Впрактических схемах операционный усилитель охватывается отрицательной обратной связью (ООС). Вследствие сдвига фаз между входным и выходным сигналом ОУ (с увеличением частоты в многокаскадном усилителе этот сдвиг фаз увеличивается) на некоторых частотах обратная связь может стать положительной. Если на этих частотах коэффициент усиления усилителя больше единицы, то на выходе схемы возникают автоколебания. Для исключения возникновения этих колебаний (самовозбуждения ОУ) используются цепи частотной коррекции.

Рассмотрим усилитель, охваченный ООС по напряжению (рис. 8.7). Положим, что в схеме используется трехкаскадный ОУ. Определим его коэффициент усиления. Будем считать передаточную характеристику ОУ идеальной, т. е. U вых =К о U вх . Тогда

где - коэффициент (глубина) обратной связи. Отсюда:

.

Здесь К=К 0 /(1+  К 0 ) - коэффициент усиления усилителя с замкнутой петлей ООС. Если значение Ко велико, то

и
,

т. е. Практически не зависит от коэффициента усиления ОУ.

Обратимся теперь к рис. 8.7, б, в. На оси частот отмечена частота f пр , на которой сдвиг фаз между выходным и входным сигналом достигает 180°. Нетрудно теперь из графика определить наличие условий возбуждения в схеме. Если линия К*= 1/ пересекает АЧХ в точке, соответствующей частоте, большей f пр , то в схеме будут возникать ложные колебания. В этом случае сдвиг фаз по цепи обратной связи достигает величины, большей 360°. Следовательно, глубина отрицательной обратной связи усилителя ограничивается условием устойчивости ОУ. На рис. 8.7, б указаны пределы изменения возможного коэффициента усиления усилителя, при которых ОУ не возбуждается (область1).

Наиболее часто используемое на практике требование обеспечения устойчивости схемы, соответствующее максимально возможному запасу фазы в петле ООС (при принятой аппроксимации фазы на частоте f ср2 - 90°, в действительности 45°), заключается в следующем: прямая К*= 1/ (дБ) должна пересекать отрезок АЧХ с наклоном в 20 дБ/дек. В ряде случаев может оказаться достаточным и меньший запас по фазе на самовозбуждение, поэтому в усилителях с ООС удается использовать часть участка с наклоном 40 дБ/дек.

Е
сли требуется реализовать усилитель с ООС, для которого не удовлетворяется сформулированный критерий устойчивости, то в ОУ необходимо ввести цепи частотной коррекции. Последние должны в простейшем случае изменить АЧХ ОУ так, чтобы удовлетворялся критерий устойчивости для требуемогоК* . Если цепи коррекции выбраны таким образом, что наклон результирующей АЧХ ОУ составляет 20 дБ/дек и она проходит через точку частоты единичного усиления f T , то усилитель имеет полностью скорректированную частотную характеристику, которую называют оптимальной.

Рассмотрим некоторые цепи коррекции. Широкое распространение получила корректирующая цепочка дифференцирующего типа (коррекция на опережение по фазе) (рис. 8.8). Особенность АЧХ этой цепи - ее подъем в диапазоне частот от f 4 до f 5 со скоростью 20 дБ/дек.

Роль R1 обычно выполняет одно из внутренних сопротивлений ОУ. Часто и R1 реализуется внутри ОУ. Поэтому коррекция такого типа сводится лишь к подключению конденсатора С1 (иногда и R2 ) к соответствующим выводам.

Корректирующая цепочка интегрирующего тип
а (коррекция на отставание по фазе) приведена на рис. 8.9. АЧХ этой цепи по Боде в диапазоне частот отf 6 до f 7 падает со скоростью -20 дБ/дек. Роль сопротивления R3 играет, как правило, выходное сопротивление корректирующего каскада. Поэтому коррекция интегрирующего типа на практике сводится к подключению цепи R4С2.

К
ак же используются рассмотренные цепочки для коррекции двухкаскадных усилителей? На рис. 8.10 приведена исходная АЧХ двухкаскадного усилителя, частотные характеристики (кривые1 ’ , 2 ’ , 8 ’ ) используемых корректирующих цепочек (для них К< 0) и соответствующие скорректированные АЧХ (кривые 1, 2, 3). Из рисунка видно, что корректирующая цепочка дифференцирующего типа позволяет выполнить как частичную, так и оптимальную коррекцию АЧХ, при которой спад АЧХ во всей полосе частот ОУ составляет - 20 дБ/дек (кривая 2 на рис. 8.10, б ).

На практике для коррекции АЧХ ОУ применяется и ряд других цепочек. Важно отметить, что для каждого конкретного усилителя в справочных пособиях рекомендуется свой набор RС-цепочек, подключаемых к специальным выводам (высокоомным точкам схемы). Эти точки выбираются с таким расчетом, чтобы номиналы элементов цепи коррекции оказались небольшими. АЧХ современных двухкаскадных усилителей корректируются с помощью одной внешней цепи коррекции, трехкаскадных - как правило, с помощью двух цепей.

