СПОСОБ КОРРЕКЦИИ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАКТА ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H03G5/00 

Изобретение относится к области радиотехники, конкретно - к звуковоспроизведению, и предназначено для коррекции частотной характеристики тракта.

Известно, что для высококачественного воспроизведения сигналов механической, магнитной, оптической записи применяют корректоры частотной характеристики, компенсирующие частотные искажения сигналов, возникающие в процессе записи и воспроизведения. Для разных видов записи необходима различная частотная коррекция, стандартизованная в международном масштабе для неискаженного воспроизведения записей, сделанных любым аппаратом записи. Стандарт задан в виде постоянных времени цепи коррекции. Для механической записи τ₁ = 75 мкС, коррекция при воспроизведении τ₂ = 318 мкС, τ₃ = 3180 мкС и по стандарту RIAA введена τ₄ = 7950 мкС. Для магнитной записи τ₁ = 3180 мкС, коорекция при воспроизведении при скорости движения ленты 19 см/сек - 50 мкС, при 9,5 см/сек - 90 мкС, при 4,75 см/сек - 120 мкС.

Известны пассивные и активные способы коррекции. Пассивные предусматривают частотнонезависимое усиление входного сигнала и частотнозависимое (с заданной постоянной времени) пассивное деление усиленного сигнала. Пассивное деление осуществляют посредством цепи, содержащей резисторы, конденсаторы, реже - индуктивности.

Способы активной коррекции приведены, в частности, в заявках ФРГ N 3014288, МКИ H 03 F 1/32, опубл. 6.11.80, N 2223566, МКИ H 03 H 11/00, опубл. 30.05.85, N OS 3342347, МКИ H 03 H 11/04, опубл. 30.05.85, N 2434957, H 03 H 11/00, опубл. 29.01.78, N OS 3525201, H 03 H 11/04, опубл. 30.01.86, в патентах США N 4303889, H 03 F 1/34, НКИ 330-107, опубл. 23.06.81, N 4275358, H 03 F 1/34, НКИ 330-109, опубл. 23.06.81, в заявке Японии N 59-53607, G 11 B 5/033, опубл. 26.12.84, в работе Д.И.Атаева и В.А. Болотникова "Функциональные узлы усилителей высококачественного звуковоспроизведения", МРБ, Радио и связь, Москва, 1989 г., смотри в данной книге стр. 46, рис. 4.3.

Коррекция осуществляется посредством частотнозависимой обратной связи.

Способ активной коррекции вносит в корректируемый сигнал специфические искажения, связанные с запаздыванием сигнала по цепи обратной связи, что особенно отражается на динамических и интермодуляционных искажениях и искажениях на краях частотного диапазона.

Способ и устройство пассивной коррекции описаны, например, в книге Д.И. Атаева, В.А.Болотникова "Функциональные узлы усилителей высококачественного звуковоспроизведения", МРБ, Радио и связь, М. 1989, стр. 47, рис.4.4. По технической сущности, большинству признаков эти способ и устройство наиболее близки к заявляемым решениям и выбраны нами в качестве прототипа. Он иллюстрируется фиг. 1 данной заявки, где приняты следующие обозначения: 1, 2 - вход; 18 - частотнонезависимый усилитель напряжения; 4 - выход усилителя; 19 - пассивный частотнозависимый делитель напряжения; 6, 7 - элементы делителя напряжения; 8, 9 - выход корректора.

Способ включает частотнонезависимое усиление входного сигнала по напряжению и частотнозависимое деление усиленного сигнала посредством пассивного делителя. Устройство фиг. 1, реализующее этот способ состоит из частотнонезависимого усилителя 18 напряжения, вход 1, 2 которого соединен с источником корректируемого сигнала, а выход 4 - с пассивным делителем 19 напряжения (состоящим в данном случае из резистора 6 и конденсатора 7), выход 8, 9 которого является выходом пассивного корректора.

