Восьмиполосный эквалайзер

Эквалайзер (регулятор тембра), описание ко­торого приведено в этой статье, предназначен для повышения качества звучания звуковоспроизво­дящей аппаратуры, в первую очередь, в условиях обычных жилых помещений. Эта конструкция мо­жет быть полезна как аудиофилам, так и лицам, за­нимающимся использованием аудиоаппаратуры профессионально.

Современные высококачественные усилители и акустические системы обеспечивают высокую вер­ность звучания в просторных помещениях с хоро­шей акустикой. Однако акустические свойства жи­лых комнат (особенно небольших размеров) часто бывают далеко не оптимальными, что не позволяет получить высокую верность звуковоспроизведения даже при наличии трехполосных зарубежных акусти­ческих систем высокого класса и высококачествен­ных усилителей. В любой точке подобных помеще­ний имеет место такое явление, как интерференция звуковых волн (сложение их с разными фазами), пришедших непосредственно от акустических си­стем и отраженных от стен, потолка, пола, мебели. При этом на некоторых частотах возникают стоячие волны (пучности и провалы интенсивности звука) с неравномерностью до 20 дБ, что вызывает необхо­димость регулировки АЧХ аудиосистемы в опреде­ленных полосах частот. Регулирование АЧХ необхо­димо и для компенсации недостатков более рас­пространенных двухполосных акустических систем. Эти акустические системы, как правило, имеют про­вал АЧХ на средних частотах из-за несовершенства электрических разделительных фильтров, параме­тры которых улучшить довольно трудно.

Для регулировки АЧХ используют регуляторы тембра и эквалайзеры. Наиболее простые двухпо­лосные регуляторы тембра не позволяют в полной мере решать подобные задачи. При подъеме уровня самых низких частот (20…40 Гц) одновре­менно будут усилены сигналы в полосе 80.200 Гц. Положение может исправить лишь эквалайзер (в переводе с английского — «выравниватель»), т.е. многополосный регулятор, позволяющий устана­вливать необходимый коэффициент передачи в узкой полосе частот.

Существуют активные и пассивные эквалайзе­ры. У тех и других есть свои достоинства и недо­статки. Основной недостаток активных регуляторов тембра обусловлен использованием глубокой ча­стотно-зависимой отрицательной обратной связи (ООС), что вызывает большие дополнительные ис­кажения (интермодуляционные, перекрестные и др.), вносимые ими в регулируемый сигнал. Наиболее часто используемые для усиления сигналов операционные усилители (ОУ) имеют ряд недо­статков:

• низкая частота среза не позволяет с высокой верностью передавать фронты импульсного сигнала;
• так называемые, динамические искажения, связанные с переходными процессами в охвачен­ных общей ООС цепях;
• склонность к самовозбуждениям;
• повышенные нелинейные искажения.

Как известно, качество звучания зависит как от амплитуд гармоник различного порядка, так и от соотношения между ними. Желательно, чтобы с ро­стом номера гармоники ее амплитуда достаточно быстро убывала, в противном случае звучание ста­новится резким, с «металлическим» оттенком. Во многих случаях использование ОУ не всегда прие­млемо, а специализированные высококачествен­ные ОУ имеют значительно более высокую стои­мость (в десятки раз и более) и не всегда доступны. Поэтому в последнее время в звуковоспроизводя­щей аппаратуре все чаще стали использовать пассивные регуляторы тембра. Правда, и они име­ют свои недостатки. Первый из них — это значи­тельное ослабление сигнала. Поэтому усиливать ослабленный сигнал все равно нужно, скорее все­го, с помощью тех же ОУ, но уже в широкой поло­се частот. При этом уже будут сказываться шумо­вые свойства этих ОУ. Поэтому есть смысл попытаться как-то улучшить свойства самих актив­ных регуляторов тембра. Для уменьшения интер­модуляционных и перекрестных искажений, вы­званных взаимным влиянием частотных каналов эквалайзера друг на друга можно попробовать использовать давно известный способ — дополни­тельное разделение каналов. Предлагается ис­пользовать два эквалайзера — один для низких, а другой для высоких частот. Например, можно ис­пользовать низкочастотный эквалайзер с четырь­мя полосами регулирования с граничными часто­тами: 70, 200, 500 и 1000 Гц и высокочастотный с четырьмя полосами с граничными частотами: 2, 5, 10 и 16 кГц. Понятно, что разделение полос и их ко­личество субъективно (дело вкуса и слуха). Затем сигналы эквалайзеров нужно объединить и подать на вход высококачественного усилителя мощности. Здесь попутно можно попробовать «убить» и еще одного «зайца»: не объединять сигналы, а исполь­зовать два отдельных полосовых усилителя (низко­частотный со своей акустической системой (без полосовых фильтров) и высокочастотной со своей.

