Hi-Fi svět

Web převážně vážně nejen o zesilovačích a počítačích.

L

Nejnovější

Baxandall

Baxandall

  •  

    Úvod

    V článku Tónový korektor Baxandall vs. Federmann jsem popsal princip zapojení zpětnovazebního korektoru který je znám od roku 1952 pod názvem Baxandallův korektor, tento korektor samozřejmě měl a má i svou pasívní podobu.

     

    Baxandall vs. Federmann

    Aby mohl Baxandallův korektor nést vlastnosti zapojení Topologie Federmann musí splňovat několik důležitých podmínek:

     

    • 1.       Musí být postaven s dostatečnou rezervou zisku a to v pásmu až do 100kHz včetně.
    • 2.       Musí mít dostatečnou přebuditelnost.

     

    Tyto dvě zdánlivě banální podmínky dovolují splnit ty nejnáročnější požadavky na kvalitu přenosu elektroakustického signálu, dovolují nastavit zcela rovnou charakteristiku pro pásmo 5Hz÷100kHz, což je u většiny jiných zapojení zcela nemožné.

     

    Nevhodný OZ

    Snahou v Topologii Federmann je dosáhnout rezervy zisku přes 40dB, což garantuje zkreslení řádu tisícin procenta a současně zaručuje ten nejvěrnější přenos.

    Jak je patrné při omezení se pouze na pásmo do 20kHz a nedostatku důrazu na rezervu zisku, dochází u konstruktérů velmi často k použití nevhodného OZ.

    Znázorněný OZ má na frekvenci 10kHz zesílení pouhých 40dB tedy 100x, je to ve skutečnosti jeho použitelná šířka pásma při zesílení 0dB a pro použití v korekčním zesilovači, stejně jak v jakémkoliv jiném nf. zesilovači je naprosto nevhodný!

     

     

     

     

    Vhodný OZ

    Zde se můžeme podívat na použití vhodného OZ, který má zesílení 60dB na kmitočtu 45kHz a 55dB na kmitočtu cca 80kHz. Při kmitočtu 100kHz má ještě zesílení 53dB!

    Přestože jde o jeden z nejlepších OZ, který byl kdy vyráběn a je pro audiosignál velmi vhodný, přestože má šířku pásma 70MHz, podmínku Topologie Federmann již plně nesplňuje!

    Jde o OZ LT1028, který má naprosto excelentní vlastnosti a pro Topologii Federmann je použitelný až do zesílení 53dB-40dB=13dB. Pro dále uvedené korektory s nastaveným zdvihem ±15 a 20±dB však jen stěží seženeme něco lepšího a budeme se muset smířit s tím, že podmínka rezervy zisku nebude nad zesílení +13dB již splněna.

     

     

     

     

    Legendární TW40

    Podívejme se nyní na tolik používané zapojení s jedním tranzistorem, které bylo použito i u dnes již legendárního zesilovače TW40.

    Zapojení má natavené zesílení +10dB, použitý tranzistor KC509 si vedl velmi dobře a jeho zesílení je těsně pod +50dB. Pokud zapojení podrobíme kriteriu Topologie Federmann, pak neprojde ani při nastavení rovné charakteristiky, která zas tak moc rovná není.

    Pomineme-li chybné zapojení elektrolytických kondenzátorů a nevhodně omezené zdvihy korektoru, nezbývá než uznat, že v době vzniku, kdy nebylo možno využít simulačních programů, šlo o zapojení vcelku zdařilé, které mnozí dodnes přes jeho chyby stále doporučují.

     

     

     

    Korekční zesilovač „zapojení Federmann“

    Korekční zesilovač „zapojení Federmann“ vznikl hluboko v minulém století či tisíciletí, bez znalostí simulačních programů a jen z náznakem tušení o vlivu rezervy zisku na zkreslení, kterou jsem zadokumentoval a dostatečně popsal až v tomto tisíciletí.

