高品质电子分频有源音响系统制作教程DIR [复制链接]

1．级前分频与级后分频在工作原理上具有何不同
1995年第10期《音响世界》杂志发表了我写的文章“胆石之争可以休矣”，在该文中已经特别说明高声频信号的波幅是叠加在低音频信号的波幅之上，人们只要用示波器观察一下实际的音频电压波形就会证实这一特征。假定某一音频信号中含有14kHz、 5kHz、100Hz三个频率成分，并且三个频率的幅值都相同。采用级前三分频功放电路，分别由高、中、低三个单元放大器对上述频率进行放大，每个单元放大器的输出功率都相同为P，总的输出功率即等于3 P。若是采用级后分频方式，只用一个功率放大器对上述三个音频信号进行放大，高、中、低三个频率的输出功率相同也分别为P，功率放大器总的输出功率将等于9P！其中2/3的输出功率将被连在喇叭之前的电容器与电感器分频网络所占去。虽然电抗元件不消耗电能，它们占去的功率属于无功功率，但由此将要求功率放大器的输出功率比实际被有效转换成声波的有功功率大二倍。请注意，如果改采用单只全频喇叭进行重放，功率放大器输出的所有功率都全部加在这个喇叭上，其中的2/3功率是强迫喇叭做三个音频信号的互调振动形成互调失真。什么是互调失真？人们在喇叭上按标注的正负极加上0.5V直流电压，喇叭振动盆就会朝前运动凸起。若反向施加0.5V的直流电压，喇叭振动盆就朝后方向运动凹下。当OCL输出方式的功率放大器输出端静态电平明显偏离中点电平或以BTL输出方式的功率放大器两个输出端静态电平明显不对称时，就会存在直流电压施加在喇叭上的情况。当施加在喇叭上的直流电压达到0.5V时，播放出的声音将使人感到别扭不自然。原因就是喇叭振动盆已明显偏离机械平衡位置，导致振动盆在正弦波交变信号驱动下产生的往复运动不能保持对称，从而使还原的声音出现不应有的异常感受。所以，必须限定从功率放大器输出端加在喇叭上的静态直流电压不得超过0.2V。然而当喇叭工作于两个相差几倍频率的复合信号时，相对于较高频率声音来说，喇叭是处在明显偏离机械平衡位置上做往复运动不能保持振动幅度对称，还原出来的高频率声音将出现不应有的异常感受，其结果就是使本应该正常还原的声音变得混浊不清。实际上，两个声频只要相差达到5倍，高频率信号波幅就完全叠加在低频率信号的波幅之上。减小两个不同频率声音在还原时产生严重互调失真的唯一有效办法，就是使用多只喇叭分别负责一段声频的播放工作。这与采用级前分频与级后分频方式无关！差别只是级前分频容易实现，级后分频则很难把超过二分频以上的多分频喇叭组合设计好。我曾经用一台每声道总输出功率不超过20W的电子三分频有源音响与一台每声道输出功率为80W的级后分频组合音响作过实听对比。两套音响都调节到喇叭输出声压平均为95dB的状况下，用同一台CD机播放同一张唱片上的交响乐“黄河”第一段。前者给人的感受是各种器乐声音层次清晰，节奏平稳；而后者则使人感到同一段交响乐的演奏节奏明显变得急促起来，各种器乐声音也难易分辨清楚。它表明，要使级后分频方式达到级前分频方式同样的还声质量水平，放大器的额定输出功率还需要设计得更大。实际需要相差超过5倍以上才行。曾有人误以为级后分频器是吃掉输出功率的罪魁祸首，想把它去掉，只用一个全频喇叭工作，放大器的所有输出功率便会得到全部利用。却不知道仅用一只全频带喇叭的音响系统存在最严重的互调失真问题，不使用分频器非但不会带来好处，反而会使喇叭承受更大的不利驱动压力。为避免严重的互调失真导致声音变混浊，单只全频带喇叭音响系统仅适合播放声音组成频率狭窄的音源，例如播放单音变化的警报声音表现最出色。

