音响系统中设备间连接的阻抗关系（下）

hififei · 发表于 2010-5-5 10:35:47

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对于这个问题要综合考虑来决定输入阻抗到底取多大比较合适，拿调音台输入通道的两个输入口来说，分为传声器输入口和线路输入口，其中传声器输入口属于低电平、低输入阻抗口，而线路输入口属于高电平、高输入阻抗口。传声器接收声信号后转变成的电压信号属于低电平信号，一般动圈传声器的灵敏度在1-2mV/Pa之间，一般电容传声器的灵敏度在10-20mV/Pa之间。声源加到传声器的声压级动态范围比较宽，声压级大时达到一百多dB，声压级小时只有几十dB。以语言为例，一般作报告时，讲话者加到传声器的直达声声压级大多在68dB左右，或者说声压在0.05Pa左右，以动圈传声器灵敏度为1mV/Pa来说，相当于传声器输出信号电压在50uV左右；以动圈传声器灵敏度为2mV/Pa来说，相当于传声器输出信号电压在100uV左右；以电容传声器灵敏度为10mV/Pa来说，相当于传声器输出信号电压在500uv左右；以电容传声器灵敏度为20mV/Pa来说，相当于传声器输出信号电压在1mV左右。从以上数据中可以看出，如果讲话者说话加到传声器的直达声声压级在68dB左右，即便是大振膜电容传声器的输出信号电压也就是1mV左右，属于小信号输出，对于低灵敏度的动圈传声器而言，输出信号电压只有50uV左右，属于极小的电压信号，这样势必要求设备（调音台）的传声器输入口应该是等效输入噪声电平极低的，否则信噪比就可能很低，甚至于降低到不能容忍的程度。为了使调音台输入通道传声器输入口的等效输入噪声电平足够低，就不得不减小此输入口的输入阻抗，所以一般调音台输入通道的传声器输入口的输入阻抗都设计得不高，例如，YAMAHA的Mg32、MR842、MW12、PM12(X)型调音台的输入通道传声器输入口的阻抗为3kΩ ；YAMAHA的MC2404型调音台的输入通道传声器输人口的阻抗为4kΩ ；声艺的LX7、SPIRIT 8、live4型调音台的输入通道传声器输人口的阻抗为1.8kΩ 声艺的ghost、Digita1324、MH4、3、FIVE、FOUR、K3、K2、TWO等型号调音台的输入通道传声器输人口的阻抗为2kΩ；声艺的B800、K1型调音台的输入通道传声器输入口的阻抗为1.5kΩ。按照IEC新的标准要求，调音台传声器输人口的输入阻抗应该不小于传声器输出阻抗的5倍，那么对于输出阻抗为200Ω的传声器而言，调音台输入通道的传声器输入口输入阻抗应该不小于lkΩ，对于输出阻抗为600Ω的传声器而言，调音台输入通道的传声器输人口输入阻抗应该不小于3kΩ。按照公式2可知，如果调音台输入阻抗为1Ω ，传声器输出阻抗为2Ω ，则根据公式2可计算得到电压传输系数差不多是0.83；如果调音台输入阻抗为3000Ω，传声器输阻抗为200Ω，则电压传输系数差不多是0.94；如果调音台输入阻抗为3000Ω，传声器输出阻抗为6Ω，则电压传输系数差不多也是0.83，可见选用低输出阻抗的传声器可以提高电压传输效率。可是对于动圈传声器来说，降低输出阻抗的同时，也可能降低了传声器的灵敏度，如果能选用输出阻抗低（例如200Ω），同时灵敏度又比较高的传声器显然是有利的。
调音台的传声器输入口的等效输入噪声电平大部分为-128dB(例如YAMAHA的MC2404、Mg32、MR842、声艺的B800、MH4、3等型号)，还有不少调音台的传声器输入口的等效输入噪声电平是-127dB(例如声艺的SM20、Digita1324、RMld等型号调音台)，也有一些调音台的传声器输人口的等效输入噪声电平为-129dB(例如声艺的SPIRIT 8、live4、ghost等型号调音台)。调音台的传声器输人口的等效输入噪声电平为-129dB，则相当于调音台传声器输入端的等效输入噪声电压为0.275uV；调音台的传声器输人口的等效输入噪声电平为-128dB，则相当于调音台传声器输入端的等效输入噪声电压为0.309uV；调音台的传声器输人口的等效输入噪声电平为-127dB，则相当于调音台传声器输入端的等效输入噪声电压为0.346uV。我们初略地认为调音台传声器输入端平均等效输入噪声电压为0.35uV，如前面假定作报告时到达传声器的直达声声压级是68dB，传声器的灵敏度为1mVPa，则传声器输出电压为50uV左右，那么此时信噪比大约在43dB，还可以勉强接受，如果传声器的灵敏度高一些，则信噪比将相应提高，传声器灵敏度提高10dB，则理论上信噪比也将提高10dB。
上面所说的调音台输入通道的传声器输人口的等效输入噪声电平的测试条件规定的源阻抗值，除个别型号规定为2Ω的，如声艺的SM20(-127dB)、FIVE、FOUR(-127.5dB)等型号调音台外，大部分测试条件是规定源阻抗为150Ω，小于通常的传声器输出阻抗200Ω，更小于600Ω了。一般来说测试时规定的源阻抗越小，测试得到的等效噪声电压就越小，实际的200Ω或600Ω输出阻抗的传声器接人调音台输人口后的等效噪声电压会比指标值大一些，也就是接上实际的传声器后的信噪比会低一些。如果调音台输入通道的传声器输人口的阻抗提高，则将造成调音台传声器输人口的等效输入噪声电压变大，也就是信噪比会降低，所以厂家一般都不将调音输入通道的传声器输人口的输入阻抗设计得很大。上述举例这些型号调音台输入通道的线路输入口的输入阻抗普遍为10kΩ，只有极个别型号为8kΩ（例如声艺的RMld型调音台）或15kΩ（例如声艺的ghost型调音台）。因为输入到线路输入口的信号电平一般能达到-10dBm左右，也就是输入电压达到245mV左右，例如JVC，TD-W254卡座的输出电压是300mV；天龙dn780R卡座的输出电压775mV；SONY出的MDS-E12型MD机的输出电平是+10dBm；飞利浦可录CD机CDR795的输出电压是2V，所以即使调音台线路输入口的输入阻抗高一些，引入的噪声电压稍微大一些，但是由于输入信号电压已经比较大了，所以信噪比还是能达到较高水平。

