Активный кроссовер для биампинга содержит два фильтра — фильтр нижних частот (ФНЧ — Low Pass) и фильтр верхних частот (ФВЧ — High Pass). Он разделяет входной сигнал на две полосы частот. Каждая полоса усиливается своим усилителем и подается на свой динамик. В результате получается биампинг, который создает очень хороший правильный звук.

Биампинг — очень хорошая штука, и наконец настала пора его внедрения в мою аппаратуру (в ресивер). Прошли все предварительные тесты и пробы. Ну и наконец появился новый вариант кроссовера. Это дальнейшее улучшение первой модели кроссовера. Разница в том, что я разработал его под качественные пленочные конденсаторы типа К73-17, К73-44, К78-16, EPCOS и др. (поэтому в плате много «лишних» отверстий для конденсаторов разных габаритов). Кроме того, чтобы уменьшить габариты платы, я использовал SMD резисторы размера 1206 — более мелкие погоды не сделают (конденсаторы-то все равно большие и именно они определяют размеры платы), а паять их сложнее. По этой же причине я использовал микросхемы в DIP корпусах — проще паять. SMD конденсаторы использовать нельзя — они керамические, и могут ухудшить качество звучания.

Схема практически не изменилась (это один канал стерео варианта), в кроссовере используются фильтры Баттерворта 3-го порядка ВЧ и НЧ:

Использование именно активного кроссовера для биампинга очень выгодно, а применение фильтров Баттерворта позволяет получить такие преимущества:

1. Оба фильтра кроссовера (ВЧ и НЧ) имеют максимально плоскую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в полосе пропускания. Поэтому все частоты диапазона будут воспроизводиться с максимально одинаковой громкостью.
2. Фильтры 3-го порядка дают хорошую скорость спада АЧХ в полосе затухания. В результате все «вредные» частоты будут хорошо подавляться.
3. Сигнал с фильтра НЧ кроссовера через свой усилитель подается на НЧ/СЧ динамик (мидвуфер), а с фильтра ВЧ через свой усилитель подается на ВЧ динамик (твиттер). Звук каждого из динамиков суммируется и получается полный диапазон сигнала. Применение таких фильтров дает плоскую суммарную АЧХ. Это значит, что громкость всех частот получившегося звука будет одинакова.

Программа для расчета кроссовера

Входной конденсатор С0 «отрезает» возможное постоянное напряжение на входе. И одновременно (совместно с резистором R0, который должен лежать в пределах 33…68 кОм) является сабсоник-фильтром — снижает уровень низких частот, ниже частоты среза, его можно рассчитать так:

С0 [мкФ] = (4…5) / Fmin [Гц]

Это для значения 47 кОм, если R0 имеет другое значение, то во сколько раз R0 больше, чем 47 кОм, во столько же раз С0 должен быть меньше, чем по формуле, и наоборот. Частоту среза лучше выбирать раза в 2…3 ниже, чем самая низкая рабочая частота вам требуется. Исключение составляют случаи, когда ну очень нужно обрезать низкие частоты, то в формулу подставляем нижнюю рабочую частоту.

Резистор R7 регулирует уровень верхних частот — обычно отдача ВЧ динамика выше, и сигнал для него приходится ослаблять. Это важно в биампинге — иначе возможен частотный дисбаланс. Здесь использован многооборотный подстроечный резистор — и герметичный (пыль не попадает и не изменяет сопротивления), и позволяет точно отрегулировать уровень сигнала. Резисторы R8, R9, R10 позволяют «отвязать» блок от источника питания и возможных земляных петель (чтобы кроссовер можно было бы без проблем встроить в уже существующую аппаратуру). Конденсаторы С7…С10 — фильтры питания. Они должны быть одинаковыми для «+» и «-» питания.

Номиналы некоторых деталей не указаны — они зависят от частоты среза фильтров. Сами фильтры можно рассчитать по этой программе расчета кроссовера. Только нужно, чтобы сопротивления резисторов лежали в пределах 10 кОм…1МОм (тогда будет меньше помех и влияния кроссовера на другие блоки).

Для себя я сделал фильтр с частотой раздела около 2,5 кГц. Вот его АЧХ — идеал! Я использовал это кроссовер для биампинга в своем ресивере, при помощи которого я смотрю кино и слушаю музыку. Про это можно почитать и посмотреть фотографии на странице Биампинг фронтальных каналов ресивера.

