Проектирование и расчёт активных разделительных фильтров
(кроссоверов) для многополосного усилителя мощности
Схема и онлайн калькулятор номиналов элементов фильтров в составе двух —
трёхполосных УМЗЧ.
Что бы там ни говорили, но многополосные акустические системы с пассивными разделительными фильтрами обладают рядом недостатков! Включение таких кроссоверов между выходом усилителя и громкоговорителями, с одной стороны, приводит к заметному ухудшению параметра электрического демпфирования подвижной части излучателей, с другой — является причиной возникновения фазовых искажений, влияющих на форму выходного сигнала, особенно вблизи частот раздела фильтра.
Никуда не деться и от потери мощности в пассивном фильтре, и от сложности согласования по звуковому давлению каждой головки громкоговорителя при помощи резистивных делителей (дополнительно снижающих КПД системы), и от необходимости установки крупногабаритных катушек индуктивности, конденсаторов большой ёмкости, и т. д. и т. п.
Одним из эффективных средств улучшения качества звуковоспроизведения является применение нескольких полосовых УМЗЧ с активными разделительными фильтрами на входах. Такое построение называется многополосной усилительной системой.
На самом деле, разработать активные фильтры, исходя из: 1) требуемого подавления внеполосных частот, 2) идеального согласования на частотах раздела, 3) плоской суммарной АЧХ, 4) приемлемых импульсных характеристик — это дело не такое уж и простое. Поэтому давайте-ка не будем сильно морщить лоб и изобретать ничего лишнего, а обратимся к статье Рода Эллиотта (Rod Elliott) — человека далеко не самого последнего в области звукотехники. Вот что он пишет на своём сайте https://sound-au.com:
2/3-полосный электронный кроссовер Linkwitz-Riley с крутизной подавления 24 дБ/октава.
Представленные здесь фильтры Линквица-Райли имеют отличное фазовое согласование без пиков или провалов на частотах раздела. Конструкция адаптируется к двух, трёх или даже четырёх-полосным акустическим системам. С момента публикации проект стал очень популярным, и эта популярность сохраняется и по сей день.
1. Двухполосный кроссовер Linkwitz Riley
На рисунке Рис.1 показана стерео версия двухполосного кроссовера с двумя идентичными секциями фильтров. С приведёнными значениями компонентов они имеют частоту раздела кроссовера 310 Гц. Это устройство обеспечивает плоскую амплитудно-частотную характеристику, при этом сигналы от обоих каналов всегда остаются в одной фазе. Частота раздела может быть выбрана любой другой величины в пределах звукового диапазона. Частота среза ФВЧ (зелёный фон) и ФНЧ (розовый фон) должны совпадать. Связано это с тем, что коэффициент передачи у фильтра Линквица-Райли составляет 0,5 раз по напряжению или -6дБ, в отличие от фильтра Баттерворта с его -3дБ.
Рис.1 Стереоверсия двухполосного активного кроссовера
При использовании электронного кроссовера, для выравнивания звукового давления, излучаемого НЧ и ВЧ динамиками, может потребоваться регулировка уровней сигналов на выходе каждой из полос. Буферы (Рис.2), подключаются к выходу каждого из фильтров и имеют регулируемый коэффициент усиления 0. 2.
Рис.2 Буферный каскад — по одному на каждый выход кроссовера
Формулы для расчёта частотозадающих элементов фильтров Линквица-Райли приведены ниже:
R = 1 / (2 × π × 1,414 × f × C) ;
C = 1 / (2 × π × 1,414 × f × R) ;
f = 1 / (2 × π × 1,414 × R × C) .
На основании этих формул можно выполнить простенький калькулятор:
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КРОСОВЕРА ДЛЯ ДВУХПОЛОСНОЙ АКУСТИКИ
Обратите внимание на то, что на схеме помимо резисторов и конденсаторов рассчитанных значений используются и элементы удвоенных номиналов. Самый простой способ получить значение ёмкости «2C» — это использовать параллельное соединение двух конденсаторов, каждый из которых имеет значение номинала «C».
2. Трёхполосный кроссовер Linkwitz Riley
На Рис.3 показана реализация кроссовера с 3 полосами. Это устройство даёт отличные результаты с хорошим фазовым согласованием и равномерным импульсным откликом во всей полосе частот.