2．级前分频至少应采用多少段分频方式
为了尽可能减少互调失真导致重放声音变混浊，即便使用理想化的全音喇叭进行还声，也应将全声频按照相差不超过3倍频率关系进行分段播放。即需按照20Hz～60Hz、60Hz～180Hz、180Hz～540Hz、540Hz～1620Hz、1620Hz～4860Hz、4860Hz～14580Hz、14580Hz～20KHz七段声频分别用七个喇叭进行重放。由于14580Hz～20KHz在实际声音中所占比例很小，无需单独使用一个喇叭来重放。再根据不同结构的喇叭工作于各个声频的最佳表现状况，可将整个声频划分为20Hz～200Hz、200Hz～500Hz、500Hz～1500Hz、1500Hz～5000Hz、5000Hz～10000Hz、10KHz～20KHz六段声频分别用六个喇叭进行重放。当受到实际制作条件所限制时，500Hz以下低音需根据情况确定是否进行分段重放。迄今为止，即便是对音质要求很高的专业人士，也很少有条件制作超出5分频的音响系统。权衡之下，多按照20Hz～200Hz、200Hz～1500Hz、1500Hz～5000Hz、5000Hz～10000Hz、10KHz～20KHz五段声频分别用五个喇叭进行重放。由于级后分频方式已经很难把三分频的喇叭组合设计好，更别说把超过三分频的喇叭组合设计好，所以才不得不在大多数情况下采用二分频喇叭组合。然而，没有任何喇叭能把低音与中高音都还原良好，二分频喇叭组合存在十分明显的缺陷。如果把分频点设计在3KHz之上，低音喇叭在中高音的表现不佳；如果把分频点设计在3KHz之下，高音喇叭在中音区的输出声压又明显不足。若再把互调失真考虑进去，级后二分频喇叭组合必然比采用级前分频方式的三分频喇叭组合表现水平差许多。除非是因为缺少中音喇叭单元，级前分频决不要采用少于三分频的方式！否则，级前分频并不比级后分频有明显优势。与此同时，当级前分频采用起点为最少的三分频方式时，中高音分频点选择为5KHz～7KHz，中低音分频点选择为1500Hz～2KHz，在低音单元口径不大于8吋情况下，几乎所有高、中、低音喇叭都能够在给定的声频范围内正常工作，不会发生二分频系统中的喇叭组合困难。

3．需要澄清的误解
对电路设计不够精通的人，往往以级前分频难以更改分频点，不适合各种二分频喇叭组合音箱使用来指责级前电子分频存在不能通用的缺陷。事实上，若只是要达到让各种二分频喇叭组合音箱都能使用的要求，人们可以采用两阶有源低通与反相后再相加得到高通的分频电路。把两阶有源低通输入端上的两只同阻值电阻换成各串联一只5.1K固定电阻的20K双联电位器，就能使分频点在f～5f之间连续可调。由于二分频喇叭组合音箱的分频点多在2KHz以上，7KHz以下，当分频点能够在f＝1600Hz、5f＝8KHz的范围内任何选定时，并不存在分频电路不通用的事情。即便要采用三阶有源滤波电路，也可以使用三联电位器来调节分频点。根据实测结果，使用三阶有源滤波电路与反相后再相加得到另一通道的电路也未发生某些频率被加大幅度的情况。而对二分频喇叭组合音箱，使用二阶有源滤波电路已经足够。即便是三分频方式，采用反相后再相加得到中音通道的加法电路，也没有可感觉出来的问题。唯一出乎意料的是，将全音频反相后与低通、高通信号相加，得到的中音带通信号幅度只有输入信号幅度的2/5，也即比低通、高通输出信号幅度要小3/5，并不是与低通、高通输出信号幅度一样大。