РЕГУЛЯТОР ТЕМБРА С ПСЕВДООБХОДОМ
Схем различных регуляторов тембра (РТ) много, но все они имеют свои недостатки. В этой статье хочется предложить несколько иной вариант РТ, призванный устранить некоторые недостатки существующих РТ и поднять качество регулировки тембра в целом. Для начала давайте рассмотрим недостатки, как пишут, самого лучшего из РТ (дающего самые меньшие искажения) — пассивного РТ Баксандала (Джонса). Вот его схема, взятая из интернета (Рис.1):
Рисунок 1. Схема пассивного РТ Баксандала
Посмотрите – здесь в среднем положении резисторов-регуляторов НЧ и ВЧ – когда тембр не изменен — сигнал гасится в несколько раз резисторами и конденсаторами. То есть в целом выполняется не какая-либо коррекция, а простое линейное снижение амплитуды сигнала при участии конденсаторов. Это очень не хорошо, т.к. перезарядка обкладок конденсаторов вносит паразитные призвуки в сигнал (об этом много написано в интернете). Для качественного звука требуются дорогие аудиофильские конденсаторы.
Вторым недостатком в среднем положении является некоторое искривление АЧХ теми же резисторами и конденсаторами. Нужны очень точные резисторы и конденсаторы. Но все равно абсолютной линейности АЧХ не получится.
Поэтому хорошо бы сделать так, чтобы в среднем положении регуляторов НЧ и ВЧ, конденсаторы полностью бы исключались из работы, а включались в работу постепенно, по мере поворота регуляторов к крайним положениям пропорционально величине изменения тембра. Таким образом в среднем положении регуляторов осуществлялся бы режим близкий к «Обходу» (как с помощью переключателя) — характеристика была бы без влияния конденсаторов на звук (без призвуков и нелинейности), а по мере изменения тембра, конденсаторы потихоньку включались бы в работу. Причем такой режим был бы более выгодным даже чем «Обход» с помощью переключателя – так как в положениях близких к средним задуманный РТ задействовал бы конденсаторы постепенно, а РТ Баксандала при выключении «Обхода» включает конденсаторы сразу «на полную».
Третий недостаток пассивного РТ Баксандала — это не вполне корректное суммирование ветвей НЧ и ВЧ вблизи частоты разделения сигнала (
1000 Гц) – простое суммирование на резисторах. Хотя для точного суммирования необходимо было бы суммирование сигналов ветвей НЧ и ВЧ выполнять на инвертирующем входе ОУ. Об этом так же написано в интернете. Соответственно звуки в районе 1000 Гц несколько размываются. В этом смысле все многополосные эквалайзеры размывают уже несколько частот звукового диапазона, это уже хорошо слышно. Как правило все многополосные эквалайзеры хочется выключить и слушать без них. Правда есть активный РТ Баксандала (схемы в Интернете) – там суммирование ветвей НЧ и ВЧ выполняется уже на инвертирующем входе ОУ – это некоторый плюс.
Четвертый недостаток пассивного РТ баксандала — это зачастую сильные трески при вращении движков регулировочных резисторов. Трески эти обусловлены плохим контактом ползунка, вызванным неоправданно большим током через этот ползунок, так как он участвует и в делении сигнала в несколько раз при любых положениях и в самой регулировке. Было бы лучше, чтобы в среднем положении резистора ток через ползунок вообще бы не шел – то есть можно было бы, грубо говоря, подковырнуть чем-то ползунок и звук бы не изменился. Ну, а по мере вращения ползунка к краям, ток по ползунку увеличивался бы постепенно (примерно так, как описано выше про конденсаторы). В этом случае вероятность треска снизилась бы в десятки раз.
Еще одним свойством РТ Баксандала (думаю, что это то же недостаток) является тот факт, что вблизи частот раздела НЧ и ВЧ (рис. 2) при регулировке тембра происходит очень резкое (не плавное) изменение амплитуд сигнала со слишком большим перемещением по частотам. На мой взгляд на рис. 2 вблизи частот разделения просто какой-то хаос кривых АЧХ. От нуля идет резкий изгиб характеристики. Практически так и есть, а в литературе обычно приводятся слишком красивые кривые, скорее даже желаемые или теоретические. Было бы лучше иметь плавный отход от нуля.