    Z přiložených grafů je však dobře patrné, že již tato topologie velmi dobře splňoval potřebnou rezervu zisku a při 100kHz se již blížila potřebným 40dB!

    „Zapojení Federmann“ oproti zapojení jednoho tranzistoru u TW40 zvýšilo zesílení samotného zesilovače připomínajícího vnitřní strukturu OZ o cca 15dB, korektor jako celek má základní přenos 0dB, tedy celkové zesílení o 10dB kleslo, tímto se rezerva zisku zvýšila o +25dB.

     

     

     

     

     

     

    Zapojení Federmann (Baxandall) 2006

    Ukázka konkrétního zapojení, vzniknuvšího v roce 2006, kde jsou nastaveny dva různé zdvihy cca ±15dB a ±20dB, u obou zapojení je střední kmitočet volen na 1kHz.

    Zapojení již vychází z poznatků o vlivu rezervy zisku na zkreslenípotřebné šířky pásma popsané v SACD, blíže vinylu?  a Dynamické saturaci, jako příčině Tranzistorového zvuku! Zapojení je snad nejvhodnějším kompromisem použitím vhodných OZ, kdy je ještě dostatečná rezerva zisku i linearita zesilovače.

    Bipolární OZ mají vyšší zesílení a šířku pásma, naopak OZ s FET prvkem na vstupu zase lepší linearitu s ohledem na Udif.

     

      

     

    Brzy dokončení

     

     

    Související články:   

    1. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann -srovnání
    2. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - charakteristiky
    3. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - úrovně  
    4. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - šum
    5. Nebuďte negramotní, aneb SPICE Compatibile programy 
    6. Technická slepota a temno, aneb spásný pokus omyl a znevažování standardů 
    7. Nebuďte negramotní potřetí, aneb výkonová ztráta 
    8. Nebuďte negramotní podruhé, aneb neznalosti "Mistrů" při výpočtech

      

     

    Diskuse

     

  •  

    Úvod

    Zapojení zpětnovazebního korektoru Baxandall je vcelku známé a hojně využívané, ne všechny konstrukce jsou však vhodné. Konstruktéři se dopouští mnoha chyb a panuje mnoho mýtů.

    Jde o obdobné zapojení, které jsem uvedl v článku MC a MM přenosky nejenom RIAA standardy, kdy je celková zpětná vazba tvořena kombinací prvků Z1 a Z2.

    Primárně jako invertující zesilovač nyní používám i Zesilovač 500W/1000W, HQQF-55-506W-5-1.  Zapojení bylo použito i u Korekční zesilovač „zapojení Federmann“  a Hi-Fi předzesilovač HQQF-55-506Kst.

    Princip a vlastnosti

    Jak jsem již v úvodu zmínil budeme se zabývat dvoupásmovým zpětnovazebním korektorem, zapojeným v záporné zpětné vazbě, kdy zesilovač pracuje jako invertující.  Popis bude soustředěn na OZ, který však může být realizován i jako diskrétní viz Korekční zesilovač „zapojení Federmann“

     

     

    • 1.       Napěťové zesílení je přibližně dáno vztahem Au=-Z2/Z1.
    • 2.       Zkreslení je přibližně dáno vlastní linearitou použitého OZ, podělenou rezervou zisku, viz Vliv rezervy zisku na zkreslení. V případě použití jedno či více tranzistorového zesilovače viz TW40 již není možné dosáhnou slušných vlastností, stejně jak při použití pomalých OZ.
    • 3.       Šumové vlastnosti záleží na vlastnostech použitého OZ a šumového napětí na odporu, který je součtem R1+paralelní kombinace Z1 a Z2. Teto problematice bude brzy věnován vlastní článek.