В эквалайзерах обычно используются полосо­вые фильтры с разными резонансными частотами, и они могут иметь различные добротности в зави­симости от качества радиоэлектронных компонен­тов и разброса их параметров. Поэтому парал­лельное включение фильтров с последующим суммированием, применяемое в графических эк­валайзерах, не позволит получить линейную АЧХ в средних положениях регуляторов тембра из-за несогласованности частот среза и добротностей АЧХ фильтров (это же относится и к пассивным ре­гуляторам тембра). Практически это может приве­сти также и к нарушению стереобаланса. Пригод­ной для практического использования является схема включения фильтров в цепь дополнительной ветви ООС операционного звена инвертирующе­го усилителя (рис.1), образованной резисторами R4 и R5.

Рис. 1

В полосе задерживания полосового фильтра Z1 коэффициент передачи устройства К=-R2/R1 не зависит от соотношения сопротивле­ний резисторов R4 и R5. На резонансной частоте F регулятор R4, R5 совместно с фильтром Z1 и ре­зистором R1 образуют контур ОС, действие кото­рой эквивалентно подключению параллельно ре­зистору Р1 резистора с сопротивлением R3К(F) при условии R4=0 и подключению параллельно ре­зистору Р2 резистора с сопротивлением Р3К(F) при условии R5=0. Благодаря этому глубина регу­лирования тембра в децибелах лежит в пределах

от доПри условии R1/R2=R4/R5, что имеет место при средних положениях регуляторов тембра, фильтр Z1 и резистор R3 оказываются включенными в ди­агональ сбалансированного моста, поэтому АЧХ устройства принципиально линейна. Такое же свойство сохраняется и для произвольного числа дополнительных ветвей ОС с фильтрами, имеющи­ми любые добротности и резонансные частоты.

Для практической реализации предлагаемого эквалайзера можно использовать специализиро­ванные микросхемы, разработанные ведущими зарубежными фирмами. Положительной стороной таких изделий является их низкая стоимость. На­иболее доступны микросхемы LA3600 (Sony) и BA3822LS (Rohm). Микросхемы представляют со­бой пятиполосные эквалайзеры, только первый из них одноканальный, а второй — двухканальный. В этих микросхемах используются полосовые филь­тры, показанные на рис.1. Фильтры состоят из двух конденсаторов C1 и C2 и переменного рези­стора, позволяющего изменять усиление на часто­те настройки примерно на ±10 дБ.

Центральную частоту настройки можно изме­нить выбором емкости конденсаторов C1 и C2. Для расчета фильтров указанных микросхем можно пользоваться простой формулой для определения этой частоты:

где R6=1,2 кОм, R7=68 кОм — сопротивления внутренних резисторов микросхемы.

Напряжение питания микросхемы BA3822LS от 5 до 14 В. Для минимизации нелинейных искаже­ний, которые по паспортным данным не должны превышать 0,1% (при максимальном напряжении питания), лучше использовать некоторое среднее значение напряжения, например 9,5 В. При мень­шем напряжении питания заметно уменьшается коэффициент усиления. Потребляемый ток весь­ма незначительный (7…8 мА). Входное сопротив­ление — 10 кОм.

Электрическая принципиальная схема эквалай­зера показана на рис.2.

Рис. 2

В эквалайзере используются две микросхемы BA3822LS: одна для низких, а другая для высоких частот. Сама схема очень проста и в пояснениях не нуждается. Для повышения качества работы эква­лайзера решено было не использовать полярные электролитические конденсаторы. Все конденса­торы пленочные, за исключением выходных С21, С22, С121 и С122. В этих позициях использовались неполярные электролитические фирмы Jamicon, на корпусе которых особая маркировка — NP, а белая минусовая полоса отсутствует. Конечно, если по­зволят габариты устройства, то лучше их заменить пленочными. Для уменьшения влияния перекрест­ных искажений печатная плата не разрабатыва­лась, сборка велась методом навесного монтажа тонким проводом. Для устранения возможного са­мовозбуждения конденсаторы С25 и С125 жела­тельно подпаять непосредственно между вывода­ми 23 и 24 микросхем. После сборки эквалайзер заработал почти нормально. Пришлось только по­добрать емкости конденсаторов фильтра на 16 кГц. Качество звучания превзошло ожидания. Похоже, автору достались микросхемы японского произ­водства, несмотря на весьма демократичную цену (менее 1 USD). Были замечены и некоторые слухо­вые особенности регулирования тембра, о чем в свое время писал В.П. Матюшкин в статье [1].

Литература

1. Матюшкин В.П. Физиологическое регулиро­вание тембра // Радиоаматор. — 1999. — №10, №11.

Автор:  Александр Саволюк, г. Киев