Активные фильтры на полевых транзисторах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Аудиотехника

 Комментарии к статье

В статье предложены простые активные фильтры, выполненные на истоковых повторителях. Малый уровень искажений и их низкий порядок, характерный для таких фильтров, способствуют достижению чистоты звучания спектрально насыщенных музыкальных сигналов. Это позволяет им успешно конкурировать с активными фильтрами на ОУ.

К достоинствам узлов аудиоаппаратуры на полевых транзисторах можно отнести низкий уровень гармонических и интермодуляционных искажений, вносимых ими в усиливаемые сигналы. Благодаря Этому обстоятельству конструкторы все чаще применяют эти транзисторы в выходных каскадах УМЗЧ. Однако в предварительных каскадах такие приборы применяют редко, в основном в любительских разработках. И зря! Их применение позволяет создать простые по схеме устройства без общей обратной связи, создающие теплое "ламповое" звучание. Коэффициент гармоник усилителей даже с местной ООС не превышает 0,1...0,3 %, гармоники высокого порядка практически отсутствуют.

Достоинства полевых транзисторов особенно ярко проявляются в простых конструкциях. Правда, в этом случае становится заметным их основной недостаток - довольно большой технологический разброс собственных параметров. Вследствие этого обычно требуется индивидуальная настройка каждого изделия. Это не является препятствием для радиолюбителей, но для серийного производства устройства с простейшей схемотехникой мало пригодны. Впрочем, и это обстоятельство можно учесть: достаточно использовать при мелкосерийном производстве отлаженной конструкции транзисторы из одной партии; в пределах одной упаковки разброс параметров не столь велик.

Главное условие, которое ставилось при разработке предлагаемых фильтров - высокая линейность для сигналов с уровнями до сотен милливольт в широкой полосе частот при предельной простоте устройства. Если использовать п-канальные транзисторы с напряжением отсечки ниже -3 В (КПЗ0ЗГ, КПЗ0ЗЕ), необходимый режим работы при однополярном питании достигается без смещения на затворе. Разделительный конденсатор на входе каскада в этом случае не обязателен. А это дополнительно повышает качество звучания.

Рассчитать режимы каскада (рис. 1) по постоянному току и коэффициент передачи можно по методу линейной аппроксимации [1]. Этот метод существенно проще и нагляднее приведенного в [2], обеспечивает практически те же результаты.

Для расчета необходимо знать крутизну характеристики транзистора S, причем желательно использовать не справочное, а реальное значение. Однако непосредственное измерение крутизны в любительских условиях затруднено. Линейная аппроксимация позволяет использовать для определения структуры более удобные для измерения параметры: начальный ток стока Iснач и напряжение отсечки Uотс. Крутизну характеристики в этом случае определяют по формуле:

S= Iс нач/Uотс.

Сопротивление резистора в цепи истока Rи можно ориентировочно выбрать из соотношения Rи = (3...6)/S. Выходное напряжение каскада со стока VT1 можно приблизительно определить из соотношения Uвых = UBXSRC/(1+SRи), а напряжение сигнала на истоке - по формуле Uвых = UBXSRи/(1+SRи), где S - крутизна транзистора; Rи, RC - сопротивления в цепи истока и стока (на рис. 1 - R3 и R2 соответственно).

Самая простая конструкция - ФВЧ второго порядка на основе истокового повторителя (рис. 2). Недостатки этого фильтра связаны с его низким коэффициентом передачи. Этот параметр зависит от крутизны характеристики и для распространенных маломощных полевых транзисторов с S = 3...7 мА/В составит 0,8...0,85. Поэтому расчетные (для единичного коэффициента передачи) значения частотозадающих элементов приходится корректировать либо использовать для расчета формулы, учитывающие реальный коэффициент передачи [3].

Так, при указанных на схеме номиналах деталей расчетная частота среза составляет 72 Гц, а реальная - 85...90 Гц. Хотя соотношение номиналов R2/R1 - 2 соответствует фильтру Баттерворта, частота среза получается несколько выше расчетной, а перегиб АЧХ - более плавным. Чтобы увеличить крутизну АЧХ в области перегиба, сопротивление R1 нужно уменьшить так, чтобы отношение R2/R1 составило 3...10. Частоту среза можно смещать, пропорционально изменяя сопротивление резисторов R1, R2 или емкость конденсаторов C1, C2.

Сигнал на выходе такого фильтра ослаблен на 2...2,5 дБ, при этом перегрузочная способность каскада невысока. В таких условиях максимальное неискаженное выходное напряжение не превысит 500 мВ. Чтобы преодолеть эти недостатки, можно использовать комбинированный каскад структуры "общий исток - общий коллектор" (рис. 3), но сигнал на выходе такого фильтра будет инвертирован.

Применение эмиттерного повторителя на выходе фильтра снизило выходное сопротивление примерно до 50 Ом и значительно улучшило нагрузочную способность. При указанных на схеме номиналах элементов частота среза около 80 Гц. Коэффициент усиления (2...3 дБ) зависит от характеристик примененного полевого транзистора и сопротивления резистора R3. Налаживание сводится к подбору такого его значения, чтобы напряжение на эмиттере транзистора VT2 приблизительно равнялось половине напряжения питания. При наличии осциллографа точное значение сопротивления лучше выбрать по симметричности ограничения выходного сигнала. В отношении расчета частоты среза и типа фильтра справедливы приведенные ранее соображения. Для моделирования фильтров удобно пользоваться программой Microcap.

