现代音响与调音技术2音响设备基础.ppt

第2章传声器与扬声器 2 1传声器的分类与原理结构2 2传声器的技术指标2 3有线传声器2 4无线传声器2 5传声器的选择和使用 2 1 1传声器的分类与原理结构 传声器 Microphone 简写为MIC 又称话筒或 麦克风 它是音响系统中最为广泛使用的一种电声器件之一 它包含一个由声波驱动的传感器 并发出对应的电波 它的作用是将话音信号转换成电信号 再送往调音台或放大器 最后从扬声器中播放出来 1 按能量的来源 有源类传声器 无源类传声器 外加直流电源 传声器的分类 直接把振膜的振动能量转变为电能 而不消耗其它能量 2按换能原理 3 按声场作用力 4 按指向性 单向 双向 全向 8字形 无指向和可变指向 动圈式电容式 压强式压差式 1 动圈式传声器动圈式传声器属于无源类传声器 其结构如图2 1所示 2 1 2传声器的原理结构 2 电容式传声器电容式传声器的原理结构如图2 2所示 如何把电容变化量转化为电信号呢 一种是直流极化式 直流极化式基于电场原理 通过电场的作用将机械振动变成电信号 这种形式的换能器称为静电换能器 在专业音响场合中 多使用外加直流极化电压 40 200V 的高档电容传声器 另一种是驻极体式 采用经过事先极化的驻极体代替上述极化电压的电容传声器称为驻极体电容传声器 简称驻极体传声器 常用在家用录音机中作内置传声器和普通歌舞厅乐队的扩音中 效果优良 缺点是极化电压保持时间有一定限度 对于使用者来说 应避免在高温和高湿环境下存储和使用电容传声器 这对延长其使用寿命是有利的 2 2 1灵敏度灵敏度是指传声器在一定强度的声音作用下输出电信号的大小 灵敏度高 表示传声器的声 电转换效率高 对微弱的声音信号反应灵敏 其定义为 在自由声场中 当向传声器施加一个声压为1 bar的声信号时 传声器的开路输出电压 mV 即为该传声器的灵敏度 换句话说 在一个标准声压的作用下 传声器的开路输出电压越高 传声器就越灵敏 反之 传声器就不灵敏 2 2传声器的技术指标 2 2 2频率范围 带宽 频率范围是指传声器正常工作的频带宽度 通常以带宽的下限和上限频率来表示 一只好的传声器应具有较宽的频率范围 最好包含人的音频整个范围 有时为了增加拾音的明亮度和清晰度 还可在某一频率范围内 使其输出有所增强 频率范围可通过频响曲线来反映 电容传声器的频响特性较动圈式要宽阔且平直 2 2 3信号噪声比 S N 信号噪声比指的是传声器有电信号输出时的信号电压与传声器内在噪声电压的比 通常用dB表示 例如 电动传声器的灵敏度为0 1mV bar 当在1m距离讲话时 到达振膜的声压约为1 bar 此时 传声器输出电信号为0 1mV 而传声器的内在噪声电压约为0 5 V 则信噪比为 一般优质电容式传声器的S N值为55 57dB 2 2 4源阻抗及推荐的负荷阻抗源阻抗简称阻抗 指传声器的交流内阻 以 为单位 通常用1kHz信号测得 对低阻抗传声器 源阻抗为200 左右 对中阻抗传声器 一般在500 到5k 之间 对高阻抗传声器 则在25k 到50k 之间 由于中阻抗及高阻抗传声器的导线容易感应交流声 所以专业用的高质量传声器 一律采用低阻抗方式 为了使传声器的阻抗特性和后面设备的输入阻抗对整个系统的频率响应不会产生任何影响 通常要求后面设备的输入阻抗是传声器阻抗的6 11倍 称为推荐的负荷阻抗 由于高质量低阻抗传声器的阻抗多为200 所以推荐的负荷阻抗多为1k 这是专业用调音台和录音机常用的输入阻抗值 2 2 5最大容许声压级通常以传声器产生0 5 谐波畸变时的声压级作为最大容许声压级 高质量传声器的最大容许声压级已达135dB声压级 2 2 6隔振能力隔振能力包括传声器与其支架间的隔振能力 以及传声器外壳内芯件与壳体间隔振能力 2 2 7瞬态响应瞬态响应就是传声器对脉冲型声波的跟踪能力 由于方波信号是一种典型的瞬态信号 所以常常用一个矩形波信号来激励传声器 然后用示波器来观测传声器输出信号的波形 从而判断它的瞬态跟踪能力 通常 电容传声器的瞬态响应要优于动圈传声器 2 2 8指向特性传声器的指向特性 又称传声器的方向性 是表征传声器对不同入射方向的声信号检拾的灵敏度 也可以说是传声器的灵敏度随声波入射方向而变化的特性 如单方向性表示只对某一方向来的声波反应灵敏 而对其他方向来的声波基本无输出 无方向性则表示对各个方向来的相同声压的声波都有近似相同的输出 指向性是传声器十分重要的电声指标 2 2 8指向特性1 压强式传声器 无方向指向特性 图2 3无方向指向特性 当入射声音为高频波时 考虑到声绕射在频率约5KHz以上的声音由于声波的波长短 从1800方向入射的波无法绕过传声器罩 以至于无方向的指向特性在随着声波频率的增高越来越趋向心形 即对1800方向入射的波灵敏度下降或不拾音 2 压差式传声器 8字形指向特性压差式传声器的振膜后面不密闭 因此振膜的振动取决于前面和后面的瞬时声压差 即对声压梯度产生响应 很显然 从前面0 和后面180 入射的声波 都可以产生很大的声压梯度 所以接收能力最强 具有较高的灵敏度 从侧面90 和270 入射的声波 到达振膜前后两面的强度相等 因而声压梯度为零 传声器没有输出 灵敏度为零 因此 压差式传声器具有8字形 或双向 指向特性 如图2 4所示 图2 4 3 多种指向图形的组合将一个无方向图形与一个8字形图形叠加起来 就能得到一个心形图形 