平行扬声器听起来很糟糕,但是串行设备还不错


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我做了一个简单的扬声器电路。听起来(至少对我来说)出奇的好(尽管发烧友可能会大声尖叫并逃跑)。我目前遇到了一个问题。

为了增加音量并提高音频质量(使扬声器分担负担),我为四个扬声器尝试了不同的配置,将所有扬声器并行化,串行化,并通过两个并行化两个串行化。串行添加扬声器只会对音频质量产生良好的影响,但是,当我并行使用任何一个扬声器时,音频质量就会明显变得更嘈杂/失真。我真的不明白为什么。到底是怎么回事?我希望能够并联扬声器,因为将它们串行化对于音频质量有好处,但是确实会减小音量,这是个问题,尤其是在要使用更多扬声器的情况下。

“简单”的解决方法是增加电源,以便我可以用更高的电压驱动它们,但我有点担心:P,这还会给所涉及的组件带来更大的压力。使用轨到轨运算放大器也许可以稍微改善这种情况,但是在推挽式BJT上仍然会有电压损耗(我想),而且我没有任何合适的轨到轨运算放大器-可用。

令人讨厌的是它几乎起作用了。我不需要最佳的声音质量或音量,而只需要一些可以接受的声音。

序列化

平行

附加信息:

  • 扬声器是两种不同的类型,但是即使我仅并联两个扬声器,也会出现噪声/失真问题(并使其他两个未连接)。
  • 这可能无关紧要,但是我的双电源包含两个5 V壁式疣。
  • 我使用的运算放大器是四通道运算放大器LM324AN。这不是轨到轨。
  • 在右运算放大器的即时输出和地之间有一个100欧姆(约220欧姆)的电阻可降低所有配置中的噪声。我不知道为什么;当我错误地连接电缆时,我偶然发现了这个问题:p
  • 顺便说一句:我不认为噪声/失真问题是由于并联扬声器吸收的电流过多而引起的,因为音量对其没有影响或影响很小。这是一个当前的供应问题,然后(我认为)更大的数量会使情况更加恶化。
  • 第一个运算放大器的目的是将0 V至5 V输入以GND为中心,即第一运算放大器的输出为-2.5 V至+2.5V。
  • 两个运放均由+5 V -5 V供电。不幸的是,原理图中没有显示出来。

更多研究

好。因此,我确实使示波器起作用,并在扬声器之前(推挽之后)探测了电压。

这是一个扬声器的样子(是的,有很多> 20 kHz的噪声):

一位发言人!

这是在其他情况相同的情况下,两个相同的扬声器并行显示的样子。电压实际上并没有降低,但是底部有一个奇怪的东西,一定是我听到的噪音:

两个扬声器并联

在下图中,它更加引人注目!:

在此处输入图片说明

顺便说一句,第二条痕迹只是一个标记。它没有显示接地,并且接地大约在波形的中间。

哦! 非常遗憾,原理图在一个关键点上是错误的。推挽后确实有反馈!像这样:

这一次正确

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更多研究和解决方案

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首先,根据要求在迹线1上绘制音频信号图像,在迹线2上绘制GND图像。它似乎不是非常直流偏置的:

在此处输入图片说明

但是,看看音频嘈杂时导轨的外观仍然很有趣。这是正极和GND的图片。它看起来很嘈杂,但随着音量的增大它会变得更糟:

正轨

负轨的音量相同,并且至少在我看来比正轨差(我的慢镜头模糊!):

负轨

我尝试做的第一件事是在运算放大器的输出和地面之间添加一个1 µF的电容器,当听到噪声消失时,我感到非常惊讶!

这是在相同体积但添加了1 µF电容器的情况下负电源轨的样子:

添加电容器后的负电源轨

因此,一个简单的1 µF电容器解决了我的问题!多亏了每个人,如果没有您的帮助,我要花更长的时间来解决这个问题:)

这就是添加电容器后的正弦波外观。嗯,我可以整天凝视着……:

正弦曲线mmmm

更新2016-03-09

我用一个1uF交流耦合薄膜电容器和一个10k欧姆的GND电阻代替了运算放大器电平转换器。我没有真正注意到声音质量有任何改善,但我确实注意到用电容器而不是运算放大器电平转换器进行偏置更加安全。如果运算放大器电平转换器由于某种原因而将信号设置得太高或太低,则推挽输出级的NPN或PNP部分将不得不承受较重的负载,从而导致发热(不好! )。因此,我将保留交流耦合电容器。