Устройство фиг. 1 работает следующим образом. Входной сигнал, подлежащий частотной коррекции, поступает на вход 1, 2 усилителя 18 напряжения, усиливается в нем по напряжению и с выхода 4 усилителя 18 попадает на вход пассивного делителя 19 напряжения. В делителе сигнал подвергается частотной коррекции в соответствии с заданной постоянной времени, обеспечиваемой выбором величин резистора 6 и конденсатора 7. Средняя точка пассивного делителя 19 напряжения является выходом корректора 8, 9. Описанные способ и устройство свободны от специфических искажений, связанных с запаздыванием сигнала по цепи обратной связи, присущих активным корректорам. Он достаточно точно корректирует частотную характеристику, прост, надежен, однако имеет существенные недостатки: сужение динамического диапазона из-за падения напряжения сигнала в пассивном делителе; заметные динамические, гармонические и интермодуляционные искажения, связанные с процессом свободного разряда конденсаторов и током самоиндукции индуктивностей цепей коррекции через выходную цепь питающих их усилителей напряжения. Этот механизм можно пояснить с помощью фиг. 1а и 1б, на которых представлены соответственно простейшее устройство пассивной коррекции и формы колебаний на элементах этого устройства (по оси ординат - время, по оси абсцисс - выходной ток усилителя напряжения I_вых., его выходное напряжение U_вых и напряжение на выходе устройства коррекции U_корр). При подаче на вход усилителя схемы фиг. 1a полуволны синусоидального сигнала на его выходе появится усиленное напряжение той же формы U_вых (рис. 1б). Напряжение же на емкости C (напряжение на выходе устройства коррекции U_корр) обусловлено зарядом, который она получает за счет тока, протекающего через резистор R. Это напряжение будет запаздывать по отношению к входному (и выходному) напряжению усилителя и достигает своего максимума в точке 1 фиг. 1б, в которой ток заряда емкости C прекратится и начнется разряд емкости C через резистор R и выход усилителя напряжения. Таким образом, выход усилителя оказывается нагруженным не только прямым, вызванным входным сигналом током, но и обратным током, вызванным разрядом конденсатора C. То есть форма тока через выход усилителя не соответствует форме напряжения на его входе, что приводит к значительным искажениям динамического характера при поступлении на вход усилителя не гармонических, а импульсных сигналов, а при гармонических входных сигналах возникают гармонические и интермодуляционные искажения. Задачей изобретения является снижение искажений и расширение динамического диапазона. Эта задача решается тем, что в известный способ пассивной коррекции частотной характеристики тракта звуковоспроизведения, включающий частотнонезависимое усиление входного сигнала и частотнозависимое пассивное деление усиленного сигнала, введены существенные изменения и дополнения, а именно: в процессе усиления преобразуют входное напряжение в выходной ток, а деление производят по току.

Устройство, осуществляющее указанный способ, представляет собой известное устройство пассивной коррекции, содержащее входной усилитель, подключенный к цепи пассивного частотнозависимого деления, в которое внесены схемные изменения, а именно: в качестве входного усилителя применен усилитель тока, а цепь пассивного частотнозависимого деления выполнена в виде делителя тока.

Кроме того, входной усилитель может быть выполнен в виде дифференциального каскада, охваченного частотнонезависимой отрицательной обратной связью по напряжению с его выхода на инверсный вход, а между выходом каскада и выходом усилителя (цепью пассивного деления) включен резистор, при этом введена положительная обратная связь по напряжению с выхода усилителя на прямой вход дифференциального каскада, равная по глубине упомянутой отрицательной обратной связи. Величину резистора лучше выбрать в 10-100 раз меньше наименьшего значения импеданса пассивного частотнозависимого делителя тока.

Предложенные решения поясняются примерами: фиг. 1 - устройство коррекции частотной характеристики; фиг. 2 - реализация устройства коррекции с входным усилителем - дифференциальным каскадом, охваченным положительной и отрицательной обратными связями. На фигурах приняты обозначения: 1, 2 - вход устройства; 3 - входной усилитель - частотнонезависимый усилитель тока; 4 - выход усилителя; 5 - пассивный частотнозависимый делитель тока; 6, 7 - элементы делителя тока; 8 - 9 выход устройства коррекции; 10 - усилитель с дифференциальным входом (дифференциальный каскад); 11, 12 - делитель отрицательной обратной связи дифференциального каскада; 13 - резистор; 14, 15 - делитель положительной обратной связи входного усилителя; 16 - разделительный конденсатор.