如图2 5所示 这是因为在0 方向上 无方向图形与8字形图形相叠加 得到了两倍的灵敏度 在180 方向上两者大小相等 方向相反 结果相互抵消 在90 和270 方向上 因8字形图形灵敏度为零 因而 叠加的结果是保持无方向图形的灵敏度 它是0 入射灵敏度的一半 图2 5心形特性的合成 心形指向特性是一种单方向指向特性 介于无方向和8字形指向特性之间 适合于手持式人声演唱和乐器演奏用传声器 现在 我们可以以无方向 8字形和心形指向特性为基本图形 通过适当的组合 就可以得到许多个合成指向图形了 图2 6给出了5种主要的合成指向特性图形 可供选择传声器时参考 图2 6多种指向图形的合成 实践证明 各种传声器的指向特性都会随频率而变化 当频率升高到3 4kHz以上时 指向特性有变尖锐的趋势 而且对于优质传声器来说 一要传声器的频带范围宽 二要传声器前后方向上灵敏度的比值 在声频的全频带内应保持基本相同 2 3有线传声器 所谓有线传声器就是指从拾音头到录音机或者放大器 调音台 VCD机等之间 电声信号是通过能够看得见 摸得着的电缆连通起来的 有线传声器 2 3 1有线传声器的特点 1 与无线传声器相比 有线传声器的价格低廉 2 有线传声器的操作使用比较简单 3 信号失落现象少 甚至没有 信号失落现象是指当传声器头与到达信号的调音台或放大器相对位置改变时 出现声音信号质量变差 甚至无法接收的现象 4 有线传声器常受到电缆线长度的影响 其活动距离会受到限制 5 在信号传输中 有线传声器常采用平衡传输 这可有效减小其它电声设备的干扰 所谓平衡线传输 是指传输线有两根导线 它们上面的声音信号正好对参考点 大地 是一对大小相等而极性相反的信号 当信号传输受到干扰时 干扰信号在终端负载上可以互相抵消 达到抗干扰的目的 同样 平衡线传输也不容易干扰别的电气设备 不平衡线传输是采用一根芯线的电缆 用屏蔽层作另一根信号线 这样的传输方式干扰信号有可能通过单根线而传到下级 从而影响声音信号的传输质量 传输距离越远则噪音越大 因为信号线上的噪音无法消除 这种接法的成本低 仅用于话筒线较短的家用音响设备上 2 3 2有线传声器使用中应注意的问题1 使用平衡线传输可有效减小外来干扰 2 必须使用专用电缆馈送传声器信号 传声器的内阻有几百欧 输出信号又很微弱 因而必须使用专用屏蔽电缆作信号传输线 并使屏蔽层的一端与传声器的外壳良好相接 另一端与电声设备的外壳良好相接 从而减小周围电磁场的干扰 其长度不宜超过10米 否则会因线间电容过大引起高频损耗 也正因为传声器的输出比较小 所以为了提高传声器的输出感应电动势和阻抗 还需装置一只升压变压器 传声器的损坏 多数原因是由振动引起的 强烈的振动会使电动传声器的磁铁退磁 从而降低灵敏度 还可使磁路移位 造成磁路卡住音圈或振散音圈使传声器完全损坏 还可使电容传声器两极间距突然变小 极化电压就有可能击穿膜片 因此不可使劲吹气或敲击传声器 3 传声器必须防振 用几只传声器拾音时 要注意相位作用 相位关系对立体声传声器有很重要的意义 不规律的相位变化对立体声效果的宽度感有影响 相位不一致会产生声场弥散 声像方位感不确定的不自然感 必须使各传声器的极性相同 即相位相同 以免各传声器的信号在电路中相互抵消 4 注意传声器的极性 有指向的传声器都有近区效应 所谓近区效应是指近距离使用这种话筒时 对低频有提升作用 从而增加声音的 亲切感 但其负作用是清晰度会降低 5 注意近区效应 2 4无线传声器 无线传声器无线传声器是利用传声头将声波转为电信号 然后用超高频或特高频载波在近距离范围内将传声器输出的电信号经调制后 再通过附带的天线以电磁波形式向天空发射 然后用接收机接收射频已调信号 经高频放大 解调等环节恢复低频电信号 最后送到录音机或扩音器中放出声音 2 4 1无线传声器的特点1 优点 1 无线传声器可以做到传送的声音具有真实感 细腻感 亲切感和临场感 而且由于无线传声器不使用传送电缆 因此解脱了传声器线对演员的束缚 特别适用移动声源 如演讲 舞台表演 现场指挥等拾音场合 可以更好的发挥演员的表现能力 大大地提高了音响的艺术表现力和整体的艺术魅力 2 在同期录音的情况下 要求图像和声音同时出现 如拍电视 电影 无线传声器就可很好地解决这个问题 只要把配带式传声器和小型发射机隐藏好即可 3 利用无线传声器拾音 可减少混响声的拾音 因此清晰度很高 2 缺点 1 无线传声器属于射频传输 因而保密性差 抗干扰能力差 同时也对其它电子设备产生干扰 2 有信号失落现象 当传声器与接收机的相对位置改变时 有时会出现信号跌落 音质变劣 甚至无法接收信号现象的 如何克服信号失落现象 通常采用多副无线传声器和多组分集接收的方法来保证信号的传输质量 3 无线传声器在传输信号时因需发射机和接收机 故技术实现上相对有线传输较复杂 成本高 对无线传声器性能的要求 除了应满足一般传声器的要求 如频带范围足够宽之外 特别注意两点 一发射机的载频稳定度要高 接收机具备跟踪功能 这样才能可靠的接收 二是要有足够的动态范围 以防止大信号产生失真 这是为了避免使用者只考虑艺术效果而不注重如何正确使用传声器 很容易声压级高导致过载 无线传声器中的发射机 微型驻极体电容传声器 调频电路 电源 无线传声器实际上是一种小型的扩声系统 它由一台微型发射机组成 无线传声器采用了调频方式调制信号 调制后的信号经传声器的短天线发散出去 其发射频率的范围 