Усовершенствованный тонкомпенсированный пассивный регулятор громкости с НЧ-коррекцией

Введение

Эксплуатация тонкомпенсированного регулятора громкости (ТКРГ), описанного автором в [1–3], выявила ряд его недостатков:

1. Антилогарифмическая (показательная) характеристика переменного резистора R_g (22 кОм), регулирующего общую громкость, в области максимальной громкости приводит к тому, что незначительный угол поворота резистора существенно изменяет громкость и общий вид АЧХ ТКРГ. В связи с этим получение нужной громкости несколько затруднено.
2. На практике отсутствует необходимость в столь широком (до 40 дБ) диапазоне регулировки громкости, и его можно сузить более чем вдвое.
3. Выявлено незначительное проникновение сигнала из одного канала в другой.
4. Минимум АЧХ ТКРГ приходится на частоты в районе 1,5 кГц, что несколько отличается от минимума кривых равных громкостей Флетчера-Мэнсона, Робинсона-Дадсона, ГОСТ Р ИСО 226-209, составляющего около 3 кГц.
5. Для получения индуктивности около 3 Гн необходима намотка довольно большого количества витков (от 500 и более) на ферритовое кольцо резонансного контура, настроенного на частоту 20 Гц.

В предлагаемом ТКРГ все эти недостатки существенно скорректированы или устранены.

Предварительные замечания

В ТКРГ, описанном в [1–3], использовались ВЧ резонансный контур, настроенный на частоту около 20 кГц, и НЧ-LC-цепочка, настроенная так, чтобы при частоте резонанса F_р около 20 Гц её индуктивное и ёмкостное сопротивления были равны (т.е. ωL=1/ωC). Называть эту LC-цепочку контуром не совсем верно, поскольку она не замкнута. В качестве индуктивности L данной LC-цепочки использовалось ферритовое кольцо марки Т2010 размером 20×10×10 мм (D×d×h) из материала CF199 с начальной магнитной проницаемостью µ_r=10 000 производства компании Cosmo Ferrites. На кольцо было намотано 530 витков провода ПЭПШО-0,08, и полученная индуктивность составила около 3 Гн. В цепочке использовался керамический SMD-конденсатор ёмкостью 22 мкФ.

Если увеличить ёмкость C в 2–4 раза (например, до 47 или до 100 мкФ) и одновременно во столько же раз уменьшить индуктивность L, чтобы сохранить значение резонансной частоты F_р=20 Гц, то можно существенно уменьшить количество витков W. Однако здесь возникает вопрос о применимости керамических конденсаторов столь большой ёмкости. Поскольку плёночные конденсаторы аналогичной ёмкости имеют большие размеры, то стоит рассмотреть возможность использования электролитических алюминиевых или танталовых конденсаторов. Анализ имеющихся данных по современным керамическим конденсаторам для поверхностного монтажа [4–8] показал следующее.

В очень большом диапазоне температур (-50…+65°C) имеет место зависимость ёмкости от температуры. Однако, поскольку эксплуатация ТКГР, как правило, происходит при комнатной температуре, эта зависимость несущественна.

Зависимость ёмкости от частоты проявляется на высоких частотах от 100 кГц, но в звуковом диапазоне частот эта зависимость практически неощутима.

У рассматриваемых конденсаторов имеется существенная зависимость ёмкости от приложенного напряжения, начиная от 0,5 В и вплоть до максимально допустимых значений. Что интересно, в справочных листках приводятся две зависимости ёмкости от напряжения: одна для переменного напряжения, вторая для постоянного. Было замечено, что для двух конденсаторов, один из которых рассчитан на напряжение 6,3 В, а второй – 16 В, зависимость ёмкости от переменного напряжения (точнее от его RMS) одна и та же, и она проявляется при RMS>0,5 В. Если же RMS<0,5 В, то ёмкость от RMS не зависит. Зависимость ёмкости от приложенного постоянного напряжения проявляется по-другому. У конденсатора с максимальным напряжением 6,3 В эта зависимость имеется, если постоянное напряжение выше 2–3 В, а у конденсатора, рассчитанного на напряжение 16 В, данная зависимость становится заметной, когда приложенное напряжение превышает 10 В. Однако звуковой сигнал является переменным и в нём полностью отсутствует постоянная составляющая. Кроме того, его максимальное действующее значение не превышает 0,3 В, что меньше 0,5 В, т.е. зависимость ёмкости от приложенного напряжения пренебрежимо мала. В этой связи вполне возможно применение конденсаторов с самым низким максимальным напряжением 6,3 В.

