Схема двухполосного кроссовера 2 го порядка
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.
AudioKiller’s site
Материалы раздела:
Активный кроссовер для биампинга
- Оба фильтра кроссовера (ВЧ и НЧ) имеют максимально плоскую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в полосе пропускания. Поэтому все частоты диапазона будут воспроизводиться с максимально одинаковой громкостью.
- Фильтры 3-го порядка дают хорошую скорость спада АЧХ в полосе затухания. В результате все «вредные» частоты будут хорошо подавляться.
- Сигнал с фильтра НЧ кроссовера через свой усилитель подается на НЧ/СЧ динамик (мидвуфер), а с фильтра ВЧ через свой усилитель подается на ВЧ динамик (твиттер). Звук каждого из динамиков суммируется и получается полный диапазон сигнала. Применение таких фильтров дает плоскую суммарную АЧХ. Это значит, что громкость всех частот получившегося звука будет одинакова.
Входной конденсатор С0 «отрезает» возможное постоянное напряжение на входе. И одновременно (совместно с резистором R0, который должен лежать в пределах 33…68 кОм) является сабсоник-фильтром — снижает уровень низких частот, ниже частоты среза, его можно рассчитать так:
С0 [мкФ] = (4…5) / Fmin [Гц]
Это для значения 47 кОм, если R0 имеет другое значение, то во сколько раз R0 больше, чем 47 кОм, во столько же раз С0 должен быть меньше, чем по формуле, и наоборот. Частоту среза лучше выбирать раза в 2…3 ниже, чем самая низкая рабочая частота вам требуется. Исключение составляют случаи, когда ну очень нужно обрезать низкие частоты, то в формулу подставляем нижнюю рабочую частоту.
Резистор R7 регулирует уровень верхних частот — обычно отдача ВЧ динамика выше, и сигнал для него приходится ослаблять. Это важно в биампинге — иначе возможен частотный дисбаланс. Здесь использован многооборотный подстроечный резистор — и герметичный (пыль не попадает и не изменяет сопротивления), и позволяет точно отрегулировать уровень сигнала. Резисторы R8, R9, R10 позволяют «отвязать» блок от источника питания и возможных земляных петель (чтобы кроссовер можно было бы без проблем встроить в уже существующую аппаратуру). Конденсаторы С7…С10 — фильтры питания. Они должны быть одинаковыми для «+» и «-» питания.
Номиналы некоторых деталей не указаны — они зависят от частоты среза фильтров. Сами фильтры можно рассчитать по этой программе расчета кроссовера. Только нужно, чтобы сопротивления резисторов лежали в пределах 10 кОм…1МОм (тогда будет меньше помех и влияния кроссовера на другие блоки).
Для себя я сделал фильтр с частотой раздела около 2,5 кГц. Вот его АЧХ — идеал! Я использовал это кроссовер для биампинга в своем ресивере, при помощи которого я смотрю кино и слушаю музыку. Про это можно почитать и посмотреть фотографии на странице Биампинг фронтальных каналов ресивера.
Я измерял АЧХ по старинке, при помощи генератора (с низкими искажениями), частотомера и электронного вольтметра. Точки, в который производились измерения показаны на линиях (черным и голубым цветом). Суммарная электрическая АЧХ — практически идеальная прямая с неравномерностью не более +-0,05 дБ.
Конденсаторы желательно по возможности подобрать по емкости, но я, например, сильно не усердствовал, более-менее близкие, и все тут. Резисторы я вообще не подбирал, и вот что получилось при рассматривании через микроскоп:
Очень хорошо. Неравномерность АЧХ фильтра НЧ в диапазоне от 20 Гц не более 0,3 дБ! Ниже частоты 50 Гц влияет входной конденсатор С0, а выше частоты 1000 Гц — это уже начинается нормальный спад фильтра НЧ.
Измерения искажений показали, что они (искажения) находятся на уровне предела измерений — менее 0,002%. Это при использовании микросхемы ОРА2134РА. Более «крутые» операционные усилители (ОУ) использовать не рекомендуется — разницы не услышите, но можете получить много проблем с устойчивостью и ВЧ помехами. Более «простые» ОУ будут работать весьма неплохо — глубина ООС большая и искажения хорошо компенсируются. Однако советую избегать применения микросхем типа 4558 — я исследовал линейность микросхем операционных усилителей, у этой микросхемы довольно плохая линейность и нагрузочные характеристики.
Сама плата в стерео варианте получилась чуть больше спичечного коробка. Я считаю, что стремиться сделать кроссовер еще более миниатюрным нет смысла: качественные конденсаторы все равно большие, а если элементы установить слишком тесно, то получатся лишние паразитные емкостные связи, да и «соплю» между дорожками легче заполучить.
Микросхемы и конденсаторы находятся с верхней стороны платы, резисторы (кроме R7) — с нижней.
Очень важный момент: плата двухсторонняя и отверстия имеют сквозную металлизацию. В любительских условиях ее сделать практически невозможно, а без металлизации может быть непропай и неконтакт.
Вот АЧХ динамиков в ближнем поле, каждый из которых подключен к своему собственному усилителю, а усилители включены через этот кроссовер. При измерении работали оба динамика, поэтому сигнал ВЧ присутствовал при снятии НЧ характеристики и наоборот, создавая некоторые помехи. Но эти помехи весьма малы. Суммарная АЧХ (вычисленная) — очень ровная. Видно, что у НЧ динамика на частоте 5…7 кГц резкий выброс, связанный с переходом диффузора в зонный режим работы. Фильтра 3-го порядка этот выброс успешно подавляет (на самом деле выброс еще меньше, это еще из ВЧ динамика сигнал попадает). Попробуйте так настроить пассивный фильтр! И учитывайте, что настолько сильно подавить выброс фильтром 2-го, а тем более 1-го порядка не получится!
Тестовые прослушивания были очень успешными: заслушивался! Вот сравнение АЧХ одной и той же колонки (колонка на своем штатном месте, микрофон в точке прослушивания) со встроенным пассивным кроссовером, и при биампинге с активным кроссовером (это другая колонка с другими динамиками). Волнистость АЧХ — влияние помещения (надо сказать вполне неплохое), а спад ниже 800 Гц — особенности измерения.
У пассивного кроссовера (красная линия) есть провал на границе стыковки полос 2…4 кГц. А у активного кроссовера такого провала нет!
Конечно, мне могут сказать, что кривоватая АЧХ с пассивным кроссовером (провал в области 2…6 кГц) — следствие недостаточно тщательной настройки пассивных фильтров. Я не отказываюсь! Еще пара недель настройки и возможно было бы лучше. На самом деле, настройке пассивного кроссовера сильно мешала зависимость сопротивления и индуктивности динамиков от частоты (а они еще и от амплитуды зависят!). Активный кроссовер параметры динамика вообще не чувствует, поэтому АЧХ получается наилучшей. Кроме того, если вспомнить, сколько для пассивного фильтра пришлось доматывать и отматывать катушки и параллелить конденсаторы! Жуть! А тут сразу раз, и заработало! Нужно было только выбрать частоту раздела, и подкрутить подстроечник, чтобы установить уровень на ВЧ.
PS. У меня есть платы промышленного изготовления, как заказать, см. Купить печатную плату.