1 引言
專業(yè)功放設(shè)計和配置是音響工程的關(guān)鍵部分,其可靠性、穩(wěn)定性、性能參數(shù)的好壞,決定著音響工程的質(zhì)量和水平。專業(yè)功放的可靠性、穩(wěn)定性以及其他性能的提升,必須圍繞信源信號和揚聲器音箱的需求來展開,較終為人們的聽覺服務(wù)。要有電聲一體化的能力。不能以孤立的純放大器觀念開展設(shè)計,不能只把參數(shù)指標(biāo)的提高當(dāng)成較終目的,要從電聲學(xué)的角度提高功放可靠性、穩(wěn)定性及性能。這就需要對信源信號特點進(jìn)行分析,根據(jù)此特點,正確設(shè)計放大器的輸入口;要有和信源信號動態(tài)相適應(yīng)的輸出功率儲備,放大器的頻響要和信源信號頻譜相適應(yīng)。同時,還需要對揚聲器音箱的特性有一個全面的定量理解,在此基礎(chǔ)上,正確處置放大器和音箱的匹配。
2“可靠性”和“穩(wěn)定性”是專業(yè)功放開發(fā)、生產(chǎn)的立足之本
專業(yè)功放是音響系統(tǒng)中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),其開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)必須把可靠性和穩(wěn)定性放在首位。比如有一類有源揚聲器系統(tǒng),放大器采用負(fù)內(nèi)阻抗輸出,和揚聲器的“靜阻抗”全抵消,以期達(dá)到較理想的揚聲器低頻聲性能�？梢坏┚C合阻抗為負(fù),放大器有可能出現(xiàn)自激,這種降低放大器穩(wěn)定性的做法是不可取的。因此,合理的做法是只抵消50%~80%,可明顯改善低頻聲性能。專業(yè)功放的可靠性工作應(yīng)從妥善處理放大器較大功耗入手,圍繞散熱(系統(tǒng)的熱設(shè)計)、大電流匯集傳送、工作點熱動態(tài)穩(wěn)定等方面展開,其中核心設(shè)計工作涉及許多基礎(chǔ)理論和大量的可靠性工藝設(shè)計。
(1)專業(yè)功放散熱看似簡單,真正做到位并不容易。現(xiàn)代專業(yè)功放要求不僅能在8Ω工作,而且在4Ω,2Ω甚至在1Ω也能工作。一般較好的功放應(yīng)在4Ω條件能連續(xù)工作,這就決定了要用比8Ω功率大一半以上的功率來進(jìn)行系統(tǒng)的熱設(shè)計,按甲乙類(實際按乙類)工作狀態(tài)計算出較大功耗。若有散熱器風(fēng)扇系統(tǒng)的工藝儲備,就可知道用多大的符合結(jié)構(gòu)要求的散熱器和風(fēng)扇系統(tǒng);并且知道在環(huán)境溫度40°C的條件下散熱器上的平均溫度。在風(fēng)冷條件下,散熱器上不同位置溫度不一樣,定量地掌握這個溫度分布,才能有條件做好一系列溫度補償工作。另外,有散熱要求的不僅是功率輸出部分,大電流開關(guān)、電源整流器件也是熱源,特別是大電流整流器件必須認(rèn)真考慮散熱。
(2)大電流的匯集傳送。對于8Ω/600W以下功放,這個問題并不突出;對于800W,1kW以上的功放,就必須認(rèn)真考慮這個問題。事實上,100W以下的高性能、高保真放大器也考慮了這個問題,只是出發(fā)點不一樣,后者是為了提高性能,前者是為了提高可靠性。當(dāng)然,這樣處理對提高功放性能也有好處。銅質(zhì)匯流排的正確使用是解決這個問題的較好方法。另外,大電流導(dǎo)入導(dǎo)出用的接插片,連接線和截面必須足夠,接插件必須可靠,這些都是可靠性工作的重點。