Керамические конденсаторы по сравнению не только с электролитическими танталовыми, алюминиевыми, но и с плёночными, обладают ничтожной индуктивностью и очень малой активной проводимостью (tgδ<10^-4).

Таким образом, применение керамических конденсаторов в данной разработке вполне оправдано. Для дальнейших исследований были использованы керамические конденсаторы типоразмера 1210 ёмкостью 100 мкФ, рассчитанные на напряжение 6,3 В, и ёмкостью 47 мкФ, рассчитанные на 16 В.

LC-контур характеризуется не только резонансной частотой F_р. Другим важным параметром является его добротность Q, которая определяет форму резонансной кривой: чем выше добротность Q, тем у¢же, острее и выше пик кривой резонанса. Форма резонансной кривой непосредственно определяет АЧХ ТКРГ. Резонансная частота последовательного резонансного контура F_р вычисляется по формуле:

где L – индуктивность, C – ёмкость.

Добротность контура Q вычисляется по формуле:

где R – сопротивление контура (в основном это сопротивление катушки индуктивности).

Из формулы (2) следует, что √L/C=QR. Данный параметр НЧ-LC-цепочки, как будет показано далее, играет более существенную роль, чем Q. Индуктивность катушки на кольцевом ферритовом сердечнике вычисляется по формуле:

где µ₀ – магнитная постоянная, µ_r – начальная магнитная проницаемость материала сердечника, S – площадь поперечного сечения сердечника, l – длина средней линии сердечника (l=π(d+D)/2, где d и D – внутренний и внешний диаметры сердечника соответственно), W – количество витков. Формулы (1) и (2) приведены для выполнения расчётов, а формула (3) – для оценки зависимости индуктивности от характеристик кольца.

Наиболее критичным при намотке, как уже отмечалось, является количество витков W, поскольку оно определяет трудоёмкость изготовления катушки. Его можно существенно уменьшить, если использовать кольцо из магнитного материала с наибольшей магнитной проницаемостью µ_r (например, 10 000 или 12 000). Отношение S/l также играет заметную роль. Если площади S двух катушек отличаются незначительно, то длина l может отличаться существенно. В этом случае индуктивность будет больше у катушки с меньшей длиной l, т.е. с меньшим диаметром. Это можно объяснить тем, что у такой катушки магнитное поле более «концентрированное», т.е. имеет бо¢льшую напряжённость (H).

Для эксперимента были выбраны несколько ферритовых колец разного размера с наибольшей начальной магнитной проницаемостью µ_r (см. табл. 1). В приведённой таблице A_L – коэффициент одновитковой индуктивности.

Для увеличения индуктивности вдвое можно склеить два кольца и тем самым в два раза увеличить площадь S. Кольца R10, R13 и R16 были склеены (по два) между собой, что в дальнейшем обозначено как 2×R10, 2×R13 и 2×R16. Для получения резонансной частоты 20 Гц на кольца были намотаны следующие провода: ПЭПШО-0,08 – на кольца 2×R10, ПЭЛ-0,125 – на кольца 2×R13 и ПЭЛШО-0,1 – на кольца 2×R16 в соответствии с таблицей 2, в которой также приведены полученные параметры LC-цепочек.

Последовательно с катушкой индуктивности на кольцах 2×R13, омическое сопротивление которой составило 18 Ом, был включён дополнительный резистор номиналом 10 Ом. Такой же дополнительный резистор 10 Ом был включён последовательно с катушкой 2×R10, омическое сопротивление которой составило 20 Ом. Это было сделано для предотвращения «защёлкивания» ТКРГ при очень низком сопротивлении катушки (менее 20 Ом) [1].

Для измерения индуктивности и ёмкости компонентов, приведённых в таблице 2, был использован более точный измеритель LCR, с помощью которого была определена индуктивность кольца R20, составившая 2,7 Гн. Все измерения ёмкости и индуктивности производились при RMS тестового сигнала, равном 0,1 В на частоте 100 Гц.

Принципиальная схема устройства

Схема устройства (см. рис. 1) представляет собой два идентичных ТКРГ левого и правого канала с теми же, что и в [1], двумя НЧ-LC-цепочками, настроенными на частоты 20 Гц (L2A-C2A-RQA и L2B-C2B-RQB – для левого и правого канала соответственно), и резонансными контурами 20 кГц (L1A-C1A-R2A-R3A и L1B-C1B-R2B-R3B – для левого и правого канала соответственно).

