Тема 7. 2 Коррекция частотной характеристики

Коррекцией, т. е. исправлением, частотной характеристики усилителя называется изменение ее таким образом, чтобы скомпенсировать частотные искажения, возникающие как в самом усилителе, так и в других элементах канала записи - воспроизведения звука.

Обычно для этого требуется не горизонтальная прямолинейная частотная характеристика усилителя, а спад или подъем в области верхних или нижних частот. В каждом конкретном случае нужна определенная форма частотной характеристики в зависимости от свойств источника сигнала, типа и качества фонограммы, акустики помещения. Рас­смотрим это па примерах, иллюстрируемых рис. 48.

1. Частотные искажения в виде спада верхних частот получаются из-за щелевых потерь в звукочитающей оптике кинопроектора, из-за поглощения высоких частот экраном и в сильно заглушенных залах. Во всех этих случаях для уменьшения частотных искажений в усилителе должен вво­диться подъем верхних частот (рис. 48, а).

2. В процессе эксплуатации фильмокопии с фотографи­ческой фонограммой на пленке появляются царапины, коли­чество которых возрастает с течением времени.

Рис.48 Вид требуемых частотных характеристик усилителя в зависимости от свойств фонограммы, источника сигнала и акустики помещений

Царапины на фонограмме модулируют световой поток, вызывая при воспроизведении фонограммы высокочастотный шум в виде шипения. Поэтому при демонстрации фильмокопии с такой зашумленной фонограммой для уменьшения помех требуется

спад верхних частот (рис. 48, б). В некоторых типах аппара­туры глубину этого спада можно регулировать, увеличивая его по мере износа фильмокопии.

3. В залах с плохой акустической обработкой стен и по­толка звуковые волны низкой частоты не поглощаются, а отражаются, подчеркиваясь и создавая эффект «бубне­ния». Для улучшения разборчивости речи и качества звуко­воспроизведения в таких плохо заглушенных помещениях в усилителе необходимо вводить спад нижних частот

4. В массовой аппаратуре громкоговорители имеют обычно недостаточную отдачу на низких частотах, так как для хорошего излучения этих звуковых волн требуется значи­тельно увеличивать размеры ящика громкоговорителя, что нецелесообразно для такой аппаратуры. Поэтому для ком­пенсации плохой отдачи громкоговорителя в усилителе тре­буется подъем нижних частот (рис. 48, г).

5, При работе о т микрофона требуется одновременно спад нижних и верхних частот (рис. 48, ж)для улучшения разборчивости речи и уменьшения шипения, а также для ослабления паразитной акустической связи между громкого­ворителем и микрофоном.

Коррекция частотной характеристики осуществляется с помощью реактивных элементов - конденсаторов, катушек индуктивностей, резонансных контуров,- сопротивление ко­торых зависит от частоты. Резисторы в корректирущих це­почках служат для создания требуемой крутизны спада или подъема и для ограничения действия коррекции выше или ниже определенной частоты.

Коррекция может быть постоянной и переменной. Если глубина спада или подъема не изменяется на данной час­тоте, т. е. остается фиксированной, то коррекция называется постоянной. При этом она может действовать все время, или включаться и отключаться тумблерами; в последнем случае она является установочной коррекцией для определенных условий звуковоспроизведения. Переменной называется кор­рекция в том случае, если глубина подъема или спада может изменяться плавно или скачками. Плавное регулирование глубины коррекции осуществляется переменными резисто­рами, а изменение ступенями - введением разных реактив­ных сопротивлений с помощью переключателей. Элементы, служащие для изменения глубины коррекции, называются регуляторами тембра.

Принцип действия схем коррекции может быть основан на подавлении усиления в определенной области частот, на использовании резонансов тока или напряжения и на из­менении глубины отрицательной обратной связи с изменением частоты. В последнем случае реактивные элементы вво­дятся в цепь обратной связи, которая называется частотно-­зависимой.

Рассмотрим примеры осуществления разных видов коррекции в конкретных схемах, используемых в усилителях.

К первой группе схем относятся схемы коррекции, осно­ванные на подавлении усиления в части диапазона частот.

Здесь можно использовать влияние емкости конденсатора связи и входной емкости, рассмотренные при анализе экви­валентной схемы резисторного каскада. Например, если уменьшить емкость конденсатора связи или последовательно с ним включить второй конденсатор С для коррекции (рис. 49), то сопротивление их возрастает для нижних частот, увели­чатся потери напряжения сигнала в межкаскадной связи и входное напряжение следующего каскада на нижних часто­тах уменьшится. Получится спад нижних частот. В области средних и верхних частот емкостное сопротивление и потери на нем невелики, и коэффициент усиления будет больше, чем в области нижних частот.

Рис.49 Коррекция, дающая спад НЧ за счет конденсатора в межкаскадной связи

Аналогично влиянию входной емкости следующего кас­када действует конденсатор коррекции С малой емкости, включенный параллельно входу или выходу каскада (рис. 50 ). На нижних и средних частотах его сопротивление велико по сравнению с выходным или входным, и он не оказывает влияния на коэффициент усиления, а на верхних частотах его сопротивление уменьшается, и напряжение сигнала на нем тоже уменьшается. Получается спад верхних частот.