这使得连在后面的中音单元放大器必须比高音单元放大器和低音单元放大器的电压放大倍率高1.5倍，才能在中音单元放大器输出端得到相同幅度的电压幅值。这个现象在我自87年开始研制电子分频放大器后的7年中一直没有找到中音响度比低音和高音相对要低8dB的原因，曾以为是电子分频放大器本身具有的特点。直到后来采用示波器对电路上各个环节进行检测之后，才发现问题出在经加法电路得到的中音幅度只有输入信号的2/5，必须在后级功放做相应的放大补偿，才能使高、中、低音喇叭的输出声压达到一致。没有实践经验的人，误以为制做电子分频放大器需要对每个声频进行实听测试，这其实是一个严重误解。无论是级后分频音响系统，还是级前分频音响系统，每个喇叭本身的声压频率特性曲线都与放大电路无关，并且喇叭的声压频率特性曲线不是理想化直线，上下起伏能保持在±2dB范围内已经是很良好的使用区间。所以，人们只能根据喇叭在工作频段的平均灵敏度，调整各个单元放大器的输出电压幅度与所驱动的喇叭匹配。当高、中、低各单元喇叭的平均灵敏度都相同时，高、中、低各个单元放大器的输出电压幅度也要求相同。人们只要用接近10KHz、4KHz、400Hz的三个同幅度信号分别验证高、中、低各个单元放大器的输出电压幅度相同就OK。如果使用的某个单元喇叭灵敏度偏低或偏高，可以通过提高或降低相应的单元放大器电压放大倍率进行匹配。然而，由于实际使用环境会导致各个频率的声压变化高达±10dB，高音和低音相对于中音的声压误差在±3dB之内并不会产生好坏差别，因此对高、中、低各个单元喇叭的平均灵敏度要求，实际可放宽到相差±2dB之内。以中音喇叭平均灵敏度为90dB来说，高音喇叭和低音喇叭的平均灵敏度在88dB～92dB之间，都不需要再对各个单元放大器的输出电压幅度进行调整，全部以相同的幅度进行输出。真正需要作出严格检测的是分频电路的元件参数是否达到实际需要的设计要求，这个工作是电路设计人员应该完成的事情，一旦验证符合要求，使用者只要按照要求采购符合要求参数的元件进行组装即可，并不需要每个使用者再去对每个频率的衰减状况进行检测。如果元件出现大的参数错误，也会在用10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度信号分别进行检测时发现问题。正确状况下，高音放大器对10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度输入信号的输出幅度应该表现为：4KHz幅度约为10KHz幅度的一半，而400Hz幅度应该不到10KHz幅度的1/10；同样，低音放大器对10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度输入信号的输出幅度应该表现为：4KHz幅度约为400Hz幅度的一小半，而10KHz幅度应该不到400Hz幅度的1/10；中音放大器对10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度输入信号的输出幅度应该表现为：10KHz幅度约为4KHz幅度的一半，400Hz幅度只有4KHz幅度的一小半。当高、中、低各段声频的上下分频点实际相差±10时，并不会对综合表现结果产生可感觉出来明显影响。