Как уже отмечалось, НЧ-LC-цепочка не может считаться полноценным резонансным контуром, поскольку она не замкнута, или, другими словами, нагрузкой для неё является резонансный ВЧ-контур, сопротивление которого на три порядка выше. Что касается входного импеданса предварительного усилителя, который также является нагрузкой для ТКРГ, то этот импеданс настолько огромен (100 ГОм||2 пФ – входной импеданс ИУ AD8295[1]), что его вклад в нагрузку ТКРГ пренебрежимо мал.

RQA и RQB – резисторы, которые могут изменять добротность Q НЧ-контуров. В случае их равенства нулю (перемычки) в формулу (2) в качестве R следует подставить сопротивление обмотки катушки индуктивности. Переменный резистор, регулирующий общую громкость, номиналом 22 кОм с антилогарифмической (показательной) характеристикой разбит на два резистора: постоянный резистор R1 номиналом в 12 кОм (R1A и R1B) и переменный резистор R_g номиналом в 10 кОм (сдвоенный – R_gA и R_gB), но уже с линейной характеристикой. Это позволило сузить диапазон регулировки громкости и добиться её плавности. Сдвоенный переменный резистор R_cA, R_cB номиналом 10 кОм для НЧ-коррекции также имеет линейную характеристику.

Для подключения переменных резисторов к плате на ней установлены 3-контактные цанговые штыри с расстоянием между ними 2,54 мм (PSLM-3). XR_gA, XR_gB – для подключения R_gA и R_gB соответственно и XR_cA, XR_cB – для подключения R_cA и R_cB. Резисторы подключаются к плате 3-проводными кабелями, которые одним концом припаиваются непосредственно к резисторам, а вторым – к 3-контактным цанговым гнёздам с шагом 2,54 мм (SIP3), являющимся ответными частями для цанговых штырей.

Для подведения входных сигналов на плате установлены 2-контактные цанговые штыри с шагом 2,54 мм PSLM-2 (XinA, XinB). К этим разъёмам подключается входной кабель, на одном конце которого установлен 3-контактный 3,5 мм стереоразъём XinK, подключаемый к источнику звука, а на другом – 2-контактные цанговые гнезда SIP2: X_inAK и X_inBK. Схема этого кабеля представлена в пунктирном прямоугольнике в левой нижней части рисунка 1. Для снятия АЧХ реализовано подключение к компьютеру посредством аналогичного кабеля, схема которого показана в нижней правой части схемы на рисунке 1.

Если ТКРГ устанавливается в усилитель, то подключение к плате предварительного усилителя выполняется двумя кабелями, на двух концах которых расположены цанговые гнёзда SIP-2. Эти кабели подключаются одним концом к цанговым штырям PSLM-2 (X_outA и X_outB), а вторым – к соответствующим разъёмам предварительного усилителя [1].

Для исключения влияния одного канала на другой, как видно из принципиальной схемы, были разделены общие «земли» правого и левого канала (GNDA и GNDB) и тем самым исключена связь резонансных контуров по «земле», в результате чего сигналы GNDA и GNDB стали соединяться между собой только в кабелях.

Разводка платы ТКРГ и его конструкция

Разводка плат (см. рис. 2) была сделана с помощью программы Sprint Layout 6.0.

Два варианта разводки (см. рис. 2а и 2б) приведены для того, чтобы можно было использовать либо один конденсатор C2, например 47 мкФ / 16 В, либо два, подключённых параллельно, например 2×22 мкФ / 16 В. Как видно из рисунка, разводка достаточно проста и все дорожки расположены с одной стороны. Компоненты для поверхностного монтажа (резисторы и конденсаторы), расположенные с одной стороны платы, отмечены синим цветом, а компоненты для навесного монтажа (разъёмы и катушки индуктивности), расположенные с другой стороны, отмечены коричневым цветом.

