Merancang Limiter Untuk Amplifier Headphone

Saat menggunakan headphone - terutama monitor pribadi, pembatas audio (disebut juga pemotong) dapat membantu menjaga tingkat pendengaran yang aman. Tanpa pembatas, transien besar dalam sinyal audio dapat menghasilkan SPL berbahaya di headphone, meskipun volume rata-rata mungkin disetel pada tingkat yang dapat diterima.

Karena kebisingan ambien di atas panggung bisa jadi cukup tinggi, para pemain tergoda untuk terus meningkatkan volume monitor pribadi mereka untuk mendengarkan campuran tersebut. Pembatas dapat memastikan bahwa volume headphone tidak pernah melebihi ambang batas yang ditentukan sebelumnya.

Karena pembatas sebenarnya adalah bentuk khusus dari kompresor audio, sirkuit pembatas audio dapat sangat bervariasi dalam kompleksitas dari sepasang dioda hingga amplifier yang dikendalikan tegangan multi-tahap dengan pita frekuensi terpisah. Pembatas berbasis dioda bersifat instan, lebih sederhana dalam desain dan memiliki respons kenyaringan yang lebih akurat, tetapi mengalami distorsi di wilayah kliping.

Pembatas tipe VCA memiliki distorsi rendah, tetapi dapat menunjukkan efek pernapasan atau pemompaan dari kontrol penguatan yang buruk. Artikel ini mengambil catatan khusus dari prinsip-prinsip desain untuk pembatas berbasis dioda dan berbagai karakteristik kliping.

Sebuah dioda memiliki resistansi tak terbatas hingga tegangan yang melewatinya cukup tinggi untuk meneruskan biasnya (biasanya 0,7V untuk dioda silikon) di mana arus mengalir. Penurunan tegangan dioda tetap cukup konstan di seluruh rentang operasi, dan sifat inilah yang dieksploitasi dalam rangkaian pembatas berbasis dioda. Karena sinyal audio adalah AC, dua dioda bersama-sama dapat secara simetris memotong bagian positif dan negatif dari bentuk gelombang.

Gambar 1

Output dari pembatas keras memiliki tegangan maksimum yang merupakan tegangan bias maju dari dioda. Gambar 1 menunjukkan rangkaian diode limiter yang paling dasar, hard limiter. Desain mengasumsikan bahwa input akan melebihi 1V. Potensio pemangkas P disesuaikan untuk volume maksimum dari amplifier headphone. Karena kliping bisa tiba-tiba dan drastis, distorsi hard limiter dalam rentang kliping menjadi kasar (retak) dan terkadang digunakan untuk efek seperti fuzzbox. Dengan menurunkan resistor, hard limiter (dan soft limiter pada gambar 2) dapat menggerakkan beberapa headphone secara langsung.

Gambar 2

Pembatas keras dapat mencapai keluaran dengan karakteristik yang sedikit lebih dinamis dengan penambahan resistor untuk membentuk pembagi tegangan dengan R1. Pembatas lunak yang ditunjukkan pada gambar 2 masih memotong bentuk gelombang di atas tegangan bias maju, tetapi juga memungkinkan melalui jumlah (Vin - 0,7V)/10 dengan mengambil output di atas R2.

Grafik pada gambar 3 membandingkan respon dari kedua jenis limiter. Pembatas lunak adalah jenis kompresor dengan rasio kompresi yang ditentukan oleh R1 dan R2. Meningkatkan R2 akan menghasilkan suara yang lebih dinamis dengan mengorbankan kontrol level.

Gambar 3

Karakteristik yang keras dari hard limiter sebagian disebabkan oleh harmonik distorsi orde ganjil yang dihasilkan selama kliping. Jack Orman di Analog Music Zone telah menganalisis kliping dioda dan telah mendokumentasikan bahwa dioda germanium (seperti 1N34A) memiliki kualitas kliping yang lebih halus seperti tabung karena terdistorsi dengan harmonik yang lebih teratur, yang lebih enak didengar telinga manusia . Dioda Germanium memiliki tegangan bias maju sekitar 0,3V dan biasanya digunakan 3 per sisi.