     

     

    Původní zapojení

    Původní zapojení popsal By P. J. BAXANDALL v textu Negative Feedback Tone Control, nejde o nic jiného, než využití frekvenčně závislé celkové zpětné vazby:

     

     

     

      Volba dělící frekvence

    Jedním z hlavních úkolů při návrhu, je volba dělící frekvence, jak si ukážeme není to jednoduché se správně rozhodnout, pokud nechceme použít například 14 pásmový Gyrátor - ekvalizér:

     

    • 1.       Lidský sluch vnímá nárůst frekvence do cca 800Hz jako lineární a nad tuto hranici spíše logaritmicky.
    • 2.       Lidský sluch má v závislosti na hlasitosti silně nelineární vlastnosti, viz přiložené charakteristiky.
    • 3.       Většina elektroakustických záležitostí je vyjadřována ve vztahu k frekvenci 1kHz.

     

     

     

     

    Velikost zdvihu a jeho průběh

    Stejně jak volba vhodné dělící frekvence, není jednoduchá ani volba samotného průběhu a požadovaného zdvihu či poklesu:

     

    • 1.       Korektor by měl přednostně korigovat odlišnost akustických vlastností poslechového prostoru, jehož vlastnosti se mění převážně lineárně s frekvencí. Řešení různých nežádoucích rezonancí ponechme spíše na stavební akustiky, či na zcela samostatné řešení, toho či onoho prostoru.
    • 2.       Korektor by měl mít možnost reagovat na nelineární vlastnosti sluchu v závislosti na hlasitosti. Těmto vlastnostem je zapotřebí uzpůsobit jak průběh tak dělící frekvenci, případně ještě přidat fyziologickou regulaci hlasitosti.

      

    Alternativy a úlety

    Dále se můžeme podívat na různé alternativy a úlety. Vypustíme-li řadu pasívních korektorů, které mnozí použili, jako východisko z nouze, neboť neuměli řádně sestavit zpětnovazební korektor, u kterého by bylo možno nastavit rovnou charakteristiku, v konečném důsledku výrazně sníží úroveň signálu, aby musela být následně zesílena se všemi důsledky nárůstu zkreslení a šumu.

    Zůstanou nám jenom korektory zpětnovazební, které jsou více či méně odvozeny od korektoru Baxandall.

     

    Za povšimnutí stojí i jakýsi "úlet" v podání DPA550, kde již ani nejde o korektor, ale o zdůraznění kmitočtu 17kHz a 30Hz. Toto zdůraznění je na samém okraji slyšitelného pásma a těžko určit, zda mělo korigovat nedostatky  reproduktorové soustavy či sluchového orgánu posluchače.

    Dále je nutno dodat, že obdobné pásmové propusti lze využít jako filtru Prezence, ale ten je nutno naladit na kmitočet v rozmezí 3÷4kHz.

       

     

      

      

     

     

      Související články:  

    1. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann -srovnání
    2. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - charakteristiky
    3. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - úrovně  
    4. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - šum
    5. Nebuďte negramotní, aneb SPICE Compatibile programy 
    6. Technická slepota a temno, aneb spásný pokus omyl a znevažování standardů 
    7. Nebuďte negramotní potřetí, aneb výkonová ztráta 
    8. Nebuďte negramotní podruhé, aneb neznalosti "Mistrů" při výpočtech

      

     

    Diskuse

     

     

  •  

    Úvod

    Po třech článcích Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - úrovně, Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - charakteristiky a Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - srovnání, věnujících se detailně několika Baxandallovým korektorům včetně korektoru splňujícího podmínky Topologie Federmann, přichází článek čtvrtý, jehož náplní je pohled na šumové vlastnosti korektorů.

     

    Metodika

    Abych se vyhnul zbytečným dohadům o tom či onom, omezil jsem hodnocení pouze na výstupní šum při cca 1kHz a korektoru nastaveném na rovnou charakteristiku, poněvadž jsou hodnoty krokovány v celém rozsahu, je nutno odečítat 6. charakteristiku, nezáleží ze které strany.

     

    Legendární TW40

    Jde o jednotranzistorové zapojení, kde je rezerva zisku žádná, charakteristiky obstojné, dodnes mnohými vychvalován, jedině uznáván a používán.