Внешний вид устройства показан на рисунке 3. Особенности конструкции заключаются в следующем. После того как катушка намотана, к двум концам обмоточных проводов припаиваются по два провода МГТФ-0,03 длиной 15–20 мм. На место пайки надевается пластиковая трубка (кембрик). Оба провода местом пайки с надетой на него трубкой приклеиваются к внутренней цилиндрической поверхности кольца и выводятся наружу с одной его стороны (см. рис. 3б). Кольца крепятся на плате двумя винтами М2×20 мм
(или М2×25 мм – в зависимости от размеров колец) с надетыми на них стеклотекстолитовыми шайбами толщиной 0,5 мм. Для того чтобы не повредить обмотку, с двух сторон кольца проложены шайбы из силикона (или резины) толщиной 0,5 мм. Винт фиксируется с другой стороны платы гайкой М2 с шайбой. Таким образом, кольцо жёстко закрепляется на плате, а провода выводятся наружу и через отверстия припаиваются к соответствующим контактным площадкам платы. Затем к оставшимся частям винтов прикручиваются две пластиковые стойки с внутренней резьбой М2 длиной 5–8 мм. Далее вся плата устанавливается на днище корпуса и прикручивается к нему двумя винтами М2 с обратной его стороны. Таким образом, два винта М2 служат как для закрепления двух катушек на плате, так и для установки ТКРГ на днище усилителя. После закрепления платы ТКРГ в корпусе усилителя к ней подключаются все необходимые соединительные кабели (см. рис. 3в).

Результаты тестирования устройства

Испытание устройства проводилось двумя способами. Сначала были сняты АЧХ ТКРГ по методике, подробно описанной в [1] и вкратце сводящейся к следующему. В источник звука (телефон или плеер) записывается звуковой файл розового шума достаточно высокого качества, например PseudoPink_30sec.wav (приведён в дополнительных материалах к статье на сайте журнала www.soel.ru) или PinkNiose.flac. Затем ТКРГ подключается к разъёму телефона для наушников с помощью входного кабеля, а к микрофонному входу компьютера – с помощью выходного кабеля. На телефоне воспроизводится звуковой файл розового шума, а в компьютере запускается программа анализатора спектра TrueRTA, результаты работы которой выводятся на экран (см. рис. 4).

Поскольку спектральная плотность сигнала представляет собой энергию каждого колебания, а энергия всех составляющих розового шума равномерно распределена по всему звуковому частотному диапазону, то его спектр представляет собой практически горизонтальную прямую при максимальной громкости, т.е. ТКРГ свободно пропускает весь сигнал. На рисунке 4г этот спектр изображён самым тёмным коричневым цветом и подписан красным: -31dB (max). На рисунках 4а–4в максимальный уровень сигнала отмечен белым горизонтальным пунктиром и подписан -31dB. Действующее значение (RMS) этого сигнала составляет 290 мВ.

На рисунке 4а показаны совмещённые спектры, соответствующие применению в ТКРГ следующих катушек индуктивности (см. табл. 2): R20 (QR=350); 2×R10 (QR=88); 2×R13 (QR=205) или 2×R16 (QR=204). Спектр ТКРГ с катушкой 2×R10 (QR=198) не показан на рисунке, т.к. он незначительно отличается от спектра при QR=204/205. Положение регулятора громкости установлено так, чтобы минимум АЧХ был на уровне -35 дБ, а положение регулятора НЧ-коррекции – так, чтобы максимум пика на НЧ (20 Гц) был равен максимуму пика на ВЧ (20 кГц), т.е. около -32,5 дБ. Если сравнить рисунок 4а с линиями равной громкости (см. рис. 8 в [1]), то можно прийти к следующим выводам.

При QR=205 кривая АЧХ всюду «вогнутая», т.е обращена выпуклостью вниз. Такая кривая больше соответствует кривым равной громкости. При QR=88, начиная от левого максимума и до минимума, АЧХ представляет собой почти прямую, что не соответствует «вогнутости» кривых равной громкости. Кроме того, при Q=205 кривая достаточно плавная (как и кривые равной громкости), а на АЧХ при QR=350 прослеживается явный пик на НЧ, что объясняется более высоким значением QR. Минимум всех АЧХ на рисунке 4а приходится на 3 кГц, что полностью соответствует кривым равной громкости. Отсюда можно заключить, что при QR=205 кривая АЧХ наиболее близка к кривым равной громкости.

Следует заметить, что на остроту пика влияет не добротность Q, а именно комплекс √L/C=QR. При QR=350 пик самый острый, хотя при этом добротность Q=6,9 (см. табл. 2), в то время как при QR=205 – Q=7,3, а при QR=204 – Q=7,9 (см. табл.2), что явно больше. Это объясняется тем, что контур 20 Гц не замкнут.

На рисунке 4б показаны те же совмещённые спектры, что и на рисунке 4а, но при регуляторе громкости, установленном так, чтобы минимум АЧХ приходился на -40 дБ, что соответствует более глубокому уменьшению громкости. На рисунке 4в показаны АЧХ ТКРГ с QR=205 при таком положении ручки регулировки громкости, чтобы минимум АЧХ приходился на -35 дБ, и при разных положениях ручки регулировки НЧ-коррекции. Как видно из рисунка 4в, диапазон регулировки НЧ-коррекции составляет около 3 дБ, что более чем достаточно (см. далее). На рисунке 4г показаны АЧХ при QR=205 во всём диапазоне регулировки громкости -31…-47 дБ. Как видно из рисунка, диапазон регулировки громкости соответствует 16 дБ.