Я измерял АЧХ по старинке, при помощи генератора (с низкими искажениями), частотомера и электронного вольтметра. Точки, в который производились измерения показаны на линиях (черным и голубым цветом). Суммарная электрическая АЧХ — практически идеальная прямая с неравномерностью не более +-0,05 дБ!!!

Конденсаторы желательно по возможности подобрать по емкости, но я, например, сильно не усердствовал, более-менее близкие, и все тут. Резисторы я вообще не подбирал, и вот что получилось при рассматривании через микроскоп:

Очень хорошо!!! Неравномерность АЧХ фильтра НЧ в диапазоне от 20 Гц не более 0,3 дБ! Ниже частоты 50 Гц влияет входной конденсатор С0, а выше частоты 1000 Гц — это уже начинается нормальный спад фильтра НЧ.

Измерения искажений показали, что они (искажения) находятся на уровне предела измерений — менее 0,002%. Это при использовании микросхемы ОРА2134РА. Более «крутые» операционные усилители (ОУ) использовать не рекомендуется — разницы не услышите, но можете получить много проблем с устойчивостью и ВЧ помехами. Более «простые» ОУ будут работать весьма неплохо — глубина ООС большая и искажения хорошо компенсируются. Однако советую избегать применения микросхем типа 4558 — я исследовал линейность микросхем операционных усилителей, у этой микросхемы довольно плохая линейность и нагрузочные характеристики.

Сама плата в стерео варианте получилась чуть больше спичечного коробка. Я считаю, что стремиться сделать кроссовер еще более миниатюрным нет смысла: качественные конденсаторы все равно большие, а если элементы установить слишком тесно, то получатся лишние паразитные емкостные связи, да и «соплю» между дорожками легче заполучить.

Скачать схему и монтаж

Микросхемы и конденсаторы находятся с верхней стороны платы, резисторы (кроме R7) — с нижней.

Очень важный момент: плата двухсторонняя и отверстия имеют сквозную металлизацию!!! В любительских условиях ее сделать практически невозможно, а без металлизации может быть непропай и неконтакт.

Вот АЧХ динамиков в ближнем поле, каждый из которых подключен к своему собственному усилителю, а усилители включены через этот кроссовер. При измерении работали оба динамика, поэтому сигнал ВЧ присутствовал при снятии НЧ характеристики и наоборот, создавая некоторые помехи. Но эти помехи весьма малы. Суммарная АЧХ (вычисленная) — очень ровная. Видно, что у НЧ динамика на частоте 5…7 кГц резкий выброс, связанный с переходом диффузора в зонный режим работы. Фильтра 3-го порядка этот выброс успешно подавляет (на самом деле выброс еще меньше, это еще из ВЧ динамика сигнал попадает). Попробуйте так настроить пассивный фильтр! И учитывайте, что настолько сильно подавить выброс фильтром 2-го, а тем более 1-го порядка не получится!

Тестовые прослушивания были очень успешными: заслушивался! Вот сравнение АЧХ одной и той же колонки (колонка на своем штатном месте, микрофон в точке прослушивания) со встроенным пассивным кроссовером, и при биампинге с активным кроссовером (это другая колонка с другими динамиками). Волнистость АЧХ — влияние помещения (надо сказать вполне неплохое), а спад ниже 800 Гц — особенности измерения.

У пассивного кроссовера (красная линия) есть провал на границе стыковки полос 2…4 кГц. А у активного кроссовера такого провала нет!

Конечно, мне могут сказать, что кривоватая АЧХ с пассивным кроссовером (провал в области 2…6 кГц) — следствие недостаточно тщательной настройки пассивных фильтров. Я не отказываюсь! Еще пара недель настройки и возможно было бы лучше. На самом деле, настройке пассивного кроссовера сильно мешала зависимость сопротивления и индуктивности динамиков от частоты (а они еще и от амплитуды зависят!). Активный кроссовер параметры динамика вообще не чувствует, поэтому АЧХ получается наилучшей. Кроме того, если вспомнить, сколько для пассивного фильтра пришлось доматывать и отматывать катушки и параллелить конденсаторы! Жуть! А тут сразу раз, и заработало! Нужно было только выбрать частоту раздела, и подкрутить подстроечник, чтобы установить уровень на ВЧ.

PS. У меня есть платы промышленного изготовления, как заказать, см. Купить печатную плату.

29.03.2009