© А.И.Шихатов 2003
Опубликовано в журнале "Мастер 12вольт" № 50(июль 2003)
© А.И.Шихатов 2003
Кроссоверы или, по традиционной отечественной терминологии, разделительные фильтры, предназначены для формирования сигналов отдельных частотных полос. Задача фильтров - пропустить на выход частоты определенного диапазона, а внеполосные сигналы подавить. Для систем многополосного усиления применяются активные кроссоверы. Они выполнены на основе усилительных каскадов, охваченных частотно-зависимыми обратными связями, и включаются в тракт между источником сигнала и усилителем мощности соответствующей полосы. Чаще всего используются неинвертирующие фильтры (структура Саллена-Ки), в основе которых лежит повторитель или неинвертирующий усилитель с небольшим коэффициентом усиления (1,2-1,7).
Основная масса усилителей средней и нижней ценовой категории снабжена несложными кроссоверами, набор функций и характеристики которых оптимизированы с учетом многих факторов, в том числе и "покупаемости". Обязательный набор фильтров для простого усилителя - ФВЧ и ФНЧ, иногда ФВЧ может отсутствовать. В простых моделях фильтры нерегулируемые, в более сложных можно изменять частоты среза (плавно или ступенчато). Пределы перестройки обычно невелики. Если фильтры не нужны, их можно отключить. Вот и весь "джентльменский набор".
Причина подобного аскетизма очевидна. С одной стороны, возможности встроенного кроссовера двух- или четырехканального усилителя должны позволять без дополнительных компонентов строить стандартные варианты аудиосистемы (фронт плюс сабвуфер). С другой стороны, вводить полный набор функций во встроенный кроссовер нет особого смысла: Это заметно увеличит стоимость, но чаще всего останется невостребованным. Поэтому выполнение сложных задач удобнее возложить на внешние кроссоверы и эквалайзеры, а встроенные - отключить.
Наиболее распространены двух- и трехполосные активные кроссоверы. Двухполосные кроссоверы используются для структуры "сабвуфер + фронт", "мидбас + пищалки" или для популярного сейчас тракта "2,5 полосы". (рис.1). В этом случае активный кроссовер на входе усилителя разделяет полосы НЧ и общую СЧ-ВЧ, дальнейшее разделение которой производится пассивным кроссовером на выходе усилителя. Встроенные фильтры усилителя редко перестраиваются выше 120-150 Гц, поэтому внешний кроссовер обеспечивает большую гибкость настройки.
Еще большие возможности предоставляют трехполосные кроссоверы. Это и классический вариант "фронт + тыл + сабвуфер", и "двухполосное усиление + сабвуфер", и "полномасштабное" трехполосное усиление (рис.2).
Внешние кроссоверы выполняются по тем же схемам, что и встроенные в усилитель, но отличаются развитой системой коммутации и широким диапазоном перестройки частоты среза. Нередко предусмотрен корректор для подъема самых низких частот диапазона - бас-бустер. Для возможности оперативной фазировки каналов при настройке системы часто применяются дополнительные инвертирующие каскады и переключатели полярности сигнала. Встречаются и плавные регуляторы фазы.
В кроссоверах широкого применения наиболее распространены фильтры второго порядка. В профессиональных конструкциях часто применяют фильтры четвертого порядка. Канал средних частот трехполосных кроссоверов может быть организован как ФВЧ, или как полосовой фильтр. Для расширения области применения во многих конструкциях можно отключить входящие в полосовой фильтр средних частот ФВЧ или ФНЧ.
Структуру и особенности конструкции современных активных кроссоверов рассмотрим на примере моделей X6 и X8 производства Lanzar. Обе модели универсальные, могут быть использованы как в двухполосном, так и в трехполосном включении. В двухполосном варианте по структуре "фронт + тыл + сабвуфер" используются индивидуальные входы "фронт" и "тыл". Сигнал для сабвуфера формируется как сумма этих сигналов, и не зависит от положения фейдера на головном устройстве. В трехполосном варианте для формирования сигнала сабвуфера используется отдельный вход. На выходе каналов установлены буферные усилители с регуляторами усиления. Наличие линейных выходов позволяет при необходимости организовать каскадное включение нескольких кроссоверов.
Для возможности оперативной фазировки каналов при настройке в канале низких частот предусмотрен переключатель полярности сигнала. Если этот канал используется для формирования сигнала сабвуфера, сигналы левого и правого стереоканалов можно объединить. Возможна дистанционная регулировка уровня сабвуфера. Для этого использован специальный каскад - усилитель, управляемый напряжением (Voltage Controlled Amplifier, VCA). Разделение сигнальных и управляющих цепей позволяет вынести орган управления на расстояние нескольких метров.
