Fase de cambio y su importancia en amplificadores de audio

Question

Acabo de empezar a construir un amplificador de clase D de bajos (20-200Hz) y ya me encontré con algunos problemas.

La fuente de audio es una radio de coche con una señal de 1V p-p. Primero paso esa señal a través de un filtro paso banda con frecuencias de esquina aproximadas de 20Hz y 200Hz. Así es como se ve en LTspice:

Los tres amplificadores operacionales superiores están configurados como filtros activos paso alto y los tres inferiores como filtros activos paso bajo. La respuesta en frecuencia del circuito se ve bien, pero hay un desfase de -100 a -1300°. Me pregunto cuál es la importancia del desfase en este tipo de amplificadores. ¿Puedo simplemente ignorarlo o debo compensarlo? ¿Cómo podría compensar el desfase?

Tenga en cuenta que estoy construyendo esto con propósitos de aprendizaje y la salida no tiene que ser/no será realmente limpia ni nada por el estilo. Pero me gustaría que "suene" razonablemente bien, ¿el desfase causará distorsiones o algo así?

EDICIÓN:

En el rango de 9Hz a 500Hz, sus niveles de atenuación son de aproximadamente 30dB.

EDICIÓN2:

En el rango de 100Hz a 500Hz, acercado al nivel de atenuación de 0dB a -30dB.

EDICIÓN3:

Esta es una imagen del retardo de grupo trazado frente a la frecuencia.

Answer 1

Tienes 800 grados fuera de fase incluso a 100Hz donde tu amplitud está en 0 db. Esto va a causar distorsión relativa entre diferentes frecuencias de la música que reproduces porque tus frecuencias más altas pasarán por un filtro diferente con probablemente menos desfase. La distorsión puede ser menos perceptible porque está en el espectro bajo. Solo debería distorsionar moderadamente tu música. Si fueras un audiófilo tratando de hacer un sistema de sonido realmente bueno, entonces esta no sería la forma de hacerlo, de lo contrario, es probable que funcione bien.

Si quieres eliminar la gran cantidad de desfase, querrás encontrar diferentes topologías de filtros que no requieran encadenar 6 en serie, aumentando cada vez tu retraso total de fase. Puedes investigar la topología del filtro biquad: http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_filter_topology#Biquad_filter

El diseño de filtros se trata de compensaciones entre amplitud, atenuación, desfase y complejidad del diseño.

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EDICIÓN: Después de investigar más sobre resultados experimentales y aunque no lleguen a 100 Hz aquí, dudo que puedas manejar la cantidad de retraso que estás añadiendo. Investigación experimental

Tienes 20ms de retraso (800/360*1/100=22ms) y eso es significativamente mayor que los umbrales hablados en el artículo. Además, si tienes música a 180bpm, eso son 3 tiempos por segundo, y terminarás con un retraso que es 1/15 del tiempo entre los tiempos. Ese es un retraso significativo que sería muy audible en mi opinión. Cambiaría el diseño si fuera tú y realmente fueras a construir y usar esto.

Brian recomienda una gran idea si utilizas un filtro de fase lineal, simplemente agregarás un retraso general a tu señal en lugar de retrasar algunas frecuencias más o menos que otras.

Una buena forma de hacer esto sería agregar el filtro de paso alto como un filtro de fase lineal, y luego usar un filtro de paso bajo de esta señal para los graves, así como usar la misma señal para los filtros de paso de banda medio y superior. De esta manera, si tu filtro de paso alto original es de fase lineal, todos tendrán el mismo retardo de grupo, y solo estarás añadiendo retrasos marginales de los otros filtros.

Esta es una representación en diagrama de bloques de eso:

simula este circuito – Esquema creado usando CircuitLab
El primer filtro de paso alto necesita ser de fase lineal y es el que protege tus woofers de demasiada amplitud en el extremo bajo. El resto de los filtros están diseñados únicamente para la etapa de salida individual. Esto reduce a la mitad aproximadamente el retraso de fase potencial entre tus señales, logrando aun así los resultados deseados.