Рис. 2. Реальная характеристика пассивного РТ Баксандала, взятая из Интернета
Вот пожалуй это и все основные недостатки пассивного РТ Баксандала. Конечно, существует много схем активных РТ, в том числе и активный РТ того же Баксандала. Но везде пишут, что эти схемы дают звук похуже пассивного РТ. Мне кажется объяснить это отставание в качестве можно применением конденсаторов именно в обратной связи ОУ, когда микроискажение от конденсатора начинает циклически прокручиваться через обратную связь по нескольку раз — примерно как если смотреть в два направленных друг на друга зеркала – получаем бесконечное количество отражений. Думаю, можно утверждать, что конденсаторы при прямом прохождении сигнала (пассивном) меньше портят звук, чем находясь в обратной связи усилителя. Так что если стремиться к высококачественному РТ, то вероятно лучше – пассивному. Ну а в обратных связях ОУ применять только постоянные резисторы.
Вот и встала задача сделать РТ с отсутствием указанных выше недостатков. Но в основном он должен быть таким, чтобы в среднем положении регуляторов конденсаторы полностью исключались бы из работы и ток на ползунках в среднем положении был бы нулевым. Это – главное. Ну и, конечно, РТ должен быть пассивным. В целом задача решена. Так что читаем статью дальше и наслаждаемся.
Давайте посмотрим на схему варианта РТ, призванного снизить указанные выше недостатки – рис.3:
Рис. 3. Схема регулятора тембра (РТ) с псевдообходом
«С псевдообходом» этот РТ назван потому, что в среднем положении регулировочных резисторов в цепи прохождения сигнала нет ни одного конденсатора и участков резистивных дорожек переменных резисторов. Это почти то же, что и через контакты переключателя «Обход», но все-таки не переключатель – вот и «псевдо». В основе работы схемы лежит суммирование на резистивной дорожке регулировочных резисторов R3 и R4 рис.3 противофазных сигналов. На верхние выводы идет сигнал с А1-1 в фазе с входным, а на нижние выводы сигнал c А1-2 противофазный. В результате в среднем положении регуляторов (резистивной дорожки) сигналы суммируются и взаимно уничтожаются. На ползунке в среднем положении сигнал становятся равными нулю.
Благодаря этому нулю нет никакой добавки НЧ или ВЧ в чистый сигнал, который уже идет на инвертирующий смеситель А3 (точку «Е») через R7. Ни конденсаторы, ни переменные резисторы не принимают участие в прохождении сигнала. Ну а при отклонении ползунка регулировочных резисторов от среднего положения, в чистый сигнал с R7 добавляются или вычитаются сигналы с фильтров ВЧ и НЧ (с резисторов R8 и R9). В результате тембр изменяется. Хотя в обратной связи ОУ есть конденсаторы С2, С9, но они работают на частотах значительно выше звуковых – для устранения возможного самовозбуждения и отразиться на звуковых частотах никак не могут.
Данный РТ имеет интересную особенность – средняя точка регулировочных резисторов – обычно обозначаемая «0» или «Обход» или «Defeat» или «System direct» или «Direct tone» находится не в середине резистивной дорожки резисторов регуляторов тембра, а значительно смещена влево. Положение «0» показано на рис. 4. Это обусловлено тем, что вычитание того же числа в большей степени изменяет относительный результат, чем суммирование. Приходится противофазный сигнал при подаче на регулировочные резисторы делать примерно 0,4 от фазного. Только тогда регулировки в + и в – будут одинаковы (в децибелах) относительно входного сигнала.
Рис. 4. Место нулевой точки (Обхода) на регулировочных резисторах
Важным свойством данного РТ, является то, что он не имеет завала частот на самых краях звукового диапазона (30 Гц и 16 кГц) – рисунок 5, особенно по сравнению с РТ на основе гираторов или колебательных контуров.