4 源阻抗与负载阻抗的选定原则

至于定阻功率放大器输出与定阻扬声器系统输入之间不属于电压传输，而是功率传输问题。按照电工原理一般理论，认为当源阻抗和负载阻抗相等时，负载上将能得到最大功率，事实上这个理论在定阻音频功率放大器与定阻扬声器系统的配接中是不适用的。

定阻输出功率放大器与定阻扬声器系统之间不适用阻抗匹配功率高的概念，因为目前的定阻输出功率放大器的输出阻抗都非常小，远远低于其规定的额定负载阻抗，定阻输出功率放大器的输出阻抗一般都小于0.1Ω 。根据定阻输出功率放大器技术指标“阻尼系数”的定义，假定定阻输出功率放大器的额定负载阻抗以8Ω为基准，定阻输出功率放大器的阻尼系数为100时，其输出阻抗小于等于0.08Ω，当阻尼系数为400时，其输出阻抗小于等于0.02Ω 。如果一定要使定阻输出功率放大器的输出阻抗等于负载阻抗8Ω ，则阻尼系数将变得非常小（等于1），声音混浊；二则接上负载后，负载上的电压将只有开路时的一半，输出功率减小到按照开路输出电压计算的输出功率的四分之一；如果一定要使负载阻抗和定阻输出功率放大器的输出阻抗一样小于0.1Ω ，则等于将功率放大器的输出端短路，可能会损坏功率放大器。定阻输出功率放大器的输出功率受到设计的最大输出电压和最大输出电流的制约。

由于定阻输出功率放大器内部放大电路的直流工作电压(±vcc)在设计时已经根据技术指标确定在某一电压值，超过设计规定的输出电压将引起信号被削波。举例来说，在8Ω负载上的额定输出功率为300w，则按照计算可知额定输出时8Ω负载上的电压有效值约为49v，峰值约为69V多。随着输出电流增大，功率输出管管压降和串联在输出管发射极电路中的负反馈兼输出电流取样电阻上的电压降也随着增大，所以一般设计成正负电源电压在±80V左右或稍大一些，例如设计为±80V，那么最大输出信号的峰值肯定要小于±80V，实际上当峰值超过±70V稍微多一点时就可能产生削波现象了（至于超过多少产生削波与功率放大器电源容量设计大小有关）；超过设计规定的最大输出电流，将被内部保护电路限制，因而不能超过设计允许的最大输出电流，并且还可能损坏功率放大器的器件，尤其是输出功率管容易损坏。例如还是上面所举例子，在8Ω负载上额定300W功率，则其输出峰值电流约为8.7A，设计时就设定了保护工作点（过载保护）的电流值，例如取10A作为最大输出电流的峰值（此时峰值输出功率约800w，正弦波有效值输出功率约400W)，那么一旦输出电流峰值超过10A,保护电路就起作用，启动分流限制电路，保证输出电流不超过设计允许最大值，事实上想让输出电流无限制地增大是做不到的。实际上传统的功率放大器的供给输出级的直流工作电源电压(±VcC)是由不稳压的电源提供的，在输出电流增大时，直流工作电源电压(±vcc)会随输出电流的增大而降低，这主要是由下面几个因素造成的，一个是输出电流增大时，电源变压器原、副边绕组电阻（铜阻）上的阻性压降增大，使得原边输入电压用于绕组上产生磁通的电压降低和副边绕组的内部压降增大，两个因素均促使副边输出电压降低；第二个是随着输出电流的增大，整流直流电源中的大容量滤波电容器（也是储能电容器）单位时间（或者说半个电源周期）内释放的能量增大而引起大容量滤波电容器两端的电压降低，所以在输出功率很大时，也就是输出电流增大时供给输出级的直流供电电压(±vcc)也在降低。再加上随着输出电流增大，功率输出晶体管上的管压降也会增大，串联在输出管发射极的负反馈兼输出电流取样电阻（一般在0.33Ω上下，额定输出功率越大，则此电阻的阻值就取得小一些）上的压降也增大，从而使最大不失真输出功率比根据轻负载时测量得到的直流工作电源电压(±Vcc)所计算出来的最大不失真输出功率要小。