按国家规定在100MHz到120MHz之间 每隔2MHz为一个频道 避免互相干扰 无线传声器的优点 体积小 使用方便 音质好 话筒与扩音机之间无线 移动自如 且发射功率小 因此在教室 舞台 电视摄制方面得到广泛的应用 无线传声器与接收机一一对应 配套使用 不得张冠李戴 出现差错 接收机是专用调频接收机 但是一般的调频收音机只要使其调谐频率调整在无线传声器发射的频率上 同样能收听到无线传声器发出的声音 2 5传声器的选择和使用 2 5 1正确选择型号选择传声器时 应考虑以下各种因素 使用场合 目的 要达到的音响效果 声源情况 以及对传声器特殊的要求等 1 根据不同的声源特点选择合适的传声器十分重要 如 表面看同样的两只传声器 在演播室录制独唱节目时 使用其中一只技术特性好 频响曲线平直的传声器 拾取的音响能保持声源的真实平衡和音色优美 而使用另一只频响曲线不平直的传声器 拾取的音响会随频响曲线的变化或升高或跌落 改变了声源自身的特性 这样录出来的音响就会不真实 听起来单薄 厚度不够 清晰度不好 如果采用佩戴式无线传声器 同样是两只具有不同频响特性的传声器 录制出来的音响效果正好相反 这是因为演员将无线传声器佩戴在身上 传声器的主轴与口腔发出的声音正好呈90 并与鼻腔音处于同一直线 会造成低频过多 并且柔软的服装又会吸收高频 若用其中那只频响曲线不平直的传声器拾音 反而会起到补偿高频不足 又削去过多低频的作用 录制的音响听起来自然清晰 录音效果理想 反之 若用频响曲线平直的传声器去拾音 因佩戴在身上 传声器离声源近产生近讲效应 会使低频提升 录音效果反而不尽人意 2 传声器指向性及类型选择要依据不同的声源以及不同的场合而定 如 语言扩声时可采用动圈式的 这样放出的音质较为柔和 环境噪声较大时要采用方向性强 可最大程度的避免拾取来自听众或其他方向传来的声音 并可减小声反馈引起啸叫 3 独唱或独奏可依据演员的唱法和乐器的频率响应选择 独唱时通常选用动圈式 低频要有所提升 作为通俗唱法 大部分民族歌曲及美声唱法则多采用电容式 以频率响应范围宽 声音柔和 灵敏度高来获取较高的艺术效果 在弦乐中 小提琴由于频率范围宽 泛音丰富 应选用频率响应平坦灵敏度高的电容式传声器 小号 萨克斯同样也是如此 可以说频带宽情感细腻的乐器宜选用电容式传声器 而能量大 粗旷豪放的乐器采用动圈式传声器 4 在歌厅 卡拉厅中选用的传声器一般为动圈式传声器 对于歌舞厅 卡拉厅中采用中档动圈式传声器即可满足要求 灵敏度不宜过高 这是因为演唱者多为未经过严格训练 而且常以流行音乐为主 音量常常处于最大 多靠近传声器 采用动圈式可以防止扩声系统增益过高而产生啸叫 至少应配用两只质量较好的动圈近声传声器 以选用心形为宜 正确摆放传声器的位置很重要 对于木管乐器传声 不要正对吹孔 以免接收过多的噪声 巴松则不要把传声器放在管口的延长线上 以防止泛音过多 基音反而减弱 流行歌曲演唱者大多数喜欢将话筒靠近嘴边 这是为了充分利用动圈式传声器的近讲效应 获得温暖亲切地声音 传声器与演唱者嘴部的角度也很重要 45度左右较合适 如角度到达或接近90度容易拾取演唱者的气流冲击传声器产生扑扑声 2 5 2传声器输入和线路输入 所谓线路输入 指的是有的声源 如电吉它 电贝司和键盘 电子琴和合成器 本身具有线路输出 LINEOUT 插孔 它可以通过屏蔽线直接接入调音台的线路输入 LINEIN 插孔上 以达到拾音的目的 所谓传声器输入 指的是直接用传声器拾音 并通过传声器线接入调音台的话筒输入 MICIN 插孔 2 5 3平衡输入与不平衡输入 在声频系统中 存在着平衡与不平衡两种传输形式 平衡输入要求与前级放大器连接的传声器的两根芯线都不接地 其优点是抗外界干扰能力强 故专业级设备通常采用平衡输入方式 不平衡输入指的是传声器与前置放大器之间的两根电线中 一根必须接地 传声器产品概况 德国森海泽尔公司生产 森海泽尔铁三角AKG舒尔索尼 型号MKH8050 有线指向特征超心型频响范围30Hz 50kHz立体声声道 日本铁三角公司生产 型号AT4053a 麦克风用途 录音专用收音头 电容式指向特征 超心型指向性灵敏度 33dB 22 4mV re1Vat1Pa频响范围 20Hz 20kHz最大声压 146dBSPL声道 立体声 奥地利AKG公司 C417 麦克风用途 乐器录音专用收音头 电容式指向特征 全指向灵敏度 17mV Pa频响范围 20Hz 20kHz最大声压 118 126dB for1 3 THD 声道 立体声 美国舒尔公司 Beta57A 麦克风用途 录音专用收音头 动圈式指向特征 心形单指向灵敏度 51dBV Pa频响范围 50Hz 20kHz 放大器 前级放大 前置放大 安排在调音台部分 将音频信号进行初步的电压放大 以便其它电路对音频信号进行处理 后级放大 音频功率放大 经过调音台处理后的信号进行功率放大 以提供足够大的功率去推动音箱工作 3 1音频功率放大器基础 3 1 1功率放大器的基本组成及作用 一个好的放大器 要求能准确地放大来自各声源的声音信号 并能反映出该声音信号的音量 音调和音色 力图恢复该声源音质状况的本来面貌 3 1 4功率放大器的技术指标 静态技术指标 动态技术指标 静态技术指标 输出功率 衡量输出功率的指标有最大不失真连续功率 音乐功率和峰值功率等 音乐功率 在输出失真度不超过规定值的情况下 功率放大器对音乐信号的瞬间最大输出功率 