全频用家专栏 [复制链接]

6．怎样给各单元功率放大器选用功放IC
在上个世纪90年代里，世界上各大电子元件制造厂都在设法制造出能够输出达到50W额定功率的大功放IC，甚至有不少宣称可以输出大功率的功放IC徒有虚名。例如菲利普公司生产的TDA1514宣称可以输出40W额定功率，实际只能输出24W，性能远不如美国NS公司在80年代推出的LM1875。而NS公司在90年代推出的LM3886宣称可以输出50W功率，却因为内部过热保护存在严重误动作，除非配加巨大的散然器或采取强制风冷、水冷等措施，使LM3886的发热温度不超过85℃，它才能正常工作。制造功放IC最专业的意法SGS公司在80年代推出TDA2030A之后，尽管宣称将推出输出功率更高的TDA2040、TDA2050，却一直不见产品上市。所幸的是，SGS公司在90年代后期推出了采用功率场效应管做末级的TDA7294大功放IC，不仅能保证在失真小于0.1%的要求下输出50W额定功率，而且具有极优良的耐热性能。实测TDA7294的发热温度须达到126℃才关断输出进行保护，当发热温度低于保护温度时工作状况都十分良好。而NS公司推出的LM3876和LM3886虽然要到100℃时才关断输出进行保护，但在发热温度超过85℃时输出波形已经出现严重杂波使播放的声音里带有“嚓、嚓”声而不能容忍。迄今世界上仅有美国NS公司和意法SGS公司具有制造微晶片大功放IC的能力，尽管NS公司制造的大功放IC存在热保护检测误动作问题，但出于知识产权和面子方面的原因，不会去照抄SGS公司的制造技术。而是会研制新的输出功率更大的功放IC，至于是否真能取得成功则在期待之中。例如NS公司推出的LM4700、LM4701、LM4766功放IC，原本是LM1875的替代型，增加了静音功能，但实际表现却极其糟糕。当工作于100Hz以下低声频时，驱动4欧负载能够输出的功率已降低到只有10W，仅适合勉强推8欧阻抗喇叭。其实，相同封装结构的功放IC，其散热速度决定了它所能输出的最大功率。所以像TDA2030A、LM1875、LM4701这几个封装结构相同的IC在使用稳压电源供电下，所能输出的最大功率都是25W。但由于TDA2030A比LM1875的最大承受电压低得多，在不使用稳压电源时为了确保工作安全，TDA2030A的工作电压比LM1875的工作电压给得低，因此才把TDA2030A的输出功率确定为15W。从原理上说，把两只LM1875接成BTL输出方式可以得到50W输出功率，但要知道，所驱动的负载也要提高一倍阻值，否则功放IC内部的过流保护将进行动作，将输出功率限制在最大输出电流范围内。这就使得阻抗为4Ω左右的喇叭不能在改用BTL输出方式下获得更大的输出功率。这即是为什么必须等厂家制造出能在4Ω负载上输出50W功率的大功放IC后，才能将各个单元放大器输出功率都提高到50W的技术原因。为了发挥出功放IC的最佳性能，提供给功放IC的工作电源应采用稳压电源。尤其在使用80年代就推出的功放IC时，它们对电源的纹波抑制能力还不够强，稳压电子滤波电源可以最大限度地弥补这个不足。此外，当使用的功放IC不带有静音MUTE功能时，消除开机冲击声的最好办法是采用电压从零缓慢升高到额定值的软启动方式，这在采用稳压电子滤波电源时很容易实现。千万别用延时继电器来消除开机冲击声，否则在喇叭播放响度很高的低音时，继电器触头会发生抖动使喇叭连接线瞬间断开形成很难受的声音阻断现象。避免喇叭不遭受直流电压损坏的保护方式应改为，中音喇叭和高音喇叭与功放之间串联容量适当的无极电容，低音喇叭与功放之间加入偶合变压器。因偶合变压器只工作在低音频范围而且初级线圈匝数很少，很容易制做。在低音喇叭与功放之间加入偶合变压器还会带来一个好处，它可以使低音喇叭具有最好的电阻尼，当驱动信号消失时音圈在自由振动下产生的感生电动势能形成较大电流阻止自由振动保持下去。当然，低音喇叭都能经得住开机时的大电流冲击，保护功能全面的功放IC也几乎不会发生损坏，除非是使用了顺性特别好的低音单元，才有必要加入偶合变压器来使它获得最好的发挥。总得说来，各单元功率放大器选用何种型号的功放IC，主要是根据希望输出的功率大小和使用的喇叭阻抗来决定，现在可以使用的HI-Fi类功放IC频率上限都能超过150KHz，所以最关键的要点是它们必须能真实可靠地工作。

