Тонкомпенсированный регулятор громкости с активной бас-коррекцией

В статье описан регулятор громкости с тонкомпенсацией и активной бас-коррекцией. Устройство позволяет подобрать требуемую глубину коррекции АЧХ в соответствии с акустическими условиями помещения и чувствительностью конкретной акустической системы.

Известно, что с понижением среднего уровня громкости чувствительность человеческого уха в наибольшей степени падает к самым низким частотам (НЧ) звукового спектра. Для компенсации этой физиологической особенности слуха от звуковоспроизводящей аппаратуры требуется корректирующий подъем НЧ: при минимальной громкости (в зависимости от уровня шума в помещении) он должен достигать 25…40 дБ на частоте 50 Гц по отношению к частоте 2 кГц. Более того, согласно кривым равной громкости, крутизна подъема должна увеличиваться по мере понижения частоты: 6 дБ на октаву, начиная с частоты 250 Гц, и 12 дБ на октаву ниже 100 Гц [1].

Большинство известных схем тонкомпенсированных регуляторов громкости (ТКРГ), за исключением, может быть, самых сложных, не нашедших широкого применения, не обеспечивает требуемого закона и глубины коррекции. В наиболее распространенных ТКРГ с имеющим отвод переменным резистором (или без отводов) [2] глубина коррекции НЧ не более 15 дБ, причем ее крутизна на частотах ниже 100 Гц уменьшается.

Для примера на рис. 1 показаны типичные АЧХ пассивного ТКРГ на переменном резисторе без отводов [2]. Видно, что корректирующий подъем на частоте 50 Гц при коэффициенте передачи регулятора -40 дБ равен 13дБ, крутизна ниже 100 Гц не превышает 3 дБ на октаву, что совершенно недостаточно. Близкие характеристики имеют и ТКРГ на резисторе с одним отводом.

При эксплуатации подобные регуляторы создают неприятный эффект: при снижении громкости теряется глубина звука и появляется склонность к «бубнению». Попытки увеличить степень коррекции на самых низких частотах добавлением RC-цепи в разрыв общего провода переменного резистора приводят к сужению диапазона регулирования громкости. Громкость в этом случае не уменьшается до нуля, что очень неудобно на практике.

Еще одним недостатком упомянутых устройств можно назвать неверное изменение коррекции по мере регулирования громкости. Заметная коррекция АЧХ нередко возникает при среднем положении регулятора, когда фактическая громкость (чувствительность) еще высока. В результате нарушается тональный баланс в наиболее часто используемой области средней громкости звучания.

К сожалению, все перечисленные недостатки свойственны и электронным ТКРГ, выполненным на специализированных микросхемах. На рис. 2 изображены АЧХ весьма сложного регулятора ТС9235 фирмы Toshiba, имеющего малый уровень шумов (менее 2 мкВ) и нелинейных искажений (менее 0,01 %), многоступенчатую цифровую регулировку громкости, удобное кнопочное управление и т. п. [3]. При всем этом регулятор обеспечивает тонкоррекцию ничуть не лучше рассмотренных уже ТКРГ.

В бытовых устройствах звуковоспроизведения область частот ниже 100 Гц считается «проблемной» и для оконечных звеньев тракта. Так, малогабаритная акустическая система редко имеет нижнюю граничную частоту менее 50…60 Гц по уровню -3 дБ. Обычно спад звукового давления начинается уже с частоты 100 Гц. Иногда для его компенсации применяют высокодобротные эквалайзеры или специальные бас-корректоры на основе фильтров высокого порядка. Но при этом приходится учитывать ограниченную перегрузочную способность УМЗЧ на низких частотах и уменьшать степень коррекции одновременно с увеличением громкости. Подача на динамические головки сигналов ниже резонансной частоты приводит только к росту искажений.

В настоящее время существуют специальные автокорректоры баса (X-Bass и др.), динамически формирующие АЧХ с учетом всех перечисленных факторов. Но они чаще всего представляют собой закрытые «фирменные» разработки, выполненные на специализированных микросхемах без маркировки [4].