(3)保證大功率輸出管工作點的穩(wěn)定是一件比較細(xì)致的工作。首先需要正確進(jìn)行溫度補償設(shè)計,這種補償雖不是適時的,但卻是有效的。選用相應(yīng)正確的熱敏元器件和網(wǎng)絡(luò),選取溫度變化敏感的位置作溫度取樣點,通過認(rèn)真的溫度試驗,進(jìn)行綜合修正而確定。溫度補償要做到不過不欠是非常困難的。為了防止出現(xiàn)“熱奔”,一般的做法是“寧過勿欠”。這樣補償?shù)臋C(jī)器在開機(jī)時測量小功率輸出,非線性失真并不大,在經(jīng)過額定功率輸出測試機(jī)器溫升后,再測量小功率輸出非線性失真會變得很大,輸出波形交越失真非常明顯。這種過補償,在額定工作條件溫度下,輸出級工作狀態(tài)并不是希望得到的乙類偏甲狀態(tài),而是乙類偏丙狀態(tài)。當(dāng)環(huán)境溫度在幾度以下時,輸出級單只功放管靜態(tài)電流可在幾十毫安以上,雖然這么大的電流不會引起“熱奔”,但它會引起小幅度高頻自激。因此,“寧過勿欠”的作法并不可取。比較妥善的做法是“稍過”,下面的一組數(shù)據(jù)是可以接受的:溫度從-10~+70°C之間變化,做到單管靜態(tài)工作電流在10~0.5mA范圍內(nèi)變化。這樣的補償雖然做不到不過不欠,但在批量生產(chǎn)中能做到高溫條件下末級功放管不截止、低溫條件下不自激,就基本達(dá)到目的了。至于動態(tài)大電流工作,發(fā)射極電阻的電流負(fù)反饋足以穩(wěn)定工作點。
事實上,近10年來生產(chǎn)的大功率晶體管抗二次擊穿能力、大電流特性、耐高溫特性提高了很多,瞬間的大電流、瞬間的高溫在“安全區(qū)”內(nèi)不足以引起傷害。器件的這些特點,正好滿足要放大的音樂語言信號的需要,也能抗衡這種工作點滯后補償帶來的瞬間沖擊。
3 遵紀(jì)守法,所有強(qiáng)制性法規(guī)必須達(dá)標(biāo)
國家和相關(guān)出口國的強(qiáng)制性法規(guī)必須認(rèn)真執(zhí)行。如果只顧提高性能,而導(dǎo)致整機(jī)違背強(qiáng)制性法規(guī),出現(xiàn)一項或幾項嚴(yán)重不合格,這款產(chǎn)品注定會“撞墻”。如目前頗受關(guān)注的開關(guān)電源放大器的研發(fā),開發(fā)人員對于“效率”、“可靠性”非常注意,但對于電磁兼容往往采用事后補救的態(tài)度,非常被動。開關(guān)電路效率往往和電磁兼容相矛盾,這必須有一個折衷處理,即在保證電磁兼容合格前提下提高效率。又如放大器電源整流濾波電路,如果處置不當(dāng)會引出電源電流諧波不合格,必將造成產(chǎn)品市場化進(jìn)程陷于被動。
4 推敲幾項電聲學(xué)參數(shù)指標(biāo),為專業(yè)功放設(shè)計和配置增值
對于功放的頻率響應(yīng),人們多半只注意在上下限幅度范圍內(nèi)的頻率,由于很容易達(dá)標(biāo),往往忽略了對這個參數(shù)指標(biāo)的推敲。事實上這個參數(shù)指標(biāo)包含許多放大器穩(wěn)定性的信息,也包含圍繞人們對聽覺的爭議。例如,放大器頻響在高音頻段小幅上升,如果在上限頻率附近下降,這就意味著這臺放大器高音頻段非線性失真,頻率越高越大,如果在上限頻率附近不下降,放大器的穩(wěn)定性必須認(rèn)真檢查,穩(wěn)定性裕量需進(jìn)一步提高。人們觀察頻響變化,大多用雙針毫伏表,用一針指示信源信號幅度,另一針指示放大器輸出電平,改變信源信號頻率,觀察相對變化。這排除了信源信號幅度波動影響,也符合測量方法。但是這種靜態(tài)測量,遠(yuǎn)不如用頻譜儀在頻域上觀察接近實際值。特別是放大器上限頻率外幅度下降速率、谷點頻率位置,對評估放大器穩(wěn)定性是不可缺少的信息。