Рис. 5. Практическая характеристика регулятора тембра (РТ) с псевдообходом
Здесь характеристика НЧ плавная от нуля до предела слышимости (
30 Гц), а у других регуляторов ниже 100 Гц усиление может падать. Примерно та же ситуация и с ВЧ – здесь плавная вогнутая кривая идет за частоты предела слышимости. На обычных РТ характеристика горбатая с завалом частот на краях звукового диапазона (после 60 … 100 Гц). Горбатость — это очень прискорбный факт, приводящий к тому, что часто на низких частотах можно услышать бубнение и гул, а на высоких частотах – металлический призвук. Для правильного восприятия звука горбы не желательны. В интернете много графиков РТ с горбатостью. На рис.2 один из них.
Так для высококачественной аппаратуры горбы вообще недопустимы, а, вот для простенькой аппаратуры с небольшими звуковыми колоночками – наоборот хорошо – динамики не будут перегружаться глубокими НЧ, ну и не требуются фильтры, отсекающие глубокие НЧ в некоторых устройствах. Так что предлагаемый РТ подходит в основном для относительно мощных качественных систем с большими колонками, способными воспроизводить глубокий бас. Ну и для качественных наушников. Тогда можно реально насладиться полным и ровным диапазоном звуковых частот. А для маленьких колоночек – пожалуйста РТ Баксандала или те, что с гираторами, индуктивностями или многополосные.
Наличие резисторов R5, R8 на путях прохождения сигналов с ползунков переменных резисторов гарантирует полное отсутствие потрескиваний при вращении и работе. Здесь важно отметить, что, если, при вращении регулятора своего РТ на своем усилителе Вы услышали потрескивания, значит все очень плохо. Значит и при неподвижном регуляторе под ползунком происходят микро неконтакты или микро изменения сопротивления резистора – звук портится. Надо как — то снижать ток через ползунок. В предлагаемом регуляторе такая плохая ситуация исключена.
Другой особенностью данного РТ является то, что практически сложно получить одинаковую глубину регулировки в + и — более ±10 дБ. Но та же практика показала, что большая глубина регулировки и не требуется. Современные фонограммы достаточно качественные и нечего там значительно регулировать. Здесь выбран диапазон около ±8 дБ, что вполне достаточно. Этот диапазон регулировки измерен на частотах 30 Гц и 16 кГц.
Теперь давайте посмотрим на практическую реализацию опытного варианта предлагаемого РТ, на котором и отрабатывался окончательный вариант схемы. Сразу была задумка сделать РТ вместе с усилителем для наушников (УН) – чтобы все изменения элементов немедленно и максимально хорошо слышать. А так же оценить, возможно ли качественное питание РТ и УН от простого однополярного импульсного блока питания. Вот какое устройство получилось (Рис.6).
Рис. 6. Готовое устройство регулятора тембра (РТ) и усилителя наушников (УН)
На рис. 6 фото собранного устройства РТ + УН. Слева – направо: Гнездо подвода однополярного питания 24 В; фильтр-формирователь напряжения питания; регулятор громкости; транзисторы с ОУ УН; конденсаторы питания УН; гнезда входа-выхода УН и входа в РТ; схема РТ; резисторы-регуляторы тембра и выходные гнезда РТ. Конденсаторы поставлены довольно больших номиналов, т.к. формируют среднюю точку «0» питания, т.е. +12 В и – 12 В. В этом же формировании участвуют и стабилитроны с резисторами (слева).
Все радиодетали среднего качества – не аудиофильские. Разводка платы выполнена в соответствии с рекомендациями статьи «Разводка земли методом Серебряного веера» Волкова И. То есть в одной точке сосредоточены входные гнезда, выходные гнезда, конденсаторы питания, все земляные выводы элементов. Ну и выходные транзисторы «сидят» непосредственно на своих конденсаторах. Каждому транзистору – свой конденсатор. Правда эта точка имеет вид большой кляксы, но по-другому и не сделаешь. У меня именно такая разводка уже неоднократно показывала наилучшие результаты. Вид на печатную разводку платы – рис. 7, 8. Изготовлена по-старинке с помощью рейсфедера, лака для ногтей и хлорного железа. Плата опытная.