峰值功率 它是指不计失真 在规定的输入电平下将功率放大器输入衰减调至最小 功率放大器所能输出的最大音乐功率 它不仅反映了功率放大器的功率输出能力 而且反映了直流电源和电源变压器的供电能力 THD N是英文TotalHormonicDistortion Noise的缩写 译成中文是 总谐波失真加噪声 它是音频功率放大器的一个主要性能指标 也是音频功率放大器的额定输出功率的一个条件 THD N 理想的音频功率放大器 若不考虑该功率放大器的增益大小 输入一定频率的正弦波信号 其输出也应该是没有失真 波形没有变形 没有噪声的正弦波信号 但真实的音频功率放大器的输出音频信号总会有一点失真 并且叠加了噪声 在正弦波上叠加了高频杂波 这种失真是较小的 从波形图中也难看出来 只有用失真仪才能测出 波形的失真由于是在正弦波上加了多种高次谐波造成的 如3次谐波 5次谐波等 所以称为总谐波失真 理想的音频功率放大器没有谐波失真及噪声 所以THD N 0 实际的音频功率放大器有各种谐波造成的失真及由器件内或外部造成的噪声 它有一定的THD N的值 这个值一般在0 00n 10 之间 n 1 9 THD N 3 1 2音频功率放大器的分类 按功率放大器与音箱的配接方式分 定压式功放 定阻式功放 按功率放大器的核心放大元件来分 电子管功率放大器 晶体管功率放大器 集成电路功率放大器 3 1 2音频功率放大器的分类 按功率放大器的工作状态来分 甲类功率放大器 乙类功率放大器 甲乙类功率放大器 按功率放大器的末级电路结构来分 OTL OCL BTL 1 按功率放大器与音箱的配接方式分 1 定压式功放 俗称广播系统 一般用于广播或写字楼等公共场合 为了远距离传输音频功率信号 减少在传输线上的能量损耗 该方式以较高电压形式传送音频功率信号 一般有75V 120V 240V等不同电压输出端子供使用者选择 3 1 2音频功率放大器的分类 使用定压式功放要注意功率放大器和扬声器需之间使用线性变压器进行阻抗匹配 如果使用多只扬声器则需要用公式进行计算 多只扬声器的功率总和不得超过功率放大器的额定功率 另外传输线的直径不宜过小 以减小导线的电流损耗 定压式功率放大器的缺点在于由于为了实现远距离传输 将信号功率放大后 利用线间变压器提升输出电压 到终端后 再利用线间变压器降压匹配阻抗 驱动音箱 虽然实现了远距离传输 但损失了音乐保真 2 定阻式功放 功率放大器以固定阻抗形式输出音频功率信号 也就是要求音箱按规定的阻抗进行配接 才能得到额定功率的输出分配 例如 一台100W的功率放大器 它实际的输出电压是28 3V 在一个恒定音频信号输入时 那么接上一只8 音箱时 可获得100W的音频功率信号 因为 定阻式的功放因为不需要远距离的传输 所以信号放大后直接驱动音箱 所以音乐的保真度较高 如果两只8 音箱串联 即阻抗为16 那么实际输出功率 如果两只8 音箱并联 即阻抗为4 那么实际输出功率 这时 功放已经超负荷了 机器会开始发热 最后将会损坏功率放大器 2 按功率放大器的使用元件分 1 电子管功率放大器 优点 奇次谐波失真小 音色温暖醇厚 线性好 抗过载能力强 功率大 并且线路简单 线路干扰小 容易获得高保真的音响效果 2 按功率放大器的使用元件分 1 电子管功率放大器 缺点 静态指标不高 耗电量大 使用寿命不长 价格不菲 目前电子管功率放大器多用在有线广播等大功率专业音响系统中 2 晶体管功率放大器 晶体管功率放大器具有体积小 功率大 耗能少等特点 技术参数指标很高 具有良好的瞬态特性等优点 它有分立式的电路结构 这种电路用在很多功率放大器中 晶体管有体积小 功率大 耗能少等特点 最突出的优点是转换速率比较高 谐波失真较小 频率响应可以达到20Hz 20KHz 0 1dB甚至更好 采用晶体管放大器的音响 音色清丽冷艳 适合重放的乐曲范围很广 目前是专业音响系统的主力 不足之处在于电路比电子管放大器要复杂 瞬态失真比较大 3 集成电路功率放大器 由于大功率晶体管的品种日益繁多 使得集成大功率优质功放得以大量应用 并且在电路设计中采用了大电流 超动态 超线性的DD电路 菱形差动放大电路 和霍尔电路 或者采用动态偏置 双电流供电以及全互补等一系列技术 使得集成功放的谐波失真大大降低 小于0 05 以下 频率响应达到20Hz 20kHz以上 而且在电路中还可以方便地加入各种保护电路 4 V MOS功率放大器 集成功率放大器是将OTL和OCL等电路的主要元件集成在一块半导体芯片上封装而成 外接少量元件可构成高性能的功率放大器 集成电路具有体积小 外接电路简单 内部元件对称性好 保护功能齐全等优点 加上价格低廉 因此广泛的应用于普及型音响器材中 目前专业音频功率放大器几乎都采用集成功率放大模块作功放的输出级 3 集成电路功率放大器 4 V MOS功率放大器 因为场效应管是电压控制的器件 它具有负温度特性 因此无需对输出管进行复杂的保护 而且它具有和电子管相似的音色 采用场效应管制作的功放具有噪声低 动态范围大 无需保护等特点 其电路简单 而性能却十分优越 金属栅极采用V型槽结构 漏极是从芯片的背面引出 具有垂直导电性 由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层 因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管 4 V MOS功率放大器 