Для дальнейшего повышения крутизны АЧХ можно применить двухзвенную цепь обратной связи. На рис. 4 приведена схема заграждающего фильтра для инфранизких частот с Fcp= 25 Гц, а на рис. 5 - его АЧХ.

На основе рассмотренной структуры можно выполнить и полосовой фильтр, необходимый при создании систем с многополосным усилением. Схема такого фильтра приведена на рис. 6.

Между каскадами включен перестраиваемый пассивный ФНЧ первого порядка R5C3. Такое упрощение конструкции фильтра стало возможным потому, что АЧХ низкочастотных динамических головок в области верхних частот уже имеет спад, и в большинстве случаев остается только согласовать с ним полосу пропускания усилителя. АЧХ фильтра в крайних положениях регулятора приведена на рис. 7.

Налаживание фильтра аналогично уже рассмотренным в статье вариантам фильтров. Следует иметь в виду, что верхний предел перестройки полосы пропускания определяется выходным сопротивлением каскада на полевом транзисторе, а оно, в свою очередь, - сопротивлением резистора R4.

Пример совместного использования описанных фильтров приведен на рис. 8. Это блок формирования полос НЧ и СЧ-ВЧ левого и правого стереоканалов, а также суммарного (монофонического) сигнала для сабвуфера. Разделение полос СЧ и ВЧ производится пассивными фильтрами на выходе усилителя. Схемы канальных фильтров идентичны рассмотренным ранее, поэтому остановимся только на фильтре, выделяющим низкочастотный сигнал для сабвуфера.

Первый каскад - сумматор на двух полевых транзисторах с общей нагрузкой R18 аналогичен описанному в [4]. Основную фильтрацию осуществляет активный ФНЧ второго порядка, выполненный на эмиттерном повторителе VT7. Частоту среза можно перестраивать от 40 до 160 Гц сдвоенным переменным резистором (R20.1, R20.2). Конденсатор С8 совместно с выходным сопротивлением первого каскада образует звено ФНЧ первого порядка с частотой среза около 180 Гц. Это почти не затрагивает ход АЧХ в полосе пропускания, но улучшает подавление внеполосных составляющих.

В зависимости от расположения сабвуфера относительно громкоговорителей левого и правого каналов и слушателя сдвиг фаз сигналов в точке прослушивания может искажать звуковую картину (эффект "размытости" или "отставания" баса). Для коррекции сдвига фазы в канале сабвуфера введен регулятор с ОУ DA1. В цепи питания установлен диодно-конденсаторный фильтр VD1C11.

Следующая конструкция специально предназначена для автомобильной аудиосистемы. Дело в том, что достаточно заметный резонанс салона, проявляющийся в характерном "гудении" на басовых звучаниях, огорчает привередливых аудиофилов на колесах. Замеры АЧХ показывают на частотах 120... 160 Гц "горб" величиной от 3 до 8 дБ! Для коррекции АЧХ в этом случае удобно использовать вместо эквалайзера режекторный фильтр. Схема такого активного фильтра для одного канала приведена на рис. 9 [5].

Первый каскад - усилитель с разделенной нагрузкой. Его задача - создать противофазные напряжения для питания фильтрующего звена C2C3R4R5. В правом по схеме положении клавишного переключателя SA1 образуется обращенный мост Вина с затуханием около 3 дБ. В левом положении переключателя на фильтр поступают противофазные напряжения и затухание на частоте настройки увеличивается до 5...6 дБ. Точное значение затухания зависит от крутизны транзистора и соотношения сопротивлений резисторов R2 и R3. Если сделать их равными, затухание будет максимальным (до 8 дБ), но сигнал на выходе будет ослаблен относительно входного нв 3...4 дБ. На схеме показан оптимальный вариант номиналов.

Поскольку входное сопротивление устройства весьма высокое, устанавливать фильтр лучше вблизи источника сигнала, чтобы избежать наводок на вход. Выходное сопротивление фильтра - около 50 Ом, что намного меньше аналогичного параметра большинства головных устройств. Это позволит исключить влияние емкости соединительного кабеля, так что фильтр попутно выполняет и функции согласующего устройства. Корпус должен быть металлическим, в противном случае придется снабдить его внутри экраном из медной фольги и соединить его с общим проводом.

АЧХ фильтра (см. рис. 9) показана на рис. 10.

Как видно, это уже не просто фильтр, а настоящий "эквалайзер окружения" (ambience equalizer). Устройство с таким названием и очень похожей АЧХ применяется в "топовых" моделях усилителей Mcintosh, вот только схемотехника там посложнее...