對于聲頻放大器的頻響范圍,上限頻率是否突破20kHz,一直有許多爭議。20kHz以上的聲波,絕大多數(shù)人聽不到,基本無爭議,是否感覺得到卻有較大爭議。在2006年9月7號天津電聲大師會上,有專家報告,確有百分之幾的年輕人能感受到20kHz以上聲波存在,這個信息從另一角度說明以下做法的正確性:聲頻系統(tǒng)做好40Hz~16kHz頻響范圍內(nèi)的工作,30Hz以下,20kHz以上用巴特沃斯濾波器切掉,這樣的頻響,就能滿足音樂語言擴(kuò)聲的實際需要,為大多數(shù)人服務(wù)。對于這百分之幾的少數(shù)人,需要加超聲波的,可另外高價開發(fā)生產(chǎn)符合這種要求的電聲系統(tǒng)。
對于功放的噪聲輸出電平,人們多半注意其大小,不太注意噪聲頻譜的分布。除非信噪比不達(dá)標(biāo),很少分析噪聲產(chǎn)生的原因。事實上推敲噪聲頻譜的分布和噪聲產(chǎn)生的原因,可以發(fā)現(xiàn)印制電路板,排版布線的問題。一般來說。正常的專業(yè)功放噪聲頻譜不應(yīng)有50Hz或100Hz的分量,也不應(yīng)有聽覺比較敏感的中低音頻分量,噪聲中應(yīng)只有“絲絲”聲的高音頻分量。對于0dBm以上靈敏度的專業(yè)功放,100dB信噪比是不難做到的,但是不注意這些細(xì)節(jié),100dB信噪比有時也會出問題。曾有一個型號的專業(yè)功放,兩個通道的信噪比都差不多達(dá)到100dB,這應(yīng)該是不錯的參數(shù)指標(biāo)。
但有客戶反映,噪聲小的那個通道,難以接受,原因是噪聲頻譜是聽覺比較敏感的中低音頻分量,另一通道噪聲電平稍大一點,但噪聲頻譜是“絲絲”聲的高音頻分量。較終查明原因,是這個通道前級信號走線太靠近散熱風(fēng)扇電路所致。
對于專業(yè)功放的轉(zhuǎn)換速率,本來這個參數(shù)指標(biāo)不太引人注意,在2004年一場由全國音響協(xié)會舉辦的專業(yè)功放對比測試中非常關(guān)注這個指標(biāo)。有一種說法:“轉(zhuǎn)換速率不超過100V/μs就不是好機(jī)器”,當(dāng)時幾個轉(zhuǎn)換速率為200V/μs以上的機(jī)器就成了佼佼者。在筆者看來,這個參數(shù)在制定標(biāo)準(zhǔn)時就有爭議,音源信號借助方波信號上下沿看放大器轉(zhuǎn)換速率,只是正常測試的一個過程。一般說來,放大器使用的運放、功率器件轉(zhuǎn)換速率是什么水平,放大器轉(zhuǎn)換速率也就是同一個數(shù)量級的水平,也就是每微秒幾伏、十幾伏、幾十伏的范圍。如果刻意利用電子電路來提高轉(zhuǎn)換速率,用十幾伏的器件,做成每微秒百伏以上的轉(zhuǎn)換速率,這對放大器的穩(wěn)定性,對放大器的非線性失真、相位失真,會有明顯的負(fù)作用。驅(qū)動音箱“聽”,不會有所謂速度快、輕松的感覺,相反感覺聲音會很“硬”。
對于專業(yè)功放非線性失真要求,人們喜歡強(qiáng)調(diào)1kHz非線性失真如何小,對于其他頻點只要達(dá)標(biāo)就行。對于許多中、低價位專業(yè)功放的高音頻失真,根本不聞不問不測試。還有,人們多半測量額定輸出功率的非線性失真,對于1%額定功率或功率逐步變小過程中的非線性失真,也多半不聞不問不測試。實際上非線性失真在頻域上的大小分布規(guī)律,也包含許多放大器穩(wěn)定性信息,1kHz非線性失真很小。10kHz以上成幾倍、十幾倍的增加,這種放大器穩(wěn)定性肯定需要改進(jìn),系統(tǒng)反饋的補償、平衡還欠火侯,穩(wěn)定性裕量不夠。這種放大器頻響多半是高音頻呈上升趨勢,谷點幅度衰減往往不夠。用這樣的放大器驅(qū)動音箱,音箱的高音域聲音很刺耳,聽感不好。真正好的放大器高音頻非線性失真和1kHz的非線性失真在一個數(shù)量級上,更好的放大器高音頻非線性失真比1kHz的還要小,并且頻率越高,非線性失真越小,高音聽感是柔、純、細(xì)。
小功率非線性失真(THD+N)變大,不是整機(jī)噪聲電平偏大,就是交越失真引起。調(diào)高工作點是降低交越失真較有效的方法,但是大功率功放要在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定較高工作點,并不是一件容易的事。