VMOS场效应管 V MOSFET 简称VMOS管或功率场效应管 其全称为V型槽MOS场效应管 它是继MOSFET之后新发展起来的高效 功率开关器件 它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高 驱动电流小 0 1 A左右 还具有耐压高 最高1200V 工作电流大 1 5A 100A 输出功率高 低频跨导的线性好 开关速度快等优良特性 正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身 因此在电压放大器 电压放大倍数可达数千倍 功率放大器 开关电源等电路中获得广泛应用 3 按功率放大器的工作状态来分 甲类功率放大器 乙类功率放大器 甲乙类功率放大器 功率放大电路 根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情况 可将功率放大器分为几个工作状态 甲类功率放大器 功率放大电路 随着声波信号的输入 这类功率放大器的晶体管将声波的正负半波完整地进行放大 输出不失真 正弦波形非常完整 电路特征是这类功率放大器的晶体管工作在输出特性曲线的放大区 在输入信号的整个周期内 晶体管均导通 有电流流过 甲类功率放大器 甲类功率放大器的优点是失真极小 各项电声指标高 在Hi Fi音响领域里很多厂家选用此种功放 如英国罗特功放 音乐传真功放和日本的金嗓子功放都是甲类功率放大器 缺点在于 功耗大 在甲类工作状态下 不论有无输入信号 电源的输出功率PE总是不变 在无信号输入时 电源的输出功率全部消耗在电路中的晶体管和电阻上 在有信号输入时 电源输出功率中的一部分要转换为有用的输出功率 也就是说即使没有输入信号 放大器也照常耗能 电源效率不高 甲类功率放大器在理想情况下的效率最高只能达到50 目前 甲类放大器多用于前置放大级 若用于功率放大器中 则需要大容量的电源 放大器的体积也会增加 由于甲类放大器的低失真特点是其他几种功率放大器不易得到的 所以一些高档的音响中还是采用 这也是一些名贵的放大器输出效率并不很高 但体积却很大的原因 功率放大电路 乙类功率放大器 根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情况 可将功率放大器分为几个工作状态 它一般是用两只晶体管共同完成声波的能量放大 一只管子担任正半波的放大工作 另一个管子完成负半波的放大工作 最后合成为一完整的正弦波 用这种方式对音频信号进行放大的功放称为乙类功放 电路特征是在输入信号的整个周期内 晶体管仅在半个周期内导通 有电流流过 乙类功率放大器 由于两只功放管共同完成了声波的放大 所以 其输出功率较大 但存在着交越失真 之所以有交越失真 是因为晶体管存在门限电压 死区电压 在输入电压较低时 输入基极电流很小 从而输出电流也很小 因此输出电压在输入电压较小时 存在一小段死区 产生了失真 由于这种失真出现在通过正负半周的波形连接处的地方 波形在合成时存在着一些不够平滑的现象 这种由于两个电路合成时所产生的波形失真称为交越失真 乙类功率放大电路中 输入信号为零时功率放大管的静态电流几乎为零 此时直流电源功率为零 当输入信号逐渐增大时 电源提供的直流功率也逐渐增加 输出信号功率也随之增大 所以乙类的功率放大效率比甲类的要高 乙类功率放大器 传统的功率放大电路为提高晶体管等换能器件的转换效率 通常采用输入及输出变压器结构的推挽电路 其优点是可以实现阻抗变换 缺点是体积庞大 笨重 消耗有色金属 且效率低 变压器的低频特性不好会使低频段的下限频率受到限制 因此现代专业功率放大器采用OTL 无输出变压器的功率放大电路 OCL 无输出电容的功率放大电路 及BTL 桥式功放 4 按晶体管功率放大器的末级电路结构分 1 OTL电路 无输出变压器的功率放大电路 特点 OTL电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路 通常采用单电源供电 从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号 与采用输出变压器的功放电路相比 具有体积小 重量轻 制作方便等优点 性能也较好 OTL OutputTransformerLess 1 OTL电路 无输出变压器的功率放大电路 OCL电路的最大特点是电路全部采用直接耦合方式 中间既不要输入 输出变压器 也不要输出电容 通常采用正 负对称电源供电 该电路克服了OTL电路中输出电容的不良影响 如低频性能不好 放大器工作不稳定 以及输出晶体管和扬声器受浪涌电流的冲击等 2 OCL电路 无输出电容的功率放大电路 OCL OutputCapacitorLess 4 按晶体管功率放大器的末级电路结构分 在OCL电路中采用了双电源供电 虽然就功放而言没有了变压器和大电容 但是在制作负电源时仍需用变压器或带铁芯的电感或大电容等 为了实现单电源供电 且不使用变压器和大电容 可采用桥式推挽功率放大电路 简称BTL电路 3 BTL电路 BTL电路的特点是把负载扬声器跨接在两组性能相同 输出信号相位相反的单端推挽功率放大电路之间 这样在较低的电源电压下能得到较大的输出功率 通常采用单组电源供电 4 按晶体管功率放大器的末级电路结构分 为使低频端尽量展宽频带及减少相移 以及考虑到开关机产生的浪涌电流 