Темброблок для усилителя: активный или пассивный — схемы, расчёт, выбор

Темброблок — регулируемый частотный фильтр, который меняет АЧХ тракта в области низших и высших звуковых частот относительно опорной частоты 1 кГц. В усилителях он нужен, чтобы компенсировать нелинейность акустики и записей, а не «улучшить» звук. Все схемы делятся на два класса: пассивные (мост Баксандала без усиления) и активные (тот же мост в цепи обратной связи операционного усилителя). Выбор между ними — это выбор между затуханием 20 дБ без искажений и компенсацией затухания ценой искажений.

Главное

• Пассивный темброблок не содержит активных элементов, но ослабляет средние частоты в 10–12 раз (около 20 дБ).
• Активный темброблок строится на операционном усилителе (типовая микросхема — NE5532) и компенсирует затухание, но использует глубокую частотно-зависимую ООС, которая вносит дополнительные искажения.
• Схема Баксандала (1952) — база обоих вариантов: мост из низкочастотного и высокочастотного звеньев первого порядка.
• Диапазон регулировки задаётся отношением n = R1/R3. При n = 10 — ±14…18 дБ на 100 Гц и 10 кГц, при n = 2…3 — ±4…8 дБ.
• Крутизна АЧХ: 6 дБ/окт теоретически для звена первого порядка, 4…5 дБ/окт практически.
• Пассивная схема требует жёсткого согласования: Rвых источника ≪ R ≪ Rвх нагрузки.
• Современная норма глубины регулировки — 8…10 дБ, поэтому дополнительный компенсирующий каскад часто не нужен.

Содержание

Что такое темброблок

Темброблок (частотный регулятор, tone control) — устройство для регулирования частотной характеристики аудиосигнала. Необходимость в нём возникла из особенностей самого тракта: транзисторные усилители имеют нелинейную характеристику в разных диапазонах — в области низших и высших частот коэффициент усиления ниже, чем в среднем диапазоне. Темброблок выравнивает АЧХ, но вносит потери в амплитуде, поэтому его часто дополняют усилительным каскадом для компенсации.

По сути это регулируемые RC-фильтры: уровень сигнала меняется на определённых частотах — как в области НЧ, так и в области ВЧ. Соответственно, по схемотехнике темброблоки делятся на пассивные и активные.

Мост Баксандала

Классический двухполосный регулятор тембра построен на мостовой схеме, разработанной английским инженером Баксандалом в 1952 году. Схема состоит из двух звеньев первого порядка, образующих мост:

• низкочастотное звено — R1C1R3C2R2;
• высокочастотное звено — C3R5C4R6R7.

При регулировании фильтр Баксандала меняет только наклон АЧХ, не сдвигая частоты перегиба. Это важное свойство: пользователь изменяет степень подъёма или спада, а граничные частоты остаются стабильными, и коррекция ведёт себя предсказуемо.

Существует три схемных варианта:

1. Базовый — применяется в радиоаппаратуре высокого класса, даёт симметричное регулирование подъёма и спада.
2. Упрощённый — упрощённое ВЧ-звено; регулирование в области высших частот менее чёткое, выше влияние соседних каскадов. Был популярен в любительских усилителях конца 60-х — начала 70-х.
3. Предельно упрощённый — отказ от симметричного регулирования; недостаток в том, что все характеристики взаимосвязаны.

Вторая группа регуляторов тембра строится не на мосте, а на частотно-зависимом делителе напряжения. Исторический пример — темброблок гитарных ламповых усилителей, «изюминка» которого в изменении частот перегиба АЧХ в процессе регулирования.

Регулятор высоких частот в большинстве схем — простейший фильтр первого порядка; регулятор низких частот устроен сложнее.

Пассивный темброблок

Пассивная схема не содержит усилительных элементов — только резисторы и конденсаторы. Её достоинства:

• минимальные вносимые искажения (нечему искажать);
• простота и надёжность;
• предсказуемое поведение при правильном согласовании.

Недостатки:

• значительное затухание. Пассивная схема ослабляет сигнал в области средних частот в 10…12 раз, поэтому устанавливается обычно между предварительным и оконечным каскадами;
• жёсткие требования к согласованию. Сопротивление переменного резистора R должно быть больше выходного сопротивления источника (Rc) и меньше входного сопротивления следующего каскада (Rн): Rc < R < Rн;
• нужен запас усиления. При требуемой глубине ±20 дБ коэффициент передачи на 1 кГц не превышает 0,05 — это заставляет вводить в ламповый усилитель дополнительный каскад, а в транзисторный иногда два;
• требуются переменные резисторы с экспоненциальной характеристикой (группа «В») для плавного регулирования при большом n.