hififei · 发表于 2010-5-10 11:39:52

至于SJ2112-82标准所列出的输入阻抗优选值和输出阻抗优选值大都为600Ω ，主要是为了检测设备指标时有一个标准，例如测试调音台主输出通道的最大输出电压时，在调音台主输出端需接一个假负载，那么这个假负载接多大合适呢，需要有一个统一的规定，才能保证各型号调音台的同一指标具有可比性，所以规定接在调音台主输出通道的负载阻抗优选值为600Ω，但是调音台实际上的负载阻抗远远大于这个600Ω的优选值，一般都大于等于10kΩ，实际上接在调音台主输出口的下级设备通常是均衡器或压限器等周边设备，这些周边设备的输入阻抗一般都大于等于10kΩ ，同样调音台其他输出口（例如编组输出、单声道输出等）的实际负载阻抗一般也是大于等于10kΩ的。同样对于设备信噪比这一指标的测试时，需要规定一个接在设备输入端的源阻抗值，例如测试功率放大器信噪比时，就规定接在功率放大器输入端的源阻抗优选值为600Ω ，正因为有了这个统一的源阻抗值，各型号功率放大器之间的信噪比这个指标才有可比性，因为功率放大器输入端所接源阻抗值不同，功率放大器的输出噪声电压值也会改变的，如果没有统一规定，这台功率放大器测试时输入端短路，那台功率放大器测试时输入端开路，另外一台功率放大器测试时输入端接50Ω源阻抗，又有一台功率放大器测试时输入端接2kΩ源阻抗，那么测试出来这几台功率放大器的噪声电压就不具备可比性。同理，测试所有其他音响设备时的接人等效源阻抗和等效负载阻抗也需要规范，通常规定的优选值是600Ω，所以说这个600Ω优选值只是为了测试指标时统一规范，使测试参数具有可比性，而不是真的要求实际使用时接入的实际源阻抗和实际负载阻抗应该按照这个600Ω作为优选值来选取，如果都选取600Ω 的话，设备之间的电压传输效率就会非常的低，输入端和输出端的电压传输系数都只有0.5。
基于同样原因，设备最大输出电平的指标就有了dBm和dBu之分。所谓dBm是指测试输出信号电压值时，在设备输出端接一个阻值为600Ω 的假负载；所谓dBu是指测试输出信号电压值时，设备输出端开路，不接假负载电阻。由于前述指出，有些设备生产厂家设计设备时有意识地在输出端串接小电阻来防止设备输出端被意外短路时损坏设备内部的输出器件，所以规定线路输出的输出阻抗不是太小，例如200Ω ，其实由于这些设备的线路输出口要求下一级设备的输入阻抗不小于10kΩ ，按照公式(2)计算的电压传输系数比较大，电压传输系数达到0.98，非常接近于1;而当测试时接6Ω假负载，则其电压传输系数就变成0.75了，所以这些设备的最大输出电平就不以dBm标注，而以dBu标注，这样更接近于实际使用状态的电压传输系数。例如某调音台技术指标中规定最大输出电平≥+20dBu，则表明测试时，在输出端开路情况下，输出正弦波电压为7.75V时谐波失真不超过指标规定值；如果某调音台技术指标中规定最大输出电平≥+20dBm，则表明测试时，在输出端接600Ω假负载情况下，输出正弦波电压为7.75V时谐波失真不超过指标规定值，显然在同样输出电平值的情况下，dBm规定比dBu规定要求严一些，因为在+20dBm输出时需要输出将近13mA的有效值电流，但是选用dBu的规定更符合实际使用状态。

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