4．必须纠正的混淆概念
自90年代开始流行3D系统之时，就有商家出于自身利益，故意制造混淆视听的概念。按照他们的宣传，低音是没有方向性的声波，因此左右声道只需要合用一只低音单元，并且将它随意摆放在室内任何位置都一样。关于低音没有方向性的理论根据，是源于低音波长比人的头部直径要大得多，左右耳朵听到的低音声压强度几乎完全相同，因而分辨不出低音来自那个方向。人们如果是用耳机来听立体声播音，当左右耳朵听到的低音声压强度相同时，确实分辨不出低音来自何方向。左右耳朵听到的低音必须具有声压强度差别，才能分辨低音来自偏向左或右方一侧，并且分辨不出是来自前方还是来自后方。但用两只音箱对立体声进行播放，左右音箱发出的低音声压强度相同，也会根据存在的相位差使合成声波前进方向按照相位差确定的方向前进。人体的听觉神经虽然区分不了左右耳朵接受到的声波相位差，却可以根据人体各部分皮肤感觉到的声波压力差别分辨出低音来自空间某个方位。所以，Hi-Fi音响的低音重放决不能使用耳机，更不能把左右两个声道合用一只低音单元。

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3．需要澄清的误解
对电路设计不够精通的人，往往以级前分频难以更改分频点，不适合各种二分频喇叭组合音箱使用来指责级前电子分频存在不能通用的缺陷。事实上，若只是要达到让各种二分频喇叭组合音箱都能使用的要求，人们可以采用两阶有源低通与反相后再相加得到高通的分频电路。把两阶有源低通输入端上的两只同阻值电阻换成各串联一只5.1K固定电阻的20K双联电位器，就能使分频点在f～5f之间连续可调。由于二分频喇叭组合音箱的分频点多在2KHz以上，7KHz以下，当分频点能够在f＝1600Hz、5f＝8KHz的范围内任何选定时，并不存在分频电路不通用的事情。即便要采用三阶有源滤波电路，也可以使用三联电位器来调节分频点。根据实测结果，使用三阶有源滤波电路与反相后再相加得到另一通道的电路并未发生某些频率被加大幅度的情况。而对二分频喇叭组合音箱，使用二阶有源滤波电路已经足够。即便是三分频方式，采用反相后再相加得到中音通道的加法电路，也没有可感觉出来的问题。唯一出乎意料的是，将全音频反相后与低通、高通信号相加，得到的中音带通信号幅度只有输入信号幅度的2/5，也即比低通、高通输出信号幅度要小3/5，并不是与低通、高通输出信号幅度一样大。这使得连在后面的中音单元放大器必须比高音单元放大器和低音单元放大器的电压放大倍率高1.5倍，才能在中音单元放大器输出端得到相同幅度的电压幅值。这个现象在我自87年开始研制电子分频放大器后的7年中一直没有找到中音响度比低音和高音相对要低8dB的原因，曾以为是电子分频放大器本身具有的特点。直到后来采用示波器对电路上各个环节进行检测之后，才发现问题出在经加法电路得到的中音幅度只有输入信号的2/5，必须在后级功放做相应的放大补偿，才能使高、中、低音喇叭的输出声压达到一致。没有实践经验的人，误以为制做电子分频放大器需要对每个声频进行实听测试，这其实是一个严重误解。无论是级后分频音响系统，还是级前分频音响系统，每个喇叭本身的声压频率特性曲线都与放大电路无关，并且喇叭的声压频率特性曲线不是理想化直线，上下起伏能保持在±2dB范围内已经是很良好的使用区间。所以，人们只能根据喇叭在工作频段的平均灵敏度，调整各个单元放大器的输出电压幅度与所驱动的喇叭匹配。当高、中、低各单元喇叭的平均灵敏度都相同时，高、中、低各个单元放大器的输出电压幅度也要求相同。人们只要用接近10KHz、4KHz、400Hz的三个同幅度信号分别验证高、中、低各个单元放大器的输出电压幅度相同就OK。如果使用的某个单元喇叭灵敏度偏低或偏高，可以通过提高或降低相应的单元放大器电压放大倍率进行匹配。然而，由于实际使用环境会导致各个频率的声压变化高达±10dB，高音和低音相对于中音的声压误差在±3dB之内并不会产生好坏差别，因此对高、中、低各个单元喇叭的平均灵敏度要求，实际可放宽到相差±2dB之内。以中音喇叭平均灵敏度为90dB来说，高音喇叭和低音喇叭的平均灵敏度在88dB～92dB之间，都不需要再对各个单元放大器的输出电压幅度进行调整，全部以相同的幅度进行输出。真正需要作出严格检测的是分频电路的元件参数是否达到实际需要的设计要求，这个工作是电路设计人员应该完成的事情，一旦验证符合要求，使用者只要按要求采购符合设计参数的元件进行组装即可，并不需要每个使用者再去对各个频率的衰减状况进行检测。如果元件出现参数错误，也会在用10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度输入信号分别进行检测时发现问题。