     

     

     

     

    Výstupní šum při 1KHz je těsně přes 300nV, což lze považovat za dost špatnou hodnotu, vzhledem k tomu, že není žádná rezerva zisku a tím je i zkreslení nejhorší, pak není co k tomuto jednotranzistorovému korektoru dodat.

      

     

    Korekční zesilovač „zapojení Federmann“

    Jde o zapojení ze samotných počátků formování Topologie Federmann, oproti jednotranzistorovému větší zesílení a již dostatečná rezerva zisku.

     

        

    Výstupní šum při 1KHz je těsně pod 100nV, což lze považovat za obstojnou hodnotu. Zde nezbývá než abych upozornil na odpor v neinvertujícím vstupu OZ složeného s diskrétních prvků. Tento odpor má nemalý vliv na šumové vlastnosti, je vhodné jej stejně jak u jiných korektorů přemostit kondenzátorem.

      

    Zapojení Federmann (Baxandall) 2006

    Jde o pokročilé zapojení Topologie Federmann kde je zcela jasně kladen důraz na rezervu zisku, stejně tak na linearitu vstupních prvků a vynikající šumové vlastnosti.

     

     

     

     

    Výstupní šum při 1KHz je cca 30nV, což lze považovat za vynikající hodnotu, která je 10x lepší než u jednotranzistorového korektoru. Podíváme-li se pozorněji na oba přiložené průběhy, které se liší jen velmi nepatrně, pak jeden je pro OZ LF256 a druhý pro OZ LT1028, je patrné, že ani vlastní šum, který je u obou OZ v poměru cca 10:1 již nehraje velkou roli a téměř se neprojeví.

     

    Zapojení Federmann (Baxandall) 2006 -TOP

    Všechny tři předchozí zapojení byly pro potenciometry 50kΩ:

    1. U jednotranzistorového zapojení typu TW40 byl výstupní šum cca 300nV a potenciometry nehrály vůbec žádnou roli, mnozí se však dodnes domnívají opak.
    2. Jako druhé zapojení je Zapojení Federmann, na tom je šum již pod 100nV, což je výrazně lepší, ale ani zde nehraje velikost potenciometrů velkou roli.
    3. Jako třetí zapojení je Zapojení Federmann (Baxandall) 2006, zde se konečně dostáváme pod šumovou hranici, která je dána v převážné míře polovodičovými prvky a začíná převažovat vliv okolních součástek.

     

     

     

    Zde se konečně můžeme zaměřit na změnu velikosti potenciometrů, které jsou značným zdrojem šumu, stejně jak další použité odpory.

    Zapojení je přepočteno na hodnotu potenciometrů 10kΩ/N, šumové poměry se ještě zlepšily a výsledný výstupní šum při 1kHz se dostává pod hodnotu 15nV. Další graf prozrazuje přenosové charakteristiky.

     

    Závěr

    Tento článek se věnoval šumovým poměrům u několika typů tónových korektorů, byl poodhalen vliv šumu vlastních polovodičů a také velikost vlivu šumu použitých odporů.

    Článek také dává jednoznačně zapravdu Topologii Federmann, která mimo jiné klade důraz na jednoduchost konstrukce a minimalizaci prvků, což při vzniku šumu hraje nemalou roli, neboť každý polovodič a každý odpor více či méně šumí.

     

     

      Související články:

    1. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann -srovnání
    2. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - charakteristiky
    3. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - úrovně  
    4. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - šum
    5. Nebuďte negramotní, aneb SPICE Compatibile programy 
    6. Technická slepota a temno, aneb spásný pokus omyl a znevažování standardů 
    7. Nebuďte negramotní potřetí, aneb výkonová ztráta 
    8. Nebuďte negramotní podruhé, aneb neznalosti "Mistrů" při výpočtech

     

    Diskuse

     

     

  • Úvod

    Podíváme-li se na Zapojení Federmann (Baxandall) 2006, pak se zapojení na první pohled může jevit jako zcela běžné, ale zdání klame, proto se na jednotlivé detaily ještě jednou podívejme blíže, stejně jak na podmínky aby mohl Baxandallův korektor nést vlastnosti zapojení Topologie Federmann.