Ряд ОУ имеет встроенные цепи частотной коррекции, реализованные чаще всего на основе МОП-конденсаторов, формируемых в кристалле одновременно с другими элементами усилителя. Такие усилители сохраняют устойчивость независимо от величины обратной связи, что является их несомненным достоинством. (Упрощается проектирование схем на их основе). Однако ОУ с внутренней коррекцией имеют ограниченную полосу пропускания и, следовательно, не позволяют в полной мере использовать динамические свойства усилителя для К* >>1 (в них частотная коррекция выполнена для наихудшего случая, т.е. для К*= 1).

Практически любую аудиосистему можно заставить играть лучше. И это то, чем я люблю заниматься, неважно, стереофоническая система или мультиканальная, для музыки она создана или для кино. Основные принципы улучшения звука - тщательные поиски «узких» мест. Все знают, что компоненты должны соответствовать друг другу, но часто забывают, что при инсталляции могут быть допущены ошибки.

Для поиска проблем следует использовать специальные измерительные приборы или программные продукты - REW, ARTA и другие. Благо их достаточно на рынке - созданных энтузиастами и распространяющихся бесплатно. Я обычно работаю с программой REW и USB-микрофоном Umic-1 или использую румкорректор-кроссовер Trinnov ST2 из своей домашней стереосистемы. Последний удобен тем, что показывает результаты наглядными графиками и позволяет проконтролировать не только стандартные характеристики (АЧХ и ФЧХ), но и так называемые «безэховые» измерения АЧХ, импульсную характеристику, групповое время задержки и время отклика комнаты в зависимости от частоты. Изучение и сопоставление полученных данных помогают определить дефекты системы и наметить пути ее улучшения.

Влияние комнаты

Начать, пожалуй, следует с показательного графика, на котором совмещены кривые АЧХ системы с учетом отклика комнаты (сиреневый цвет) и т.н. «безэховые» измерения, где влияние комнаты максимально отброшено из рассмотрения. Прошу обратить внимание, что цена деления - 5 дБ, и средняя разница между АЧХ прямого звука и общей АЧХ составляет примерно 6 дБ по НЧ/СЧ диапазону - это и есть влияние комнаты на звук. Т.е. данное помещение практически удваивает звуковое давление от АС, причем делает это с некоторой задержкой. Комната для рассмотрения выбрана стандартная: 24 кв.м., ковер на полу, мягкий диван, пара кресел, пенополистороловые плиты на потолке - вот и все звукопоглощение.

Вот как отклик этой же комнаты (реакция на импульс) выглядит во времени:

Здесь показана реакция комнаты на одиночный импульс. Когда музыка закончилась, комната продолжает играть сама по себе. График показывает, что затухание звука в басах происходит более чем 0,6 секунды!

В итоге становится ясно, что комната влияет на звучание системы, и слушатель это заметит и в составе самого звука (ранние отражения), и как эффект эха. Наш слух устроен таким образом, что мы не всегда воспринимаем влияние комнаты как помеху. Подсознательно человек пытается определить, где он находится, и делает это обычно по реверберационным призвукам, сопровождающим любой звук в помещении. Предположительно навык этот достался нам от далеких предков, живших в пещерах.

В домашних условиях получается, что слушатель воспринимает как бы два пространства одновременно: комнату, где он находится, и комнату, в которой проводилась запись (или имитацию пространства искусственной реверберацией, добавленную в студии). Вообще такое «раздвоение» приводит к дискомфорту, поэтому лучше, конечно, двойственность эту исключить, т.е. сделать в акустической обработке помещения упор на рассеивание или на поглощение звука. Это если мы говорим о комнате для прослушивания музыки. Ранее я писал, что - там корректно делать только заглушение. Но это уже относится к акустической обработке, поэтому вернусь к теме статьи - электронной коррекции помещения.

Аналог и цифра

Для стереосистем наличие аудиопроцессора - большая редкость. Корни этого явления растут из главной аудиофильской догмы - «максимально короткого тракта», который подразумевает минимальный набор элементов в системе - только самое необходимое. Ведь нередко из тракта изымают не только регуляторы тембра, но даже регулировку громкости! И при этом забывают, что такой аудиофильский тракт (как, впрочем, и любой другой) требует специальной акустической комнаты для прослушивания. Для подобных помещений существуют стандарты, которые нормируют время спадания звука до уровня -60 дБ (акустический параметр RT60). Однако для этого потребуются дополнительные вложения - свободное пространство, отделенная комната и т.п. Поэтому чаще всего акустическая обработка напрочь отсутствует или сводится к минимуму: ковер на полу, мягкая мебель, шторы, значительно реже - рассеиватели в зонах первых отражений. Вот в этом случае особенно полезна будет румкоррекция для устранения неполадок, особенно в НЧ-диапазоне.

Фанаты аналогового звука самого высокого класса могут попытаться найти студийные аналоговые параметрические фильтры на вторичном рынке или заказать прибор мастерам - современного производства такой техники практически не осталось.