Помимо измерительных испытаний, ТКРГ в составе усилителя был опробован «на слух». Хотя этот способ является субъективным, он позволяет проверить работу регулятора в реальных условиях. Испытания ТКРГ проводилось в составе усилителя, описанного в [1–3], на двух АС: 15АС-220 (15 Вт, 4 Ом) и 35АС-016 «Орбита» (35 Вт, 4 Ом). В варианте с QR=88 при регулировке НЧ-коррекции слишком явно поднимаются (или опускаются) средние частоты. Этот вариант был сразу отвергнут.

Если используется АС 15АС-220, у которой спад НЧ начинается с 63 Гц, то лучше применять ТКРГ с QR=350, т.к. он способен поднять НЧ до необходимого уровня. Если же используется АС 35АС-016, у которой спад АЧХ начинается с 31,5 Гц, то применение ТКРГ с QR=350 приводит к слишком высокому уровню НЧ, который уже неприятен на слух. Наиболее предпочтительным для подобных АС является использование ТКРГ с QR=198 или QR=204/205. Из этих трёх LC-цепочек наилучшее качество звука показали LC-цепочки с кольцами 2×R13 (QR=205) и 2×R16 (QR=204). LC-цепочка с кольцом 2×R16 имеет 3 существенных преимущества перед цепочкой с кольцом 2×R13:

1. Кольцо 2×R16 имеет наименьшее количество витков (350 против 450).
2. Это кольцо имеет более равномерную намотку, у него полностью заполнен один слой, а второй слой – только наполовину, тогда как обмотка кольца 2×R13 состоит из 4 слоёв.
3. Омическое сопротивление кольца 2×R16 составляет 26 Ом, что полностью исключает вероятность «защёлкивания» ТКРГ.

Таким образом, выбор в пользу кольца 2×R16 является достаточно очевидным. Перечисленные преимущества этого кольца послужили причиной установки в усилитель именно его (см. рис. 3в).

Если рассматривать описанный ТКГР как регулятор тембра (а точнее тембра средних частот), то диапазон регулировки в 16 дБ более чем достаточен,
т.к. дальнейшее уменьшение уровня средних частот (ниже -47 дБ) приводит к неприемлемому для слуха звучанию.

И последнее, что следует особо отметить. На максимальной громкости, установленной в ТКРГ и телефоне, при отсутствии звукового сигнала паразитный шум в АС настолько слаб, что его можно услышать только в непосредственной близости от ВЧ-динамика. В СЧ- и НЧ-динамиках не прослушивается даже такое слабое шипение. Это является следствием того, что ТКРГ – полностью пассивный, т.е. в нём отсутствуют какие-либо активные электронные компоненты (транзисторы, микросхемы). Именно пассивный ТКРГ, как известно, отличается очень низким уровнем собственного шума.

Заключение

Применение описанного ТКРГ позволяет существенно повысить комфортное восприятие звучания АС. Особенно это касается таких АС, у которых в области НЧ наблюдается существенный спад. Высокое качество работы данного ТКРГ позволило заменить им регулятор, установленный в усилителе, описанном автором в [1–3].

Литература

1. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя для мостового включения двух мощных ОУ. Часть 2. Современная электроника. 2017. № 5. С. 50.
2. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя для мостового включения двух мощных ОУ. Часть 3. Современная электроника. 2017. № 6. С. 74.
3. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя для мостового включения двух мощных ОУ. Часть 4. Современная электроника. 2017. № 7. С. 42.
4. Гийом М., Мороз Д. Конденсаторы для импульсных источников питания: альтернатива электролитическим конденсаторам. Компоненты и технологии. 2005. № 2. С. 13.
5. Голубев И. Обзор современных конденсаторов. Современная электроника. 2006. № 5. С. 16.
6. Звонарёв Е. Пассивные компоненты компании YAGEO. Новости электроники. 2009. № 16. С. 15.
7. Красильщиков М., Смирнов В., Шалаева А. Влияние постоянного напряжения на параметры керамических конденсаторов. Электроника: наука, технология, бизнес. 2012. № 2. С. 76.
8. Желобов И. Особенности выбора керамических конденсаторов. Электронные компоненты. 2017. № 7. С. 74.