ФИЛЬТРЫ
Частотная характеристика высококачественных усилителей 34 простирается от единиц герц до сотни килогерц, что обеспечивает очень малые линейные искажения. Но это же обстоятельство приводит к усилению таких нежелательных явлений, как прохождение помех от близлежащих радиостанций, усиление гармоник ограниченного сигнала и остаточных напряжений УПЧ приемника, помех от вибраций двигателя электрофона, напряжения фона от сети и т. п. Поэтому необходимо, чтобы звуковой сигнал, проходящий через высококачественный звуковоспроизводящий тракт, был очищен от всех сопутствующих помех.
Для этой цели в состав звуковоспроизводящего тракта вводятся специальные фильтры нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот. Их задача — обеспечить эффективное подавление составляющих фона, шумов и паразитных сигналов в той части диапазона, где отсутствуют составляющие полезного сигнала.
К важнейшим показателям, характеризующим свойства фильтров, как и других функциональных узлов звуковоспроизводящего тракта, относятся: величина, характеризующая способность фильтра усиливать сигнал; степень вносимых фильтром искажений; динамический диапазон; входные и выходные данные.
Фильтры характеризуются параметрами, аналогичными принятым для микрофонных усилителей. И, кроме того, еще двумя специфичными показателями — частотой среза и крутизной спада АЧХ.
Частота среза [Гц] — точка перегиба АЧХ фильтра, в которой коэффициент передачи изменяется на 3 дБ. Для фильтров, построенных на однозвенных RG цепях, частота среза
fср=1/(2пRС).
Крутизна спада АЧХ характеризует скорость спада АЧХ фильтра от точки перегиба. Обычно она измеряется в децибелах на октаву.
Рис. 35. Электрическая схема фильтра низких (а) и высоких (б) частот
Амплитуда на выходе RC фильтра убывает от точки перегиба пропорционально 1/f. Поэтому в пределах одной октавы (соответствует изменению частоты вдвое) она уменьшается вдвое, т. е. RC фильтр обеспечивает крутизну спада АЧХ 6 дБ на октаву.
Если последовательно включить два RC звена, крутизна возрастает до 12 дБ на октаву, если три — до 18 и т. д. Однако это справедливо при условии, когда реактивная составляющая полного, выходного сопротивления каждого RC звена равна нулю, а входного — бесконечности.
Один из способов устранения взаимного влияния каскадов состоит в том, чтобы каждый последующий каскад имел значительно большее полное входное сопротивление, чем предыдущий. Еще эффективнее использовать в качестве межкаскадных буферов активные фильтры на транзисторах или ОУ.
Полосовой фильтр на пассивных элементах. На рис. 35,а показан ФНЧ на основе Г-образного RC полузвена. Напряжение на выходе такого фильтра неизменно от самых нижних частот до частоты среза fcp; f0p = 1/(2пR1C1). При дальнейшем увеличении частоты выходное напряжение уменьшается пропорционально 1/f, т. е. с крутизной около 6 дБ на октаву. Как отмечалось, параметры пассивных RC фильтров весьма критичны к сопротивлению нагрузки Rн
и источника сигнала Rг. Расчетные характеристики фильтров достигаются при сопротивлении нагрузки Ra, стремящемся к бесконечности и сопротивлении источника сигнала Rr, стремящемся к нулю. Точный расчет фильтров с учетом конечных значений Ra и 7?г довольно громоздок, но для приближенных расчетов частоты среза можно воспользоваться и приведенной ранее формулой.
Практически достаточно, чтоб выполнялись соотношения:
Rи = (10... 20) R1, Rг = (0,05 ..,0,1) R1.
Если в схеме на рис. 35,а поменять местами резистор и конденсатор, то получается RC ФВЧ (рис. 35,6). В отличие от ФНЧ, ФВЧ пропускает частоты выше частоты среза fcp, ниже этой частоты АЧХ имеет спад с наклоном 6 дБ на октаву. Соединяя каскадно ФВЧ и ФНЧ, можно построить полосовой фильтр.
