Вспомнить все. Отсекая лишнее-3. Имена и характеры

В прошлой главе серии мы в первом приближении познакомились со схемами пассивных фильтров. Правда, не совсем.

То есть очень даже не совсем. Дело в том, что схематика пассивных фильтров довольно разнообразна. Мы сразу открестились от фильтров с нормирующим резистором на входе, поскольку в акустике они почти не применяются, если, конечно, не считать тех случаев, когда головку (пищалку или среднечастотник) надо «осадить» ровно на 6 дБ. Почему на шесть? Потому что в таких фильтрах (они ещё называются двунагруженными) номинал входного резистора выбирается таким же, как импеданс нагрузки, скажем, 4 Ом, и в полосе пропускания такой фильтр будет давать аттенюацию на 6 дБ. К тому же двунагруженные фильтры бывают П-типа и Т-типа. Чтобы представить себе фильтр П-типа, достаточно отбросить первый элемент (Z1) на схеме обобщённого фильтра (рис. 20, №5/2009). Первый элемент такого фильтра включён в землю, и если входного резистора в схеме фильтра нет (однонагруженный фильтр), то этот элемент не создаёт фильтрующего эффекта, а лишь нагружает источник сигнала. (Попробуйте источник, то есть усилитель, включить на конденсатор в несколько сотен микрофарад, а потом напишите мне — успела у него сработать защита или нет. На всякий случай пишите до востребования, дающим такие советы адресами лучше не сорить.) Поэтому П-фильтры мы тоже не рассматриваем. Итого, как нетрудно представить, мы имеем дело с одной четвёртой из схемных реализаций пассивных фильтров.
Эллиптические фильтры стоят особняком, потому хотя бы, что у них лишний элемент и лишний корень полиномиального уравнения. Мало того, корни этого уравнения распределены в комплексной плоскости не по кругу (как у Баттерворта, скажем), а по эллипсу. Чтобы не оперировать понятиями, прояснять которые здесь, наверное, нет смысла, эллиптические фильтры мы будем называть (как и все прочие) по имени учёного, которые описал их свойства. Итак…

Схемы фильтров Кауэра

Известно по две схемные реализации фильтров Кауэра — для ФВЧ и ФНЧ (рис. 1).

Те, которые обозначены у меня нечётными номерами, называются стандартными, две другие — дуальными. Почему так, а не иначе? Может, потому, что в стандартных схемах дополнительным элементом является ёмкость, а дуальные схемы отличаются от обычного фильтра присутствием дополнительной индуктивности. Кстати говоря, далеко не всякая схема, полученная таким способом, является эллиптическим фильтром, если всё делать по науке, надо строго соблюдать соотношения между элементами.
Фильтр Кауэра имеет изрядное количество недостатков О них, как всегда, во вторую очередь, давайте мыслить позитивно. Ведь есть у Кауэра плюс, который в иных случаях способен всё перевесить. Такой фильтр обеспечивает глубокое подавление сигнала на частоте настройки резонансной цепи (L1-C3, L2-C4, L4-C5, L6-C8 на схемах 1 — 4). В частности, если требуется обеспечить фильтрацию вблизи частоты резонанса головки, то с такой задачей только фильтры Кауэра и справляются. Вручную считать их довольно хлопотно, однако в программах-симуляторах существуют, как правило, специальные разделы, посвящённые пассивным фильтрам. Правда, не факт, что там найдутся однонагруженные фильтры. Впрочем, по моему мнению, не будет большого вреда, если вы возьмёте схему фильтра Чебышёва или Баттерворта, а дополнительный элемент рассчитаете по частоте резонанса по известной формуле:

Обязательное условие: резонансная частота должна находиться вне полосы прозрачности фильтра, то есть для фильтра ВЧ — ниже частоты среза, для фильтра НЧ — выше частоты среза «исходного» фильтра. С практической точки зрения наибольший интерес представляют собой фильтры ВЧ этого типа — случается, что полосу среднечастотника или пищалки желательно ограничить как можно ниже, исключая, однако, её работу вблизи частоты резонанса головки. Для унификации я привожу схему фильтра ВЧ для любимой нами частоты 100 Гц (рис. 2).

Номиналы элементов выглядят несколько диковато (особенно ёмкость 2196 мкФ — частота резонанса 48 Гц), но как только вы перейдёте к более высоким частотам, то и номиналы изменятся обратно пропорционально квадрату частоты, то есть — быстро.

