеми представляват DIP8, два операционни усилвателя в един корпус. Може да се използват и двете, но аз препоръчвам втория поради по-малките собствени шумове.

А ето илюстрация на последователността при сглобяване на тонкоректора със следващите снимки:

А на следващите снимки представям тонкоректора, реализиран по Схема 2, като на първата е представен в близък план и за отбелязване, че използвания операционен усилвател е TL082, а на втората може да се види тонкоректора в тестов режим с измерване на амплитудите при 40Hz и 16kHz, като в случая снимката е направена при измерване на честота 16 000 Hz:


Това не означава, че ако някой от вас реши да реализира практически тонкоректора от схема 2 той няма да работи или ще има забележимо по-лошо звучене спрямо същия от схема 3. Както казах по-горе, схема 3 се роди като решение за спазване на входно-изходните харакеристики на пасивния филтър. Но ето сега следва и това конструктивно решение, а вдясно е реализацията на усилвател на мощност с интегралната схема TDA1560Q, която описах в друга статия:

Архив [zip,pcb][7kb]

И на края бих искал да отбележа, че използвайки методиката за измерване, която описах в предишна статия на тази тема, установих, че повдигането на нискочестотния сигнал за честота 40 Hz, респективно високочестотния за честота 16 000 Hz се оказа същото. Тоест, независимо от използваните активни елементи - транзистори или операционни усилватели, крайният резултат остана същия.

***

В края на част IV публикувах принципна схема на тонкоректор Baxandall с два операционни усилвателя, която не реализирах. Но с времето, чувството на неудовлетвореност и несвършена работа ме завладя и реших да експериментирам тази схема. Тя беше интересна с факта, че за разлика от всички други, които разгледах в моите статии със съсредоточено усилване само в едно стъпало, при тази усилването беше равномерно разпределено между входното и изходното стъпала. Ето така се стигна до "новото" начало начертах примерната принципна схема, след което се заех с трудната и досадна работа да направя печатна платка. Да, но този път платката конструирах така, че към нея да прилегнат различни потенциометри, с което придоби по-голяма универсалност.

Но ето част от потенциометрите, които могат да се използват с нея:

От снимката всеки от вас може да се досети, че различните потенциометри имат различни по дължина оси и разположение на изводите за печатен монтаж, а това е отразено на платката. Естествено това се определя от бъдещия преден панел на усилвателя и факта, че всички потенциометри трябва да бъдат наредени, примерно, в една линия, тоест, подравнени. Показаните потенциометри са използваните за регулиране на усилването и всички са с т.н. "средна" точка (center taped). Местоположението им по платката е съобразено с дължината на осите на потенциометрите за регулиране на ниските и високите честоти, които по-лесно се намират на пазара. Поради тази причина, ще забележите на печатната платка четири местоположения на потенциометъра за усилване в дълбочина, според конкретната дължина на оста на използвания потенциометър.

А сега предлагам да обърнете внимание на следващата принципна схема, която е осъществена практически на предложената платка. И след като я разгледате, обърнете внимание отново на печатната платка от страна "елементи" и ще ви направи впечатление, че те са подредени следвайки посоката на преминаване на сигнала, което спестява много проблеми при монтажа, един от който е възникването на положителни капацитивни обратни връзки между елементите, а това от своя страна води до самовъзбуждане:

Разбира се, взел съм и други популярни мерки за да избегна този неприятен феномен. Например, резисторите на входа и изхода на операционните усилватели, като вторият има и още една задача – да предпазва изходите им от късо съединение, разделно захранване през филтърните вериги R15-C14,C15 и R23-C22,C23, както и кондензатори от около 100-150pF в обратните връзки паралелно на резисторите R5 и R21. И въпреки, че кондензаторите на схемата не са видни, на печатната платка те са предвидени. Разбира се, зависи какви и колко качествени операционни усилватели се използват – за някои кондензаторите може да са излишни. Аз съм изпробвал тази схема с операционни усилвател TL072, TL082 и NE5532. Потенциометрите Р1 и Р2 са логаритмични, потенциометръра за усилване е освен логаритмичен и със средна точка, което позволява да се осъществи веригата за тонкомпенсация. Средната точка на показаните по-горе снимки са с отвод на около 15% от общата им стойност, тоест около 15к за посочената стойност, а при стойност на потенциометъра 50к е около 7.5к. Съобщавам тези стойности, тъй като стойностите на елементите на тонкомпенсацията се отасят за тях (не че някой ще забележи на слух някаква съществена разлика).

В предишната статия на тази тем аз публикувах опростена принципна схема на тонкоректор Baxandall с един операционен усилвател, но отбелязах, че печатната платка не е универсална както при други мои разработки поради спецификата на избраните потенциометри – тяхната геометрия беше съвсем различна от популярните. Този "проблем" с печатната платка, която прилагам към тази статия е отстранен. Затова нека да припомня спомената схема, тъй като при реализацията на посочената по-горе, то тя се явява част от нея:

Но ето от следващите снимки се вижда поетапната реализация на тонкоректора Baxandall, като част от нея е показната по-горе принципна схема с един операционен усилвател:

На следващите снимки е завършеният тонкоректор с два операционни усилвателя, който беше обекта на разглеждане в тази статия:

И на края – измерванията, които направих със сигнал - генератор и осцилоскоп:

Все пак е редно да отбележа, че така и не получих тонрегулиране по напрежение по-голямо от това което вече бях получил и измерил при предишните реализации на пасивен тонкоректор на Baxandall, независимо дали бях използвал усилвателен елемент транзистор или операционен усилвател. Изводът, който се налага е, че очевидно техническите данни, които сме срещали в литературата на тази тема остават същите, а именно: регулиране по ниски честоти на 40 Hz: +/-17dB и съответно по високи честоти на 16 kHz: +/-18 dB.

Архив [zip,spl7,pcb][15kb]

Литература:
1. Negative Feedback Tone By Peter James Baxandall, Wireless World, October 1952
2. Baxandall Tone Control Revisited by M. B. Thomas, Wireless World, September 1974
3. Designing And Building Audio Amplifiers, www.angelfire.com
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.

7. NE5532 [zip,pdf][872kb]
8. TL082 [zip,pdf][1,6mb]

Валери Терзиев
10 април 2014 година, 11 април 2014 година, доп. 2 декември 2014 година,
доп. 27 декември 2014 година, доп. 20 януари 2015 година, доп. 15 май 2022 година