Рис.50 Коррекция, дающая спад ВЧ за счет конденсатора на выходе

Ко второй, самой распространенной группе, относятся схемы коррекции за счет использования частотно-зависимой отрицательной обратной связи (ООС). Коррекция, основан­ная на изменении глубины ООС, обычно осуществляется в каскадах предварительного усиления сигнала. Рассмотрим схемы, используемые для этой цели в усилительных устрой­ствах киноустановок.

Спад верхних частот можно получить путем включения конденсатора коррекции малой емкости параллельно гася­щему плечу делителя обратной связи или части этого

плеча (рис. 51). На нижних и средних частотах сопротивле­ние малой емкости очень велико и не оказывает влияния, на глубину ООС. С повышением частоты емкостное сопротивление и все сопротивление гасящего плеча уменьшается, доля напряжения на нем тоже уменьшается, а доля напряже­ния, поступающего с выхода на рабочее плечо делителя как напряжение обратной связи, увеличивается. За счет увеличе­ния глубины ООС коэффициент усиления на верхних часто­тах уменьшается, т. е. получается спад ВЧ на частотной характеристике.

Рис.51 Коррекция, дающая спад ВЧ за счет ООС по напряжению

Подъем верхних частот можно было бы получить включе­нием конденсатора малой емкости параллельно рабочему плечу делителя обратной связи. Но в схемах обратной связи с параллельной подачей на вход при таком включении конденсатора коррекции на верхних частотах одновременно с уменьшением глубины обратной связи уменьшался бы и входной сигнал, и ожидаемый подъем верхних частот не получился, из-за чего гасящее плечо делителя составляется из двух резисторов R1' и R1'', а конденсатор коррекции С под­ключается параллельно одному из них и рабочему плечу R 2 (рис. 52). ­

Рис.52 Коррекция, дающая подъем ВЧ за счет ООС по напряжению

На верхних частотах емкостное сопротивление уменьшается, ток обратной связи через него увеличивается, возрастает падение напряжения на резисторе R1', а ток и напряжение обратной связи на R2 уменьшаются. Глубина ООС уменьшается, а коэффициент усиления возрастает - ­получается подъем ВЧ.

Рис.53 Схемы коррекции, дающие подъем или спад за счет ООС по напряжению

Спад от нижних частот к верхним получается при включении конденсатора коррекции последовательно в гасящее плечо делителя обратной связи (рис. 53). На нижних частотах сопротивление конденсатора велико, гасится большая доля выходного напряжения, а меньшая попадает на R2 в качестве напряжения обратной связи, поэтому коэффициент усиления самый большой. По мере повышения частоты сопротивление гасящего плеча уменьшается и доля напряжения, передава­емого через него на R2 и на вход усилителя, возрастает. При этом увеличивается глубина ООС, а коэффициент усиле­ния уменьшается. Подбором величин С, R1 и R2 достигается требуемая крутизна спада - 6 дБ на октаву - для работы от магнитной головки.

В схеме обратной связи с последовательной подачей на вход можно получить спад нижних частот, если включить конденсатор коррекции параллельно рабочему плечу дели­теля R2. Это условно показано на рис. 53. В этом случае входной сигнал поступает на базу транзистора, а резистор R2 включен в цепь около эмиттера. Если конденсатор, шун­тирующий R2, имеет достаточно большую емкость, то он пол­ностью исключает обратную связь по переменному току ­напряжение обратной связи на R2 равно нулю. Для коррек­ции в области нижних частот выбирают конденсатор недо­статочно большой емкости, так что его сопротивление велико по сравнению с R2 только для нижних частот, а для средних и верхних мало. В результате этого в области нижних частот на R2 будет действовать напряжение отрицательной обратной связи, и коэффициент усиления уменьшится, а в остальной части диапазона частот из-за малого емкостного сопротив­ления обратная связь практически исключается и коэффи­циент усиления значительно больше, чем на нижних частотах. Получается спад НЧ.

Схемы коррекции с использованием резонанса токов или напряжений могут быть весьма разнообразными. Резонансные контуры могут включаться последовательно и параллельно во входные и выходные цепи каскадов, а также в цепь обратной связи. Последние схемы получили более широкое распространение,

Рис.54 Коррекция, дающая подъем за счет резонанса напряжений в цепи ООС

поэтому рассмотрим в качестве примера две такие схемы, дающие подъем в области высоких частот. Для получения резонанса на высокой частоте индуктивность и емкость резонансного контура должны быть малы, поэтому элементы схемы имеют малые габариты.