Помимо указанных на схемах приборов, можно применить транзисторы КПЗ0ЗВ-КПЗ0ЗЖ, КТ3102 (с любым буквенным индексом) или иные структуры n-p-n с h21э > 50. В регуляторе фазы можно использовать любой ОУ, скорректированный,. для единичного усиления. Оксидные конденсаторы должны быть на рабочее напряжение не ниже 16 В. Выбор остальных деталей не критичен.

Литература

1. Межлумян А. О расчете ступеней на полевом транзисторе. - Радио, 2000, № 6, с. 46-48.
2. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике - М.: Мир, 1991, с. 74-79.
3. Титце У., Шенк К. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1982.
4. Васильев В. А. Зарубежные радиолюбительские конструкции. - М.: Радио и связь, 1982.
5. Шихатов А. Горбатого могила исправит... - "Мастер 12 вольт", № 35 (август 2001).

Автор: А.Шихатов, г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Аудиотехника.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Экраны влияют на детей неравномерно в разном возрасте 01.08.2026

Планшеты и смартфоны давно стали привычной частью повседневной жизни даже самых маленьких детей. Родители часто используют гаджеты, чтобы успокоить малыша или занять его на время, однако ученые все чаще задаются вопросом, как экранное время сказывается на развитии мозга и будущей способности к обучению. Новое исследование показывает, что значение имеет не только продолжительность просмотра, но и возраст, в котором ребенок проводит время перед экраном. Ученые наблюдали детей от рождения до 8 лет. Оказалось, что больше всего экраны влияют на мозг в два периода - в раннем младенческом возрасте и перед поступлением в школу. У детей, много времени проводивших перед экранами в эти возрастные точки, в 9 лет были несколько хуже успехи в обучении, а в 10,5 лет хуже работала рабочая память - способность удерживать и обрабатывать информацию здесь и сейчас. Исследователи из Франции и Сингапура проанализировали данные 502 детей и выделили два ключевых этапа. У младенцев мозг развивается очень ...>>

Умные жилеты, спасающие от жары 01.08.2026

Летняя жара в больших городах все чаще становится серьезным испытанием для людей, работающих на открытом воздухе. Мусорщики, строители и другие специалисты вынуждены проводить часы под палящим солнцем, рискуя перегревом. Китайские инженеры предложили практичное решение - специальные охлаждающие жилеты, которые помогают снизить ощущаемую температуру примерно на 10 градусов. Пока мир страдает от сильной жары, китайские инженеры разработали "умные" жилеты с климат-контролем. Жилеты с кондиционированием почти не отличаются от обычной рабочей одежды. Главное отличие - в системе охлаждения. В городе Нанкин в жилет вмонтированы два вентилятора, работающих от портативных аккумуляторов. Одного заряда хватает на 3-4 часа непрерывной работы. В Чанчжоу решили разместить в карманах охлаждающие элементы с материалом, который при нагревании переходит из твердого состояния в жидкое, активно поглощая тепло. Это поддерживает комфортную температуру в течение 2,5-4 часов. Такие жилеты выглядят почти ...>>

Летающие ветротурбины 3 МВт вышли в серию 31.07.2026

Традиционные ветряные электростанции зависят от силы и стабильности ветра у поверхности земли, где воздушные потоки часто бывают слабыми и порывистыми. На больших высотах ветер обычно сильнее и постояннее, поэтому инженеры уже давно рассматривают возможность подъема турбин в воздух. Китайская компания сделала важный шаг в этом направлении, перейдя от испытаний к мелкосерийному производству. Компания Beijing Linyi Yunchuan Energy Technology запустила мелкосерийное производство летающей ветротурбины S2000, а в провинции Чжэцзян возводят отдельный завод по производству материалов для оболочки аппарата. У компании уже есть предварительные договоренности с прибрежными городами и горными регионами, которые рассматривают возможность использования этой технологии для удовлетворения собственных энергетических потребностей. Прототип, который полгода назад только что поднялся в небо над Сычуанем, теперь превращается в целую отрасль. Идея S2000 проста: вместо того чтобы устанавливать ветряну ...>>

Случайная новость из Архива Соединение лантана и водорода побило рекорд сверхпроводимости 22.09.2018 Новое проявление сверхпроводимости вылилось в резкое падение сопротивления в лантано-водородных соединениях при охлаждении до определенной температуры. Эффект проявился в соединениях лантана и водорода, сжатых при высочайшем давлении. Физики из из Университета Джорджа Вашингтона обнаружили, что сопротивление падает при -13 градусах Цельсия, при температуре холодного зимнего дня. Сверхпроводником материал стал при давлении 2 миллионов атмосфер, будучи сжатый двумя алмазами. Некоторые образцы демонстрировали сверхпроводимость и при более высоких температурах (до 7 градусов).

Другие интересные новости:

▪ Новый маршрутизатор для сетей связи DS33Z41

▪ Люксовый гибрид Mercedes-Benz

▪ Дорожное движение может усугубить аллергию

▪ Солдаты-киборги

▪ Наушники Fairphone XL

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Регуляторы тока, напряжения, мощности. Подборка статей

▪ статья Атмосферное давление. История и суть научного открытия

▪ статья Откуда взялись тюльпаны? Подробный ответ

▪ статья Секретарь. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Ультразвук против грызунов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Шесть подходящих чисел. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026