ГРАФИЧЕСКИЙ ЭКВАЛАЙЗЕР НА ОСНОВЕ МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
GRAPHIC EQUALIZER BASED ON MULTI-DIFFERENTIAL OPERATIONAL AMPLIFIERS

Изобретение относится к области радиотехники и аудиотехники, и может использоваться, например, в качестве эквалайзера различных звуковоспроизводящих систем [1-5].
Графические эквалайзеры широко используются в современной звуковоспроизводящей аппаратуре [6-13] и применяются для усиления или ослабления участка спектра сигнала на заданной частоте настройки. В этот класс попадают устройства, компенсирующие частотно-зависимые искажения сигнала, то есть выравнивающие амплитудно-частотные (АЧХ) и фазо-частотные характеристики (ФЧХ).
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является универсальный фильтр в режиме эквалайзера, представленный в патенте RU 2702496 («Универсальный активный RC-фильтр на основе мультидифференциальных операционных усилителей», МПК H03H 11/00, 2019 г.). Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй 4 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий 5 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый 6 частотозадающий конденсатор, включённый между инвертирующим входом второго порта  третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя и общей шиной источников питания, второй 7 частотозадающий конденсатор, усилитель напряжения 8, первый 9 частотозадающий резистор, включённый между выходом второго 4 мультидифференциального операционного усилителя и инвертирующим входом второго порта  третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя, второй 10, третий 11 и четвертый 12 частотозадающие резисторы, выход третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя подключен к его инвертирующему входу первого порта, инвертирующий вход второго порта  первого 3 мультидифференциального операционного усилителя соединён с общей шиной источников питания, выход второго 4 мультидифференциального операционного усилителя подключен к его инвертирующему входу первого порта, инвертирующий вход второго порта  третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом первого порта второго 4 мультидифференциального операционного усилителя.
Существенный недостаток известного фильтра состоит в том, что в нём не реализуется широкодиапазонная регулировка АЧХ и ФЧХ одним пассивным элементов.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании графического эквалайзера, обеспечивающего возможность регулировки АЧХ и ФЧХ аудиосистем в широком диапазоне.
Поставленная задача решается тем, что в универсальном фильтре (фиг.1), содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй 4 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий 5 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый 6 частотозадающий конденсатор, включённый между инвертирующим входом второго порта  третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя и общей шиной источников питания, второй 7 частотозадающий конденсатор, усилитель напряжения 8, первый 9 частотозадающий резистор, включённый между выходом второго 4 мультидифференциального операционного усилителя и инвертирующим входом второго порта  третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя, второй 10, третий 11 и четвертый 12 частотозадающие резисторы, выход третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя подключен к его инвертирующему входу первого порта, инвертирующий вход второго порта  первого 3 мультидифференциального операционного усилителя соединён с общей шиной источников питания, выход второго 4 мультидифференциального операционного усилителя подключен к его инвертирующему входу первого порта, инвертирующий вход второго порта  третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом первого порта второго 4 мультидифференциального операционного усилителя, предусмотрены новые элементы и связи – выход первого 3 мультидифференциального операционного усилителя соединён с его инвертирующим входом первого порта и выходом 2 устройства, а также связан со входом усилителя напряжения 8 через второй 10 частотозадающий резистор, третий 11 частотозадающий резистор включен между входом повторителя напряжения 8 и общей шиной источников питания, выход усилителя напряжения 8 соединён с неинвертирующим входом второго порта второго 4 мультидифференциального операционного усилителя, выход третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя связан с его неинвертирующим входом первого порта через четвертый 12 частотозадающий резистор, неинвертирующий вход второго порта третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя соединён с общей шиной источников питания, неинвертирующий вход второго порта первого 3 мультидифференциального операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго порта  третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя, выход 1 устройства подключен к неинвертирующему входу первого порта 3 мультидифференциального операционного усилителя и связан с ненвертирующим входом второго порта второго 4 мультидифференциального операционного усилителя и ненвертирующим входом первого порта третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя через второй 7 частотозадающий конденсатор.
На чертеже фиг. 1 показана схема прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого графического эквалайзера на основе мультидифференциальных операционных усилителей, соответствующая формуле изобретения.
На чертеже фиг. 3 показаны обозначения входных портов в используемых мульдифференциальных операционных усилителях.
На чертеже фиг. 4 приведены АЧХ заявляемой схемы эквалайзера   фиг. 2, полученные в среде Micro-Cap.