     

    Vlastnosti zapojení Topologie Federmann

    Jak již bylo napsáno, aby mohl Baxandallův korektor nést vlastnosti zapojení Topologie Federmann musí splňovat dvě důležité podmínky:

     

    1. Musí být postaven s dostatečnou rezervou zisku a to v pásmu až do 100kHz včetně.
    2. Musí mít dostatečnou přebuditelnost.

     

    Rezerva zisku

    Velikost rezervy zisku vychází z poznatků o vlivu rezervy zisku na zkreslení, potřebné šířky pásma popsané v SACD, blíže vinylu? a Dynamické saturaci, jako příčině Tranzistorového zvuku!. Při rezervě zisku 40dB je zaručeno, že poměr užitečného signálu a zkreslení bude větší jak 100:1, tato rezerva zisku je důležitá pro celé přenášené pásmo až do 100kHz, tím je rovněž zaručeno dostatečně malé Udif.

     

    Úrovně a přebuditelnost

    Šířka pásma

    Ty nejnáročnější požadavky na kvalitu přenosu elektroakustického signálu, jsou dány možností nastavit zcela rovnou charakteristiku pro pásmo 5Hz÷100kHz, jak jsem již dříve napsal, je to u většiny jiných zapojení zcela nemožné. Aby bylo možno nastavit zcela rovnou charakteristiku až do 100kHz, je nutné aby šířka pásma byla mnohem větší.

     

    Výkon v závislosti na frekvenci

    S přihlédnutím k vlastnostem živé hudby a zvuku jako takového, jak bylo uvedeno v článcích Hi-Fi zesilovač a opravdu potřebný výkon a Jaký zesilovač pro subwoofer - dunidlo? zjistíme, že největší výkonové zatížení je na nejnižších kmitočtech, není tedy nutné se hnát za plným rozkmitem výstupního napětí na vysokých kmitočtech, stejně tak není nejdůležitějším parametrem rychlost přeběhu.

     

     

     

     

     

     

     

    Maximální napětí

    Maximální výstupní napětí je důležité v rozsahu od cca 5Hz do 200÷500Hz. Při napájení ±12V, je možné se s amplitudou dostat až k 10V, tedy s efektivní hodnotou k 7V, což hravě postačí pro koncový zesilovač s napájením ±70V a zesílením 20dB.

    V běžné hudbě výkon, tedy i napětí nad 200÷500Hz velmi rychle klesá, totéž platí pro SACD převodníky, které pro 1kHz mají možnost 100x více stejných napěťových kroků jak pro 100kHz. Nemusíme se tedy zbytečně hnát za plným rozkmitem do nejvyšších frekvencí.

     

    Nominální úroveň

    Pokud vycházíme s maximální amplitudy a přebuditelnosti například 20dB, pak nám vyjde nominální úroveň signálu o 20dB nižší než je úroveň maximální. Při mezní amplitudě 10V můžeme použít nominální úroveň pouhý 1V, tedy úroveň přibližně 0dB, s menší přebuditelností pak úroveň úměrně vetší.

    Totéž platí o zdvihu, pokud je ±20dB, pak by se neměl signál dostávat do limitace a do stavu, který by jej již koncový stupeň bez omezení nezpracoval. Jak je patrné z výkonového rozložení signálu, je kritické pásmo nízkých frekvencí do cca 500Hz, neboť pásmo v okolí 15kHz má již úroveň o cca 20dB nižší.

     

    Dělící kmitočet a počet pásem

    Pro normální tónový korektor postačí pouze dvě pásma, jedno dolní a druhé horní. Tónový korektor zcela postačí jak byl původně myslel samotný Peter James Baxandall.