Намного проще использовать цифровую технику, тем более, выбор здесь большой: от компьютера с программой, студийных процессоров - до аппаратов, специально предназначенных для румкорреции (как DEQX, Trinnov, MiniDSP, DSPeaker и прочих) на любой вкус и кошелек. Иногда такие процессоры имеют дополнительные возможности, как сетевые проигрыватели, встроенные кроссоверы, различные «улучшайзеры» звука. И наконец, современные AV-рессиверы и процессоры мультиканального звука практически всегда оснащены алгоритмами румкоррекции, из популярных - Dirac и Audyssey с возможностями ручной подстройки и параметрическими фильтрами. Более дорогие решения могут использовать алгоритмы Trinnov, а например, в комплект JBL Synthesis сразу входят студийные процессоры BBS с оригинальным софтом. Кстати, цифровые аудиопроцессоры часто оснащаются аналоговыми входами.

Шесть шагов к лучшему звуку

Теперь ответим на вопрос: что именно можно (и нужно) корректировать в домашней системе звуковоспроизведения?

1. На первое место я бы поставил выраженные комнатные резонансы, они мешают прослушиванию больше всего, поскольку никогда не воспринимаются как органичная часть звука, существуют отдельно от него, и это постоянное «подгуживание» комнаты на одном и том же тоне быстро утомляет слушателя. Вот как выглядит типичный комнатный резонанс на графике АЧХ системы до и после его коррекции (верхний и нижний графики соответственно):

На частоте 45 Гц амплитуда комнатного резонанса достигает 20 дБ! От этого гудения можно избавиться, если «вырезать» резонансный пик параметрическим эквалайзером.

Параметрический эквалайзер регулирует уровень звука на заданной частоте, и можно определять ширину этой частотной полосы (добротность), в отличие от более простого «графического» эквалайзера, имеющего фиксированную сетку частот и полосы регулировки. Широко распространенный «третьоктавный» эквалайзер, как следует из его названия, имеет добротность в 1/3 октавы, в то время как на низких частотах комнатные резонансные пики имеют типичную добротность в 1/10-1/12 октавы. Другими словами, для решения типичных проблем третьоктавный эквалайзер не подойдет.

Однако у параметрических эквалайзеров есть и свой недостаток - мы удаляем из прямого звука ту ноту, на которой «возбуждается» помещение. Но в итоге мы все же слышим эту ноту после того, как она отразится от стен, срезонирует и восстановится в исходной громкости. Из-за этой задержки и считается, что лучше вообще не делать электронную коррекцию комнаты. Однако как иначе убрать показанный выше пик АЧХ на 45 герцах? Построить акустические поглотители такого размера нереально. Поэтому из двух зол мы выбираем меньшее. Стоит отметить, что алгоритм Trinnov для подавления низкочастотных резонансов использует специальные техники, как подавление первичных отражений с помощью генерируемых импульсов, которые подаются в противофазе к месту прослушивания и управление амплитудой путем сдвига фазы одной из АС в НЧ-диапазоне.

2. На втором месте по нежелательному влиянию - отражения от близких поверхностей, т.н. SBIR-эффект (Speaker Boundary Interference Response). В я уже описывал этот эффект, приводящий к глубоким провалам и подъемам АЧХ системы. В отличие от комнатных резонансов, SBIR-эффект приходит с минимальной задержкой, поэтому его можно корректировать электронным способом без нежелательных последствий для звука. Для этого применяются звуковые процессоры разных типов: они позволяют формировать АЧХ системы, в том числе параметрические фильтры лишь с одной оговоркой - пики звука, вызванные SBIR-ээфектом, регулируются легко, а с провалами ситуация иная. «Вытянуть» частоту можно, если только каждый элемент системы (предусилитель, мощник, АС) позволит передать эту самую усиленную часть сигнала без искажений. Система должна иметь запас по перегрузке для подобной коррекции. Поэтому, как правило, для исправления «провалов» в АЧХ не используют усиление больше 6 дБ. А если «провал» ушел вглубь на -10 или -20 дБ, его лучше вообще не корректировать, в противном случае это даст только отрицательный эффект.

3. Третьим пунктом станет коррекция краев частотного диапазона. В данном случае мы изменяем прямой сигнал, поэтому можно использовать любой алгоритм из тех, что есть в системе. Сравнительно легко немного расширить низкочастотный диапазон системы (при наличии запаса по перегрузке), а вот в высокочастотном лучше ничего не трогать: верхняя граница определяется физическими параметрами динамиков, и попытка коррекции лишь увеличит искажения.

4. Дальше нужно корректировать дефекты АЧХ самой системы - обычно это сопряжение кроссоверов в колонке и ее резонансы. СЧ/ВЧ-диапазон можно регулировать с помощью тех же параметрических эквалайзеров, но делать это нужно осторожно, чтобы не навредить звучанию - не более двух-трех фильтров на диапазон, и ни в коем случае фильтры не должны пересекаться на одной частоте, потому что возникнет «излом» фазы, который испортит звук. Для более точной коррекции лучше применять процессоры, способные управлять АЧХ, не меняя фазу сигнала.

5. Пятый пункт - коррекция тонального баланса с учетом влияния комнаты. Здесь уже параметрические фильтры не подойдут, нужно использовать процессор, позволяющий задать требуемый наклон АЧХ и частоты, с которой этот наклон начинается. Данный функционал встречается даже в недорогих ресиверах и процессорах (т.н. «параметрический регулятор тембра»), но для максимального качества я бы советовал использовать специальные звуковые процессоры, пришедшие из профессионального звука, у которых есть сразу несколько типов эквализации. Ниже на картинке - типичная форма целевой кривой (форма АЧХ на месте прослушивания, к которой надо стремиться) в большинстве случаев. В зависимости от комнаты и ее акустической обработки может варьироваться подъем на низких частотах и спад на высоких. Некоторые модели АС позволяют задавать спад/подъем частотной характеристики в области СЧ/ВЧ специальными регуляторами или переключателями, их также следует использовать для коррекции тонального баланса.