Рис. 7 Вид на лицевую сторону платы
Рис. 8. Вид на тыльную сторону платы
На рис. 9 показано как устройство настраивалось. УН сразу показал отличную работу. Схему давать смысла нет. Это УНЧ Рода Элиота. Подобных схем много в Интернете. Возможно эта схема не самая лучшая. Здесь ОУ и два транзистора симметрично эмиттерными повторителями. Нагрев транзисторов средний, радиаторы не нужны. Регулятор громкости поставлен в обратной связи. Никаких признаков самовозбуждения или искажений или фона мои уши не отметили, а слушал долго. Наушники были разные, R от 22 до 60 Ом. Думаю, из рис. 10 схема УН в общем понятна.
Рис. 9. Настройка устройства
Жалко, что у меня нет специальных приборов для измерений искажений и АЧХ, но, думаю, цифры были бы неплохие как у РТ так и у УН.
Рис. 10. Вид на усилитель для наушников (УН) устройства
Так же не было никаких отрицательных моментов при применении импульсного питания и того, что это питание однополярное. Сам сетевой блок питания с Алиэкспресса, регулируемый до 24 В, что очень хорошо – не надо делать самому блок питания. Как ни пытался услышать или измерить какие-либо недостатки такого питания – не смог. Главное – было четко организовать среднюю точку, становящуюся нулевой – чтобы относительно этой нулевой точки не было колебаний напряжений + 12 В и – 12 В. Вот такой получился формирователь нуля и одновременно фильтр импульсных помех от блока питания — рис. 11.
Рис 11. Фильтр-формирователь напряжения питания
Все фильтры-дроссели (L1… L51…, рис. 3, 11) поставил какие были чисто интуитивно, без расчетов, которых просто не знаю. Откуда выпаяны не помню. В целом никакой разницы с питанием от сетевого трансформатора (50 Гц) не выявил. Возможно от самого блока питания 24 В есть помехи в эфир – не проверял, но они никак не проявлялись. По всей видимости можно было и не ставить дроссели L53, L54 с конденсаторами С53, С54 (рис. 11) – вряд ли им остается что-либо фильтровать. Положение нулевой точки задается на вполне достаточном уровне стабилитронами D51, D52 с резисторами.
Несколько отвлекаясь от темы, скажу, что пытался «отвязаться» от потенциала сети 220 В различными фильтрами – ничего не получилось. Общий потенциал сети так и проходит на устройство, видимо, несколько портя звук. Обидно – хоть от аккумулятора питай. Отрицательное действие потенциала сети выражается в том, что если отключить межблочный кабель от источника сигнала, то резко возрастает фон и разные помехи. Но если при этом отключить штекер питания, то фон в десятки раз снижается (пока держат конденсаторы).
Вот и надо добиться того, чтобы фон не появлялся и при подключении штекера питания. Как это сделать не ясно, но если кто-то смог это сделать — просьба написать. Думаю, что этот вопрос в десятки раз более важный, чем сотни раз обсуждать какая схема УНЧ лучше или правильней, какие конденсаторы лучше и т.п. Ну и кто знает как работают дорогие аудиофильские сетевые кабели – просьба написать.
Очень удобно для настройки РТ брать сигнал звуковых частот со смартфона. Программ генераторов НЧ в интернете много. В этом случае нет никакой привязки к потенциалу источника звука, что очень хорошо.
Интересно проявили себя микросхемы. Если менять по одной – звук на слух не меняется. Но если менять одновременно все четыре микросхемы, то ясно чувствуется разница в звучании. NJM4558, -4556 дают отвратительное звучание. TL072 чуть получше. NE5532 еще лучше, но все эти микросхемы слушать тяжело. Более-менее ровный и качественный звук дают NJM4580, но и эту микросхему лучше не использовать.
Совсем другое дело ОУ LM4562 – самый качественный звук из имеющихся у меня ОУ. Звук явно более чистый. Но эти ОУ и подороже. Слушая их даже не верится, что может быть ОУ с еще лучшим звуком, да и представляется, что и незачем более лучший ОУ, ведь даже с этой микросхемой все упирается в качество фонограммы. У меня из сотни дисков СД только 3-4 % обладают приемлемым для оценки аппаратуры качеством. Все остальные СД имеют грязь. И где брать качественные СД? В Интернете во Флаке ничего качественного не слышал. Кроме самого звука вторым критерием качества, видимо, является правильная передача пространства. Например в начале песни «Зима» Ю. Лозы звук поземки на LM4562 слышится ниже подбородка – можно представить что поземка под ногами. Здорово слушается, очень красиво. Другие микросхемы дают звук поземки где-то под носом – уже не то. Так что в предлагаемом РТ ОУ рекомендую только LM4562. Этим методом можно проверять и наушники. Отбраковка наушников очень большая.