正确状况下，高音放大器对10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度输入信号的输出幅度应该表现为：4KHz幅度约为10KHz幅度的一半，而400Hz幅度应该不到10KHz幅度的1/10；同样，低音放大器对10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度输入信号的输出幅度应该表现为：4KHz幅度约为400Hz幅度的一小半，而10KHz幅度应该不到400Hz幅度的1/10；中音放大器对10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度输入信号的输出幅度应该表现为：10KHz幅度约为4KHz幅度的一半，400Hz幅度只有4KHz幅度的一小半。当高、中、低各段声频的上下分频点实际相差±10时，并不会对综合表现结果产生可感觉出来明显影响。
4．必须纠正的混淆概念
自90年代开始流行3D系统之时，就有商家出于自身利益，故意制造混淆视听的概念。按照他们的宣传，低音是没有方向性的声波，因此左右声道只需要合用一只低音单元，并且可以将它随意摆放在室内任何位置。关于低音没有方向性的理论根据，是源于低音波长比人的头部直径要大得多，左右耳朵听到的低音声压强度几乎完全相同，因而分辨不出低音来自那个方向。人们如果是用耳机来听立体声播音，当左右耳朵听到的低音声压强度相同时，确实分辨不出低音来自何方向。左右耳朵听到的低音必须具有声压强度差别，才能分辨低音来自偏向左或右方一侧，并且分辨不出是来自前方还是来自后方。但用两只音箱对立体声进行播放，左右音箱发出的低音声压强度相同，也会根据存在的相位差使合成声波前进方向按照相位差确定的方向前进。人体的听觉神经虽然区分不了左右耳朵接受到的声波相位差，却可以根据人体各部分皮肤感觉到的声波压力差别分辨出低音来自空间某个方位。所以，Hi-Fi音响的低音重放决不能使用耳机，更不能把左右两个声道合用一只低音单元。只有在受到使用环境条件的限制下，比如在书房和卧室里几乎没可能安放大体积音箱，在仅有狭小地方的商铺里也不能按停音要求摆放两只大体积音箱，为了使重放声音感觉尽可能好一些，人们才被迫把左右声道的低音成分合用一只低音单元喇叭进行播放。这便是3D音响系统的由来，3D是指由三个独立音箱进行重放。即：一个合用的低音箱与两个左右声道主音箱。最早的3D系统制作很简单，直接把左右音箱低音单元合并装在一个箱子中，再把左右音箱里的中高音单元移出来装在两个小体积箱子之中。为了缩小低音箱体积，可用单只双音圈低音喇叭，左右声道功放各驱动其中一个音圈，直接通过电容器把左右声道功放输出的中高音取出接到中高音单元上。实际使用发现，当低音箱被单独摆放在远离中高音单位的地方后，左右声道小音箱的播放声频仍须保持达到200Hz以下才不显得过于单薄。而从低音箱发出的150Hz以上声音如果不与中高音紧紧合为一体，其感受将很不是滋味！因此，必须以150Hz作为上限制作左右声道合用的低音箱，同时把150Hz作为左右声道主音箱必须达到的重放下限。但有人故意把负责播放150Hz以上音频的左右声道主音箱设计得很小，只有一只拳头大小，再同时把左右声道合用的低音箱摆放在不显眼地方或看不到的床底下。从而让刚见到这种播放系统的人们感到很意外，误以为是某种高科技成果！由于左右声道主音箱与左右声道合用的低音箱相比很像天体中的大星球附近的小卫星一般，便把体积很小的左右主音箱改称为卫星音箱。必须指出，由于采用只有拳头大小的音箱，所能使用的喇叭口径很小，只有1.5吋，喇叭谐振频率在240Hz～340Hz之间。为避免振动盆超出允许范围出现打底声，只能让其播放280Hz以上声频！从而导致150Hz～280Hz声频丢失，听感极不自然。美国BOSE音响公司推出的“休闲”系列产品，便是由日本的山本先生设计的这种明显存在缺陷的3D音响系统。其实，BOSE音响公司制造的“休闲”系列3D音响连重低音箱都没有设计好，播放重低音时箱体会产生严重振动回声。国内老牌的上海飞乐公司早在80年代也已经制作出这种只使用拳头大小音箱的3D音响系统，仅作为效果演示给大家参观。95年开始出现多媒体电脑后，美国Packard bell公司最先把音响放到电脑显示器上，而美国Packard bell公司最先推出的那套名叫“响尾蛇”的带超低音箱的3D多媒体音响系统正是由我设计出来。大众想不到，Packard bell公司是把超低音箱设计在显示器底部的半球形座子中，仅有1升容积，安放任何一个按照正常要求设计制造的4吋喇叭上去都只会产生“啪、啪”打底声，后来是我和另一位国内的喇叭制造专家为它制作出专用的喇叭，同时设计了根据音量大小自动提升高低的音控电路，才在全世界有5家大公司同时竞标的情况一举夺标。之后，国外公司用了一年时间才完全仿制出相同效果的多媒体音响系统。其实是音质极其糟糕的破玩艺！为了让这些具有特殊要求的多媒体音响正常工作，前置电路加入了必要的高通、低通有源滤波电路，而这些电路与Hi-Fi音响中的电子分频电路是两码事。差之毫厘，误之千里！