Практическая схема полосового фильтра показана на рис. 36. Он имеет следующие основные технические характеристики:
Входное напряжение:
номинальное............ 0,2 В
максимальное............ 4В
Выходное напряжение:
номинальное............ 0,16 В
максимальное............ 3,2 В
Коэффициент передачи в полосе пропускания .... 0,8
Перегрузочная способность, не менее...... 26 дБ
Частота среза............ 0,1 и 7 кГц
Крутизна спада АЧХ........... 6 дБ на октаву
Коэффициент гармоник, не более....... 0,08%
Отношение сигнал-шум (невзвешенное)..... 70 дБ
Напряжение питания........... 15 В
Ток потребления............ 3 мА
Рис. 36. Принципиальная схема низкочастотного и высокочастотного фильтров на пассивных элементах
Фильтр нижних частот (его включают кнопкой SB1) с частотой среза около 7 кГц состоит из резистора R1 и конденсатора С1. Для уменьшения влияния входного сопротивления последующих каскадов на параметры фильтра используется эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, входное сопротив-, ление которого с учетом делителя R2, R3 образует нагрузку фильтра. Фильтр верхних частот с частотой среза около 100 Гц образован конденсатором С2 и входным сопротивлением каскада на транзисторе VT1. Его включают кнопкой SB2. Конденсаторы СЗ и С4 используются для развязки по постоянному току каскада на транзисторе VT1.
Поскольку сами фильтры состоят из пассивных цепей, то такие параметры, как максимальное входное напряжение, коэффициент гармоник, перегрузочная способность и т. п., определяются целиком последующими каскадами (в данном случае эмиттерным повторителем).
Полосовой фильтр собран на унифицированной монтажной плате. В нем использованы резисторы МЛТ-0,125, конденсаторы КМ-5, К53-1. Желательно, чтобы точность элементов, входящих непосредственно в фильтры (R1, C1, C2), была не хуже 2%. Вместо транзистора КТ3102В можно использовать также транзисторы КТ315, КТ342, КТ203. В качестве переключателей SВ1, SB2 подойдут любые на два положения, например П2К.
Для проверки работы фильтра необходим стабилизированный источник питания напряжением 15 В и током не менее 5 мА. При монтаже без ошибок и «справных элементах фильтр практически работает без настройки.
Чтобы получить точное значение частот среза, поступают следующим образом.
В ФНЧ резистор R1 временно заменяют переменным резистором, параллельно С1 подключают осциллограф или вольтметр переменного тока. На вход фильтра с генератора звуковых частот подается сигнал частотой, равной fcp. Подстраивая переменный резистор, добиваются, чтобы напряжение на С1 стало равным 0,7 Uвх. После этого переменный резистор заменяют на соответствующий постоянный. Настройка ФВЧ производится аналогично подбором конденсатора С2. Напряжение контролируют на выходе фильтра.
Фильтр верхних частот на ОУ К153УД2. Пассивные RC фильтры имеют значительное затухание, малую крутизну спада АЧХ, а сама АЧХ зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала и нагрузки в пределах полосы пропускания. Для улучшения параметров RC фильтров к ним присоединяют активные элементы — транзисторы или ОУ, работающие в простейшем случае по схеме повторителя. Так как повторитель не меняет фазы входного сигнала, то пассивное RC звено включают в цепь ПОС. Этим частично компенсируют потери сигнала и повышают крутизну спада АЧХ всего фильтра.
Сопротивление резисторов и емкость конденсаторов в активных фильтрах сравнительно небольшие даже на очень низких частотах, вследствие чего конструкция активных фильтров получается компактной.
Фильтр верхних частот на ОУ К153УД2 имеет следующие основные технические характеристики:
Входное напряжение:
номинальное........... 0,2 В
максимальное.......... 8В
Выходное напряжение:
номинальное........... 0,19 В
максимальное.......... 7,6 В
Коэффициент передачи в полосе пропускания . . 0,95
Перегрузочная способность, не менее . . . . 32 дБ
Частота среза........... 40 и 100 Гц
Крутизна спада АЧХ......... 6 и 12 дБ на октаву
Коэффициент гармоник, не более...... 0,07%
Отношение сигнал-шум (невзвешенное) . . . . 66 дБ
Напряжение питания......... ±15В
Ток потребления . . . . ,..... 10 мА
На рис. 37 приведена схема этого ФВЧ. Он состоит из последовательно соединенных пассивного RC ФВЧ на основе Г-образного звена C2R2 и собственно активного C3C4R3R4DA1 ФВЧ второго порядка.