Рис.3 Схема кроссовера для трёхполосной активной акустики
Разумеется, что частоты сопряжения фильтров можно изменять в соответствии с параметрами применяемых громкоговорителей. Единственное, на что следует обратить внимание — это то, что ФВЧ и верхняя часть полосового фильтра (Рис.3, зелёный фон) должны рассчитываться на одну частоту, равную частоте среза ФВЧ, а нижняя часть полосового фильтра и ФНЧ (розовый фон) — на частоту, равную частоте среза ФНЧ. Произведём расчёт элементов и для данной схемы.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КРОСОВЕРА ДЛЯ ТРЁХПОЛОСНОЙ АКУСТИКИ
Значения номиналов используемых резисторов и конденсаторов должны иметь точность — не менее 2% по отношению к расчётным.
Избегайте использования конденсаторов меньше 2,2 нФ или больше 470 нФ. Номиналы резисторов должны находиться в диапазоне: от 2,2 до 22 кОм.
Следует обратить внимание на то, что вход фильтра нижних частот подключён не к выходу входного буфера, а к выходу ФНЧ, входящего в состав полосового фильтра. Это сделано для того, чтобы получить наилучший результат при согласовании фазовых сдвигов частотных каналов.
Поскольку все операционные усилители работают в составе каскадов с единичным усилением, использование здесь ОУ премиум-класса не столь важно, поэтому микросхемы типа TL072 будут здесь вполне пригодны. Однако я настоятельно рекомендую вам найти что-нибудь «получше», предварительно убедившись, что выбранный тип ОУ пригоден для единичного усиления (это не всегда так, особенно для микросхем, требующих внешней компенсации).
Для питания кроссовера был использован источник питания ± 15 В.
Источник
Активный кроссовер с фильтрами
Данный предварительный усилитель предназначен для применения в профессиональных двуполосных усилителях для студийной акустики. В состав входят: Двуполосный кроссовер с частотой среза 2000Гц, Корректор Линквица, Сабсоник (фильтр инфранизких частот), схема задержки по ВЧ части для реализации настройки TimeAligh. Так-же имеется буферный каскад по входу реализующий обычное или балансное включение и 3 регулятора уровня: ВЧ по входу тракта и ВЧ и НЧ по выходу.
Схема:
Корректор Линквица
Корректор Линквица исправляет падение АЧХ в нижнем диапазоне, которое обычно образуется в корпусах типа Закрытый Ящик. На графике ниже показана его работа.
Он реализован на IC1.2. При данных элентах расчетная частота коррекции начинается ниже 55Гц.
Сабсоник
Сабсоник или фильтр инфранизких частот срезает частоту нижен определенной. Это необходимо для предотвращения хрипов и перегрузок на динамике при слишком низкой частоте, нормально воспроизвести которую он не в состоянии.
Реализован на IC1.3. Идет сразу за Корректором Линквица, Корректор исправляет АЧХ, а Сабсоник ее обрезает, в итоге получаем наиболее возможно ровную АЧХ.
Кроссоверы
Кроссоверы реализованы по типу Линквица-Райли с ослабением 24Дб на октаву. Частота раздела составляет 2000Гц. Реализован на IC1.4 IC2.1 для НЧ части и IC2.2 IC2.3 для ВЧ части.
Схема задержки
На IC2.4 реализована схема задержки на 60мс. Она необходима для подстройки TimeAligh избегая физического разноса.
Регуляция уровней
Для удобства настройки в схему введены 3 подстроечных резистора, необходимых для простой регуляции уровней по выходу НЧ и ВЧ.
Детали:
IC1 и IC2 идентичны, в качестве них можно применить OPA4134 или TL074 в корпусе DIP. Конденсаторы пленочные. В шунте и по входу электролиты на 16В и 50В соответственно. Все резисторы мощностью 0.25Вт. Печатная плата в формате Sprint-Layout прилагается.
Печатная плата выполнена методом плоттерной аппликации:
После травления в 30 процентной соляной кислоте:
Источник
Активный кроссовер на фильтрах с конечной импульсной характеристикой
Пассивные LCR-разделительные фильтры (кроссоверы), применяемые в большинстве многополосных акустических систем низкой и средней ценовой категории, не всегда корректно выполняют свои функции.
Ведь применямые в них компоненты должны пропускать большую мощность. А это накладывает ограничения на сложность фильтров, их точность и линейность. В системах High-End все чаще применяют активные маломощные кроссоверы, нагружаемые на индивидуальные для каждого динамика УМЗЧ («активные» многополосные акустические системы).
При этом появляется возможность применить прецизионные маломощные компоненты и специальные схемотехнические решения (основанные на активных элементах), обеспечивающие лучшие фильтрующие свойства при меньших фазовых и временных искажениях.
