多通道電子音頻分頻放大器的設(shè)計(jì)與制作

多通道電子音頻分頻放大器的設(shè)計(jì)與制作

　　自從數(shù)字技術(shù)進(jìn)入音頻領(lǐng)域，音源和輸入系統(tǒng)的音質(zhì)得到了很大的改善，前置放大器變成幾乎只是音源選擇開(kāi)關(guān)和音量電位器的簡(jiǎn)單東西。但與此相反，輸出系統(tǒng)卻與模擬時(shí)代時(shí)一樣變化不大，其原因因主要是揚(yáng)聲器的 原理并無(wú)大變。由于聲頻范圍寬至九至十個(gè)倍頻程，要使揚(yáng)聲器的振動(dòng)系統(tǒng)在如此寬的頻率范圍內(nèi)，完全線性地按照電信號(hào)振動(dòng)十分困難，再要求具有線性的聲輻射 特性.幾乎是不可能的。

一個(gè)解決的途徑是把聲頻范圍分成數(shù)段.再用數(shù)只揚(yáng)聲器分段放音，這即是多揚(yáng)聲器系統(tǒng)，常見(jiàn)的是二單元和三單元系統(tǒng)。但是分割頻帶需 要分頻網(wǎng)絡(luò)，一般是在功率放大器和揚(yáng)聲器之間插入 L 、 C 濾波器。 由于揚(yáng)聲器并非純電阻成分，給分頻器的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，不易得到良好的性能;且優(yōu)質(zhì)的分頻器需要選用優(yōu)質(zhì)的電感器和電容器，價(jià)格不菲。

此外，由于各種揚(yáng)聲器 的效率不同 ( 高音揚(yáng)聲器比低音揚(yáng)聲器約高 6 分貝 ) ，為了平衡整個(gè)頻帶的聲壓，需要在分頻器中插入衰減器，以降低高效率揚(yáng)聲器的電平.其結(jié)果是整個(gè)揚(yáng)聲器系統(tǒng)成為幾個(gè)最低效率揚(yáng)聲器的組合。

　　為了改變這種情況，產(chǎn)生了多通道放大器方式。

　　在前置放大器之后用有源濾波器分割頻帶，各頻段有自己的功率放大器和揚(yáng)聲器，各頻段的電平在各功率放大器之前用電位器調(diào)整。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn) 的，它取消了前述 LC 網(wǎng)絡(luò)，又能有效地利用各個(gè)揚(yáng)聲器的效率;同時(shí)，也降低了對(duì)功率放大器的頻率要求，輸出功率也可以小一些;這種結(jié)構(gòu)示于圖 1 ，其關(guān)鍵電路是有源濾波器。

　　

　　濾波器有低通、高通、帶通濾波器以及帶阻濾波器。低通濾波器容許從零頻至其截止頻率的分量通過(guò) ; 而阻止高于截止頻率的分量;高通濾波器阻止低于其截止頻率的分量，而容許高于它的分量通過(guò)：帶通濾波器容許界于其低截止頻率和高截止頻率之間的頻率分量通 過(guò)，而阻止這一頻率范圍外的所有頻率分量。

　　使用運(yùn)算放大器的有源濾波器可以取消電感元件，并能獲得電壓或電流增益。按濾波器截止特性不同可分為貝塞爾型、契比雪夫型和巴特沃斯型.其特性曲線見(jiàn) 圖 2 ，主要表現(xiàn)在截止頻率附近.貝塞爾型下降緩慢，契比雪夫型下降陡峭，而巴特沃斯型界于二者之間。截止特性通常用 l 倍頻程的衰減量為多少分貝來(lái)表示，二階濾波器的每倍頻程衰減量為 12 分貝，三階濾波器為 18 分貝.圖 3 是標(biāo)準(zhǔn)的巴特沃斯二階有源濾波器。圖 3a 為低通濾波器，其計(jì)算公式如下：

　　