6. Наконец, большинство процессоров румкоррекции позволяет точно делить спектр на полосы - т.н. «активный кроссовер». Его можно использовать для создания мультиампингового подключения, когда пассивные фильтры исключаются из акустической системы, а поделенный на частотные полосы сигнал подается на раздельные усилители по одному на каждый динамик. Такую реализацию мы часто видим в профессиональном аудио: именно она позволяет значительно повысить качество звучания АС и лучше настроить их под особенности комнаты. Понятно, что этот способ требует увеличить количество каналов усиления.

Все вместе

Лучший результат достигается в условиях, когда акустическая обработка комнаты дополнена электронной румкоррекцией на низких частотах, где акустическая обработка попросту неэффективна. В свою очередь, электронная коррекция СЧ/ВЧ-диапазонов может привнести нежелательные искажения в звук, и наоборот, акустическая обработка не потребует больших вложений.

Цифровые процессоры румкоррекции могут очень сильно улучшить качество звучания, если вместе с ними использовать активные кроссоверы и собрать мультиампинговую систему.

Что же нам может дать цифровая обработка в акустических системах? Во-первых, хочу сразу оговорить, что не существует волшебной платы, установив которую в недорогую систему, получим волшебный звук. Акустические проблемы колонки должны лечиться акустическим путем. Например, нельзя устранить цифровой обработкой проблемы, связанные с резонансами корпуса акустической системы, стоячими звуковыми волны внутри корпуса, органные резонансами трубы фазоинвертора. В первую очередь нужна правильно спроектированная акустическая система с хорошо подобранными компонентами. Но все же некоторые параметры поддаются коррекции с помощью цифровой обработки звука. Рассмотрим результаты на живом примере.

В качестве подопытного кролика используем систему CL3212 производства фирмы PARK AUDIO. Система представляет собой громкоговоритель состоящий из 12” головки 12CL76 и 1” драйвера DE250 производства итальянской фирмы B&C Speakers(Италия). Для начала рассмотрим работу пассивной системы. Пассивная система – это система, не имеющая встроенного усилителя и использующая для разделения частотного спектра на полосы пассивный кроссовер. В системе CL3212 для низкочастотного динамика использован фильтр 2-го порядка с крутизной спада 12 дБ/октаву а для высокочастотного динамика — фильтр 3-го порядка с крутизной спада 18 дБ/октаву.

Рис.1 Теперь проведем измерения акустической АЧХ на расстоянии 1 метр от колонки

Рис.2 АЧХ пассивной системы CL3212, измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Мы видим, что в то время, как АЧХ системы достаточно линейна, фазовая характеристика этим похвастаться не может. Возможности пассивного фильтра ограничены. В частности довольно сложно с его помощью совместить акустические центры головок. Для этого требуется вводить задержку электрического сигнала, подаваемого на одну из головок, а в пассивном фильтре это сложно реализовать. Можно попытаться откорректировать АЧХ пассивной системы с помощью параметрической эквализации.

Рис.3 АЧХ эквализированной пассивной системы CL3212, измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Зеленый – суммарная АЧХ системы Красный – фазочастотная характеристика

Как мы видим, АЧХ системы стала более линейной, но ФЧХ выровнять не удалось. Современные методы цифровой обработки сигналов позволяют решить эту проблему. Предварительно хотелось бы немножко рассказать о теоретических основах. В описаниях акустических систем или звуковых процессоров периодически встречается термин – FIR фильтрация.

Что это такое? Вкратце рассмотрим разницу между двумя классами фильтров, применяемыми в обработке звука: IIR фильтры От Infinite Impulse Response, на русском – фильтры с бесконечной импульсной характеристикой. Это цифровая реализация привычных нам аналоговых фильтров. Описываются они привычными нам терминами: фильтр верхних частот Батерворта 4-го порядка (крутизна спада 24 дБ/октаву), частота среза 1500 Гц. Также к этому типу фильтров относятся параметрические корректоры АЧХ (привычные нам эквалайзеры). Они обычно описываются параметрами: частота настройки, уровень подъема/спада и ширина полосы или добротность). Такие фильтры просты в реализации. Они являются так называемыми минимально-фазовыми фильтрами. Это означает, что любое изменение АЧХ неизбежно меняет фазовые соотношения в сигнале. Чем выше крутизна среза фильтра или добротность полосового фильтра – тем больше получаем сдвиг фаз на частоте среза.