在电路中应少用电容或不用电容 因此OCL与BTL比OTL电路更为有利 5 功率放大电路按放大信号的频率可分为 低频功率放大电路 主要用于放大音频范围 几十赫兹到几十千赫兹 的信号 高频功率放大电路 用于放大射频范围 几百千赫兹到几十兆赫兹 的信号 低频功率放大电路 功率放大器的基本组成 输入级 中间级 放大级 放大级的电压和电流驱动可使用分立元件 如射级跟随器或源极跟随器 MOSFET 电路 也可使用集成模块实现放大 因此功率放大器的输出级结构可采用多种电路形式 3 1 3功率放大器的匹配 功率放大器的匹配主要是解决放大器的功率和阻抗匹配的问题 1 功率放大器上有输出阻抗和输出电压两种标注 一般为推动近距离扬声器系统的功率放大器的输出阻抗是用8欧姆 4欧姆或2欧姆来标注 理论上要求配接功率放大器的音箱负载值应正好等于所标注的输出欧姆值 这就是阻抗匹配 只有这样才能输出额定功率 也就是说一台功率放大器的输出阻抗等于音箱的总阻抗 这就是阻抗匹配 功率放大器的负载是呈感性的低阻抗音箱 两者之间的正确联接在较大功率输出时是至关重要的 否则会损坏功率放大器甚至音箱 所谓功率放大器与音箱 扬声器 正确联接 是用两者之间的匹配做为衡量的 2 另一方面音箱承担着功率放大器的输出功率 故而又必须使音箱的标称功率等于功率放大器的额定功率 换句话说就是一台功率放大器的输出功率等于全部音箱吸收的功率总和 这就是功率匹配 3 每一只音箱分配到的功率等于音箱本身的额定功率 若满足以上三条就解决了放大器的功率和阻抗匹配的问题 阻抗匹配和功率匹配都必须考虑 否则即使阻抗是匹配的 若功率放大器的输出功率大于音箱的标称功率 会使扬声器工作在疲劳超负荷状态 严重时会损坏扬声器 反之 功率放大器的额定功率小于扬声器的标称功率 这时扬声器可工作在较轻松的状态 虽然安全 但扬声器的利用率不高 在使用功放的过程中需要解决许多实际的匹配问题 1 音箱的功率等于功放的额定功率称为等功率匹配 对电子管功放的使用要特别注意匹配问题 因为电子管功放的功率和阻抗的匹配要求非常严格 如当负载扬声器过大 输出变压器的初级和次级线圈由于电流过大发热 功放管电路会因电流过大而损坏功放的元器件 如果负载过小 尤其是失载时 更会损坏电子管功放输出变压器的初级线圈 形成了很强的反射电压 作用在电子管功放的输出回路里容易使电子管的屏极发红 或者由于电压过高引起输出变压器过热而烧毁输出变压器的初级线圈 所以在电子管功放负载太小时 要加上假负载 一般要经过计算选择不同瓦数的电灯泡来做 假负载 而实现阻抗和功率的匹配 2 音箱的功率大于功放的额定功率则称为 超载 在家庭使用的音响设备 当操作有误会出现音量过大 致使功率放大器输出超过额定功率 会损坏扬声器 这是要避免的 而在专业演出 卡拉OK厅中 大动态的乐音 要求加大功率放大器的输出功率 这是重放声的需求 此时按照功率匹配原则不是损坏扬声器就是体现不出乐音大动态下的力度 因此实际运用时是做了一些修正 家庭音箱 应使音箱的标称功率大于功率放大器的额定功率 用音箱的峰值功率做为储备功率 从而防止烧毁音箱 这在家庭音箱中或组合音响中是允许的 在家庭音响中 即使是功放开到最大 由于功率放大器的功率小于音箱的功率 因此也不会烧毁音箱 但在专业音响中 这种情况是要避免的 因为功率放大器的功率小于音箱的功率时往往推动不了音箱工作 这样就得加大功率放大器的输入电平 使功放在满功率 大负荷状态下工作 从而产生严重的失真现象 尤其是削波失真 削波失真将会使音频信号的正弦波波顶被削平 出现类似梯形的方波而产生直流成分 当直流分量进入扬声器的音圈中后 没有对声音产生任何贡献 反而会使音圈中产生大量的热量 时间一长就会烧毁音圈 2 音箱的功率大于功放的额定功率则称为 超载 3 功率放大器的功率大于音箱的功率 在歌舞厅 剧场和大型文艺演出的专业音响系统中 功率放大器的功率要大于音箱的功率 以使功率放大器有足够的推动功率 这样功率放大器有一定的储备功率 减小了机器的本底固有噪声和失真度 使声音的质量得到提高 音箱的阻抗是跨接在晶体管回路中作为发射极负载RL的 音箱的功率越大 RL的值就越小 此时晶体管中的集电极电流就比较大 管温较高 需要良好的散热措施 而音箱的功率越小 RL值就越大 晶体管的集电极电流也就随之减小 管温也就不会太高 晶体管处在良好的放大特性范围之内 动态余量变大 就算遇到强信号 也不会产生谐波失真和频率失真 而且本底噪声还未表现出来时 输出功率就已经足够 这样就使得声音纯净 清澈 提高了音色的质量 从理论上来说 功率放大器的功率大于音箱功率约3 5倍是最理想的 在实际使用中 一般功放的功率比音箱的功率大2 3就可得到令人满意的效果 但此时扬声器系统处于满负荷工作状态 所以对扬声器系统进行安全保护是至关重要的 扬声器的保护问题 扬声器排除生产工艺造成的可靠性下降因素以外 通常因 冲击 馈给扬声器的信号失真以及过载导致扬声器损坏的可能性最大 如 扩声系统中 设备的开 关机瞬间 或传声器的意外跌落都会给扬声器以突发性冲击 造成扬声器损坏 在音响工程的调机过程中也常发生扬声器损坏 操作人员不熟练或偶尔误操作 致使扬声器超负荷运行 也会造成扬声器损坏 当出现乐音大动态时 感到重放声力度不够 而来加大音量 这时功率放大器将超出额定功率 会使输出信号失真 严重时将信号波形切削为矩形波 此时功率放大器的平均输出功率增加可能加重扬声器的负荷 