7．前级音量控制器对高品质音响系统的影响
音量控制是功率放大器必不可少的组成部分，我在2002年第11期《电子制作》发表的“自制高品质红外遥控音量控制器”一文中曾介绍过在80年代里风光过的几款专用于音量控制的直流音调IC。其中以TA8184性能最好；LM1036音质也不错，但左右声道平衡不佳，相差可能达到2db。由于这些直流音调IC带有高低音调节功能，它们的输出信号峰峰值虽然可以达到8V，但输入信号峰峰值只允许达到3V。而从CD机输出的音频信号经常超过6V峰峰值，超过4V峰峰值的音频信号更加频繁。当把CD机输出的音频信号直接输入这些直流音调IC中时，幅度稍大的信号就会出现削波。为防止信号削波，必须先将CD机输出的音频信号衰减10db才能输入直流音调IC中，然后再对直流音调IC输出的信号进行相应放大，结果是使整机信噪比下降10db。虽然TA8184和LM1036自身的信噪比可以达到80db，但在经过先衰减信号再放大信号的处理后，整机的信噪比最多只能达到70db。在高品质音响系统中，音量调节器的信噪比如果不够高，播放效果将受到明显地损害。普通电位器由于电阻膜片空间面积较大，很容易产生感应噪声。当把电位器旋到两端时，电位器产生的感应噪声较小。当把电位器旋到中间常用位置上时，电位器产生的感应噪声最大。实验证明，使用普通电位器做音量调节，在把电位器屏蔽起来，直接把信号源输出的音频信号加到电位器上时，整机信噪比仅能够达到60db。想要降低电位器产生的感应噪声，只能使用低噪声放大电路将信号源输出的音频信号先放大十几倍，再将它加到电位器上。这样做的难点是，前置低噪声放大电路必需使用高达±40V的工作电压才能在不发生信号被削波的情况下提高整机信噪比。由于加在电位器上的音频信号幅度被放大了10倍，在电位器上产生的热损耗也将增大100倍，必须改用由若干个金属膜电阻串联构成的非连续调节的特制电位器来调节音量。这种特制音量电位器产生的热噪声比普通电位器产生的热噪声要低得多，但信噪比也仅能达到85db，很难超过90db。所幸的是，上个世纪90年代末，国外已经有多家电子公司生产出新一代音量调节专用IC。它是将一系列微型电阻串联集成在IC内部，通过集成在IC内部的电子开关实现触点切换。由于集成在IC内部的微型电阻体积非常小，几乎不产生外部感应噪声，这些音量调节专用IC的信噪比都能超过90db，非线性失真不大于0.01%，输入、输出信号的峰峰值都能达到IC电源电压值。以音量调节专用芯片TC9235或SC9153来说，工作电压取为单9V或双±5V时，输入、输出信号的最大峰峰值可达9.3V或10.3V，信噪比不低于100db。必须采用这种性能更优良的专用音量调节芯片来制作前级音量控制器，才能使电子分频音响系统发挥出最佳表现。此外，对多个信号源的输入切换也要采用电子开关器件来实现。如果使用继电器来切换信号源，在喇叭播放响度很高的低音时，继电器触头会发生抖动使输入信号瞬间断开形成很难受的声音阻断现象！实际使用证明，采用CD4051、CD4052、CD4053系列电子模拟开关来切换信号源可获得不低于100dB的信噪比，信号输入、输出范围都允许达到10V峰峰值，而它们引入的非线性失真约为0.2%，低于人耳分辨能力。电子模拟开关的传输响应频率高达40兆，传输音频信号毫无问题。唯一不够好之处是通道隔离度只有40dB，同一芯片上的几个通道之间存在串音。在不使用的信号源实际被停用的一般情况下，通道隔离度不够高并不会影响使用。如果对通道隔离度有特别的高要求，可让每个信号源先各用一个模拟开关芯片做通断控制，再用另一个模拟开关芯片进行同步切换，从而使信号源之间的隔离度超过90dB。同一个信号源的左右声道实际不需要很高的隔离度，40dB已经足够。如果也要提高要求，只需将左右声道分别用两套相同的模拟开关芯片进行重复制作即可。在音响系统的三个最主要评价指标中，信噪比排在首位，其次是失真指标、然后才是带宽指标。高品质hi-Fi音响的信噪比不得低于75dB。信噪比低于65dB就属于低档音响，电脑多媒体音响对信噪比的要求仅为50dB～65dB。所以，切莫以为多媒体音响在电路里使用了级前有源滤波器，就等同于Hi-Fi电子分频音响系统。