Предлагаемое устройство решает указанные проблемы более простым способом. При его разработке использованы новые схемотехнические решения, полученные компьютерным моделированием в Micro-Cap 7.1.0 с последующей проверкой на макете. В результате удалось создать простое устройство, удачно сочетающее собственно ТКРГ с бас-корректором, который «достраивает» АЧХ в области частот менее 100 Гц и регулирует ее ход в зависимости от положения регулятора громкости.

Принципиальная схема устройства (один канал) представлена на рис. 3. Оно состоит из пассивного ТКРГ и активного бас-корректора, собранного на микросхеме DA1, Обе части объединены в единое целое так, что недостатки пассивного регулятора устраняются активной частью устройства.

Пассивный ТКРГ выполнен на элементах R1— R4, С1, С2 по известной схеме (см. рис. 1) в упрощенном варианте. Фильтр R3R4C1C2 понижает средние частоты в зависимости от положения движка регулятора R2. Параметры фильтра выбраны так, чтобы обеспечить максимально возможный подъем по НЧ. Коррекция по ВЧ никаких проблем не представляет и задается емкостью конденсатора С1.

С выхода пассивного ТКРГ через цепь C3R6 сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ DA1.1, который усиливает сигнал (до 14 дБ) и формирует АЧХ двумя цепями ООС. Первая — через резистор R5, элементы ТКРГ, включая регулятор громкости R2, и входную цепочку C3.R6; вторая — через Т-образное звено R7 — R10 и микросхему DA1.2 с сопутствующими элементами.

На микросхеме DA1.2 собран гиратор, имитирующий катушку индуктивности. Совместно с конденсатором С5 он образует колебательный контур с частотой резонанса 45…50 Гц. На этой частоте сигнал ООС ослаблен в максимальной степени и формируется горб частотной характеристики ОУ DA1.1. При этом крутизна АЧХ ниже 100 Гц достигает 10 дБ на октаву, а общий подъем (регулируемый) на частоте 45 Гц равен +27 дБ относительно частоты 2 кГц при положении регулятора громкости — 41 дБ (рис. 4). Эти параметры близки к необходимым значениям характеристик равной громкости.

Ограничение амплитуды сигналов с частотами ниже резонансной АС образуется в устройстве за счет естественного ската резонансной кривой аналога LC-контура на DA1.2 и двух ФВЧ: C3R6 и C6Rвх, где Rbx — входное сопротивление последующего за регулятором каскада. Для этого регулятора эквивалентное сопротивление нагрузки принято равным 100 кОм, для другого входного сопротивления емкость С6 следует пересчитать так, чтобы постоянная времени C6Rbx не изменилась.

Вторая ООС — через резистор R5 — также частотно-зависимая, так как в нее входит фильтр, образованный резисторами R3, R5 и конденсатором С2. Такая компенсирующая ООС была предложена автором в статье [5], где подробно описан и принцип ее действия. Результат сводится к дополнительному спрямлению низкочастотной ветви АЧХ по мере увеличения громкости. Тем самым достигается требуемая коррекция при переходе от малой к средней громкости (рис. 4), а не от средней к большой (см. рис. 1,2). Более того, выбором соответствующей глубины ООС можно устранить перегрузку УМЗЧ при уровнях громкости, близких к максимальным, подобно динамическим бас-корректорам.

Эффективность ООС через резистор R5 проиллюстрирована смоделированными АЧХ (рис. 5). Кривые рассчитаны для варианта с ООС (R5 = 12 кОм) и без нее (R5 = 1 МОм). Как видно по графикам, ООС действует избирательно и ослаблены только НЧ. При положении регулятора громкости -20 дБ ослабление невелико — около 7 дБ, а при максимальном коэффициенте передачи оно доходит до 26 дБ. При этом ООС полностью сглаживает пик бас-коррекции, выравнивая АЧХ. Без этого УМЗЧ перегружался бы уже при среднем положении ТКРГ и пришлось бы выполнять ручные манипуляции регулятором тембра НЧ.