В кроссоверах использована современная элементная база. В модели X6 использованы операционные усилители 4558, в модели X8 - более совершенные TL072. Для дистанционной регулировки усиления в обоих моделях использована TDA1024. Для питания использованы маломощные преобразователи напряжения, что обеспечило полную развязку силовой и сигнальной земли. В результате отношение сигнал/шум достигает 100 дБ..
Таковы общие черты, теперь перейдем к частностям.
Модель X6 при относительной простоте обладает большими возможностями и обеспечивает выполнение широкого круга задач. Пределы перестройки частоты одного из ФВЧ можно изменить в 10 раз при помощи масштабного переключателя. В конструкции использованы фильтры переменной крутизны, полоса частот изменяется в широких пределах:
Из последнего обстоятельства следует, что при необходимости организации полосового режима в канале СЧ верхнюю границу придется формировать пассивными цепями на выходе усилителя.
Модель X8 имеет аналогичную структуру, но ее возможности гораздо шире. Для перестройки частоты использованы четырехсекционные переменные резисторы, поэтому активные фильтры второго порядка сохраняют характеристику Баттерворта во всем диапазоне перестройки. Главная особенность этой модели - возможность выбора порядка фильтра (первый или второй). Это в ряде случаев помогает оптимизировать звучание, не прибегая к эквалайзеру.
Пределы перестройки частоты среза изменены:
Кроссоверы рассмотренного типа позволяют решить большинство задач, возникающих при создании аудиосистем высокого уровня. Более сложные многоканальные устройства построены на тех же принципах, и отличаются лишь большим числом каскадов.
По выполняемым функциям различают фильтры следующих типов:
В соответствии с математической функцией, описывающей работу фильтра, различают фильтры Бесселя, Баттерворта, Чебышева. Основное отличие между ними состоит в поведении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) вблизи частоты среза. За пределами полосы пропускания крутизну спада АЧХ однозначно определяет порядок (степень) этой функции. Каждый следующий порядок увеличивает крутизну на 6 дБ. Таким образом, фильтры второго порядка имеют крутизну АЧХ 12дБ/октава, третьего - 18дБ/октава и так далее. Наибольшее распространение получили фильтры Баттерворта и Бесселя. Фильтры Баттерворта обеспечивают минимальную неравномерность АЧХ, фильтры Бесселя - линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ).
Поскольку коэффициенты Бесселя для фильтра второго порядка весьма близки, в промышленных и любительских конструкциях нередко используют равнокомпонентные фильтры. Они удобны в серийном производстве, поскольку для них требуются частотозадающие элементы одинаковых номиналов с допусками средней точности. Этого нельзя сказать о фильтрах Баттерворта и Бесселя, более критичных к номиналам элементов. Однако фазовая и частотная характеристики равнокомпонентных фильтров самые худшие, поэтому их используют только в бюджетных моделях усилителей и кроссоверов.
Для перестройки частоты среза фильтров в широком диапазоне необходимо синхронно изменять величины частотозадающих звеньев. Для этого обычно используют многосекционные переменные резисторы с хорошим согласованием характеристик. Поскольку изменение частоты среза обычно требуется только один раз при настройке системы, во многих конструкциях вместо переменных резисторов используются резисторные матрицы. В случае фильтров высокого порядка это не только удешевляет конструкцию, но и повышает ее надежность и точность настройки.
Пределы плавной перестройки частоты некоторых кроссоверов ограничены двумя-тремя октавами в наиболее употребительных диапазонах частот 50…400 Гц и 2…8 кГц, иногда разбитых на отдельные поддиапазоны. При таком подходе в фильтрах второго порядка можно перестраивать только одно звено. Добротность и форма АЧХ фильтра в этом случае практически не изменяются, но в конструкции можно использовать недорогие двухсекционные переменные резисторы.
С целью снижения стоимости в последнее время часто используют фильтры переменной крутизны, состоящие из звена второго порядка с фиксированной граничной частотой среза и плавно перестраиваемого в широком диапазоне звена первого порядка. Такие фильтры нельзя отнести к какому-либо конкретному типу, поскольку в процессе регулирования добротность и крутизна АЧХ изменяются. В результате "идеологически выдержанный" фильтр получается только в одном из положений регулятора.
Однако благодаря такой структуре обеспечиваются прекрасные фазовые характеристики в полосе пропускания (соответствуют фильтрам первого порядка) и хорошее подавление внеполосных сигналов (как у фильтров второго-третьего порядка). Изменение крутизны фильтра в полосе пропускания можно оценивать с разных позиций, но более гладкая фазовая характеристика по сравнению с традиционными вариантами делает фильтры переменной крутизны особенно привлекательными в том случае, когда частота раздела полос НЧ и СЧ-ВЧ лежит в области 300…900 Гц. В этом диапазоне локализация звуковых образов основана на разности фаз сигналов, поэтому для сохранения четкой звуковой картины фазовые искажения желательно минимизировать.
рис.1
рис.2
рис.3
рис.4
|
|