Проблемы передачи линейного сигнала в автомобиле.

[SOVA]

По своей работе я постоянно сталкиваюсь с проблемами качественной передачи сигнала в автомобиле от головного устройства к усилителю. Причём в современных автомобилях при модернизации аудиосистем всё чаще приходится оставлять штатное головное устройство. Производители интегрируют в головное устройство и управление кондиционером, и сообщения бортового компьютера, а телефон… Насыщенная электроникой бортовая проводка предъявляет всё более жёсткие требования к защите линейного сигнала от шумов и наводок. О некоторых факторах, влияющих на наводки в линейном кабеле, и о борьбе с ними я и расскажу.
Наводки на линейный кабель могут быть трёх типов:

Параллельные (рис.1) – из-за емкостной связи между проводником источника помех и сигнальным проводом линейного кабеля. Такие наводки идентичны источнику тока, параллельному источнику полезного сигнала. Легко убираются экранированием кабеля.

Последовательные (рис.2) – из-за индуктивной связи между током в проводнике источника помех и током в массовом проводнике (оплётке кабеля). Такие наводки идентичны источнику напряжения, включённому последовательно в массовую цепь линейного сигнала. Экранирование кабеля ситуацию не спасает, так как наводки появляются в самой оплётке кабеля. Однако, кабель с двойным экраном и витая пара в экране (при заземлении внешнего экрана только с одной стороны) решают эту проблему. Также поможет выбор места прокладки линейного кабеля подальше от силовых проводов автомобиля.

Земляные (рис.3) – из-за разного потенциала корпуса автомобиля в точках подключения источника и приемника сигнала, так как по корпусу проходит ток минуса автомобильной однопроводной системы электропитания. Характер таких наводок идентичен последовательным наводкам с той разницей, что сигнал помех проходит не по оплётке кабеля, а по корпусу автомобиля. Борьба с такими наводками возможна только изменением схемотехники источника и приёмника сигналов.

Схемотехника линейного выхода головного устройства и линейного входа большинства усилителей показана на рис.4.

Головное устройство (ГУ) имеет линейный выход, заземлённый на корпус автомобиля в точке подключения питания ГУ. Линейный вход усилителя мощности (УМ) не заземлён на корпус автомобиля, так как питается от импульсного преобразователя. По идее, наводок в таком подключении быть не должно, так как здесь нет голого центрального проводника для параллельных наводок и замкнутой цепи для проявления последовательных наводок, а также нет цепи для проявления земляных наводок. Но именно в такой схеме наводки присутствуют почти всегда..
Приглядевшись внимательнее к схемотехнике усилителя, я обнаружил RC цепочку (R2C3) между общим проводом усилителя и минусовым проводом питания. Она необходима для правильной работы системы питания усилителя и для защиты от помех своего преобразователя. Но для входного сигнала эта цепочка, особенно на высоких частотах, и есть той цепью, по которой проходит помеха земляного типа.
Ещё на один источник помех никто никогда не обращал внимание. При подключении многоканального усилителя (например, четырехканального) двумя парами межблочных кабелей, каждая пара прокладывается отдельно. В обычной системе и ГУ, и УМ имеет одну «массу» для сигнального выхода/входа. Получается, что экраны межблочных кабелей разных пар соединены между собой и у ГУ, и у УМ, и образуют короткозамкнутый виток. На этот виток, как на антенну, прекрасно ловятся помехи последовательного типа
Бороться с такой помехой можно двумя способами. Использовать балансный вход, как на рис.5 (можно установить известную микросхему BA3121).

Или установить развязывающий трансформатор, как на рис.6.

Первый способ связан с переделкой усилителя и не всегда возможен конструктивно. Второй способ хорош, но качественные аудио трансформаторы найти практически нереально, а серийно выпускаемые «Ground loop isolator» имеют такое качество звука, что их можно использовать только в совсем нетребовательных инсталляциях.
Мне приходилось подключать к штатному головному устройству дополнительные усилители. Чаще всего их делают по простейшей схеме (рис.7).

Низкое напряжение сигнала на входе встроенной микросхемы УМ, высокое выходное сопротивление предыдущего каскада, отсутствие защиты от «земляных» наводок ни разу не давали положительных результатов. Установка обычного усилителя напряжения на операционном усилителе улучшает ситуацию, но наводки всё равно остаются. Балансный приёмник уменьшает наводки от ГУ до самого приемника, но его питание надо подключать внутри усилителя мощности. В противном случае возникают наводки между общим проводом балансного приемника и входом усилителя.
После ряда экспериментов и практической проверки я придумал схему «электронного трансформатора», который решает проблемы наводок практически в любой системе. Схема подключения блока на рис.8.

Технические параметры таковы:
- Количество каналов 4
- Незаземлённый балансный вход для каждой пары каналов
- Входное сопротивление 47 кОм
- Входное напряжение до 2 В эфф.
- Незаземлённый нансный выход для каждой пары каналов
- Выходное напряжение до 2 В эфф.
- Выходное сопротивление 50 Ом
- Коэффициент передачи 1 или 5 (заказывается)
- Коэффициент гармоник, 1В 1 кГц < 0,009%
- Питание 12 В
- Потребляемый ток 15 мА
- Размер блока 48 * 24 *4 мм
Такой блок легко подключается либо в разрыв линейного кабеля, либо встраивается внутрь штатного ГУ. Поскольку ни вход, ни выход блока не подключены к массе, и входы/выходы не соединены между собой, то не возникает проблем с наводками последовательного и земляного типа, и с наводками от прокладки двух кабелей к одному усилителю. Блок линейного выхода построен на СМД элементах с точностью резисторов не хуже 1% и качественных операционных усилителях NJM4580. Такие же ОУ применяются, например, в усилителях Audison VRx.
Блок выпускается в двух вариантах:
1) Для подключения внутрь штатного ГУ. Имеет коэффициент передачи = 5 для усиления сигнала и 5-ти проводный шлейф для простого подключения к встроенному усилителю мощности. На выходе – две пары RCA разъёмов.
2) Для независимого подключения. Имеет коэффициент передачи = 1 и RCA разъёмы на входе и выходе.
Поскольку потребляемый ток не больше, чем ток потребления сигнализации, блок можно подключать к постоянному питанию внутри ГУ в случае отсутствия провода «remote» в штатном ГУ.
Этот блок разрабатывался несколько месяцев и прошёл испытания на нескольких автомобилях в течение года. Фото платы прилагается.