Практический вывод: в высококачественной аппаратуре пассивные регуляторы предпочтительны именно потому, что не вносят искажений. При современной норме глубины регулировки 8…10 дБ дополнительные каскады усиления в большинстве случаев не нужны — затухание компенсируется запасом усиления основного тракта.

Активный темброблок

Активный вариант отличается наличием усилительного каскада — транзисторного или на операционном усилителе. Частотные характеристики рассчитываются так же, как для пассивного моста, но включённого в цепь обратной связи.

Достоинства:

• компенсирует затухание, не требуя запаса усиления от основного тракта;
• допускает большой диапазон регулировки (±20 дБ и более);
• ослабляет требования к согласованию импедансов;
• позволяет сделать буфер с низким выходным сопротивлением.

Недостаток — принципиальный: в активном темброблоке используется глубокая частотно-зависимая отрицательная обратная связь, и как следствие, в регулируемый сигнал вносятся большие дополнительные искажения. Именно поэтому в аппаратуре высокого класса активный темброблок применяют осторожно, ограничивая глубину регулировки.

Транзисторный вариант. К транзистору особых требований не предъявляется — подойдут КТ315Б…Г, КТ3102, КТ342 или импортный 2SC1815. При необходимости можно применить источник тока в другой полярности, сменив проводимость транзистора (p-n-p) и развернув полярность электролитических конденсаторов.

На NE5532

NE5532 — сдвоенный малошумящий операционный усилитель, ставший стандартом для аудиокаскадов: низкий уровень шума, достаточное быстродействие, доступность. На нём строится и активный темброблок, и полный предварительный усилитель с темброблоком.

Типовая топология активного темброблока на NE5532:

• первый ОУ — буфер/масштабирующий каскад с нормированием уровня;
• второй ОУ — собственно регулятор тембра, в цепи обратной связи которого стоит мост Баксандала с двумя сдвоенными переменными резисторами (НЧ и ВЧ);
• питание — двуполярное (±9…±15 В), с развязкой по каждому плечу плёночными и электролитическими конденсаторами вблизи выводов питания.

Практические замечания:

• НЧ- и ВЧ-звенья подключаются к разным ОУ или к одному в зависимости от требуемой глубины: во втором случае звенья взаимно влияют.
• В металлоплёночных конденсаторах звеньев допуск важнее типа: разброс номинала в 5 % даёт заметное рассогласование каналов.
• При питании от одного источника потребуется смещение средней точки и разделительные конденсаторы на входе/выходе.
• Существуют готовые решения «предварительный усилитель с темброблоком на NE5532» с нормированной глубиной ±10…15 дБ — такой диапазон перекрывает большинство бытовых задач и не требует глубокой ООС.

Расчёт номиналов

Для классической пассивной схемы моста Баксандала расчёт ведётся от сопротивления переменных резисторов R при выполнении условия Rc < R < Rн:

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

(C — мкФ, R — кОм.)

Рабочие зависимости:

Готовые инструменты. Для пассивных регуляторов тембра существует программа «Timbreblock 4.0.0.0» (Е. А. Москатов), позволяющая рассчитать номиналы под нужные частоты перегиба и глубину регулировки.

Сравнительная таблица

Псевдообход

Компромисс между «темброблок есть» и «темброблока нет» — режим обхода (Tone Direct / Tone Defeat), при котором регулятор тембра полностью выводится из сигнального пути.

Два варианта реализации:

• псевдообход — сигнал подаётся на вход и снимается с выхода в обход регулирующих цепей; активные каскады при этом остаются в тракте;
• истинный обход — переключение реле или галетником, при котором из тракта выводится весь узел, включая усилительный каскад.

Для релейных устройств второй вариант предпочтительнее: реле с золотыми контактами вносят в тракт лишь единицы миллиом и не требуют обслуживания контактов. Схема с псевдообходом описана, в частности, в проектах самодельного регулятора тембра на radiostorage.net.

Практическое правило: если в системе есть темброблок, режим обхода нужен обязательно. Иначе при прослушивании качественных записей вы будете слушать не запись, а настройки.