Пример реализации способа устройством фиг. 1 представляет собой усилитель тока 3, выход 4 которого соединен с пассивным частотнозависимым делителем 5, выход делителя 5 является выходом 8, 9 устройства. Вход 1, 2 устройства коррекции соединен непосредственно со входом усилителя 3. Пассивный частотнозависимый делитель 5 тока выполнен в виде параллельно соединенных резистора 6 и конденсатора 7, обеспечивающих заданную постоянную времени τ.
Пример реализации по схеме фиг. 2 отличается от фиг. 1 только тем, что в ней применена оригинальная схема частотнонезависимого усилителя 3 тока. Указанный усилитель 3 состоит из дифференциального каскада 10, охваченного отрицательной обратной связью с его выхода на инверсный вход (посредством делителя 11, 12), при этом между выходом дифференциального каскада 10 и выходом 4 усилителя 3 включен резистор 13, а между его прямым входом и входом 1 устройства коррекции включен резистор 15. Весь усилитель 3 охвачен положительной обратной связью с его выхода 4 на прямой вход дифференциального каскада (посредством делителя 14, 15). В цепь делителя включен разделительный конденсатор 16. Остальные элементы и соединения схемы фиг. 2 аналогичны фиг. 1.

Устройство фиг. 1 работает следующим образом.

Выходной сигнал со входа 1, 2 устройства усиливается и преобразуется усилителем 3 в выходной ток такой же формы. С выхода 4 усилителя 3 выходной ток поступает на пассивный частотнозависимый делитель 5, состоящий из параллельно соединенных резистора 6 и конденсатора 7. Выходной ток усилителя 3, заряжая конденсатор 7, образует на нем выходное напряжение устройства, при этом при уменьшении входного сигнала и соответственно выходного тока усилителя 3 тока выход последнего заперт для разрядного тока конденсатора 7, так как он является генератором тока - устройством с очень большим выходным сопротивлением. Разряд конденсатора 7 происходит только через резистор 6 (см. фиг. 1б) и нагрузку. Это исключает искажение формы сигнала в усилителе, вызываемые в прототипе разрядом конденсатора пассивного делителя 19 через выходную цепь питающего его усилителя. Кроме того, исключена перегрузка выхода 4 усилителя 3 по напряжению, т.к. величина этого напряжения определяется пассивным частотнозависимым делителем 5 тока, имеющим амплитудно-частотную характеристику, обратную характеристике корректируемого входного сигнала. Таким образом, входной усилитель 3 корректора имеет постоянную величину нагрузки выхода 4 по напряжению во всем рабочем диапазоне частот.

Схема фиг. 2 работает аналогично, но необходимо пояснить механизм функционирования его входного усилителя. Входной сигнал со входа 1, 2 возбуждает прямой вход дифференциального каскада 10 через резистор 15. Выходной ток с выхода каскада 10 через резистор 13 поступает на выход 4 усилителя и пассивный частотнозависимый делитель 5 тока. При этом отрицательная обратная связь по напряжению с выхода дифференциального каскада 10 на его инверсный вход стабилизирует коэффициент передачи каскада 10, а положительная обратная связь по напряжению с выхода 4 усилителя 3 (с пассивного частотнозависимого делителя 5) на прямой вход дифференциального каскада 10 (через делитель 14, 15) стабилизирует ток в нагрузке 5. Совместное действие отрицательной и положительной обратных связей обеспечивает независимость выходного тока усилителя 3 от импеданса пассивного делителя 5 (механизм этого процесса поясняется ниже). Следовательно, напряжение на пассивном делителе 5 (на выходе 8, 9 устройства) будет пропорционально импедансу пассивного делителя 5, что и требуется от корректора. Пассивный частотнозависимый делитель 5 возбуждается идеальным источником тока.

