Регулятор громкости и тембра: тонкомпенсация, согласование, схемы

«Регулятор громкости и тембра» в поиске — это два разных устройства, которые часто ищут вместе, потому что в бытовых усилителях они стоят рядом на передней панели. Регулятор громкости задаёт уровень, регулятор тембра меняет соотношение низких и высоких частот. Совмещаются они одним способом — тонкомпенсацией: частотно-зависимой коррекцией, которая подстраивает тембр пропорционально положению регулятора громкости. Ниже — почему тембр и громкость разделены, как работает тонкомпенсация, по каким формулам считается пассивный темброблок и как согласовать его с релейным РГН.

Главное

• Регулятор громкости не управляет тембром. Резистивный делитель ослабляет все частоты одинаково — это его нормальное поведение, а не дефект.
• Слух на малой громкости теряет низкие и высокие частоты — поэтому на тихом уровне музыка кажется «плоской». Компенсируют это тонкомпенсацией.
• Тонкомпенсация — это частотно-зависимый делитель, включённый так, чтобы глубина коррекции росла при уменьшении громкости.
• Пассивный темброблок (мост Баксандала, 1952) ослабляет средние частоты в 10–12 раз (примерно 20 дБ) — отсюда необходимость компенсирующего каскада.
• Активный темброблок использует глубокую частотно-зависимую ООС и вносит дополнительные искажения; пассивный тембра не усиливает, но и не портит.
• Релейный РГН тембр не регулирует — он его сохраняет; тонкомпенсацию в нём реализуют отдельной RC-цепью на отводе аттенюатора.

Содержание

Почему разные узлы

Аттенюатор — линейное по частоте устройство: делитель напряжения ослабляет сигнал одинаково во всей полосе. Если на входе 2 В, а на выходе 0,2 В, то 0,2 В будет и на 50 Гц, и на 10 кГц. АЧХ не меняется — меняется только уровень.

Регулятор тембра, наоборот, работает именно с АЧХ: изменяет наклон характеристики в области низших и высших частот относительно опорной частоты (обычно 1 кГц или 400 Гц). Это частотно-зависимые RC-фильтры, а не делители.

Из этого следует важное практическое ограничение, которое стоит проговорить честно: пассивный регулятор громкости тембр не регулирует. Релейный РГН Никитина — пассивный лестничный аттенюатор, и его задача — максимально точно сохранить АЧХ источника при любом положении регулятора. Если нужна коррекция тембра, её делают отдельным узлом.

Зачем нужна тонкомпенсация

Восприятие громкости человеком нелинейно. На малых уровнях чувствительность уха к нижним и верхним частотам падает сильнее, чем к средним: тихая запись воспринимается как «плоская», с недостатком баса и воздуха, хотя АЧХ тракта идеально линейна. Это описывают кривые равной громкости (Флетчер—Мэнсон), а сам принцип восходит к закону Вебера—Фехнера.

Это же наблюдение лежит в основе статьи о регуляторе громкости с тонкомпенсацией на cxem.net: при небольших уровнях громкости звучание аппаратуры невысокого класса не обеспечивает качественного воспроизведения, потому что ухо становится менее чувствительным к частотам нижнего и верхнего диапазона.

Отсюда две практики:

• Тонкомпенсация — автоматический подъём НЧ и ВЧ при уменьшении громкости.
• Коррекция тембра вручную — пользователь сам добавляет бас на тихой громкости; именно так работает большинство бытовых усилителей с регуляторами тембра.

Терминологическая заметка: «тонкомпенсация», «тонкоррекция» и «loudness» — одно и то же. В англоязычной литературе это loudness compensation.

Как работает тонкомпенсация

Идея — включить частотно-зависимую цепь параллельно части аттенюатора так, чтобы её влияние росло при увеличении ослабления.

Возможны три схемотехнических подхода.

1. Отвод на аттенюаторе (tap). В ступенчатом или лестничном аттенюаторе часть ступеней имеет дополнительную RC-цепь, которая поднимает НЧ и ВЧ. Эффект «включается» только в нижней части диапазона громкости: на верхних ступенях цепь закорочена или отключена.

2. Отдельная RC-цепь перед аттенюатором. Частотно-зависимый делитель с конденсатором и резистором, включённый последовательно с «горячим» проводом; глубина коррекции фиксирована, но зависит от входного импеданса.

3. Активная тонкомпенсация в микросхеме. Готовые регуляторы с тонкомпенсацией (LM1036, TDA1524 и подобные) содержат внутренние RC-цепи и управляются напряжением; в Hi-Fi трактах применяются редко из-за полупроводников в сигнальном пути.