В правом по схеме положении движка резистора R9 и верхнем резистора R13 регулятор при указанных на схеме номиналах имеет характеристики, изображенные на рис. 4. Однако возможна широкая вариация вида АЧХ: подстроечным резистором R9 можно регулировать глубину бас-коррекции в интервале 0…+6 дБ (рис. 6). Диапазон указан при средней громкости звучания; при ве уменьшении он увеличивается, при увеличении — уменьшается, т.е. устройство адаптивно подстраивает глубину регулировки в соответствии с кривыми равной громкости и перегрузочными возможностями УМЗЧ.

При желании переменный резистор R9 можно вывести на лицевую панель и использовать как регулятор тембра НЧ. Его преимущество заключается в том, что, в отличие от мостовых и прочих RC-регуляторов, он регулирует именно бас, а не всю полосу частот до 1000 Гц. Для плавности изменения тембра нужен переменный резистор с кривой регулирования типа Б.

Высокое качество регулятора в целом обусловлено глубокой ООС, отсутствием оксидных конденсаторов и применением микросхемы TL074. Ее четыре ОУ характеризуются чрезвычайно низким коэффициентом гармоник (Kг ≈ 0,003 %) и хорошими шумовыми характеристиками (еш= 15 нВ/√Гц). Благодаря этому устройство может быть использовано как предусилитель с коэффициентом усиления до 14 дБ, достаточным, например, для компенсации потерь в пассивном регуляторе тембра. В противном случае коэффициент усиления можно уменьшить до единицы и менее подстроечным резистором R13, что пропорционально снизит и уровень шума.

Как и для всех ТКРГ, точность тонкомпенсации зависит от коэффициента передачи звукового тракта. Его можно регулировать упомянутым подстроечным резистором R13 или другим, имеющимся в тракте. Следует только учитывать распределение коэффициента усиления и шумовых свойств звеньев тракта. Изменяя уровень сигнала, подбором резистора R5 добиваются сохранения тонального баланса во всем диапазоне регулирования громкости. Если УМЗЧ перегружается при максимальной громкости, следует уменьшить номинал резистора R5 по субъективному ощущению содержания басов и их искажений. Другие возможности настройки заключаются в смещении резонансного пика бас-коррекции подбором резисторов R11, R12 под конкретную АС. Глубину басов регулируют резистором R9, как описано выше.

В самых высококачественных трактах замена ОУ TL074 возможна на NE5534A. Однако в более простых случаях вполне можно применить ОУ К157УД2А с соответствующими цепями коррекции. При этом коэффициент гармоник возрастает примерно на порядок, а уровень собственных шумов при единичном коэффициенте передачи будет не хуже -80 дБ.

В остальном регулятор собран на обычных деталях: резисторы МЛТ-0,125, малогабаритные конденсаторы КМ. В качестве регулятора R2 применен импортный малогабаритный сдвоенный переменный резистор номинала 50 кОм (характеристика регулирования типа В). Наличие в устройстве резисторов R3, R4, подключенных параллельно верхней по схеме секции R2, позволяет применить переменный резистор с линейной характеристикой регулирования (типа А), однако в этом случае неизбежен начальный скачок громкости при дальнейшем плавном регулировании.

Экспериментальная проверка и субъективное прослушивание подтвердили высокое качество регулятора. Отклонение реальных АЧХ от моделированных не превысило нескольких децибел. Уровень собственных шумов регулятора при единичном усилении оказался ниже границы слышимости. Работа регулятора характеризуется правильным тональным балансом при любой громкости, сохранением «глубокого» баса при минимальной громкости и отсутствием перегрузки УМЗЧ при уровнях громкости, близких к максимальным. Во многих случаях возможно вообще отказаться от использования обычного регулятора тембра и использовать только корректор баса.

Печатная плата

Автор: А. ПАХОМОВ
Источник: Журнал Радио №6 2003 год.


Ответить