FIR фильтры От Finite Impulse Response, на русском – фильтры с конечной импульсной характеристикой. В аналоговом виде такие фильтры реализовать невозможно. Главным достоинством FIR фильтров является то, что они позволяют корректировать АЧХ сигнала, не влияя на его фазу. С ними мы можем использовать разделительные фильтры, не вносящие сдвига фаз на частоте перегиба и использовать эквализацию, не вносящую фазовых сдвигов на корректируемых частотах. В общем можно сказать так: эти фильтры делают именно то, что должны делать, и ничего более. Но, к сожалению, не обходится и без недостатков. FIR фильтры вносят задержку в обрабатываемый сигнал, причем, чем более низкочастотный сигнал нам нужно обработать, тем большую временную задержку внесет наш фильтр. Если для бытовых систем, которые обычно работают самостоятельно, можно позволить довольно большие величины задержки, то в профессиональной акустической системе, которая практически всегда работает совместно с другими системами (например с сабвуферами) задержки более 2 мсек недопустимы. Поэтому частотный диапазон обработки FIR фильтров обычно ограничивается средними и высокими частотами. Для коррекции низкочастотного диапазона используют традиционные IIR фильтры. Давайте посмотрим, какой станет наша система после разделения полос и коррекции АЧХ с помощью FIR фильтров. Настроим эту же систему в активной Bi-Amp конфигурации. Каждая из головок подключена к своему каналу усиления, а разделительные фильтры и коррекция АЧХ реализованы с помощью процессора (DSP), входящего в состав усилительного модуля DX700DSP.

Рис.4 АЧХ системы CL3212, раздельные усилители НЧ и ВЧ, обработка с использованием FIR фильтрации. Измерена на расстоянии 1 метр, подводимая мощность – 1Вт

Зеленый – суммарная АЧХ системы Красный – фазочастотная характеристика

Как мы видим, АЧХ системы превратилась практически в прямую линию, фазочастотная характеристика в области средних частот также стала практически прямой линей. В области низких частот выровнять фазу не удается, т.к. вследствие больших задержек обработки на низких частотах нельзя использовать FIR фильтрацию Теперь попытаемся понять, как влияет линейность фазовой характеристики на воспроизведение звука акустикой. Для тестирования используем в качестве тестового сигнала меандр (прямоугольные импульсы). «Идеальный» меандр представляет собой сумму бесконечного числа синусоид, каждая из которых имеет свою амплитуду и фазу. Поэтому при прохождении меандра через аудиосистему можно выявить проблемы в временной области. Все синусоидальные компоненты должны быть переданы системой без искажений времени прихода для того, чтобы получить на выходе опять прямоугольную волну. Важно осознавать, что задержка по времени системы не должна быть равна нулю. Но она должна быть одинаковой для всех частот в пределах полосы пропускания системы. Такое условие будет легко выполняться, если тестируемая система имеет ровную фазовую характеристику. Даже притом, что никто не слушает меандр через акустические системы, он представляет собой четкий тестовый сигнал, глядя на который очень легко увидеть временные искажения сигнала, проходящего через громкоговоритель. Амплитудные или временные искажения сразу видны и это помогает понять причины искажений. Итак, попробуем пропустить прямоугольный сигнал через нашу систему с пассивным фильтром:

Рис. 5 Меандр на выходе CL3212 с пассивным фильтром

На фронтах полученных импульсов видна неидеальная временная стыковка сигналов от НЧ и ВЧ головок, а на плоской части – неравномерность, вызванная неравномерностью АЧХ системы. Это дает нам два ключа для улучшения формы выходного сигнала: — сгладить частотную характеристику. — улучшить временную стыковку динамиков между собой (это даст, в том числе, выравнивание фазовой характеристики системы). Теперь проведем аналогичное измерение для активной системы с FIR фильтрацией.

Рис. 6 Меандр на выходе CL3212 с раздельными усилителями НЧ и ВЧ, обработка с использованием FIR фильтрации.

Мы видим, что исчезли все временныенестыковки на фронтах сигнала, плоская часть импульса стала совершенно ровной. Переходные характеристики системы ощутимо улучшились. Это благоприятно скажется на четкости и прозрачности воспроизведения звука акустической системой. Система также станет более предсказуемой при попытках ее дополнительной эквализации в конкретных акустических условиях. Многочисленные прослушивания подтвердили эти результаты.

3.2. Высокочастотная и низкочастотная коррекции АЧХ резисторного усилителя

Для корректирования АЧХ реального усилителя с целью её приближения к АЧХ идеального усилителя (см рис.3.1) применяют специальные схемы коррекции в области НЧ и ВЧ.

Схема ВЧ - коррекции АЧХ при помощи корректирующей индуктивности Lк приведена на рис. 3.8.

Принцип работы этой схемы основан на увеличении в области ВЧ сопротивления коллекторной цепи (Rк + jwLк). Увеличение этого сопротивления с ростом w позволяет повысить усиление каскада на ВЧ. Необходимым условием эффективности работы этой схемы является высокоомность внешнего сопротивления нагрузки Rн >Rк. В противном случае малое сопротивление Rн будет шунтировать коллекторную цепь, при этом усиление каскада будет определяться величиной Rн и мало зависеть от Rк и Lк. Эквивалентная схема касакада с ВЧ- корркцией при 1/Yi > Rн > Rк представлена на рис.3.9, откуда следует, что на ВЧ АЧХ корректированного усилителя близка к частотной характеристике параллельного колебательного контура.