Answer 2

El principal problema con los cambios de fase es cuando la misma señal llega al oyente a través de dos rutas de señal diferentes, y hay un cambio de fase diferente en cada una. En ese caso, si hay un cambio de fase de 180 grados entre las dos señales, (y tienen la misma amplitud) se cancelan, y la señal (a esa frecuencia) desaparece.

Esto ciertamente puede ser audible, y puede valer la pena retrasar la señal anterior con un cambiador de fase para mantenerlas en fase.

A menudo es más útil calcular los cambios de fase en términos de retardos de grupo: por ejemplo, un cambio de fase de 360 grados en una señal de 200Hz es de 5 ms (1 ciclo completo) y un cambio de fase de 1080 grados sería de 15ms. Ahora considere la velocidad del sonido: alrededor de 1000 pies por segundo, por lo que una forma de retrasar la otra señal es mover su altavoz hacia atrás ... ¡15 pies! Probablemente no sea práctico, pero a menudo se hace para unidades de alta frecuencia donde se requiere un retraso de grupo (por ejemplo) de 0.1 ms (3cm).

Otro aspecto de la visualización del cambio de fase como retraso de grupo es que es independiente de la frecuencia: considere que 100 grados a 20Hz y 1000 grados a 200Hz son un retraso de grupo idéntico.

También observe la advertencia sobre la misma amplitud anterior: si dos señales de 200Hz llegan con 180 grados de diferencia, pero una es 10dB más baja en amplitud (lleva el 10% de la potencia), se produce una cancelación, pero la suma tiene el 90% de la potencia total, lo que provoca un cambio de 1dB en amplitud: pocos oyentes lo notarán. Por encima de 10dB de atenuación, se vuelve menos importante preocuparse por el cambio de fase.

EDIT: De hecho, tienes retrasos masivos en tu banda de paso, no solo más allá de tu punto de -10dB, lo que equivale a aproximadamente 2 ciclos completos a 60Hz, y como comenta Horta, esto podría ser claramente audible en algunos entornos. Me gustaría ver eso representado como retraso de grupo vs frecuencia. Si es relativamente constante, consideraría retrasar el canal principal por la misma cantidad. (fácil si la fuente de señal es digital, no tan fácil si es una radio AM o FM analógica).

Alternativamente, comenzaría a buscar filtros de fase lineal: se ha realizado mucho trabajo en la coincidencia de la fase entre filtros de LPF y HPF (como Linkwitz-Riley para cruces de altavoces) que parecerían ser aplicables para tu caso. Si puedes usar estos hasta aproximadamente -15dB o -20dB de atenuación, puedes agregar con seguridad un filtro que haga lo que desees (Cauer, etc.) por encima de ese punto.

EDIT2: dividir los filtros parece ser una buena idea. Si aplicas el filtro HPF de 20Hz a toda la banda de audio, y su retraso de grupo es constante a 15ms en todo el espectro, eso equivale a presionar "Reproducir" 15ms después ... inaudible, y una situación muy diferente de retrasar parte del espectro.

Recomiendo construirlo con la flexibilidad de probar ambas configuraciones, y probar para ver si puedes escuchar la diferencia. Puedes hacerlo con amplificación normal si el amplificador de Clase D aún no está listo.

Answer 3

Una forma de hacer que la fase se comporte en un filtro de audio activo de 3 vías es alimentar la entrada de sonido en un filtro de paso alto (para el amplificador de tweeter) y también alimentar la entrada de sonido original en un filtro de paso bajo para el amplificador de woofer. La señal de medios se obtiene entonces por sustracción (en un amplificador operacional) tanto del filtro de paso alto como del filtro de paso bajo de la entrada de sonido original. Esto preserva las relaciones de fase entre los medios y tanto el woofer como el tweeter. La relación de fase entre el tweeter y el woofer es irrelevante ya que las dos bandas de frecuencia están muy separadas.