　　R1 實(shí)際選取 18k Ω， R2 實(shí)際選取 9.1k Ω， C 實(shí)際選取 2200pF 和 270pF 并聯(lián)。

　　圖 4 是一款音頻用 12 分貝三通道電子分頻器的原理圖。選用多通道前級(jí)分頻比在功率放大器后分頻更能獲得良好的音質(zhì)。三通道分頻的頻率范圍分別是低頻～ 500Hz ：

　　中頻 500Hz~5kHz ;高頻 5kHZ 。它們合成的頻率特性示于圖 5 。

　　

　　其低頻濾波器和高頻濾波器即是前而的設(shè)計(jì)例：中頻采用了帶通濾波器.由一級(jí)高通濾波器和一級(jí)低通濾波器組合而成.其 R 、 C 的計(jì)算與設(shè)計(jì)例相同。這里把低通濾波器設(shè)置在高通濾波器之后可以減少殘留噪聲，在濾波器之前設(shè)置一緩沖器有利于與音源的匹配，其輸入端的 1k Ω和 150pF 用于限制輸入信號(hào)的帶寬：各濾波器的輸出端均用 1k Ω的 10 圈線繞電位器作輸出電平調(diào)整。

　　三路濾波器的輸出信號(hào)分別接至相同的三個(gè)功率放大器，其電路示于圖 6 。首先用輸入級(jí)為 FET 的運(yùn)放 LF357 作電流緩沖，末級(jí)功放管采用高頻特性好的 MOSFET ，偏置電路用二極管和電阻構(gòu)成.利用半可變電阻 VR2 設(shè)置靜態(tài)電流，靜態(tài)電流的測(cè)定可在無(wú)信號(hào)時(shí)測(cè)量源級(jí)電阻 (0.47 Ω ) 兩端電壓。然后利用公式 I="U" / R 算出。末級(jí)負(fù)反饋從 MOSFET 的源極加到運(yùn)放的反相端。由于用作驅(qū)動(dòng)的運(yùn)算放大器的電源電壓不能過(guò)高，限制了功放的最大輸出。如運(yùn)放電源電壓為± 15V ，驅(qū)動(dòng)級(jí)最大輸出電壓為土 12V=24V ，揚(yáng)聲器阻抗 RL="8" Ω，則末級(jí)最大輸出功率 P="Vcc" × (VCC / 8RL)=24 × 24 / 64=9W 。這個(gè)功率似乎偏小，但實(shí)際上這只是一個(gè)頻段的輸出功率，加上另外兩個(gè)頻段的輸出功率，已完全適用。

　　

　　圖 6 中，功放輸出端的 Rx 、 Cx 及 LY 、 RY 是為穩(wěn)定電路工作而設(shè)。由于揚(yáng)聲器不是純電阻成分，在頻率升高時(shí)，其電感成分會(huì)變大，相當(dāng)于高頻負(fù)荷變輕、高頻增益提高，可能引起電路振蕩;加入相當(dāng)于高頻負(fù)荷的 Rx ，就能避免振蕩。

　　當(dāng)用較長(zhǎng)的電纜連接功放和揚(yáng)聲器時(shí)，由于電纜電容的存在.會(huì)加重高頻負(fù)荷，使功放工作不穩(wěn)定;加入 LY ， RY ，可避免這種情況。 LY 和 RY 是用直徑 1mm 漆包銅線在 101 Ω 5W 碳膜電阻上密繞 10 匝而成。

　　為了保護(hù)揚(yáng)聲器，在各功放的輸出端要串人 2A 的熔絲，在高頻通道，還要在功放和揚(yáng)聲器之間串人 2.5 μ F 的聚丙烯電容器，以保護(hù)高頻揚(yáng)聲器。

　　各通道濾波器只要電阻、電容的數(shù)字準(zhǔn)確.一般不需調(diào)試.功率放大器的調(diào)整：在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)調(diào)整 VR1 使輸出電壓為 0V ，然后調(diào)整 VR2 使源級(jí)電阻 0.47 Ω兩端電壓為 0.1V( 約 200mA) 即可。