Следовательно, при неоптимальном выборе параметров корректирующей индуктивности Lк на АЧХ усилителя может появиться подъем, вызывающий искажения усиливаемых сигналов. АЧХ и ПХ усилителя с ВЧ-коррекцией при оптимальных и неоптимальных параметрах корректирующей индуктивности Lк показаны на рис.3.10.

1. Lк < Lопт 2.Lк = Lопт 3.Lк > Lопт

Видно, что ВЧ-коррекция оказывает влияние только на область ВЧ (область малых времен - фронты импульсов). При Lк > Lопт длительность фронта самая малая, однако, на выходном импульсном сигнале возникает выброс.

Схема НЧ-коррекции АЧХ усилителя показана на рис.3.11, где Rф и Сф - элементы НЧ-коррекции, выполняющие попутно и роль НЧ-фильтра в цепи питания транзистора VT1.

Принцип работы схемы НЧ-коррекции основан на увеличении сопротивления коллекторной цепи в области НЧ, поэтому, как и в схеме индуктивной ВЧ-коррекции, данная схема эфективна только при высокоомной нагрузке Rн > Rк. Емкость конденсатора Ср выбирается таким образом, чтобы на средних и высоких частотах выполнялось 1/wСф << Rф (то есть Сф шунтирует Rф), поэтому цепь Сф, Rф практически не оказывает влияния на работу усилителя на СЧ и ВЧ. На НЧ сопротивление Сф становится больше сопротивления Rф, это увеличивает сопротивление коллекторной цепи и как результат - понижает нижнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя. При этом отношение Rф/Rк определяет максимально возможный подъем усиления с понижением частоты w, который однако, реально всегда бывает меньше по причине снижения усиления на НЧ из-за разделительного конденсатора Ср.

АЧХ и ПХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах НЧ-коррекции (1 - без коррекции, 2 - оптимальная коррекция, 3 - перекоррекция) приведены на рис.3.12.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

В состав лабораторной устоновки входят:

1) лабораторный макет;

2) лабораторной блок питания;

3) универсальный вольтмер (типа В7-15, В7-16) .

4) генератор низкочастотных сигналов (типа Г3-56, ГЗ-102).

Лабораторный макет содержит:

а) исследуемый резисторный усилитель переменного тока с эмиттерным повторителем на выходе для обеспечения высокоомности нагрузки усилителя (см. рис. 4.1.).

б) встроенный генератор импульсных сигналов (с возможностью регулировки амплитуды и длительности импульсов), расположенный на верхней части корпуса лабораторного макета.

Питание лабораторного макета осуществляется от источника постоянного напряжения En = +12В. Внешний вид лицевой панели с нанесенной на нее принципиальной схемой лабораторного макета представлен на рис.4.2.

5. ПОРЯДОК РАБОТЫ

5.1. Исследование влияния разделительного конденсатора на характеристики усилителя.

а) Собрать установку по схеме рис. 5.1. Все переключатели поставить в исходное 1 положение.

Величину Uвых установить в пределах 10...30 мВ для обеспечения линейного режима работы усилителя. Исследуя зависимость Uвых от частоты f входного сигнала (при неизменной величине Uвх) получить и построить АЧХ усилителя при 2-х значениях емкости Ср (переключатель S4). При исследовании АЧХ рекомндуется предварительно оценить частотную область равномерного усиления, где число отсчетов может быть сокращено до 3...4. В частотных областях изменения АЧХ (НЧ и ВЧ) число осчетных точек должно быть увеличено до 4...5.

б) Подключить на вход исследуемого усилителя импульсный сигнал с генератора прямоугольных импульсов (см. раздел 4). Выходное напряжение усилителя контролировать при помощи осциллографа. Зарисовать с экрана осциллографа на одном графике форму импульсов на выходе усилителя (ПХ усилителя) для двух значений Ср.

Измерить величину спада плоской части вершины импульса (в %) для двух значений Ср.

Сделать выводы о вляинии разделительного конденсатора Ср на характеристики усилителя.

5.2. Исследование влияния коллекторного сопротивления на характеристики усилителя.

Используя схему и методики п.5.1. измерить номинальный коэффициент усиления Ко, снять АЧХ и ПХ усилителя для 2-х значений Rк. Построить АЧХ и ПХ усилителя для двух значений Rк.

Сделать выводы о влиянии коллекторного сопротивления на характеристики усилителя.

5.3. Исследование влияния НЧ-коррекции.

Переключатель S4 поставить в положение, соответствующее меньшему значению Ср. Исследовать АЧХ и ПХ усилителя для 3-х значений праметров НЧ-коррекции. Построить АЧХ и ПХ усилителя для различных параметров НЧ-коррекции.

Сделать выводы о влиянии Rф, Сф на характеристики усилителя.

5.4. Исследование влияния ВЧ-коррекции

Переключатель S1 поставить в положение Rк max, а переключатель S5 в положение 1.

Исследовать АЧХ и ПХ усилителя для 3-х значений корректирующей индуктивности Lк. Построить АЧХ и ПХ усилителя для различных параметров индуктивной ВЧ-коррекции.

Сделать выводы о влиянии Lк на характеристики усилителя.

5.5. Оформление отчета о лабораторной работе.