Особых требований к переменным резисторам нет. Те, что недорогие с Алиэкспресса вполне достаточны. Обусловлено это тем, что в среднем положении резистивный слой и бегунок вообще не участвуют в передаче сигнала. Характеристика переменных резисторов безразлична, так как глубина регулировки тембра небольшая. Приводить типы использованных резисторов и конденсаторов нет смысла – все они б/у среднего качества, но чем качественнее Вы примените свои детали, тем, видимо, будет лучше. О качестве радиоэлементов много написано в Интернете – тут я не советчик. Но именно дорогие аудиофильские детали не требуются. Этим схема и хороша. Вероятно даже применение SMD компонентов в простых устройствах будет оправдано именно в данной схеме. Приводить печатную плату то же нет смысла – ведь РТ вставляется внутрь устройства по месту. Это место и определяет компановку, а из фотографий разводка предлагаемой платы итак ясна.
Рис. 12. Вид на монтаж радиоэлементов регулятора тембра (РТ)
Рис. 13. Вид на монтаж радиоэлементов РТ – 2
Маленькие индуктивности развязки по питанию микросхем (L1… L4, рис. 3, 11) поставлены исходя из единственного условия (их номинал мне даже неизвестен) – минимального сопротивления, чтобы не терять напряжение питания (здесь 0,2 Ома). То есть чтобы было минимальное падение напряжения на этих индуктивностях. Ведь питание ±12 В снижать-то нежелательно. По этой же причине не поставлены последовательные стабилизаторы напряжения – на них будет большое падение напряжения и получится в лучшем случае ±10 В. А это маловато для микросхем. Поэтому точка нуля питания жестко стабилизируется стабилитронами D1, D2 с резисторами R51, R52 (параллельно питанию (рис.11). В процессе работы они потребляют приличный ток, греются. Но зато нет никакого падения напряжения, как было бы на последовательных стабилизаторах.
И еще, в этом случае в устройстве пришлось поставить несколько завышенные емкости. Если питание было бы трехпроводное (- 12 В, 0, + 12 В) и хорошо стабилизированное, то емкости на микросхемах (1000 мкФ) можно значительно уменьшить. Важно отметить, что иногда в статьях пишут, о необходимости соединять емкостью вывод + и – питания микросхемы. Этого делать нельзя. Только на землю и + и – через свой конденсатор. Естественно электролитический конденсатор должен быть в параллели с пленочным или керамическим. Ну и рекомендуют в фильтрах для импульсных блоков питания ставить параллельно керамические и пленочные конденсаторы (как на рис.11).
Рис. 14. Проверка РТ на звуковых колонках через усилитель
На рис. 14 – фото проверки РТ на колонках через усилитель. Собственно это – самое главное. Можно сравнить со штатным РТ самого усилителя. И что в результате? Сразу отметил, что очень низких частот стало больше и ВЧ чуть другие. Но, что самое главное – это низкое качество звука ресивера по сравнению с прослушиванием в наушниках. Так что тестирование стало совсем не корректным. Надо ресивер покачественнее. Хотя много лет назад звук именно этого Грюндика был явно лучше аналогичных Пионеров, Техниксов … Сравнивали. Но зато в наушниках звучание предлагаемого РТ + УН обалденное. Значительно лучше, даже на порядок и более лучше, чем если брать сигнал с лазерного проигрывателя или усилителя сразу на наушники с выхода собственно на наушники. Редко мне приходилось слушать что-либо более качественное, чем предлагаемый РТ + УН. Интересно отметить, что вполне неплохой звук дает лазерный проигрыватель автомагнитолы JVC. Ее удобно носить туда-сюда. Да и личные уши уже «настроены» на именно этот звук для лучших сравнений. Сам сигнал в магнитоле вывел непосредственно с ЦАП, ну и заменил NJM4580 на LM4562.