Ключевое условие работоспособности: источник должен иметь низкое выходное сопротивление, а следующий каскад — высокое входное. Иначе частоты перегиба RC-цепи «плывут» от положения регулятора и подключённого усилителя, и коррекция перестаёт быть предсказуемой.

Регулятор тембра

Двухполосный регулятор тембра — это, по сути, регулируемый частотный RC-фильтр. По схемотехнике он делится на пассивный и активный.

Пассивный темброблок строится на мостовой схеме Баксандала (английский инженер Баксандал, 1952). Два звена первого порядка — низкочастотное R1C1R3C2R2 и высокочастотное C3R5C4R6R7 — образуют мост. Регулировка меняет наклон АЧХ, не сдвигая частоты перегиба. Затухание на средних частотах определяется отношением n = R1/R3.

Активный темброблок добавляет усилительный каскад с частотно-зависимой обратной связью. Это компенсирует потери пассивной схемы, но плата известна: в нём используется глубокая частотно-зависимая ООС, а значит, вносятся дополнительные искажения в регулируемый сигнал. Именно поэтому в высококачественной аппаратуре предпочитают пассивные регуляторы.

Основной недостаток пассивной схемы — значительное затухание. По данным Е. А. Москатова, чтобы получить глубину регулировки на крайних частотах не менее ±20 дБ (норма для усилителей 1-го и высшего классов), приходится мириться с тем, что коэффициент передачи на частоте 1 кГц не превышает 0,05. Это заставляет вводить в ламповый усилитель дополнительный каскад, а в транзисторный — иногда два.

В современной аппаратуре глубина регулировки тембра невелика (не более 8–10 дБ), поэтому дополнительные каскады усиления в большинстве случаев не требуются — затухание можно компенсировать запасом по усилению основного тракта.

Расчёт

Для классической пассивной схемы номиналы определяются из сопротивления переменных резисторов R и условий согласования с источником (Rc) и нагрузкой (Rн):

Rc < R < Rн

R1 = R4 = 0,1R
R3 = 0,01R
C3 = 0,1/R
C1 = 22 · C3
C2 = 220 · C3
C4 = 15 · C3

где C — в микрофарадах, R — в килоомах. Переменные резисторы берут одинаковыми.

Практические числа.

Выбор характеристики переменного резистора. Для плавного регулирования при n = 10 нужны резисторы с экспоненциальной зависимостью (группа «В»). При «хайэндовском» n = 2…3 можно ставить линейные (группа «А») — регулировка в области спада грубеет, зато сопротивление секций сдвоенного резистора точнее согласовано, что уменьшает рассогласование АЧХ каналов.

Требование к соседним каскадам. Регулятор требует низкого выходного сопротивления предшествующего каскада и высокого входного сопротивления последующего: Rвых(источника) ≪ R и R ≪ Rвх(нагрузки).

Практическое правило: если после установки темброблока АЧХ «плывёт» от угла поворота регулятора, проверьте не схему, а импедансы соседних каскадов. Пассивный темброблок первым делом наказывает за нарушение согласования.

Согласование РГН и темброблока

Порядок каскадов в тракте подчиняется простому принципу: сначала коммутация, потом громкость, потом тембр — либо тембр перед аттенюатором, если он пассивный.

Вариант A (тембр после РГН). Источник → селектор входов → темброблок → РГН → усилитель. Плюс: темброблок работает при постоянном уровне. Минус: на вход темброблока попадает уже ослабленный сигнал, что ухудшает отношение сигнал/шум на малой громкости.

Вариант B (тембр перед РГН). Источник → селектор → РГН → усилитель, а темброблок — в петле или отдельно. Для пассивного темброблока это чаще предпочтительнее: он получает полный уровень источника, а его собственное затухание компенсируется запасом усиления усилителя.

Вариант C (тонкомпенсация внутри РГН). В релейном аттенюаторе дополнительные RC-цепи подключаются на нижних ступенях, и тембр корректируется пропорционально громкости без отдельного органа управления. Это самый «чистый» путь: в тракте нет ни одного активного элемента, а коррекция включается только там, где она физиологически нужна.

Коммутационная развязка. Отдельный переключатель «Tone Direct / Tone In» (псевдообход) позволяет полностью вывести темброблок из тракта. Реализуется реле или галетным переключателем; схема с псевдообходом описана, в частности, в проектах регуляторов тембра на radiostorage.net.

Сводная таблица