И снова про ЭМОС.

Николай Трошин

Недавно общался со своим другом, который по своей профессии длительное время работал со звуком. И он выдал фразу, которая многим покажется банальной: - «Для получения качественного звука, все звенья звукового тракта должны быть одинаково высокого качества». Из этого следует следующее: достаточно иметь лишь одно некачественное звено, и хорошего звучания не получить.
В связи с этим меня иногда удивляют гуляющие по интернету схемы, содержащие с полсотни транзисторов и ОУ, и якобы обеспечивающие нелинейные искажения менее 0.001% (кстати неизвестно какие там при этом динамические искажения).
Акустические системы на средних и высоких частотах обычно имеют искажения несколько процентов, а на низших частотах могут превышать и 10%.
На средних и высоких частотах проблема решается просто - достаточно найти приличный широкополосник (или СЧ и ВЧ динамики), к счастью ассортимент таких динамиков широк.
С низкими частотами сложнее. Для хорошего воспроизведения частот ниже 40-50 Гц, требуется существенно увеличивать объем ящика и применять дорогостоящие динамики большой мощности.

При конструировании усилителей мощности, наиболее распространенным способом снижения нелинейных искажений и расширения диапазона частот - является отрицательная обратная связь (ООС).
Есть большое желание представить усилитель и динамик единым целым и все это охватить ООС.
Возникает одна проблема - как получить сигнал, пропорциональный звуковому давлению динамика. Для этих целей хорошо подходит датчик из пьезо-керамики, материала, в котором возникает ЭДС с приложением к нему механических усилий (прямой пьезоэффект).

Великими умами было доказано, что в зоне поршневой работы динамиков (до 500 Гц.), сигнал на таком датчике, закрепленном на диффузоре - прямо пропорционален ускорению, и звуковое давление прямо пропорционально ускорению, следовательно сигнал с датчика прямо пропорционален звуковому давлению.
Таким образом появляется возможность охватить усилитель вместе с динамиком общей отрицательной электромеханической обратной связью (ЭМОС). Применение ЭМОС позволяет расширить (в нижней части) диапазон частот примерно в 2 раза, либо уменьшить размер ящика, снизить нелинейные искажения, улучшить переходные характеристики. Получаем качественный сабвуфер, на базе которого можно построить не сложный трифоник очень приличного качества.
Принцип работы такого устройства поясняет структурная схема

Входные сигналы каждого из каналов разделяются фильтрами Z1 и Z1' на НЧ и СЧ-ВЧ составляющие. Далее СЧ-ВЧ сигналы поступают на усилители А1 и А1', и воспроизводятся отдельными громкоговорителями ВА1 и ВА1'.
НЧ сигналы поступают на аналоговый сумматор А2. Сюда же через фильтр НЧ Z2, подводится сигнал ЭМОС, снимаемый с пьезокерамического датчика BQ1, установленного на диффузоре НЧ головки. Этот сигнал, вычитаясь из основного НЧ сигнала, обеспечивает отрицательную ЭМОС.

Для нормальной работы системы требуется выполнить ряд условий.
Во-первых, в диапазоне частот, где ЭМОС отрицательна, усиление в ее петле должно быть большим, а в диапазоне частот, где она положительна,- меньше единицы.
Во-вторых, поскольку расширение частотного диапазона в сторону низших частот осуществляется увеличением подводимой к головке мощности, необходимо выбрать НЧ головку с большим свободным ходом диффузора и значительной мощностью, например типа 75гдн или аналогичную, в крайнем случае - типа 50ГДН.

При эксплуатации предыдущей системы возникли некоторые моменты, которые желательно подкорректировать:
1. Мощность усилителя должна быть больше - никак не менее 50 Вт, лучше ближе к 100.
2. Глубину ЭМОС не следует делать слишком большой - это снижает перегрузочную способность системы.
3. Мощность СЧ - НЧ канала 5 - 10 Вт. вполне достаточно при использовании динамиков даже со средней отдачей.
Поскольку предыдущую конструкцию я опрометчиво дал послушать одному «товарищу», и он куда то испарился вместе с ней, пришлось сделать новую.
При этом я задался целью - максимально упростить конструкцию.

Ящик объемом около 45 литров использовал от S-90 Орбита. Он очень качественно сделан.
Чтобы заглушить все лишние отверстия (от СЧ ВЧ динамиков и фазоинверторов) изготовил новую лицевую панель из дсп толщиной 15мм, прорезал в ней отверстие под НЧ динамик, и прикрепил саморезами, подложив прокладку, к лицевой панели колонки (смотри рисунок в начале статьи).
НЧ динамик использовал 75ГДН-3. Он довольно таки не плох. Достаточно мощный, с низкой резонансной частотой, имеет отверстие в керне магнитной системы, что способствует выравниванию давлений внутри и с наружи диффузора, лучшему охлаждению звуковой катушки.
Одна проблема - родной подвес из полиуретана рассыпался от времени. Пришлось заменить на резиновый. Резонансная частота немного выросла, поскольку резина жестче полиуретана, однако после приклейки платы датчика к диффузору, масса подвижной системы несколько подросла, и резонанс головки вернулся примерно к 25 Гц .