Конечно, хорошо бы сравнить чисто два РТ, находящихся рядом – Баксандала и предлагаемый. Но делать опытный РТ Баксандала уже не хочется. За свою жизнь мне пришлось спаять много разных РТ и могу четко сказать – предлагаемый получше. Но для своих задач – только для немаленьких колонок и качественных наушников.
От себя хочется сказать: уверен, что тот, кто повторит предлагаемый РТ тот будет очень доволен и еще много раз будет делать такие РТ. Все указанные выше недостатки РТ Баксандала и других РТ полностью устранены. Кроме того звук предлагаемого РТ получается совершенно естественным и правильным. В других же РТ, например с обратными связями не удается даже толком уменьшить глубину регулировки – звук неестественный, только очень глубокая регулировка дает звук естественный, но глубокая регулировка не нужна на слух и создает новые проблемы.
Теперь несколько слов о влиянии элементов на звук предлагаемого РТ (рис.3). Емкость С8 отвечает за горбатость характеристики НЧ. Если колоночки небольшие, то эту емкость необходимо уменьшить. Например до 0,1 мк – очень низких частот поуменьшится. А если колонки огромные, усилитель мощный, то можно и добавить емкости до 0,22 мк – тогда НЧ будут еще более глубокие и обволакивающие. Емкость С7 определяет наклон характеристики ВЧ, но вряд ли придется корректировать эту емкость – она оптимальна и практически не зависит от размеров колонок. Увеличение сопротивления резистора R7 увеличит глубину регулировки тембра. Увеличение номинала резистора R2 увеличит глубину регулировки НЧ и ВЧ только в « — «. Резистор R6 нужен для уравнивания пределов регулировки НЧ и ВЧ. Резисторы R5 и R9 по идее должны быть примерно одинаковыми. Оба влияют на наклон, горбатость характеристики НЧ и громкость НЧ. Резистор R8 (сигнал ВЧ) необходимо подгонять в последнюю очередь под соответствие НЧ.
Значительно изменять номиналы деталей не следует, так как потянется цепочка необходимой коррекции смежных деталей. Резистором R10 устанавливается общий уровень сигнала под последующие каскады аппаратуры. Его можно изменять в широких пределах для своих задач. При указанном номинале коэффициент передачи РТ 1:1. Входное сопротивление РТ примерно 15 кОм. В отдельных случаях оно может оказаться маловатым. Поэтому лучше иметь источник сигнала на ОУ. Выходное сопротивление РТ целиком определяется применяемым ОУ. Ну, а, если от РТ требуется очень высокое входное сопротивление, например для ламповых источников, то резисторы R1 и R7 можно перенести с вывода 3 А1-1 на вывод 1. А вывод 3 заземлить через нужное сопротивление. Тогда входное сопротивление РТ целиком будет определяться входным сопротивлением ОУ и этим сопротивлением. Так же эта мера может пригодиться тем аудиофилам, которые неприемлют электролитические конденсаторы. При большом входном сопротивлении можно будет поставить пленочный суперконденсатор С1 (рис.3) относительно недорогой, ведь его емкость будет совсем небольшой. Да и габариты небольшие.
Найти на регуляторах среднюю точку «0» (для графического нанесения, как на рис.4) можно с помощью генератора звуковых частот – подавая сигналы 20… 1000 Гц и 1000 Гц…20 кГц. Именно в точке «0» изменение сигналов на выходе должно быть минимальным соответственно для НЧ и ВЧ.
Еще очень хочется сказать свое мнение об одном интересном моменте. Если фонограмма и аппаратура не особо качественные, то положение регуляторов тембра можно устанавливать в довольно широких пределах. Слушается приемлемо. Но если фонограмма и аппаратура очень качественные, то положение регуляторов устанавливается на слух очень точно – в место с максимально естественным звуком.
А небольшое отклонение от этого места значительно ухудшает восприятие звука. Создается впечатление, что в музыке есть еще что-то второе кроме тембровой окраски, что сильно влияет на восприятие. В этом смысле мнение многих аудиофилов о том, что регулятор тембра вообще не нужен представляется неверным. Именно поймать тембром вот это второе – очень важно. Здесь и поможет с максимально возможным успехом предлагаемый РТ.
Источник