同时由于矩形波的大幅度的高次谐波也会使扬声器中的特别是高音扬声器受到损坏 除此之外 原始节目源的动态范围的大小也会因扬声器在配置时没有留有能满足大的动态范围的功率余量而存在损坏的可能性 这点特别在由模拟声磁带放音改为激光唱片尤其严重 因为数字声的动态范围在采用16bit量化时可达到96dB 比模拟声磁带要大出近30 40dB 因此扬声器保护 特别是对昂贵的扬声器 就显得很重要 扬声器的保护可采用无源保护和有源保护两种 扬声器的无源保护 扬声器的无源保护最为简单 比如在功率放大器和扬声器之间串接熔断丝 当电流过大熔断丝熔化 切断扬声器从而得到保护 扬声器的有源保护 最有效的应是有源保护 也就是全面保护电路 当功率放大器具备了可以对信号进行压缩功能的保护电路后 当出现长时间大动态信号时会产生压缩而不致于产生削波 从而保护扬声器 3 2功率放大器 晶体管功率放大器按照工作状态不同可分为甲类 乙类和甲乙类三种 它们的集电极电流波形图如图 a 甲类功放在一个周期内 三极管的导通角为360 在静态时也要消耗电源功率 这时电源功率全部消耗在管子和电阻上 并转化为热量的形式耗散出去 当有信号输入时 其中一部分转化为有用的输出功率 信号愈大 输送给负载的功率愈多 甲类放大电路效率低 电阻负载最高也只能达到25 变压器负载最多可以达到50 晶体管功率放大器 ui b 为了提高效率 采用乙类推挽电路 有信号时工作 无信号时不工作 直流静态功率损耗为零 晶体管半个周期工作 导通角为180 这种工作方式称为乙类功放 乙类功放减少了静态功耗 效率较高 理论值可达78 5 但出现了严重的波形失真 ui C 为了克服乙类功放的缺点 在乙类功放中设置开启偏置电压 使静态工作点设置在临界开启状态 只要有信号输入 三极管就开始工作 这种工作方式称甲乙类功放 在一个周期内 其导通角略大于180 小于360 因静态偏置电流很小 在输出功率 功耗和效率等性能上与乙类十分相近 故分析方法与乙类相同 d 丙类功率放大是指其三极管导通时间小于半个周期的放大状态 导通角小于900 丙类工作状态的输出功率和效率是甲 乙 丙三种工作状态中最高的 丙类放大多用于高频大功率发射电路中 ui 3 2功率放大器 晶体管功率放大器 1 变压器耦合甲类功率放大器 电路特征是在输入信号的整个周期内 晶体管均导通 有电流流过 与一般放大器所不同的是其负载不是直接接在晶体管的集电极上 而是通过变压器接入的 故称为变压器耦合的甲类功率放大器 Pomax 负载上得到的交流信号功率 PV 电源提供的直流功率 1 变压器耦合甲类功率放大器 单管甲类功率放大器电源供给的电流是以静态电流ICQ为中心上下变化的 其平均值为ICQ 电源电压为EC 所以电源提供的功率为EC ICQ 负载上得到的最大的正弦波功率则为ICQ EC 2 实际上 由于下列原因 其效率不可能这样高 1 变压器的损耗 变压器初 次级各有导线电阻 它们要损耗能量 变压器的初级磁力线也不可能完全耦合到次级 存在有一定的漏磁 因此也要产生一些损耗 2 晶体管饱和压降也不可能为零 多少都会有一定的功率损耗 3 为稳定工作点 发射极串联有负反馈电阻Re Re也要消耗一定的能量 同时晶体管集电极到发射极之间的电压也要降低 甲类功率放大器实际效率大约只能达到30 多一点 甲类功率放大器存在有各种失真 1 输出特性非线性引起的失真 放大器在小信号工作时 问题不大 但当大信号工作时 晶体管输出特性的非线性失真就不可忽视了 削波失真 当输出信号超出一定范围时 晶体管进入饱和区或截止区 晶体管失去放大作用而出现削波失真 所以在设计功率放大器时 必须留有充分的功率裕量 以减小削波失真 功率裕量即为功率储备量 是指功率放大器的最大不失真功率大于其平均工作功率的倍数 从高保真放音的要求来说 当然希望功率储备量越大越好 但是功率储备量太大 其所需功放板的体积或重量便会也大 造价也随之昂贵 因而 对于一般专业用或家用的高档次音响系统来说 其功放系统的功率储备量应大于20倍 对与一般的电脑音响系统其功率储备量有个2 20倍之间就够了 3 输出变压器引起的失真 这种失真主要是因变压器铁芯的非线性引起的 所以 现在人们更喜欢使用无输出变压器的OTL OCL放大器 甲类功放也有它的优点 它有比较好的表现力 音色细腻 平滑流畅 不存在交越失真 各项电声指标高 2 输入电阻和信号源内阻引起的失真 晶体管输入电阻随信号大小变化也略有变化 由此会引起输出信号的失真 信号源内阻大也会引起失真 由于电源提供的功率不变 是一定的 因而输入电压为零时 效率也为零 输入电压越大 IC的幅值越大 那么负载上获得的功率就越大 消耗在三极管上的功耗就越小 因而转换效率就越高 但是 人们通常希望输入信号为零时电源不提供功率 输入信号越大 负载获得的功率也越大 电源提供的功率也随之增大 从而提高了效率 为了达到这个目的 在输入信号为零时 应使管子处于截止状态 而为了使负载上能获得正弦波 常常需要采用两只管子 在信号的正负半周交替导通 那么两只三极管都工作在乙类放大状态 由于负载仍是通过变压器耦合到放大电路中的 因此而产生了变压器耦合乙类推挽功率放大电路 2乙类推挽功率放大器 图3 7乙类推挽功率放大器 设晶体管b e间的开启电压忽略不计 V1和V2的特性完全相同 输入为正弦波 当输入电压为零时 由于V1和V2的发射结电压为零 均处于截止状态 因而电源提供的功率为零 负载上电压也为零 