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.