另外,H類功放從額定輸出功率逐步減小到各級電源轉(zhuǎn)換點附近,如果電路處置不當(dāng),非線性失真會明顯變大,特別是高音頻范圍。H類功放的電源開關(guān),如果是使用和輸出管相同的雙極型器件,這種功放高音頻失真會很大。用這類功放作低頻音箱驅(qū)動尚可,用在全頻箱驅(qū)動就不合適了。對于專業(yè)功放阻尼系數(shù)的要求,阻尼系數(shù)大的功放對驅(qū)動低音音箱十分必要,聽感上阻尼好、不拖尾。一般專業(yè)功放的阻尼系數(shù)為幾百左右,超過1000的,只有類似皇冠MA系列的橋地電路功放。這是把“電”(功放)和“聲”(音箱)分開的思考方法。這種阻尼,充其量是零歐阻尼,效果有限。如果把電聲作為一個整體系統(tǒng)來考慮,將放大器調(diào)整為負(fù)輸出內(nèi)阻,理想情況下大小等于音箱靜阻抗(實際調(diào)整音箱靜阻抗50%~80%)這種狀態(tài)下的“阻尼”和零歐內(nèi)阻放大器不是一個層次的水平,低音頻的音質(zhì)改善更不是一個水平。負(fù)內(nèi)阻抗放大器,日本雅馬哈有源音箱用過,德國KS公司將這個技術(shù)數(shù)字化后申請了專利。在中國,早在20世紀(jì)60年代管善群先生就做過這類實驗,取得改善低頻聲性能明顯效果,可惜沒有形成商品化的產(chǎn)品。
對于專業(yè)功放的較大輸入電平,這個和音源信號正常放大有關(guān)的參數(shù)要求,人們認(rèn)為,對于所有其他指標(biāo)測量,較大輸入電平是高是低,對測量結(jié)果沒有什么影響。目前,國標(biāo)測量方法使用的是正弦波音源信號,看不出直接影響。但是音源換為粉噪信號或者不同的音樂信號,它們的峰值因數(shù)一般在3~6之間,在這種情況下,如果功放較大輸入電平指標(biāo)較低,這個影響就表現(xiàn)在正常放大時,音源峰值信號在前級就被切頂壓縮。特別是定增益大功率功放,這個問題更為突出。比如增益定為26dB的8Ω/900W功放,靈敏度條件下輸入信號有效值就超過4V,音量控制器前的電路如果處置不當(dāng),較大輸入電平如果只有9V左右,那么峰值因數(shù)為2以上的信號,在額定輸出功率條件下就會切頂削峰,這會明顯影響音源信號的正常放大。
專業(yè)功放音量控制器前的平衡轉(zhuǎn)不平衡電路處理,運放供電電壓高低,決定了這臺專業(yè)功放的較大輸入電平。一般定靈敏度的專業(yè)功放,靈敏度是0.7V,1.0V,1.4V。如果較大輸入電壓有9V左右,也就是較大輸入電平有16~22dBm左右,這就能應(yīng)付絕大多數(shù)不同音源信號的正常放大。同樣的,較大輸入電壓也有9V,但靈敏度在4V以上的定增益大功率放大器,較大輸入電平就僅有6~7dBm,這顯然是不夠的。
在音響系統(tǒng)中,人們在配置使用功放時,對于輸出級的功率儲備去適應(yīng)音源信號的動態(tài)要求,是有折衷考慮的。但對于使用的功放輸入口的大小,往往缺乏推敲,以致于音源信號在末級前動態(tài)就被壓縮,末級功放即使有足夠的功率儲備也是枉然,這個影響不僅會損壞音質(zhì),而且還有可能損壞單元。
5 避開影響音響系統(tǒng)可靠性的功放
配置“7dB陷阱”由于音源信號峰值因數(shù)多為2以上,這就確定了音響系統(tǒng)中的功放音箱必須大材小用。如果音響系統(tǒng)要確保任何音源信號在任何時刻都不會削峰,那對應(yīng)場地平均聲壓功放的總有效值功率上的功率儲備至少在25dB以上,這樣配置的電聲系統(tǒng)造價非常高。這種配置只在極少數(shù)要求非常高的場所使用。實際上大多數(shù)音響系統(tǒng)是不會這樣配置的,這里有一個人們的聽覺能接受某些削峰動態(tài)壓縮的折衷考慮。根據(jù)音質(zhì)的不同要求和投資多少,按儲備功率大小,會有高、中、低不同的配置檔次。