我还添加了一个电感来滤除PWM频率(〜0.3mF),这极大地改善了正弦曲线的外观。

但是,即使进行了这两项改进,如果我删除了运算放大器输出引脚和GND之间的0.22uF电容,仍然会出现原始问题。下图显示了带有和不带有0.22uF电容的440Hz正弦波。

在此处输入图片说明


2
没有测量,谁能告诉?但是,由于放大器的输出电流有限,并联扬声器的较低负载阻抗正在削波(失真)。增加壁式疣的当前(而非挥发)额定值可能会有所帮助,但您可能还需要升级输出晶体管(及其驱动器级)以从中受益。如果您可以测量电源电压,并且在大声且失真的情况下它会下垂,这就是问题所在。
Brian Drummond

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@BrianDrummond实际上,由于OP指出串行扬声器时并行时不会发生失真,因此我们可以通过提供比放大器有效驱动的负载阻抗低的负载阻抗,来确定扬声器超出放大器阻尼系数的问题是99.8%。-
这是让

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再次,摆脱级别转换运算符。无源高通滤波器将做得更好,不会依赖您以为您知道DC偏移并将其为零,也不会像电路一样通过电源产生费用返还。
Olin Lathrop

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不,我画的更有意义。我不明白 我已经给您提供了完整的示意图,但是您似乎已经尝试了所有其他方法。首先,将C2置于+ 5V和运算放大器输出之间,然后置于+ 5V与地之间。做我建议的事情有什么难呢?看来您仍然在那里有一个愚蠢的电平转换器,它为整个放大器提供了通过+ 5V的反馈路径。如果您至少不尝试尝试为什么要征求意见?
奥林·拉斯洛普

1
@ taz0k查看最新的“范围图片”,我认为您可能会在音量为30 w / o output-> gnd cap trace的电源上看到一些电源噪声。这可能是由于您的铁路供应量大而“运行不足”,供应储库限额的不平衡,或者是储备/解耦限额的寄生。最好使用陶瓷,薄膜或云母盖进行所有的去耦,并且通常建议在您的(通常是电解的或铝多晶的)备用盖附近放置一个。无论哪种情况,较低的寄生电阻/电感电容都有助于更有效地滤除hf噪声。
Robherc KV5ROB 2016年

Answers:


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您的放大器具有固定的输出阻抗和有限的电压摆幅。为了获得最大功率,负载阻抗必须与输出阻抗匹配。并联的两个扬声器的阻抗是一个扬声器的一半。这显然太低,无法正确驱动您的放大器。

您的“ wallwart”耗材可能在两个并行的扬声器的沉重负担下崩溃了。较低的电源电压使输出中的1.5 V左右死区占整体的很大一部分,从而大大增加了失真。您无需说说您使用的是哪种运算放大器,除了它们不是轨对轨的。电源电压可能会崩溃,直到输出的死区和最终运算放大器的输出范围之间几乎没有活动区域。

此外,电路的某些部分没有任何意义,而可以用更好的设计轻松替换:

  1. 您有对称的±耗材。那很好。那么,为什么要为什么将输入电平从地面中心移开呢?

    仔细检查后,您似乎在进行电平转换,以补偿以2.5 V为中心的输入信号。这简直是愚蠢的。

    您听不到DC的声音。甚至“ HiFi”音频也只能下降到20 Hz。处理输入直流偏移的明显方法是交流耦合信号。消除第二个运算放大器正输入左侧的所有废话。将其替换为串联的1 µF电容,然后将10kΩ电阻接地。

  2. 您似乎愿意在双发射极跟随器输出级中使用死区,但至少要将其包括在反馈环路中,以便运算放大器可以尝试对此进行补偿。所需要做的就是将10kΩ(Argh,无组件标识)反馈电阻连接到整个放大器的输出,而不是运算放大器的输出。

这是您的基本电路,上面提到的明显问题已解决:

请注意,这既简单又有效。

有很多方法可以大大减少最后阶段的死区。两个二极管是一种非常常见的方法。

我通常要做的是在输出级使用更多的晶体管,使其增益为2。然后,前级只需驱动至电源范围的一半即可。这样就可以解决轨到轨运算放大器的问题,通常要在±12 V或更高的电压下才能使用它们。

添加以响应范围跟踪

您遇到的问题比您意识到的还要多。

您的电路在负载下振荡,几乎可以肯定是通过电源反馈。我应该明确提到这一点,但这就是我的电路中要防止的C3和C4。尝试我张贴的电路。它使用的零件大部分相同,但性能应更好。