Gambar 4

Sepasang LED meningkatkan dioda silikon atau germanium saat dijepit dengan harmonisa urutan genap yang lebih kuat. Orman percaya bahwa sepasang satu LED merah dan satu hijau akan terdengar lebih baik, karena ketidakcocokan akan menonjolkan distorsi urutan genap. Pembatas pada gambar 4 adalah desain aktif dengan gunting LED yang paralel dengan resistor umpan balik dari sebuah opamp. Batas kliping sekitar 1,9V, yang merupakan tegangan bias maju LED.

Gambar 5

Gambar 5 menunjukkan dua konfigurasi pembatas berdasarkan dioda zener. Sirkuit dalam klip 5a ketika input melebihi tegangan rusaknya satu zener dan tegangan bias maju dari yang lain. Pembatas kedua pada gambar 5b hanya membutuhkan satu dioda zener dan klip ketika input lebih besar dari tegangan tembus zener yang dikombinasikan dengan tegangan bias maju dari setiap pasangan dioda. Zener memiliki keuntungan karena lebih mudah dicocokkan untuk kliping simetris daripada jenis dioda lainnya pada rentang voltase yang luas.

Gambar 6

Rangkaian pembatas yang ditampilkan sejauh ini memiliki tingkat kliping tetap (dan disesuaikan dengan amplifier headphone yang berbeda melalui attenuator). Salah satu cara untuk memvariasikan tingkat kliping adalah dengan menerapkan tegangan bias ke sisi rangkaian dioda yang diarde secara normal.

Rangkaian pada gambar 6a memungkinkan penyesuaian manual bagian positif dan negatif dari bentuk gelombang secara terpisah. Pemotong variabel pada gambar 6b menempatkan sinyal audio melalui penguat pembalik, yang keluarannya terhubung ke bagian bawah susunan zener. Klip pembatas ketika sinyal audio melebihi |(Vf + Vz) / (1 + (R2 * R5 / R3 * Rx))|, di mana Vf adalah tegangan bias maju dari zener dan Vz adalah tegangan rusaknya. R5 menyesuaikan umpan balik dari amp pembalik dan dengan demikian tingkat kliping.

Gambar 7

Pembatas broadband bekerja di seluruh rentang frekuensi. Ada kalanya kliping harus bergantung pada frekuensi. Misalnya, jika sinyal audio dicampur dengan noise, pemotongan frekuensi tinggi dapat menghasilkan suara yang lebih halus dan lebih jelas.

Rangkaian pada gambar 7 adalah salah satu contoh pembatas bandwidth yang dibatasi. Tingkat kliping frekuensi rendah dari diode array dimodulasi oleh output dari filter low pass, sehingga hanya frekuensi tinggi yang terpengaruh.

Gambar 8

Cara lain untuk mengonfigurasi pembatas yang bergantung pada frekuensi adalah terlebih dahulu menekankan sinyal audio sebelum tahap kliping. Kompresor pita analog oleh LXH2 pada gambar 8 mensimulasikan distorsi kliping frekuensi tinggi dalam perekam pita analog (berguna dalam perekaman digital) dengan menerapkan pra-penekanan 70 mikrodetik (frekuensi tinggi di atas 2,4 kHz) di jaringan tahap pertama.

Setelah tahap kliping, sinyal tidak ditekankan di jaringan lain dengan frekuensi sudut yang sama. Array dioda adalah campuran dioda silikon dan germanium untuk mencapai karakteristik kliping yang diinginkan.

Gambar 9

Ketika sinyal audio dipotong, pembatas akan menghasilkan distorsi harmonik dan intermodulasi di atas dan di bawah frekuensi kliping. Pembatas multiband (gambar 9) meminimalkan komponen distorsi ini dengan membagi sinyal audio menjadi pita frekuensi yang telah ditentukan sebelumnya, masing-masing dengan tahap klipingnya sendiri. Output dari setiap tahap kliping kemudian disaring untuk distorsi di luar pita sebelum semua pita digabungkan kembali menjadi bentuk gelombang tunggal.