Типы фильтров, плюсы и минусы

Как уже было сказано, характеристики фильтров определяются неким полиномом (многочленом) соответствующего порядка. Поскольку в математике описано энное количество специальных категорий полиномов, то и типов фильтров может быть ровно столько же. Даже на самом деле ещё больше, поскольку в акустике тоже было принято давать некоторым категориям фильтров специальные названия. Коль скоро существуют полиномы Баттерворта, Лежандра, Гаусса, Чебышёва (совет: пишите и произносите фамилию Пафнутия Львовича через «ё», как это положено — это самый лёгкий способ показать основательность собственного образования), Бесселя и проч., то существуют и фильтры, носящие все эти фамилии. К тому же полиномы Бесселя изучали с перерывами чуть ли не сто лет, поэтому их самих, как и соответствующие фильтры, немец назовёт по имени своего соотечественника, а англичанин, скорее всего, вспомнит Томсона. Особая статья — фильтры Линквица. Их автор (живёхонький и бодрый) предложил некую категорию фильтров ВЧ и НЧ, сумма выходных напряжений которых давала бы ровную частотную зависимость. Дело вот в чём: если в точке раздела спад выходного напряжения каждого фильтра составляет 3 дБ, то по мощности (квадрату напряжения) суммарная характеристика будет прямолинейна, а по напряжению в точке сопряжения появится горб 3 дБ. Линквиц предложил сопрягать фильтры по уровню -6 дБ. В частности, фильтры Линквица второго порядка — это те же самые фильтры Баттерворта, только для фильтра ВЧ у них выбирается частота среза в 1,414 раза выше, чем для фильтра НЧ. (Частота сопряжения находится точно между ними, то есть в 1,189 раза выше, чем у ФНЧ Баттерворта с теми же номиналами.) Поэтому когда мне встречается усилитель, в котором перестраиваемые фильтры специфицируются как фильтры Линквица, я понимаю, что авторы разработки и составители спецификации не были друг с другом знакомы. Впрочем, вернёмся к событиям 25 — 30-летней давности. Во всеобщем торжестве фильтростроения поучаствовал и Рихард Смолл, который предложил фильтры Линквица объединить (для удобства, не иначе) с последовательными фильтрами, которые тоже обеспечивают ровную характеристику по напряжению, и назвать всё вместе фильтрами постоянного напряжения (constant voltage design). Это притом что ни тогда, ни, кажется, и теперь, толком не установлено, является ли предпочтительной ровная характеристика по напряжению или же по мощности. Один из авторов даже вычислил промежуточные полиномиальные коэффициенты, так что фильтры, соответствующие этим «компромиссным» полиномам, должны были дать в точке сопряжения 1,5-децибельный горб по напряжению и такой же величины провал по мощности. Одним из дополнительных требований к конструкциям фильтров являлось то, что фазочастотные характеристики фильтров НЧ и ВЧ должны быть либо идентичными, либо расходиться на 180 градусов — а значит, при перемене полярности включения одного из звеньев будет опять же получена идентичная фазовая характеристика. В результате, кроме всего прочего, удаётся минимизировать область перехлёста полос.
Возможно, что все эти игры разума оказались очень кстати в разработках многополосных компрессоров, экспандеров и иных процессорных систем. Вот только в акустике применить их, мягко говоря, затруднительно. Во-первых, складываются не напряжения, а звуковые давления, которые связаны с напряжением через хитрую фазочастотную характеристику (рис. 15, №5/2009), так что не только фазы у них могут произвольно различаться, но и крутизна фазовой зависимости наверняка будет разной (если только вам не пришло в голову разводить по полосам однотипные головки). Во-вторых, напряжение и мощность связаны со звуковым давлением и акустической мощностью через КПД головок, а они тоже не обязаны быть одинаковыми. Поэтому, как мне кажется, во главу угла надо ставить не сопряжение фильтров по полосам, а собственные характеристики фильтров.