Действие отрицательной обратной связи обычное. Действие положительной обратной связи происходит по схеме

(при уменьшении импеданса пассивного делителя 5)

(при увеличении импеданса пассивного делителя 5).

Здесь: Z_K - импеданс пассивного частотнозависимого делителя 5;
U_вых, I_вых - напряжение и ток на выходе усилителя 3;
U_R13, U_Z - напряжение на резисторе 13 и цепи пассивного частотнозависимого делителя 5;
U_вхΣ - суммарный сигнал на прямом входе дифференциального каскада 10, состоящий из входного напряжения и напряжения положительной обратной связи, пропорционального напряжению на пассивном делителе U_Z.

В случае равенства глубины положительной и отрицательной обратной связи ток в нагрузке практически не зависит от ее импеданса, т.е. реализуется режим идеального преобразователя: выходное напряжение - выходной ток. Как было показано выше, именно такой режим является наилучшим для питания пассивного частотнозависимого делителя 5 с точки зрения точности соответствия ее коэффициента передачи расчетным постоянным времени. Выбор величины резистора 13 больше 1/10 импеданса делителя 5 увеличивает потери сигнала на нем, а меньше 1/100 снижает эффективность стабилизации тока. Поскольку величина резистора 13, по крайней мере, на порядок меньше импеданса пассивного делителя 5, на нем почти не происходит потерь регулируемого сигнала, свойственных аналогам и прототипу (в прототипе этот резистор на порядок больше Z). В этом первое преимущество заявленного корректора - существенное расширения динамического диапазона. Другим преимуществом заявляемого устройства коррекции является отсутствие специфических искажений формы сигнала, вызываемых саморазрядом конденсаторов и током самоиндукции индуктивностей через выходную цепь усилителя 3. В устройстве фиг. 1 эти процессы не происходят из-за бесконечности выходного сопротивления усилителя 3. В заявляемом корректоре в отличие от аналогов и прототипа присутствуют только вынужденные колебания, вызванные входным сигналом и точно повторяющие его форму.

Анализ патентных, рекламных и научно-технических материалов показал, что аналогичные технические решения в устройствах коррекции неизвестны, что подтверждает критерий "новизна".

Отличительные признаки способа - преобразование входного напряжения в выходной ток и деление выходного сигнала по току и устройства - применение в качестве входного усилителя усилителя тока, в качестве пассивного частотнозависимого делителя делителя тока, выполнение входного усилителя в виде усилителя с одинаковыми по глубине отрицательной по напряжению и положительной по напряжению обратными связями, точки подключения которых по выходу усилителя 3 разделены резистором, причем отрицательная охватывает инверсный вход усилителя, а положительная - прямой, - в известных нам устройствах коррекции и смежных областях не применялись. Полученный от использования отличительных признаков эффект - расширение динамического диапазона и снижение искажений корректора не очевидны для специалиста (без приведенных нами выше объяснений). Этот факт подтверждает соответствие заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

Что касается критерия "промышленная применимость", то из приведенного примера реализации очевидно, что в устройстве нет элементов, выполнение которых не могло быть осуществлено давно и широко освоенными промышленностью средствами.

Промышленно-экспериментальная проверка подтвердила получение ожидаемых результатов. В частности, сравнивались параметры лучших зарубежных пассивных корректоров с предложенным. В частности, сравнение корректирующего усилителя фирмы PS Audio (модель BS11) с заявляемым (по ГОСТ 23849-87) дало результаты, приведенные в таблице.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в звуковоспроизводящих устройствах. Сущность способа коррекции частотной характеристики тракта звуковоспроизведения заключается в том, что в процессе усиления входное напряжение преобразуют в выходной ток, а пассивное частотнонезависимое деление усиленного сигнала производят по току. Технический результат заключается в снижении искажений и расширении динамического диапазона. 2 ил. ,1 табл.

Способ коррекции частотной характеристики тракта звуковоспроизведения, включающий частотнонезависимое усиление входного сигнала и частотнозависимое с заданной постоянной времени пассивное деление усиленного сигнала, отличающийся тем, что в процессе усиления сигнала преобразуют входное напряжение в выходной ток, а деление усиленного сигнала производят по току.