Графический эквалайзер на основе мультидифференциальных операционных усилителей (фиг.2), содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй 4 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий 5 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый 6 частотозадающий конденсатор, включённый между инвертирующим входом второго порта  третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя и общей шиной источников питания, второй 7 частотозадающий конденсатор, усилитель напряжения 8, первый 9 частотозадающий резистор, включённый между выходом второго 4 мультидифференциального операционного усилителя и инвертирующим входом второго порта третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя, второй 10, третий 11 и четвертый 12 частотозадающие резисторы, выход третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя подключен к его инвертирующему входу первого порта, инвертирующий вход второго порта первого 3 мультидифференциального операционного усилителя соединён с общей шиной источников питания, выход второго 4 мультидифференциального операционного усилителя подключен к его инвертирующему входу первого порта, инвертирующий вход второго порта третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом первого порта второго 4 мультидифференциального операционного усилителя. Выход первого 3 мультидифференциального операционного усилителя соединён с его инвертирующим входом первого порта и выходом 2 устройства, а также связан со входом усилителя напряжения 8 через второй 10 частотозадающий резистор, третий 11 частотозадающий резистор включен между входом повторителя напряжения 8 и общей шиной источников питания, выход повторителя напряжения 8 соединён с неинвертирующим входом второго порта второго 4 мультидифференциального операционного усилителя, выход третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя связан с его неинвертирующим входом первого порта через четвертый 12 частотозадающий резистор, неинвертирующий вход второго порта третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя соединён с общей шиной источников питания, неинвертирующий вход второго порта первого 3 мультидифференциального операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго порта третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя, выход 1 устройства подключен к неинвертирующему входу первого порта 3 мультидифференциального операционного усилителя и связан с ненвертирующим входом второго порта второго 4 мультидифференциального операционного усилителя и ненвертирующим входом первого порта третьего 5 мультидифференциального операционного усилителя через второй 7 частотозадающий конденсатор.
В схеме фиг. 2 источник напряжения 13 является источником входного сигнала.
Рассмотрим работу предлагаемой схемы эквалайзера фиг.2, используя уравнения для его основных параметров, а также результаты компьютерного моделирования.
Обобщенная передаточная функция схемы фиг.2 описывается выражением
где  –  частоты нуля и полюса передаточной функции, затухание нуля и полюса передаточной функции,коэффициент передачи фильтра.
Введем обозначения:,, – сопротивления первого 9, второго 10, третьего 11 и четвертого 12 частотозадающих  резисторов,  – емкости первого 6, второго 7 частотозадающих конденсаторов соответственно. Как следствие, в предлагаемой схеме фиг.2, реализуется следующая передаточная функция со входа 1 устройства на его выход 2
(2)
где , .
Коэффициент передачи равен устройства на нулевой частоте и бесконечно большой равен единице:
.
Частота полюса
Подъем и спад АЧХ на частоте полюса зависит от выбора двух параметров –  и k
.
Анализ графиков фиг. 4 и формул (1-2) показывает, что заявляемая схема эквалайзера фиг. 2 обеспечивает возможность широкодиапазонной перестройки АЧХ и ФЧХ. При этом за счёт изменения сопротивления одного резистора R11 в диапазоне от 1..12кОм схема фиг.2 создаёт как усиление, так и ослабление входных сигналов в области частоты полюса. Такой режим необходим при построении различных аудиосистем [1-5].
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тепин В. П. Графические ARC-эквалайзеры // Известия ЮФУ. Технические науки. 1995. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/graficheskie-arc-ekvalayzery (дата обращения: 02.03.2020).
2. Куфлевский Е. И., Тепин В. П. Микроэлектронный графический эквалайзер // Известия ЮФУ. Технические науки. 1995. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/mikroelektronnyy-graficheskiy-ekvalayzer (дата обращения: 02.03.2020).
3. Основы эквализации: когда нужно усилить частоты, а когда ослабить URL: https://samesound.ru/p/mixing/97710-eq-basics-cut-n-boost
4. Что такое эквалайзер? URL: https://djbiography.ru/articles/chto-takoe-ekvalajzer
5. Патент RU 2483363, 2013 г.
6. V. Välimäki and J. Rämö, "Neurally Controlled Graphic Equalizer," in IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech, and Language Processing, vol. 27, no. 12, pp. 2140-2149, Dec. 2019. doi: 10.1109/TASLP.2019.2935809
7. Lee, Y.H., Kim, R.C.: A Variable-Q Digital Graphic Equalizer. Journal of Korea Broadcast Engineering 8, 3–10 (2003)
8. Lee Y., Kim R., Cho G., Choi S.J. (2005) An Adjusted-Q Digital Graphic Equalizer Employing Opposite Filters. In: Ho YS., Kim HJ. (eds) Advances in Multimedia Information Processing - PCM 2005. PCM 2005. Lecture Notes in Computer Science, vol 3768.
9. Liski, J. & Välimäki, V. The quest for the best graphic equalizer. in A. Torin, B Hamilton, S Bilbao & M Newton (eds), Proceedings of the 20th International Conference on Digital Audio Effects, Edinburgh , United Kingdom, 05/09/2017 . pp. 95-102.
10. J. Rämö, V. Välimäki, and B. Bank. High-Precision Parallel Graphic Equalizer. IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech and Language Processing, Vol. 22, No. 12, pp. 1894-1904, December 2014. DOI: 10.1109/TASLP.2014.2354241
11. 2-channel 5 Elements Graphic Equalizer IC URL: https://www.promelec.ru/pdf/CXA1352AS.pdf
12.  GRAPHIC EQUALIZER TOA 1000 series E-1231 http://faq1.toaelectronics.com/media/E-1231.pdf
13. Патент RU 2702496, 2019 г.