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 
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:
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
- Матюшкин В.П. Физиологическое регулирование тембра // Радиоаматор. — 1999. — №10, №11.
Автор: Александр Саволюк, г. Киев