Отчет должен содержать:

а) схему резисторного усилителя переменного тока с НЧ и ВЧ коррекцией;

б) результаты измерений, таблицы и графики, требуемые лабораторными заданиями;

в) заключение о соответствии полученных результатов теоретическим данным.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Элементы температурной стабилизации рабочей точки транзистора и их выбор.

2. Работа резисторного касакада в области НЧ.

3. Работа резисторного касакада в области ВЧ.

4. Влияние разднлительного конденсатора Ср на характеристики усилителя.

5. Влияние коллекторного сопротивления Rк на верхнюю граничную частоту и номинальный коэффициент усиления.

6. Принцип работы индуктивной ВЧ - коррекции резисторного усилителя.

7. АЧХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах элементов ВЧ - коррекции.

8. ПХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах элементов ВЧ - коррекции.

9. Принцип работы НЧ - коррекции резисторного усилителя.

10. АЧХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах элементов НЧ - коррекции.

11. ПХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах элементов НЧ - коррекции.

7. Л И Т Е Р А Т У Р А.

1. Остапенко Г. С. Усилительные устройства. - М. : Радио и связь, 1989 , подразделы 1.4, 1.5, 3.2, 4.8.

2. Войшвилло Г. В. Усилительные устройства. - М. : Радио и связь, 1983 , подразделы 4.1.1, 4.7.3, 5.3.1, 5.3.3.

3. Мамонкин И. Г. Усилительные устройства. - М. : Связь, 1977 , подразделы 6.3, 7.3, 11.3.

Задача неискажённой трансляции звуковой программы от исполнителя к слушателю стара как мир. Как мир электроакустики…

Раймонд Скурулс - радиоинженер и звукорежиссёр, основатель и владелец компании Acoustic Power Lab. В 2005 году, после трёх лет работы он получает латвийский патент (LV1334213) на новую технологию коррекции частотных характеристик громкоговорителей. Журнал «Pro Sound News Europe» называет технологию коррекции AJFL в числе трёх лучших инноваций в данной сфере в Европе. По итогам выставки AES в Нью-Йорке новой разработке присуждён приз Excellence 2007 года. В 2010-м автор разрабатывает вариант технологии для применения в автомобиле.

Одно из необходимых условий для этого - отсутствие линейных искажений. С беглого академического взгляда всё кажется очень простым: померили частотную характеристику, создали корректирующий фильтр, и дело сделано. Очень много таких попыток было предпринято, но результата так и нет. Конечно, по мнению авторов этих попыток и их поддерживающего маркетинга, результат есть. Но бесстрастный мир профессионалов остаётся при другом мнении.

Проблема в том, что технические средства оценки звуковых систем принимают и оценивают звук иначе, чем человеческий слух. Они «видят» больше «проблем», чем наше слуховое восприятие (как бы парадоксально это ни звучало). Эти проблемы берут своё начало в физической интерференции звуковых волн в месте измерения звукового давления. Но интерференция наступает только тогда, когда пришли, в простейшем случае, два сигнала - прямой и отраженный (установившийся случай). Но на какой-то короткий миг есть только прямой сигнал и отсутствует интерференция. Нашему слуху этого короткого мига хватает, чтобы сделать оценку.

Попытаюсь доказать временную избирательность слуха и его способность игнорировать интерференцию двумя простыми для повторения экспериментами. Опыт первый. Тестовый сигнал «чирп» (синусоидальный сигнал с быстро меняющейся частотой), короткий, 150 - 300 мс, логарифмический, субъективно звучит абсолютно по-разному, когда воспроизводится, начиная с низких частот к верхним и наоборот. Играя «вверх», сигнал кажется тусклым, с потерянными верхами. Играя вниз - звучит красиво, музыкально, с ярко выраженными верхами. А для спектроанализатора оба случая одинаковы и неразличимы.

Опыт второй. Сядем перед классической стереосистемой. Подадим моносигнал. Если в системе всё в порядке, услышим узкий воображаемый источник звука ровно посередине между громкоговорителями. Теперь сами подвигаемся из стороны в сторону. При этом мы услышим лишь, что воображаемый источник будет слегка перемещаться в ту же сторону, что и мы. Теперь поставим на наше место микрофон. Будем слушать сигнал с этого микрофона и подвигаем его. Услышим красивый эффект фленджера, созданный меняюшимся гребенчатым фильтром. Попробуйте.

Итак. По моему мнению (которое я превращаю в реальную технологию уже почти десять лет), надо измерять и оценивать звуковую систему наподобие того, как это делает наш слух. Это оказалось возможным, если вместо попыток что-то понять по результатам измерения звукового давления в одной точке мерить частотную характеристику излучённой звуковой мощности громкоговорителя. Это и есть основа моих работ и решений.

Хочу взять на себя смелость пересмотреть подход к неискаженной трансляции звуковой программы. Вот классический принцип. В комнате (студии, открытой площадке) перед исполнителем установлен микрофон, который преобразует звуковое давление в пропорциональный электрический сигнал независимо от частоты. За ним тракт передачи (предусилитель, радиоканал, устройство задержки во времени и.т.д., и.т.п.), заканчивающийся усилителем и громкоговорителем в комнате прослушивания. Тракт должен передавать сигнал одинаково, независимо от частоты, а громкоговоритель - пропорционально преобразовывать электрический сигнал в звуковое давление. И опять - независимо от частоты. О том, соответствует ли громкоговоритель этому требованию, мы удостоверились в заглушенной камере на его «акустической оси» и теперь ждём успеха. Часто это ожидание оказывается напрасным и наивным.