Dalam praktiknya, multiband limiter sulit diimplementasikan. Karena berbagai filter dari urutan yang berbeda akan mengubah fase sinyal di setiap pita, respons keseluruhan dari pembatas multiband mungkin tidak rata dan terdengar tidak alami.

Beberapa teknik dapat meningkatkan kinerja pembatas multiband. Pertama, band dapat dipilih sesuai dengan kurva masking psychoacoustic yang membantu menyembunyikan distorsi. Kedua, kompresor dapat dimasukkan sebelum tahap kliping untuk mengontrol derajat kliping. Detektor distorsi dapat mengontrol jumlah kompresi. Ketiga, filter all-pass dapat ditaburkan untuk menyelaraskan respons fase pita.

Gambar 10

Rata-rata, frekuensi bass dalam sinyal audio biasanya memiliki amplitudo tertinggi. Ketika sinyal frekuensi rendah dengan amplitudo yang cukup melewati limiter, frekuensi tinggi juga "terjepit". Desain pada gambar 10 adalah clipper multiband yang mengkhususkan diri dalam meminimalkan distorsi harmonik dan intermodulasi karena kliping frekuensi rendah saja.

Filter high dan low pass membagi sinyal audio dengan frekuensi rendah melalui clipper variabel yang dikendalikan oleh detektor distorsi intermodulasi. Filter low pass kedua setelah clipper variabel menghilangkan harmonik apa pun yang disebabkan oleh kliping sebelum menjumlahkan output dengan pita frekuensi tinggi.

Detektor IM memperkirakan jumlah pemotongan frekuensi tinggi dalam pemotong tetap yang dihasilkan dari pemotongan frekuensi rendah, dan secara bersamaan menurunkan ambang batas dalam pemotong variabel untuk mengurangi amplitudo frekuensi rendah.

Diferensier memulihkan puncak frekuensi tinggi, yang menentukan tingkat kliping dalam pembatas variabel. Pendeteksi puncak memungkinkan pendeteksi IM hanya bila ada frekuensi bass puncak.

Gambar 11

Dengan limiter apapun, jika sinyal audio dikondisikan dengan pre-emphasis frekuensi tinggi (lihat kompresor pita analog di atas), maka de-emphasis akan mengurangi komponen distorsi frekuensi tinggi akibat clipping. Rangkaian pada gambar 11 membatalkan distorsi frekuensi rendah. Sinyal audio sebelum dan sesudah kliping dibandingkan dalam penguat diferensial dan keluarannya dimasukkan melalui filter low pass untuk mengekstraksi distorsi frekuensi rendah.

Karena output dari filter low-pass adalah pergeseran fasa, sinyal yang terpotong ditunda melalui filter all-pass (dengan asumsi low-pass fase minimum) untuk mengkompensasi dan kemudian dibedakan dengan output dari filter low-pass. Dalam limiter multiband, output dari setiap band mungkin memiliki rangkaian pembatalan distorsi sendiri.

Referensi :

Burger, John Robert, "A Voice-Balancing Audio Peak Clipper," QST, July 1998, p. 45.

Chandler Jr., James, "Simple Projects," Electronic Musician, January 1990, p. 24.

Fukushima, Isao, "Limiter Circuit For Removing Noise From Demodulated Signals," U.S. Patent No. 4,256,975, March 17, 1981.

Orban, Robert, "Apparatus and Method for Peak-Limiting Audio Frequency Signals," U.S. Patent No. 4,208,548, June 17, 1980.

Orban, Robert, "Multiband Signal Processor," U.S. Patent No. 4,412,100, Oct. 25, 1983.

Schlesinger, Eugene, "Circuit Having Adjustable Clipping Level," U.S. Patent No. 4,138,612, Feb. 6, 1979.

Werrbach, Donn R., "Split-Band Limiter," U.S. Patent No. 5,737,432, April 7, 1998.