放大器阻尼系数和输出阻抗的测量及电路分析计算

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音响功率放大器是用来驱动喇叭,使喇叭的振膜振动而发出声音。好的音响功率放大器必须要有很低的输出阻抗,为了评估音响功率放大器控制喇叭振膜的能力,将喇叭阻抗与放大器输出阻抗的比值定义为“阻尼系数”。那音响功率放大器的输出阻抗如何测量呢?

音响功率放大器是用来驱动喇叭,使喇叭的振膜振动而发出声音。好的音响功率放大器必须能有效地控制喇叭振膜的振动,要它动就动,要它停就停!

要让喇叭的振膜“动”只要给喇叭音圈加上电压、产生电流,依照电动机的原理,喇叭的振膜就会“动”;要让喇叭的振膜“停”则是反过来,当喇叭的振膜随着惯性移动时,喇叭音圈切割磁场,依照发电机的原理,喇叭音圈会产生“电动势”(电压),这时必须将喇叭音圈产生的“电动势”短路来令喇叭音圈产生制止振膜随着惯性移动的磁场,这样才能将随着惯性移动的喇叭振膜“刹车”!

因此,好的音响功率放大器必须要有很低的输出阻抗,为了评估音响功率放大器控制喇叭振膜的能力,将喇叭阻抗与放大器输出阻抗的比值定义为“阻尼系数”(damping factor)。

那么,音响功率放大器的输出阻抗如何测量呢?

图1 所示的电路就是测量音响功率放大器输出阻抗的标准电路。

标准电路

将音响功率放大器的输入短路,那么放大器的输出就为“0”。而负载电阻串联一个交流电压源代表喇叭音圈切割磁场所产生的“电动势”。测量负载电阻上的交流电压降和放大器输出端对地的交流电压,两者的比值为放大器的“阻尼系数”。再依照“分压定理”可以计算出放大器的“输出阻抗”。

标准电路

普通的信号产生器并没有足够的输出能力来做为图1中的交流电压源,因此必须接成图1a 的电路来进行测量。幸好,一般音响功率放大器都是二声道两个放大器,你可以用其中一个放大器输出正弦波来测试另一个放大器,正弦波信号用电脑的耳机输出来产生就行了。至于正弦波信号的大小也很随意,只要别把放大器给烧了就行!

标准电路

图1b 所示的电路是另一种测量音响功率放大器输出阻抗的电路。这种方法是测量放大器在不同负载阻抗下的交流输出电压,比较两者的差异,藉以计算出放大器的输出阻抗。这种方法有个严重的缺点在于电表的解析度难以精确比较出两者的差异。而图1 和图1a  的方法,当测量负载电阻上的电压降时,电表可以选择电压大、但灵敏度低的档位。当测量放大器输出端对地的电压时,电表可以选择电压小、但灵敏度高的档位。因此图1 和图1a  的方法容易进行精确的测量。

接下来,我用JLH1969这个放大器电路,以Multisim进行一系列仿真,借以了解放大器阻尼系数和输出阻抗的测量及电路分析计算:

电路仿真

图2 所示为我用2N3055A和一些比较普遍的BJT电晶体用Multisim所画的JLH1969放大器电路。我反覆调整R2跟R7,将输出中点调整为13.5V,输出功率电晶体的静态电流为1.2A。

图2a 所示为Multisim的仿真结果。从仿真结果可计算出在负载阻抗ZL为8Ω时,闭环路增益为12.761863,开环路增益为962.662684。

放大电路

图2b 所示为负载阻抗ZL断开时的仿真结果。从仿真结果可计算出在负载阻抗ZL断开时,闭环路增益为13.07299,开环路增益为2381.24678。

仿真电路

图2c 所示为测量放大器阻尼系数和输出阻抗时的仿真结果。从仿真结果可计算出阻尼系数为38.655,输出阻抗为0.2069585。

仿真结果

为了深入了解负反馈放大电路对于降低放大器输出阻抗的作用,我用Multisim所提供的“受输入电压控制的电压源”这个理论模型来建立图2 的JLH1969放大器电路的等效电路。依照前述的仿真计算结果所建立的等效电路如图3 所示。

反馈

“受输入电压控制的电压源”其实就是输入阻抗无限大、输出阻抗为‘0’的理想放大器。图3a 所示为测量放大器阻尼系数和输出阻抗的仿真结果。图3b 所示为负载阻抗ZL断开时的仿真结果。

电路仿真

电路仿真

从图3 、图3a 、图3b 的仿真结果可以得知这个电路的输出阻抗。不过,如果不给仿真结果,只给图3 的电路,各位能以电路学的理论来将这个电路闭环路时的输出阻抗分析计算出来吗?在此,我就把这个问题当成电路学的考题来考考各位吧!不过如果各位分析计算出来的结果跟图3 、图3a 、图3b 的仿真结果差异太大,可别说图3 、图3a 、图3b 的仿真结果不正确!图3 、图3a 、图3b 是理论模型的仿真,如果理论模型的仿真都出错,那可就砸了Multisim的招牌!各位如果有人想砸Multisim的招牌可别扯上我,我胆子小,我不奉陪!

不过我可以给各位一点小小的提示。一般在分析负反馈放大电路时,通常会把“Zin”当成阻抗无限大而忽略,但在此如果忽略“Zin”就会造成很大很大很大很大很大的误差喔!

说到“电路分析”,尤其是有关输出阻抗的电路分析,总要提到“微变电路分析法”。

一般教科书和电子学老师讲“微变电路分析法”时,总是把BJT电晶体的C-E极当成阻抗无限大而忽略。那么针对JLH1969这个放大器电路进行“微变电路分析法”时,BJT电晶体的C-E极当成阻抗无限大而忽略,R3又远大于R1,那么JLH1969这个放大器电路在开环时的输出阻抗不就只剩下R1这个100Ω电阻。那JLH1969这个放大器电路在开环路时的输出阻抗不是应该接近100Ω才对?那为什么前面的仿真显示在开环时的输出阻抗是11.82Ω?

我问各位,你坚信BJT电晶体的C-E极可以当成阻抗无限大而忽略吗?那么图4 的电路仿真该怎么解释?为什么图4 的输出阻抗计算出来是18.94Ω?

电路仿真

其实你只要看看图4a 2N3055A的特性曲线就可以明白问题所在!

如果BJT电晶体的C-E极阻抗无限大,那么特性曲线应该是水平线,不会倾斜。图4a 显示I_b(10.75m)的这条曲线在Vce=13.5V时Ic=1.222A。图4b 显示I_b(10.75m)的这条曲线在Vce=10.025V时Ic=1.127A。图4c 显示I_b(10.75m)的这条曲线在Vce=17.024V时Ic=1.318A。依照这些数据计算出来的输出阻抗是36.643979Ω。

特性曲线

特性曲线

特性曲线

最后,做个结论是放大器阻尼系数和输出阻抗的测量很简单、很容易,不需要昂贵、特殊的仪器。J.L.Linsley.Hood既然在他发表的文章说他所制作的JLH1969放大器的输出阻抗是160mΩ,这显然是实际测试出来的数据!

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