Filtr częstotliwości podakustycznych „subsonic”

Filtr ma szczególne znaczenie zwłaszcza w torze gramofonowym, w którym istnieje wysokie prawdopodobieństwo pojawienia się przebiegów o niskich częstotliwościach. Winę za taki stan rzeczy może ponosić nośnik z pofalowaną krawędzią i brakiem centryczności czy rezonujący układ wkładki i ramienia gramofonu, a nawet drgania zewnętrzne pochodzące z otoczenia, które tłumione są słabo (lub wręcz wcale) przez obudowę i zawieszenie gramofonu.

Schemat filtra częstotliwości podakustycznych pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat  filtra „subsonic”

Sygnał wejściowy z gniazda IN doprowadzony zostaje do dwustopniowego filtra górnoprzepustowego Butterwortha. Kaskadowe połączenie filtrów drugiego rzędu pozwala na znaczące zwiększenie skuteczności filtracji (do 2×12 dB/oktawę), przy ograniczeniu wpływu na zakres częstotliwości użytecznych. W celu minimalizacji przesłuchów stereo każdy kanał używa niezależnego, nowoczesnego, szybkiego i niskoszumowego wzmacniacza operacyjnego U1L/R typu OPA1656. Filtry górnoprzepustowe korzystają z topologii Sallena-Keya ze wzmocnieniem jednostkowym. Dobór elementów – zamiast drogą żmudnych obliczeń – został przeprowadzony za pomocą symulatora filtrów Analog Filter Wizard (https://tools.analog.com/en/filterwizard/). W materiałach dodatkowych załączono przykładowe projekty dla częstotliwości 5...20 Hz, które można zoptymalizować na potrzeby własnego zastosowania. W układzie filtra założono stałą, typową i łatwo dostępną wartość pojemności kondensatorów C1/2LR, C5/6LR=470 nF i zmienianą w zależności od częstotliwości wartość rezystorów R1/2LR, R3/4LR. Wartości rezystorów stanowią kompromis pomiędzy impedancją wejściową filtra a poziomem szumów. Minimalna impedancja wejściowa filtra wynosi ok. 20 kΩ, co nie stanowi problemu dla dzisiejszych przedwzmacniaczy gramofonowych lub wyjść sygnału audio. Problematyczne mogą być tylko przedwzmacniacze lampowe o wyższych wartościach impedancji wyjściowej, w takim przypadku warto zastosować dodatkowy bufor.

W zależności od doboru elementów można uzyskać różne częstotliwości odcięcia. Przykładowe wartości elementów dla kilku typowych częstotliwości filtracji zebrano w tabeli 1.

Sygnał po filtracji wyprowadzony jest na gniazdo OUT. Filtr wymaga symetrycznego, niskoszumowego zasilania ±15 V/100 mA doprowadzonego do gniazda PWR.

Układ zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej, rozmieszczenie elementów pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Rozmieszczenie elementów

Sposób montażu jest klasyczny i nie wymaga opisu. Przed wlutowaniem kondensatorów należy dobrać (przy użyciu miernika pojemności) elementy o wartości możliwie najbardziej zbliżonej do 470 nF oraz zapewnić minimalny rozrzut wartości pomiędzy kanałami. W modelu dokładne wartości wybrano spośród kondensatorów o tolerancji 5%, niestety konieczny był zakup ich większej liczby. Dodatkowo – by uzyskać możliwie najniższy poziom szumów – zastosowano metalizowane rezystory niskoszumowe o tolerancji 1% SMA/MMA0204.

Zmontowany moduł zaprezentowano na fotografii tytułowej.

Rysunek 3. Przykładowa zmierzona charakterystyka filtru

Układ nie wymaga uruchamiania, działa natychmiast po zlutowaniu (przy założeniu, że wszystkie elementy są sprawne) i włączeniu zasilania. W zależności od zastosowania, filtr umieszczamy po przedwzmacniaczu gramofonowym lub na wejściu subwoofera. Istnieją różne podejścia do kwestii wyłączania filtra; ja jestem zwolennikiem włączenia go w tor audio na stałe, bez dodatkowych przełączników by-pass. Wprowadzony uszczerbek w jakości dźwięku okazuje się znacznie mniej dokuczliwy niż modulacja membran głośników niskimi częstotliwościami lub uszkodzenie przeciążonego mechanicznie głośnika drogiego subwoofera. Filtr można też zmontować w wersji monofonicznej, ale z elementami dobranymi dla różnych częstotliwości filtracji, np. 5/12 Hz i przełączać je w zależności od potrzeb. Przykładowy pomiar charakterystyki filtru wykonany za pomocą urządzenia Analog Discovery3 ukazano na rysunku 3.

Adam Tatuś, EP