    Dělící kmitočet volil P. J. Baxandall na 1kHz či těsně pod, stejný dělící kmitočet nám vyjde při pohledu na závislosti lidského sluchu na frekvenci při různých úrovních akustického tlaku.

     

     

     

     

    Potřebný zdvih

    Nízké frekvence

    Dále se můžeme podívat na potřebný zdvih, pominu-li nedostatky poslechové místnosti a reproduktorových soustav a omezím-li se pouze na nelinearitu lidského ucha v závislosti na frekvenci při různých akustických tlacích, pak zjistím, že pro běžný poslech si většina posluchačů vystačí s hlasitostí 50dB.

    Vycházeje z toho, že nahrávka byla pořízena při hlasitosti 90dB, pak se dynamika celých 40dB dostává pod práh slyšitelnosti a samotné Hi-Fi je již to tam. Podívám-li se pozorněji pak je patrné, že nízké kmitočty při poslechové úrovni 50dB slyší lidské uch o dalších 20dB slaběji a musíme je tónovým korektorem dorovnat!

    Nižší hlasitosti jak 50dB již vzhledem ke značnému propadu velké části akustického výkonu pod práh slyšitelnosti, nemá cenu řešit, stejně jak uvažovat o výrazně větším zdvihu jak ±20dB. Menší zdvih jak ±20dB rovněž ztrácí význam rozebírat.

       

    Vysoké frekvence

    Podíváme-li se na frekvence nad dělícím kmitočtem 1kHz, pak pro korekci nelinearity lidského sluchu vystačíme s ±5dB. Vzhledem ke stavební akustice, většímu úbytku vysokých tónů a směrovosti vysokotónových reproduktorů, je vhodné volit obdobný zdvih jako na kmitočtech nízkých tedy stejných ±20dB.

     

    Frekvenční průběhy

    Jako frekvenční průběhy je vhodné, aby dělící kmitočet nebyl téměř nastavením obou pásem ovlivňován, jako kraje pásem je vhodné zvolit celou šířku slyšitelného pásma tedy spodní okraj 20Hz a vrchní okraj 20kHz a na těchto kmitočtech dosáhnout požadovaného zdvihu ±20dB.

     

     

     

    Závěr

    Za naprosto dokonale lze považovat naměřené charakteristiky Hi-Fi předzesilovače HQQF-55-506K, který má pásmo 10Hz÷100kHz naprosto vyrovnané, na krajích s poklesem do 0,1dB, celková šířka pásma pro pokles 1dB je 4Hz÷350kHz a pro pokles 3dB je 2Hz÷600kHz.

    Dále je z grafu patrný rozsah regulace basů a výšek, pro 20Hz je to ±20dB a na frekvenci 20kHz je naměřený rozsah ±19dB. Pásmo v okolí dělícího kmitočtu je dostatečně široké a není nastavením dolního ani nastavením horního pásma ovlivňováno.

    Naměřené a v grafu zobrazené zesílení cca 10dB není realizováno samotným korektorem, ale použitým předzesilovačem, který je tónovému korektoru předřazen.

     

     

     

    Související články:   

    1. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann -srovnání
    2. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - charakteristiky
    3. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - úrovně  
    4. Tónový korektor Baxandall vs. Federmann - šum
    5. Nebuďte negramotní, aneb SPICE Compatibile programy 
    6. Technická slepota a temno, aneb spásný pokus omyl a znevažování standardů 
    7. Nebuďte negramotní potřetí, aneb výkonová ztráta 
    8. Nebuďte negramotní podruhé, aneb neznalosti "Mistrů" při výpočtech

     

    Diskuse

     

L

Nejnovější

Copyright © 2019 Hi-FI svět. Všechna práva vyhrazena.
Joomla! je svobodný software vydaný pod licencí GNU General Public License.

B

Hi-Fi svět - ISSN 1803-733X

Stránky vydává Bohumil Federmann, Kunovice 7, 75644 Loučka, Česká republika, federmann@seznam.cz