Логотип

Активные фильтры на полевых транзисторах

категория

Электронные устройства

материалы в категории

А. ШИХАТОВ, г. Москва
Радио, 2002 год, № 11

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.

Крутизну характеристики в этом случае определяют по формуле: S= Iс нач/UOTC.

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.

Активный фильтр для сабвуфера на полевых транзисторах

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 внеполос-ных 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).

Почта сайта