5．级前电子分频功率放大器有什么缺陷
1993年第8期《音响世界》杂志以“音响如是说”为题，发表了我写给刚创刊半年的《音响世界》主编的一篇关于对Hi-Fi音响如何进行评价的研究文章，同时刊登了我提供的一个采用4只TDA1521功放IC设计的电子三分频功率放大器电路和所用印刷电路板供大家参考。不久，邓加欣在93年第11期《音响世界》杂志上发表了回应文章，指出：“电子分频相对功率分频而言确有其优点，但也不应一概而论。电子分频对有源滤波器的要求同样是苛刻的，且由于有源器件的引入，也增加了一些工作不稳定的因素，这就使设计难度加大，成本提高。也许这就是电子分频功放不能普及的原因之一。” 邓加欣的见解代表了不精通电路设计的大众思想。其实，当时刊登的那个采用4只TDA1521设计的电子三分频功率放大器尚未把经过加法电路得到的中音带通信号比从高通、低通有源滤波器输出的信号幅度小3/5的现象予以解决，使用单电源供电也没有做稳压电子滤波处理导致输出具有较大的交流声，开机存在很吓人的冲击声。真正明显存在的问题并没有被看出来，而不用担心会带来问题的有源滤波器反到成了吓阻人们走向进步的理由。实际上，引入有源器件并不意味着必然出现工作不稳定，噪声增大，反应速度不够等问题。确实有人设计出工作不稳定的有源滤波电路，那是因为他们考虑不周，把电路设计成了容易产生自激的临界状态。而就噪声方面来说，有源滤波器不对信号进行放大，即便采用四运放LM324和与运放之皇同档次的四运放LM837做对比，二者在作有源滤波器使用时表现相同。仅是LM324工作到1KHz以上就开始产生波形失真，到4KHz的输出波形已经面目全非！这便是在80年代里，最先推出四运放LM324，只能使用LM324做有源滤波器或作多段音调调节器时，音质会明显变糟糕的原因。但在不久推出四运放TL084之后，TL084的转换速率与LM837处于同档水平。用TL084做有源滤波器，即便信号频率达到150KHz也没有出现波形失真，在噪声方面的表现也与使用LM837无差别。特别要指出的是，大众对稳压电源的使用存在似是而非的误解，以为所有稳压电源都会导致响应速度跟不上反应要求。实际上，只是在使用开关类稳压电源供电时才会出现稳压响应速度跟不上反应要求的情况。但只要把输出电压检测反馈电路设计成光电藕合方式，同时把开关稳压电源的最大输出电流设计为功放部分最大工作电流的两倍，并在靠近功放的电源线位置加入容量足够大的储能电容器负责提供瞬态大电流，使用开关稳压电源也不会发生响应速度跟不上反应要求的现象。若是采用大功率场效应管设计的稳压电源，更不存在响应速度不够快的问题。真正发生的问题是电源所能供给的电流达不到功放瞬态输出的大电流要求，解决办法应该是适当增大电源变压器容量，同时在靠近功放的电源线位置加入容量足够大的储能电容器负责提供瞬态大电流。前置电子分频电路采用普通三端稳压器也已经能提供足够使用的电流，但是在前置电子分频电路与功放合用一个电源供电时，功放电源电压出现大波动会导致给前置电路供电的稳压器因输入电压波动过大而使输出电压发生相应波动，这将引起前置电路静态工作点发生变动并把它叠加到分频电路输出信号之中成为提供给功放的干扰信号。情况严重时，整机会发生剧烈振荡，只得关机。最根本的解决办法,是让前置电子分频电路单独使用一只小变压器供电，按照一点共地原则将前置电路与各个功放的输入地端连接，这将使采用正负双电源供电的电子分频功率放大器只有极轻微的背景噪声。注意前置电子分频电路一定要作屏蔽处理，从分频电路输出到功放输入端的信号连接线也一定要使用屏蔽线，方能消除由于环境电磁波感应产生的严重背景噪声。不知道这些设计常识，去给前置电路增加伺服稳压电路，结果当然是无什么改变，只具有心理安慰作用。简言之，电子分频不存在对电路设计很外行的人士所以为的那些问题。真正的致命问题是在人们还没有制造出大功率集成放大电路之前，功率放大器如果使用分立元件制作，整个体积十分庞大繁琐，而采用输出功率不超过24W的功放IC来制作，高、中、低各单元喇叭不能输出足够大的声压，尚不能与级后分频方式相抗衡，这才是制约它未能在上个世纪得到普及的原因。

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。

试发张图,2W３分频实物效果图片：

最简单的２Ｗ三分频实物连接效果图：

２Ｗ电子三分频容易做，成本很低，可作为入门练习．正式制作要做至少18W的书架音箱．然后再考虑做50W的普及箱．最好是做200W的落地箱．

１８Ｗ书架箱外形效果图：

５０Ｗ电子三分频功放也是一快板安装在箱内后板上，很简单：

２００Ｗ电子三分频采用分板连接，也不难．

比较麻烦的是前置音量控制器，想做好得花点工夫设计造型．


该音量控制带红外线遥控．制作遥控部分反而显得麻烦．但必需有遥控，使用才方便．

谢谢告诉我怎么发图片．