На рис. 1.15 показана схема активного кроссовера Билла Хардмана. В этой схеме привычные активные ФНЧ и ФВЧ Баттерворта второго порядка с частотой среза 1,5 кГц (крайние справа ОУ) дополнены менее известными фильтрами Бэйнтера (три левых ОУ).
Эти фильтры формируют нули передаточной функции и тем самым резко улучшают селективность как ФНЧ (на выходе Low-pass output), так и ФВЧ (High-pass output).
Рис. 1.15. Схема активного кроссовера Билла Хардмана
Рис. 1.16. Схема фильтра с конечной импульсной характеристикой
Эквивалентная крутизна среза АЧХ становится сравнимой с обычными фильтрами 6—8 порядка. Но, в то же время, фильтры Бэйнтера не нарушают линейности ФЧХ и ГВЗ, т. е. дополнительно не «жуют» звук.
Проверка кроссовера осуществлялась:
- и программой HSPS Filter Designer (www.dialspace. dial.pipex.com/hsps/);
- и на практике в самодельной полочной (bookshelf) АС на основе НЧ динамика Morel MW 142 и ВЧ MDT29.
Эти проверки подтвердили отличные характеристики:
- суммарная АЧХ имеет неравномерность менее 1 ДБ;
- крутизна спада сразу за граничной частотой соответствует обычным фильтрам 8-го порядка.
Герд Шмидт предлагает для построения активных кроссоверов применять т. н. фильтры с конечной импульсной характеристикой (FIR — Finite Inpulse Response). Они имеют линейную ФЧХ и постоянное ГВЗ независимо от других характеристик.
Рис. 1.17. Частотные характеристики фильтров: а—АЧХ ФВЧ; б — ФНЧ; в — комбинорованный вариант
Практическая реализация (рис. 1.16) в зависимости от сопротивления R1—R4 может быть оптимизирована по разным критериям — максимальной крутизны АЧХ ФВЧ (рис. 1.17, а), ФНЧ (рис. 1.17, б) или и той, и другой, но не гладкой АЧХ ФНЧ (рис. 1.17, в).
Достоинством схемы (рис. 1.16) является автоматическое согласование частот среза ФНЧ (Ѵір) и ФВЧ (Vhp), а также возможность их изменения простым изменением емкости конденсаторов в цепях неинвертирующих входов всех ОУ.
Источник: Сухов Н. Е. — Лучшие конструкции УНЧ и сабвуферов своими руками.
Источник
Тема: Активные кроссоверы с пассивной коррекцией
Опции темы
Активные кроссоверы с пассивной коррекцией
Добрый день всем!
Предлагается обсудить создание активных кроссоверов без использования частотно-зависимой обратной связи. Так, как это давно и успешно делается для винил-корректоров.
В отличие от винил-корректоров, активному кроссоверу усиление по напряжению необязательно. Поэтому такой кроссовер может состоять из буферов, между которыми включены пассивные RC-фильтры. Простейший вариант — последоваетльность буферов с RС-цепочками между ними.
Более «креативный» вариант (меньше нелинейных элементов) я нашел на просторах интернета, к сожалению многие эту схему приводят, но никто не ссылается на автора и источник:
Здесь в качестве буферов выступают катодные повторители. Между двумя повторителями включены три RC-цепочки с последовательным увеличением сопротивления на порядок. Преимущество — всего два буфера в каждом фильтре. Недостаток — третий порядок фильтров. Я решил ограничиться вторым, чтобы можно было включать динамики в противофазе.
Добавил на входе усилитель напряжения с коэффициентом примерно три ( с оос по переменному напряжению в каскаде с общим катодом, иногда такую схему называют анодный повторитель). Иногда полезно с учетом разных источников сигнала и разного уровня на разных фонограммах.
Добавил полностью микросхемный фильтр второго порядка для сабвуфера.
Получилась такая схема , собрана в железе
Реально по сравнению с этой схемой добавлены только регуляторы уровня: плавный на двойном потенциометре после первого каскада и дискретные 0-20Дб поканально.
Сравнивалась со стандартной схемой на ОУ AD825 и OPA2134 (фильтры Саллена-Ки).