两只管子的管压降均为EC 当输入信号使变压器的副边电压极性为上 下 时 V1管导通 V2管截止 当输入信号使变压器副边极性变为上 下 时 V1截止 V2导通 当输入信号使变压器的副边电压极性为上 下 时 V1管导通 V2管截止 当输入信号使变压器副边极性变为上 下 时 V1截止 V2导通 图3 7乙类推挽功率放大器 信号通过输入变压器T1 转换成为两个幅度相等 极性相反的信号 两只晶体管分别将其放大 然后在T2上合成 因此负载上能获得正弦波电压 从而获得交流功率 同类型的管子 V1和V2 在电路中交替导通的方式称为 推挽 工作方式 信号通过输入变压器T1 转换成为两个幅度相等 极性相反的信号 两只晶体管分别将其放大 然后在T2上合成 这里信号的正负半周之间出现了无信号的过渡区 这样输出的合成信号就与原输入信号之间产生了失真 这种失真称为 交越失真 并且由于输入 输出都用了变压器耦合 这样会使放大器体积 重量都较大 而且其漏电感及分布电容 杂散磁场等 都会对信号产生干扰和影响 损耗增大 效率降低 所以 目前的功率放大器大都采用无输出变压器的电路 即OTL电路 3 OTL功率放大电路 交越失真是乙类推挽功率放大器较为明显的问题 3 OTL功率放大电路OTL功率放大电路属于互补推挽电路的一种 由NPN和PNP两个三极管构成 并且两个三极管的特性对称 设电容容量足够大 则可对交流信号短路 当输入电压为正弦波时 对于usr的正半周V1 NPN 管导通而V2管截止 产生电流iC1从左向右流经负载RL 电容充电 对于usr的负半周 V1截止而V2导通 电容放电产生电流iC2从右向左流经负载RL 从而在负载RL上得到一个完整的放大了的输出信号 3 OTL功率放大电路OTL功率放大电路属于互补推挽电路的一种 V1 V2分别在输入信号的作用下 轮流导通和截止 不同类型的两只晶体管交替工作 且均组成射极输出形式的电路称为 互补 电路 两只管子的这种交替工作方式称为 互补 工作方式 C0则分别工作在充电和放电的状态 由于这个充放电时间很短 且C0的容量很大 所以C0上的电压基本保持不变 C0的选择往往与扬声器RL的阻抗和放大器的工作下限频率fL有关 一般要求 当放大器的级数增多时 由于各级对低频的衰减会增加 C0的值还要取大一些 一般为470 2200 F OTL电路比变压器耦合电路有了很大的改进 但从高保真的角度看 仍有许多不足之处 主要表现为瞬态互调失真大 开环增益指标差 稳定性不好 谐波失真大 有残留交流声等 这些缺点是由于电路中的电抗元件和电路的不对称引起的 为了避免OTL电路中输出电容对电路造成的不良影响 现在 在音频功率放大器中普遍采用无输出电容电路 即OCL电路 又称直接耦合互补倒相功率放大器 4 OCL功率放大电路 图3 10OCL功放电路 4 OCL功率放大电路 摒弃了输出电容 如图所示 称为无输出电容的功率放大电路 V3和V2构成互补对称电路 推动功率放大输出 电路采用对称的正 负两组电源供电 使两只互补功放管能够轮流工作 其工作原理与OTL电路的相同 省去输出电容以后 OCL电路输出的中点电位是零电位 因为这时输出与扬声器是直接耦合 若输出级中点电位不为零的话 将有直流流入扬声器 使音圈偏离中点 产生额外的失真 严重者将烧坏扬声器 所以OCL电路的中心点必须确保直流零电位 由于OCL电路各级晶体管间均采用直接耦合 温度的变化 电源电压的波动 都会产生零点漂移现象 使OCL电路输出端中点产生偏离 使电路性能恶化 因此 OCL电路往往在前级采用温度稳定性较好的差动放大电路来克服零点漂移现象的产生 图3 11OCL功放电路 V1 V2作为差动输入放大 V23是激励级 V24V25V26V27组成了准互补对称输出 信号从V1的基极输入 经放大后从V1的集电极耦合到V23管的基极 再经V23放大到足够的幅度 去激励准互补对称的V24V25V26V27 作功率输出 级间负反馈从输出端通过R112反馈到差动输入级V2的基极 反馈量很大 再加上差动输入级具有的高稳定性 从而保证了OCL电路输出了稳定电平 V1 V2 由于OCL电路采用正负对称电源 差动输入放大等措施 使输出端的直流电位为0V 目前多数专业功率放大器采用OCL电路 OCL是从OTL电路的基础上发展起来的 它从以下几个方面对电路进行了改善 1 改善低频特性 由于OTL电路的输出电容在低频时的容抗很大 当它与低阻扬声器串联时 会使放大器的低频输出下降 去掉OTL电路的输出电容会改善低频特性 2 有利电路的稳定 OTL电路的级间反馈虽然能改善小功率输出时的低频效应 但不能解决功率带宽的问题 再加上OTL电路的输出电容会使输出低频信号时产生相当大的相移 使放大器的工作不稳定 甚至自激 去掉OTL的输出电容有利电路的稳定 3 克服失真 在频率很低时 由于扬声器对电源不对称 对应于信号的正负半周时 与扬声器串联的电容容量并不一致 这便使流过扬声器的输出电流正负幅度不同 产生失真 去掉OTL电路的输出电容有利于克服失真 4 避开浪涌电流 在开 关机的瞬间 由于输出电容的充放电 会使扬声器及输出晶体管受到相当大的浪涌电流冲击 去掉OTL电路的输出电容可避开浪涌电流 为防止此冲击电流烧坏扬声器 有的电路增加了延时通断继电器 5 DC功率放大电路 针对OTL和OCL电路的缺点 近年来在大功率放大器中较多采用全对称的OCL电路 亦称DC电路 DC电路是在OCL电路基