檔次盡管有高低之分,配置使用還是要堅持大材小用的原則,場地平均有效聲壓對應(yīng)的功放總有效值功率,其上端應(yīng)有12~25dB峰值功率儲備空間�？臻g大小不同,對應(yīng)高低不同的配置檔次。高低不同的檔次,不僅體現(xiàn)音質(zhì)要求高低不同,同時也意味著配置的音響系統(tǒng)可靠性高低不同。模擬乙類功放發(fā)熱較大的工作狀態(tài)是額定輸出功率對應(yīng)的電壓63.6%這時功放的熱功耗是不削波輸出狀態(tài)功耗1.48倍左右。這恰好對應(yīng)峰值功率儲備7dB的功放系統(tǒng)配置,這種狀態(tài)功放管溫度是較高的。峰值功率儲備從4~11dB都很熱,均大于1.2倍,以7dB為峰。按可靠性設(shè)計的一條統(tǒng)計法則,工作溫度每升高8°C,平均無故障工作時間降低一半;工作溫度每降低8°C,平均無故障工作時間增加一倍。以這條統(tǒng)計法則衡量,峰值功率儲備7dB的功放系統(tǒng)配置可靠性較低。故而稱為“7dB陷阱”,這是應(yīng)當(dāng)避開的。用12dB配置,功放的功耗是不削波輸出狀態(tài)功耗小于1.2倍,這應(yīng)是較低要求。隨著系統(tǒng)配置功率儲備再增加,不僅系統(tǒng)總體音質(zhì)水平會提高,工作溫度會降低(14dB持平),平均無故障工作時間也會增加,當(dāng)然造價會明顯上升。
配置在DISCO廳的功放音箱,由于音源信號總有效值電平高,與較大峰值電平僅相差6~7dB,相當(dāng)于峰值因數(shù)為2的音源信號。同樣是正常放音,DISCO廳的功放音箱平均承載的功率比語言音樂廳的功放音箱平均承載的功率大得多,也就是前面分析的工作溫度較高的狀態(tài)附近,是穩(wěn)定的、長期的。這樣配置的電聲系統(tǒng)的可靠性很低,平均無故障工作時間很短。要改進(jìn)這種狀況,除了配置使用專用的DISCO功放音箱外,增加功放音箱3~6dB功率儲備,使峰值功率儲備在12dB以上,也是一個有效的方法。如此一來,開始的投資總額要大一點,長期運行后的效益要比前一種的高。
低音箱和超低音箱功放的配置,在功率消耗上和DISCO廳的功放相當(dāng)。用戶以為這類功放音箱沒有中高頻的問題,燒機(jī)燒箱的可能性不大。實際情況是娛樂場所燒低音單元的,不比燒高音單元的情況少。原因之一就是驅(qū)動低音箱的功放,功率儲備不足,把峰值因數(shù)2~3的低音信號,變?yōu)榉逯狄驍?shù)為2以內(nèi)甚至接近1的低音信號。這種狀況,功放的工作溫度并不很高,它輸出的這種信號不僅是高音單元“殺手”,也是低音單元“殺手”。這種情況在娛樂場所并不少見,一個晚上燒毀十幾只低音箱時有發(fā)生。改進(jìn)方法也只有增加功率儲備比較妥當(dāng),值得注意的是,要增加足夠的功率儲備,不要落入“7dB陷阱”。比如,原系統(tǒng)峰值功率儲備5~6dB,這是娛樂場所常用的配置,如果只增加2dB,音箱可靠性得到了改善,但功放卻陷入“火熱”之中。
6 結(jié)論
音質(zhì)是體現(xiàn)音響系統(tǒng)較重要的因素。“仁者見仁,智者見智”,較好的音響系統(tǒng),也會有人提出不足。但對系統(tǒng)的可靠性好壞,卻會眾口一詞。由此可見系統(tǒng)可靠性的重要,在某種意義上已超過音質(zhì)。音響系統(tǒng)的可靠性建立在功放、音箱等產(chǎn)品可靠性基礎(chǔ)上,功放等產(chǎn)品的可靠性是開發(fā)人員設(shè)計出來的。不過由于音響系統(tǒng)的特殊性,功放等產(chǎn)品的可靠性再高,若系統(tǒng)配置使用不當(dāng),落入7dB陷阱,系統(tǒng)可靠性也會落空,為此音響系統(tǒng)應(yīng)有一個較低的峰值功率儲備12dB配置。 |