Конструкция датчика осталась прежней. Сама идея в свое время была позаимствована из революционной, на мой взгляд, акустики S-70, Рижского радиозавода имени Попова, которого к сожалению уже нет. В качестве датчика - трубчатый пьезоэлемент от звукоснимателя типа ГЗКУ-631, ГЗП-301, 302, 305, 308. Возможно, подойдут и другие.
Рядом на плате расположен усилительный каскад на полевом транзисторе с общим истоком. По сути это кабельный усилитель с высоким входным и низким выходным сопротивлениями.
Сам усилитель на динамике, а его нагрузка на внешней плате. Такое решение позволяет заметно снизить уровень помех и наводок и использовать всего два соединительных провода.
Подробности изготовления платы с датчиком приведены в первой моей статье про ЭМОС (Радио 1989 8).

Схема устройства приведена на рис.

Схема фильтров ФНЧ и ФВЧ приведена для одного канала. Для второго канала схема аналогичная.
Сигналы с выхода "НЧ" подаются на сумматор, а сигналы с выхода "СЧ-ВЧ", подаются на входы усилителя СЧ-ВЧ каналов (правый, левый).

Схема предельно проста, она содержит: 5 активных фильтров Бесселя (для минимизации фазовых искажений) второго порядка, аналоговый сумматор и усилитель мощности, который может быть любым неинвертирующим (а они почти все такие) с мощностью не менее 50 Вт.
Все построено на транзисторах, поскольку это проще, да и есть у меня некоторое предубеждение к ОУ и другим многокаскадным схемам в смысле вероятного возникновения динамических искажений (на СЧ ВЧ ).

Поскольку питание усилителя датчика отрицательное, все остальное питание сделано отрицательным. Питается схема от источника усилителя мощности через простейший фильтр - стабилизатор.

Усилитель мощности я использовал аналогичный, описанному в статье «Простой германиевый усилитель мощности. Часть 2.».
Собрал я его на кремнии, перевернув питание и увеличив его до 64 В. Получилось примерно 50 Вт.
Конечно, выходной электролит не добавляет прелести в схему. Однако и каких либо ухудшений я не заметил. Зато становится необязательной схема защиты громкоговорителя. Впрочем, усилитель может быть и другим, например собранным на мощной микросхеме.
Я пробовал использовать промышленный ресивер от компьютерной акустики приличного уровня, выставив его усиление около 12. Все нормально работает.

Для удобства проверки и настройки был изготовлен макетный образец, позволяющий снимать сигнал ЭМОС с лицевой части динамика. При этом использовал панельку и гибкие проводники от другого ненужного маломощного динамика.
Кстати, кому не слишком важен внешний вид, такой макет вполне возможно задвинуть в темный угол «лицом» к стене и эксплуатировать в таком виде, поскольку на частотах, которые воспроизводит сабвуфер ( ниже 300 гц.) нет локализации сигнала. То есть это ни как не повлияет на стерео- эффект.

Несколько слов о СЧ-ВЧ тракте. Недавно занимался восстановлением колонок S-90 и поразился, мягко говоря, плохому звучанию СЧ звена. Посмотрел, что пишет интернет. Очень многие сетуют на плохую «частотку» динамика 20ГДС.
Но дело не в частотке, которая не идеальна, но, в общем то не так уж и плоха. Данный динамик вносит весьма заметные искажения в диапазоне 500 - 1500 Гц. Они хорошо слышны при подаче на динамик (через усилитель) синусоидального сигнала небольшой мощности.
В одной из статей встретилось название «структурные искажения». Проверил на эту тему кучу других динамиков и колонок. Все динамики (в том числе и импортных уважаемых фирм), имеющие подвес из резины, ПУ, ткани имеют подобные искажения. Гораздо лучше в этом смысле звучат динамики с диффузором и подвесом из бумаги.
Очень хорошо звучат отечественные широкополосники типа 2ГДШ, 3ГДШ, 5ГДШ, 6ГДШ, и старых типов 1ГД, 2ГД, 3ГД. При этом они же имеют вполне хорошую частотную характеристику до 12,5 - 14 кГц, а некоторые и до 16 - 20 кГц. Звучат естественно и прозрачно. При этом обладают высокой отдачей, что снижает необходимую мощность усилителя. Детали- обычные. Никакого дефицита, кроме, пожалуй, датчика. Но и его в интернете можно найти. Настройка не сложна. Нужно выставить подстроечным резистором в цепи стока напряжение на полевом транзисторе в пределах 1.5…2 В. Далее, подстроечным резистором на входе сумматора, надо выставить напряжение на динамике на частоте 40 Гц. в 2…2.5 раза больше чем напряжение на 100 Гц. Частотная характеристика сабвуфера, полученная прямыми измерениями сигнала на датчике, показана на рис.

Видим расширение частотного диапазона вниз примерно в 2 раза. Звучание очень хорошее. Таких «низов» я нигде и никогда не слышал.

Всем успехов!