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:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Яйца из водорослей 23.02.2022 Калифорнийский производитель интеллектуальных продуктов питания Fiction Foods выводит клеточное сельское хозяйство на новый уровень, создав новое альтернативное яйцо с животным белком без животных. Компанию основал пионер растительной пищи Брендан Бразер с целью создать наиболее экологичный способ производства белка, максимально насыщенного питательными веществами. Основным критерием выбора ингредиентов Fiction Foods называют соотношение питательных веществ и ресурсов. Именно поэтому за основу нового флагманского жидкого яйца Performance Scramble выбрали евглену. "Единственной необходимой питательной средой для евглены является углевод, который можно взять из горохового крахмала - побочного продукта производства горохового белка", - объясняют разработчики. Евглена превращает неиспользованный побочный продукт в белок животного качества с почти нулевой экологической стоимостью. "Performance Scramble - это не поддельное яйцо, а совершенно новый продукт, содержащий высококачественный животный белок, но без животных. Создано из организма клетки евглены, принадлежащей к классу простейших", - заявил Брендан Бразер. Яйцо "будущего" содержит на 15% больше животного белка, чем куриное, омега-3 - чем лосось, цинка - чем устрицы, пробиотиков - чем йогурт, и больше антиоксидантов, чем черника. Performance Scramble может заменить куриные яйца в любой области применения.

Другие интересные новости:

▪ Наночастицы остановят старость

▪ Аромат с фильмом и музыкой

▪ Карманная электронная энциклопедия

▪ Музыкой лучше заниматься с детства

▪ Терминал слежения на базе Q2686 и микросхемы C-GPS

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта ВЧ усилители мощности. Подборка статей

▪ статья Монтаж в Canopus Edius Pro. Секреты, известные всем. Искусство видео

▪ статья Какого цвета Марс? Подробный ответ

▪ статья Монтер пути. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Занимательные эксперименты: знакомимся с диодом. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Дополнительная защита стабилизатора от перегрева. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026