8．如何选择各个单元喇叭
由于级后分频方式很难把超过二分频的喇叭组合设计好，不得不在大多数情况下采用二分频喇叭组合。尤其是为了得到较好的重放效果，级后分频的监听音箱对高音单元和中低音单元喇叭的组合需要精心挑选。但无论怎么挑选，都只能在可使用的喇叭中去优选。实际上，在中低音单元喇叭不变的情况下，高音单元的选择仅仅是在当时表现最佳的同档次喇叭中选择出与中低音单元喇叭外观看上去风格最协调的一个造型而已。厂家为了达到促销目的，会故意作出夸张性的宣传。以公认表现极其出色的天郎同轴喇叭为例，中低音单元与高音单元的组合可算无可挑剔，但并不意味着不可以将它与另一个专工作于中音频的大口径布膜软球顶中音喇叭组合起来使用。把天郎同轴喇叭分开作为低音单元和高音单元，与另一个大口径布膜软球顶中音喇叭进行组合，用电子三分频功放分别驱动高、中、低音单元喇叭，其表现必然比先前的级后二分频组合更好。天郎同轴喇叭的特点在于中低音单元振动盆材料独特，能够在使用锥盆情况下对中高音也有较好的分解能力。但再怎样，它也没有大口径布膜软球顶中音喇叭对中高音的分解能力好。一旦中高音不需要由低音喇叭来承担播放任务，对低音单元的选择就很容易找到表现出色的喇叭。根据实际使用对比，折环为橡胶边的掺羊毛纸盆低音喇叭表现最佳，推出的空气厚实有力。其次是橡胶边碳纤维编织盆推出的空气干净厚实，力度上比掺羊毛纸盆略差。美国人普遍比较喜欢用加厚松压纸盆配泡沫边折环做低音单元，推出的空气强劲但不够厚实，总有的士高风味。的士高音乐的特点是80Hz低音明显突出。为了用口径很有限的喇叭发出尽可能大的震撼低音效果，只得把震撼低音放在频率较高的80Hz处，这是舞台音响使用最集中的低音频率。日本人偏爱听中高音，比较喜欢用PP盆配泡沫边折环做低音单元。PP盆在中音区的表现明显比纸盆好，但在低音区表现平谈，推出的空气中带有不够干劲的塑料折动声。喇叭振动盆在推动空气时总要发生变形，掺羊毛纸盆和碳纤维编织盆具有较好的韧性和声阻尼，几乎不产生可以感觉到的振动盆折动声音。为了取得特别的视觉感受，某些PP盆表面另喷涂有一层金属膜，它推出的空气中将带有金属膜折动声形成不良好的声染色。总之，根据设定的工作声频范围选单元喇叭，声频范围划分的越窄，越容易找到最适当的单元喇叭。二分频组合因每个喇叭的工作声频范围太宽，很难让中低音喇叭表现良好。90年代国内推出采用大口径音圈配大防尘帽的PP盆低音单元，其大口径音圈配大防尘帽就是在模拟大口径球顶中音喇叭结构，使中音表现较为良好。但这种口径为5吋～6.5吋的大口径音圈配大防尘帽的PP盆低音单元，振动盆质量比专门制做的球顶中音喇叭振动盆质量要大得多，仅能使500Hz～2KHz的中低音表现得比较良好。将其与球顶高音单元组合起来使用，比天郎同轴喇叭的表现并无明显的优势，各有千秋。我在94年《电子制作》第4期发表的“怎样选配好扬声器”文章中，特别指出喇叭的瞬态工作特性才是更重要的选择依据。譬如，一只5吋泡沫边纸盆扬声器，按照IEC国际电工委员会制定的喇叭有效频带标准，它的有效工作频率范围约为60Hz～14kHz。但从瞬态工作特性上考核，根据前沿第一波与稳态波的声压相差小于2dB，后沿第二波的声压至少比稳态波的声压降低10dB的原则，它的适当工作频率范围仅是100Hz～1400Hz！即便采用大口径音圈配大防尘帽的PP盆低音单元，它的适当工作频率范围上限也不到3KHz。而在2KHz～5KHz这个声频段，是大口径布膜软球顶中音喇叭的最佳重放范围。从5KHz～8KHz声频段是小口径半透明丝膜软球顶高音喇叭的最佳重放范围，8KHz以上声频是铝带高音喇叭的最佳重放范围。平膜高音喇叭最适合在7KHz～12KHz声频段工作，失真比丝膜软球顶高音喇叭小。但其制做成本比球顶结构喇叭要高得多，价格也贵得很多。铝带高音又比平膜高音价格要高得很多。有经济承受能力者，最好使用至少5分频的喇叭组合。20Hz～200Hz采用12吋低音单元，200Hz～1500Hz采用大口径音圈配大防尘帽的PP盆低音单元，1500Hz～5KHz采用大口径布膜软球顶中音单元，5KHz～10KHz采用平膜高音单元，10KHz～20KHz采用铝带高音单元。