Схема коррекции, основанная на резонансе напряжений (рис. 54), содержит последовательный резонансный кон­тур LC с резистором R для ограничения резонансного выброса. Эта корректирующая цепочка включается параллельно части цепи обратной связи, содержащей рабочее плечо и один из гасящих резисторов. На частоте резонанса напря­жений индуктивное и емкостное сопротивления равны и про­тивоположны по знаку. Это приводит к тому, что сопро­тивление цепочки очень мало и равно только активному сопротивлению R. За счет этого глубина ООС в момент резо­нанса минимальная, а коэффициент усиления максималь­ный. Получается резонансный подъем на частоте f рез, которая определяется как

Другой вариант схемы коррекции с резонансным конту­ром в цепи отрицательной обратной связи показан на рис. 55. В Этой схеме используется резонанс токов. Параллельный резонансный контур LСR включен последовательно в гася­щее плечо делителя обратной связи. В момент резонанса индуктивное и емкостное сопротивления равны, токи в этих цепях равны и противоположны по направлению, поэтому ток в общей цепи минимальный. Это значит, что сопротивление контура на частоте резонанса максимальное, на гасящем плече теряется наибольшая доля напряжения, а на рабочее посту­пает наименьшее напряжение обратной связи. Глубина обрат­ной связи на этой частоте минимальная, а коэффициент уси­ления максимальный - резонансный подъем на f рез. Резистор R ограничивает увеличение сопротивления контура в момент резонанса, поскольку эквивалентное сопротивление парал­лельных ветвей меньше меньшего из сопротивлений каждой ветви. Если взять меньшее сопротивление резистора R, то соп­ротивление гасящего плеча при резонансе тоже возрастет не так сильно. Значит и уменьшение глубины ООС будет не таким значительным, т. е. высота подъема на частоте резо­нанса станет меньше (пунктирная кривая на графике).

Рис.55 Коррекция, дающая подъем за счет резонанса токов в цепи ООС

Особое место среди способов коррекции занимает схема автоматической коррекции частотной характеристики в об­ласти верхних частот. Автоматическая коррекция дает выравнивание частотной характеристики на верхних частотах независимо от длины и количества подключаемых шлангов. Необходимость такой коррекции вызвана тем, что при увеличении общей длины шлангов от всех кинопроекционных постов растет их распределенная емкость С_о, а значит, и вносимый ею спад верхних частот. Чтобы скомпенсировать разные частотные искажения при разной длине линии потребовалось бы переключать корректи­рующие элементы. Это вызвало бы усложнение и удорожание устройства.

Автоматическая коррекция осуществляется путем введе­ния в первом каскаде отрицательной обратной связи по нап­ряжению с параллельной подачей на вход (рис.53)

Рис.56 Автоматическая коррекция частотной характеристики за счет параллельной ООС по напряжению в первом каскаде при включении шлангов ФЭУ

Емкость С_о действует в такой схеме одновременно и на входе, и в рабо­чем плече делителя обратной связи. С повышением частоты емкостное сопротивление уменьшается, отчего уменьшается входной сигнал. В частотной характеристике каскада без обратной связи был бы спад ВЧ. Однако в данной схеме одно­временно за счет уменьшения емкостного сопротивления уменьшается сопротивление рабочего плеча делителя ООС, а, следовательно, и глубина ООС, что компенсирует спад верх­них частот. Таким образом, характеристика выравнивается. При большей величине емкости С_о входной сигнал на верхних частотах уменьшается еще сильнее, но и глубина ООС умень­шается в большей степени, что дает компенсацию частотных искажений - характеристика все равно выравнивается на ВЧ, причем без какого-либо переключения в схеме, без вмеша­тельства обслуживающего персонала, т. е. автоматически.

Не следует, однако, думать, что автоматическая коррекция может действовать при беспредельном увеличении емкости С _о. Ее действие обусловлено уменьшением глубины отрица­тельной обратной связи, следовательно, ограничено глубиной этой связи. Чем глубже ООС, тем большую емкость можно включать на вход без заметного увеличения спада ВЧ. На­пример, в аппаратуре «Звук» при глубине ООС в первом кас­каде 30 дБ допускается общая длина шлангов на входе до 15 м.

Вопросы для самопроверки:

1. Каково назначение коррекции, и какие виды частотных характерис­тик требуется получить в усилителе в зависимости от условий воспроиз­ведения звука?

2. На чем основан принцип коррекции частотной характеристики и за счет чего она может быть осуществлена?

3.Назвать и объяснить виды коррекции частотной характеристики. 4. Нарисовать и объяснить схему коррекции, создающую спад верхних частот за счет подавления усиления. Когда это требуется?

5. Нарисовать и объяснить схему коррекции, создающую спад нижних частот за счет подавления усиления. Когда это требуется?

6. Нарисовать и объяснить схемы коррекции за счет отрицательной обратной связи по напряжению, создающие подъем ВЧ, спад НЧ, спад ВЧ.

7.Нарисовать и объяснить схемы коррекции и получаемые частотные характеристики за счет резонансов токов и напряжений в цепи обратной связи по напряжению.

8. Нарисовать и объяснить схемы коррекции, создающие спад от ниж­них частот к верхним за счет отрицательной обратной связи. Когда это нужно?