Такой фильтр ( или фильтр Баттерворта) обладает максимально плоской АЧХ в пределах полосы пропускания.
При нажатии на кнопку SB1 включается пассивный RC фильтр C2R2R4 с частотой среза около 100 Гц, имеющий крутизну спада 6 дБ на октаву. Нажатие на кнопку SB2 приводит к включению активного ФВЧ. Точный расчет такого фильтра сложен, но при некоторых допущениях расчет упрощается. Например, принимая СЗ=С4 = С, R3=R4/2, R4 можно приближенно определить по формуле:
R4 = 0,707/(пfСР С).
В данном случае фильтр имеет частоту среза около 40 Гц. Крутизна спада его АЧХ 12 дБ на октаву. При нажатии на обе кнопки включаются пассивный и активный фильтры, при этом ниже частоты 20 Гц наклон АЧХ увеличивается до 18 дБ на октаву.
Рис. 37. Принципиальная схема высокочастотного фильтра на ОУ К153УД2
Для монтажа фильтра использована унифицированная плата. Переключатели SB1 и SB2 могут быть любого типа на два положения, например П2К Номиналы конденсаторов и резисторов, входящие в фильтр, должны иметь точность 2%. Вместо микросхемы К.153УД2 можно использовать любые ОУ с соответствующими цепями коррекции, например, К153УД1, К140УД7, К140УД8.
Для проверки работы фильтра необходим стабилизированный двухполяр-ный источник питания напряжением ±15 В и током не менее 10 мА. При использовании в фильтре элементов с точностью не хуже 2% настройка не требуется. Если такие детали подобрать не удалось, поступают следующим образом. Вначале, пользуясь рекомендациями по настройке полосового фильтра, настраивают пассивный RC фильтр C2R2R4 (кнопка SB1 нажата). Затем, отключив пассивный RC фильтр, включают активный. Подбирая конденсаторы СЗ и С4, добиваются, чтобы напряжение на выходе фильтра на частоте среза (fcp = 40 Гц) составляло 0,7 Uвх. На этом настройка заканчивается.
Фильтр нижних частот на ОУ К153УД2 (рис. 38). Он имеет следующие основные технические характеристики:
Входное напряжение:
номинальное....... . .... . . 0,2 В
максимальное.......... 8В
Выходное напряжение:
номинальное........... 0,19 В
максимальное.......... 7,6 В
Коэффициент передачи в полосе пропускания . . 0,95
Перегрузочная способность, не менее .... 32 дБ
Частота среза........... 10 и 20 кГц
Крутизна спада АЧХ......... 6 и 12 дБ на октаву
Коэффициент гармоник, не более...... 0,07%
Отношение сигнал-шум (невзвешенное) .... 66 дБ
Напряжение питания......... ±15 В
Ток потребления.......... 10 мА
Рис. 38. Принципиальная схема низкочастотного фильтра на ОУ К153УД2
Если поменять местами резисторы и конденсаторы, то ФВЧ (см. рис. 37) преобразуется в ФНЧ (рис. 38). Элементы R2, С2, С4 образуют пассивный ФНЧ с крутизной спада АЧХ 6 дБ на октаву и частотой среза около 10 кГц, а элементы R3, R4, СЗ, С4, DA1 входят в активный ФНЧ с наклоном спада АЧХ 12 дБ на октаву и частотой среза около 20 кГц. Упрощенный расчет активного фильтра можно-произвести, принимая R3=R4=R и СЗ=2С4; емкость! конденсатора С4 определяют по формуле: C4 = 0,707/(2пfCpR).
Одновременное включение активного и пассивного фильтров обеспечивает на частотах выше 20 кГц крутизну спада АЧХ фильтра 18 дБ на октаву.
Конструкция и детали в ФНЧ такие же, как и в ФВЧ на ОУ К153УД2. Фильтр налаживают в такой же последовательности, что и предыдущий фильтр. Частоты среза устанавливают, подбирая резисторы R2 — R4.