Ламповая схема с пассивной фильтрацией явно лучше. Больше деталей в тихих послезвучиях на фоне других звуков. Очень заметно на оперной музыке. Сейчас нельзя сказать, фокус в пассивной фильтрации или в лампах. Планирую продолжить эксперименты и сделать кроссовер на транзисторных буферах в пассивной фильтрацией.* Понятно, что воспроизводить на лампах идею Саллена-Ки (с частотно-зависимой ООС) сейчас вряд ли имеет смысл. Но можно на полупроводниковой базе применить пассивную фильтрацию. Это я и планировал сделать, но отпуск закончился, когда сделаю, пока не знаю.
Готов предложить прослушивание минчанам у меня дома, либо могу предоставить в Минске кроссовер, собранный для тестов в своих трактах. Раздел на 240 Гц фиксированный, частота среза саба регулируется. Фаза саба переключается на 180 градусов тумблером. Устройство имеет нормальный корпус (с точки зрения техники безопасности) со всеми разъемами и тп (пока без верхней крышки).
Мой тракт год-два назад слушали участники форума GALEX, МЕДАН, FAGOS. Сразу скажу, что с тех пор он претерпел три витка модернизации: появление полноценного фильтра для сабвуфера, переход в трехполосной системе к активному делению НЧ и СЧВЧ, затем замену микросхемного кроссовера на ламповый с пассивной фильтрацией. Все улучшения весьма хорошо слышимы.
Мой тракт сейчас такой.
Источник — цифровой выход CD-проигрывателя — NOS на PCM58 — выхлоп Рогова в версии Serg138 из Гомеля (входные цепи AD844, пассивный фильтр, широкополосный буфер) — активный кроссовер ,
далее выше 240 ГЦ ламповый однотактник 6Н8С-КТ88, ниже 240 Гц гибридник 6Н30П-Параллельный УТ, сабвуфер — TDA7293.
Акустич системы: СЧВЧ — коаксиал 8 люймов Танной с пассивной фильтрацией между СЧ и ВЧ, НЧ — 8-дюймовый Hertz с частотой резонанса 40Гц в оформлении mass-loaded transmission line, сабвуфер — 12 дюймов Кенвуд в ЗЯ, резонансная частота 25 Гц.
Таким образом, после ЦАПа выше 240 Гц работают только лампы (четыре триода и тетрод от ЦАПа до динамиков), ниже 240 Гц — лампы плюс транзисторы (четыре триода плюс четыре транзистора), ниже 40-80 Гц (регулируется ) только микросхемы. Во всем тракте после микросхемы ЦАП, кроме сабвуферного канала, начиная с преобразователя ток-напряжения и послецапового фильтра, отсутствуют частотно-зависимые обратные связи в пределах звукового диапазона, причем существующие цепи ООС охватывают только один каскад. Такая конфигурация выбрана целенаправленно.
Смысл этой темы:
— во-первых, сообщить что ламповый фильтр с пассивной фильтрацией , похожий по устройству на распространенные винил-корректоры, очень здорово звучит в трехполосных акустических системах;
— во-вторых, обсудить в целом идею пассивной фильтрации в активных кроссоверах безотносительно к элементной базе (лампы, транзисторы, микросхемы).
Думаю, многим может показаться интересным. И очень интересно будет услышать о подобных экспериментах других участников форума.
Еще замечу в скобках, что у аудиолюбителей обычно накапливаются усилители, и вместо того, чтобы их держать на полках, можно использовать многополосное усиление. Возможно, СЧВЧ-тракт полностью на лампах — лучшее, что можно сделать с лампами в аудио, канал сабвуфера полупроводниковый, уже многие это поняли, ну а НЧ канал получился у меня гибридный. Можно, конечно и иначе делать. СЧВЧ гибридник, остальное полупроводники. Что-то внутри мне подсказывает, что в полностью полупроводниковом тракте активный фильтр на лампах не добавит качества.
——————
* Сделал. На буферах LH0002 с пассивной коррекцией. См. пост №17. Звучит замечательно. Уверен, что в слепом тесте я не отличу от лампового. НО также уверен что в слепом тесте рез-ты будут следующие:
ламповая схема из шапки и схема из поста 17 на интегральных буферах (обе с пассивной коррекцией) звучат примерно одинаково и намного лучше схемы на OPA627, AD825 типа Саллена-Ки (Баттервот).
Схема на лампах становится похожей на схему на ОУ, если в первом каскаде ставил лампу 6Н1П, 6Н23П, ЕСС88 (Tesla). Слышно все по-прежнему, но исчезает атмосфера зала, мягкая объемность звука, тонкость, деликатность послезвучий на фоне основных звуков других инструментов.
Последний раз редактировалось Сергей Гапоненко; 14.08.2020 в 18:11 .
Источник