Какие характеристики (с позиций акустики) определяют качество фильтров? Некоторые фильтры обеспечивают гладкую частотную характеристику в полосе прозрачности, у других же спад начинается задолго до достижения частоты среза, но и после неё крутизна спада медленно выходит на нужную величину, у третьих на подходе к частоте среза наблюдается горб («зубец»), после которого начинается резкий спад с крутизной даже несколько выше «номинала». С этих позиций качество фильтров характеризуется «гладкостью АЧХ» и «избирательностью». Перепад фаз для фильтра данного порядка величина фиксированная (об этом было в прошлом выпуске), но изменение фазы может быть либо постепенным, либо быстрым, сопровождающимся значительным ростом группового времени задержки. Это свойство фильтра характеризуется гладкостью фазы. Ну и качество переходного процесса, то есть реакция на ступенчатое воздействие (Step Response). Фильтр НЧ переход с уровня на уровень отрабатывает (правда, с задержкой), но процесс перехода может сопровождаться выбросом и колебательным процессом. У фильтра ВЧ реакция на ступеньку — это всегда острый пик (без задержки) с возвратом к нулевой постоянной составляющей, но переброс через ноль и последующие колебания похожи на то, что можно увидеть у фильтра НЧ того же типа.
На мой взгляд (моё мнение может быть небесспорным, желающие спорить могут вступить в переписку, даже не до востребования), для акустических целей вполне достаточно фильтров трёх типов: Баттерворта, Бесселя и Чебышёва, тем более что последний тип на самом деле объединяет целую группу фильтров с разной магнитудой «зубцов». По части гладкости АЧХ в полосе прозрачности вне конкуренции фильтры Баттерворта — их частотную характеристику так и называют характеристикой наибольшей гладкости. А дальше, если взять ряд Бессель — Баттерворт — Чебышёв, то в этом ряду идёт возрастание избирательности с одновременным убыванием гладкости фазы и качества переходного процесса (рис. 3, 4).
Хорошо видно, что частотная характеристика у Бесселя самая плавная, у Чебышёва — самая «решительная». Фазочастотная характеристика у фильтра Бесселя тоже самая плавная, у Чебышёва — самая «угловатая». Для общности привожу ещё характеристики фильтра Кауэра, схема которого была показана чуть выше (рис. 5).
Обратите внимание на то, как в точке резонанса (48 Гц, как и обещал) фаза скачком меняется на 180 градусов. Конечно, на этой частоте подавление сигнала должно быть наивысшим. Но в любом случае понятия «плавность фазы» и «фильтр Кауэра» никак не совмещаются.
Теперь посмотрим, как выглядит переходная характеристика фильтров четырёх типов (все — фильтры НЧ на частоту среза 100 Гц) (рис. 6).
Фильтр Бесселя, как и все прочие, имеет третий порядок, но у него практически нет выброса. Наибольшая величина выбросов у Чебышёва и Кауэра, причём у последнего колебательный процесс имеет большую протяжённость. Величина выброса растёт с ростом порядка фильтра и, соответственно, падает по мере его снижения. Для иллюстрации привожу переходные характеристики фильтров второго порядка Батерворта и Чебышёва (с Бесселем проблем не возникает) (рис. 7).
Кроме того, мне попалась табличка зависимости величины переброса от порядка фильтра Баттерворта, которую я тоже решил привести (таб. 1).
Это одна из причин, по которым вряд ли стоит увлекаться фильтрами Баттерворта порядка выше четвёртого и Чебышёва — выше третьего, как, впрочем, и фильтрами Кауэра. Отличительная особенность последнего — крайне высокая чувствительность к разбросу параметров элементов. По моему опыту, точность подбора деталей в процентах можно определить как 5/n, где n — порядок фильтра. То есть, работая с фильтром четвёртого порядка, вы должны быть готовы к тому, что номинал деталей придётся подбирать с точностью 1% (для Кауэра — 0,25%!).
И вот теперь настала пора перейти к выбору деталей. Электролитов, конечно, следует избегать из-за их нестабильности, хотя, если счёт емкостей идёт на сотни микрофарад, иного выхода нет. Ёмкости, конечно, придётся подбирать и набирать из нескольких конденсаторов. При желании можно найти электролиты с малыми утечками, малым сопротивлением выводов и реальным разбросом ёмкости не хуже +20/-0%. Катушки, понятно, лучше «бессердечные», если без сердечника никак, я предпочитаю ферриты.
Для подбора номиналов предлагаю воспользоваться следующей таблицей. Все фильтры рассчитаны на частоту среза 100 Гц (-3 дБ) и номинал нагрузки 4 Ом. Чтобы получить значения номиналов для вашего проекта, надо каждый из элементов пересчитать по нехитрым формулам:

A = At Zs 100/(4*Fc) (3.2),

где At — это соответствующее табличное значение, Zs — номинальный импеданс динамической головки, а Fc, как всегда — расчётная частота среза. Внимание: номиналы индуктивностей приведены в миллигенри (а не в генри), номиналы емкостей — в микрофарадах (а не в фарадах). Наукообразия меньше, удобства — больше (таб. 2).

Впереди у нас ещё одна интересная тема — частотная коррекция в пассивных фильтрах, но её мы рассмотрим на следующем занятии.

Источник: журнал Автозвук, 07/2009. Юрий Евтушенко