9．分频电路的设计要点
超过两分频的喇叭组合应采用级前分频方式，用多个单元功放推动各个单元喇叭工作。最简单的级前分频方式是阻容衰减网路，由于对输入信号有较大衰减，后级需要对遭到衰减的信号作相应放大，同样会把前置无源器件产生的噪声放大，在噪声方面并不能获得好处。与此同时，阻容衰减网路的衰减率较低，理论上可以引入电感来进行改进，但由于电感器件规格少，容易与电容形成振荡引发电路自激，不如采用有源滤波网络来制做高、中、低各音频通道的分频电路。在80年代还没有性能良好的运放IC使用之前，有源滤波只能用三机管或场效应管来制作。因国产三机管噪声较高，主张用噪声相对较低的场效应管来制作有源滤波器。实际使用表明，即便采用场效应管和钽电容、独石电容、涤纶电容加金属膜电阻的低噪声器件组合，也很难把有源滤波器产生的噪声降低下来。改用当时刚从国外进口的低噪声90系列三机管制作有源滤波器，其噪声也与采用场效应管制作的有源滤波器处于相同档次水平。在远离市区的安静地方，室内环境噪声一般为40dB左右，当喇叭在没有输入信号时发出的连续白噪声超过50dB时即可明显感觉出来。用场效应管制作的有源滤波器做电子分频音响系统的前置级，在静音状况下可从喇叭听到明显的白噪声。所以，尽管LM324四运放只适合在很低频率下工作，我还是把它拿来制作电子分频音响系统的有源滤波器。那时它也被人们普遍用到制作图式多段音调控制电路中，虽然中高音失真严重，只能保证到1200KHz信号波形无明显畸变，但却具有比采用场效应管制作的有源滤波器高得很多的信噪比！以至于其他爱好者也放弃不用场效应管制作的分频器，拿电子元件交换我用LM324制做的电子三分频器去使用。在厂家推出TL084之后，直接将LM324更换为TL084，先前的中高音波形畸变问题立即消失。美国NS公司在90年代初推出噪声比运放之皇NE5532还略低的四运放LM837，我立即将它与TL084做对比，发现在做有源滤波器使用时二者的实际表现无差别。但如果把它们应用于放大倍数很高的磁头放大电路之中，TL084产生的噪声就远比用效应管制作的磁头放大器严重得根本不能使用，而用LM837制作的磁头放大器又远比用效应管制作的磁头放大器至少好两个数量级的表现水平。这便是电子器件必须在实际使用中进行验证的特点。我曾亲自看到过日本音响专家山本先生设计制做的3D有源音响在静音状况下会自发产生自激啸叫。之所以发生莫名其妙的自激，就是山本设计的有源滤波器采用了切比雪夫型方式，对转折点附近的频率信号做了提升。虽然提升量仅有不超过3dB，却使有源滤波器处于不够稳定的临界状态工作。若采用贝塞尔型或巴特沃兹型曲线参数，有源滤波器就完全处于稳定的工作状态中，不会发生自激现象。贝塞尔型或巴特沃兹型的衰减曲线在转折点处是平滑过度，如果将两个相同的二阶或三阶有源滤波器串联成为四阶或六阶有源滤波器，转折点输出电压率减率将从0.7变成0.5，这意味着要把二阶或三阶有源滤波器里率减率为0.84的频率点作为四阶或六阶有源滤波器的转折点。如果想要把转折点附近的频率信号做提升，应串入一段均衡器来实现。若同时又不让应该衰减下去的频率信号也被提升起来，可以串入两段均衡器，一个在转折点内作提升，一个在转折点外作衰减，即可获得率减徒度很陡的曲线。虽然按照这种方式进行设计显得繁琐，却可以确保电路工作稳定。我在95年3月9日出版的第9期《电子报》上发表过一篇实用作品“带低音提升补偿的功放电路”，专门针对低音喇叭声压频率响应曲线在低端频率衰减量较大作必要补偿，使低音明显改善。但同时也必须把不适合所使用的低音喇叭播放的下限外低音尽量衰减干净，防止喇叭振动盆超出正常工作允许范围。尤其是对口径较小的低音单元喇叭更需要对输入音频信号作这样的提升衰减处理，方能避免振动盆产生“打破”声。显然，具体情况要具体处理，级前分频与极后分频也可以混合使用。比如对6KHz以上高音再进行分段播放，完全可以采用极后分频方式对两只高音喇叭进行组合。由于所用到的电感、电容元件体积很小，分频器比较容易制做，高音单元功率放大器输出功率也有富余量，就可以按照怎么制作更方便来进行设计。