Подход, который я развиваю - другой. Громкоговоритель в месте прослушивания для получения неискажённого звукового образа должен излучать такую же или пропорциональную по спектральному составу и временным характеристикам звуковую мощность, какую излучает музыкант в месте исполнения.

Правильность этого подхода уже неоднократно была проверена на практике и с большим успехом демонстрировалось на выставке AES в мае 2007 года, когда запись аккордеонного дуэта проигрывалась через откорректированный тракт, завершающийся хорошо знакомыми россиянам колонками Radiotehnika S90, и сравнивалась с живым выступлением того же дуэта, согласившегося поучаствовать в эксперименте.

Кстати: вот ещё эпизод из жизни S90. Небольшой компании, оставшейся от флагмана советской электроакустики - Рижского радиозавода, хватило смелости принять участие в тесте ведущего российского аудиожурнала со своими громкоговорителями бюджетного класса. Результаты были впечатляющими, без единого упрёка по поводу звучания и с комментарием: «Непонятно, почему хорошо звучит», притом что кривые АЧХ никак на это не указывали. Разгадка проста: при отстройке этого громкоговорителя использовалась программа и методика измерения AJFL.

Точность метода позволяет использовать его в студиях с самыми качественными мониторами, в то же время возможности глубины коррекции настолько велики, что зазвучит даже ведро. Мы и такой опыт ставили…

Как на практике реализуется метод коррекции по излучаемой акустической мощности? Измерение акустического давления происходит во многих (примерно 200) точках пространства, расположенных на некой воображаемой поверхности или её сегменте. Проще говоря: измеритель чертит микрофоном в воздухе воображаемую решётку из вертикальных линий, на это уходит около минуты. Специально разработанная программа самостоятельно фиксирует величину звукового давления в отдельных точках, а потом вычисляет частотную характеристику акустической мощности (AJFL), где оказываются учтены факторы интерференции и фазовых сдвигов. На основе этой характеристики синтезируется корректирующая кривая. Она создаётся как зеркальная по отношению к кривой по АЧХ излучаемой мощности, при этом есть возможность следовать этой кривой с точностью, недоступной традиционным эквалайзерам. Дело в том, что в роли эквалайзера в технологии AJFL применён фильтр с конечной импульсной характеристикой - FIR. Для радиотехники он не нов, но в звуковой аппаратуре до сих пор использовался крайне редко. Можно даже сказать, не использовался вообще (мне известен только один прибор с FIR-фильтром, сами его создатели толком не знают, как с ним работать). Происходит это по трём причинам: высокие требования к вычислительной мощности, несущественная практическая выгода от полученной точности и сложность управления, отсюда - возврат к понятным и привычным параметрическим и графическим эквалайзерам.

И ещё одно: коррекция фазы. В технологии AJFL она происходит автоматически. Дело в том, что если проблему (неравномерность) вызвала минимально фазовая система (а таковой является большинство электрических цепей и фильтров с одним путём сигнала с входа на выход), то, создав минимально фазовый корректор, проблема корректируется идеально - как по амплитуде, так и по фазе. Корректирующий фильтр-эквалайзер, применённый в системе AJFL - именно такой, минимально фазовый.

В 2010 году появилось и решение для автомобиля. Здесь пришлось несколько доработать как технику измерений, так и приборный блок, ответственный за последующую коррекцию. С учётом более сложной, нежели в обычном помещении, акустики АЧХ излучаемой мощности в салоне снимается в несколько приёмов и в трёх (а не в двух) координатах. Результаты измерения интерпретируются специальной версией программы на ноутбуке и загружаются в блок, который остаётся на борту между источником сигнала и усилителями. В ходе измерения и настройки (это важно) есть возможность, помимо автоматической коррекции по «зеркальной» кривой, вносить и ручную подстройку, для этого предусмотрена подсистема высокоточного параметрического эквалайзера.

Размеры блока с аналоговыми и цифровыми входами/выходами - 18 x 15 x 5 см, напряжение питания - от 7 до 16 В. Есть вход Remote и выход задержанного Remote для управления включением усилителей. Сейчас в работе упрощённая модификация прибора, вдвое меньше по габаритам и только с аналоговыми входами/выходами. А через пару месяцев будет готова «быстрая» загрузка фильтров через USB-интерфейс. Так что, я думаю, у нас ещё найдётся повод здесь встретиться. А не захотите дожидаться - отыскать меня нетрудно, адрес есть в этом номере журнала.

По методу AJFL замеры проводятся не в одной, а во множестве точек, образующих сегмент поверхности

Демонстрация метода на выставке AES в Вене в 2007 году

По синтезированной из множества точечных замеров АЧХ излучаемой мощности программа строит «зеркальную» корректирующую кривую

Итог коррекции: шаг по частоте в единицы герц недоступен для традиционных эквалайзеров

Один из тяжёлых случаев (в салоне автомобиля). Результат - аналогичный

Первая автомобильная модель блока коррекции