您还可以在示波器跟踪上看到输出级死区的证据。同样,将输出阶段包括在反馈外观中将对此有所帮助,尽管它不能解决问题。

我现在看到的运算放大器是LM324。这不是音频的好选择。我将使用至少具有±12 V电源的TL07x。这可能意味着更强大的输出晶体管,可能带有散热器。

一旦完成这项工作,我将向您展示如何从输出级获得更大的电压摆幅和更少的死区,但是一次只能做一件事。无论如何,那将是一个新问题。


所有的好处,但我想您可能会错过OP提到他们使用的扬声器不匹配的问题,除了不良的放大器设计外,并行负载不匹配总是==麻烦;)
Robherc KV5ROB

@Rob:不匹配肯定是不好的,但是他也说这个问题是在同一扬声器同时出现的。无论如何,我上面所说的仍然适用。我应该提到扬声器不匹配是不好的,但是您已经做到了。
奥林·拉斯罗普

谢谢!哦,那太笨拙了。反馈实际上是从推挽之后(直接在扬声器之前)获得的。我不明白为什么我的水平转换会很愚蠢。我需要以某种方式将其围绕地面居中?运算放大器会增加噪声并占用空间(现在我正在使用四通道运算放大器,因此不会占用太多空间)。我尝试使用交流耦合电容器,但是音频质量下降了(也许是因为低质量的电容?),也许是因为RC滤波器的响应时间较慢(我认为)...我将再次阅读您的回答,然后看看我要做的事情:)
fredrik.hjarner

1
@taz:音频放大器前端的无源高通滤波很有效,并且通常如何进行。有源电平转换仅会减去特定的DC电平,因此效果不佳且更为复杂。我电路中的C1必须是双极电容。如果使用陶瓷,请确保其额定值大大高于将要使用的电压。1 uF 20 V应该可以。那是因为有些陶瓷在接近全电压时是非常非线性的。有比陶瓷更好的选择,但是现在就可以了,让您着手解决真正的问题。
Olin Lathrop

1
因此,运算放大器电平转换器现在不见了。现在,我确信交流耦合电容器会更好,因为信号易于“自动居中”。由于信号中心更好/更可靠,现在输出级晶体管的发热量降低了。
fredrik.hjarner,2016年

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  • 顺便说一句。我不认为噪声/失真问题是由于并联扬声器吸收的电流过多而引起的,因为音量对其没有影响或影响很小。这是一个当前的供应问题,然后更大的数量(我认为)会使情况更加恶化。

我喜欢您在此处应用了一些良好的电气故障排除技术/逻辑。但是不幸的是,您的逻辑错过了一个重点。

在驱动动态音频换能器(带有磁铁和音圈的扬声器)时,您的放大器的源阻抗必须低于其驱动的负载。

放大器的源阻抗达到扬声器的负载阻抗以下的量在专业音频世界中被称为“ 阻尼因数 ”,它与放大器驱动准确地驱动扬声器的能力以及额外的可用电流(直接抵抗电压“跌落”的能力)抵抗(抑制)空气流动和外部振动等的影响,试图使音圈的运动变形。

为了有效地从输出中运行4个不匹配的扬声器,而又不炸任何扬声器,又不会造成严重失真,您确实需要与现有的三个梯级并行添加三个最终输出梯级。然后,您可以将每个扬声器连接到其自己的输出。这将通过使扬声器并联来实现您想要获得的更高的音量/伏特能力,同时避免通过汲取过多电流而使放大器烧毁,并避免以最低阻抗来烧毁扬声器,因为如果扬声器在工作时会流过大部分功率,全部并行在一个通道上。

- - - - - - - - - - Added Schematic - - - - - - - - - -

这是使用大多数现有元件的电路原理图,将音频输入上的低通/高通组合在一起,以消除直流偏移和PWM超声噪声。此外,它还包括并行扬声器驱动输出,以及电源和接地之间的奥林(Olin)去耦电容器,以及LM324AN去耦。

电路原理图

注意:从一个单独的运算放大器输出中驱动每个推挽单元绝对是更好的选择,它具有自己的反馈环路,但这将需要另外2个LM324AN(使用1OUT的信号源来运行所有4个“最终输出”部分,每个“最终输出”都以类似于OpAmps 3和4的方式连接到每对OpAmp对1个扬声器)


谢谢!。只是对您的第二点发表评论。不,运算放大器由+ 5V和-5V提供(虽然未在原理图中显示),并且第一个运算放大器电平将0V至5V输入转换为-2.5V至+ 2.5V,我已经用示波器确认了这一点。
fredrik.hjarner,2016年

@ taz0k好的,那只是您的原理图是错误的,因为它们显示除了一个NPN“最终输出”晶体管在两个电源之间接地以外的所有内容(这可能是您发现模拟“有些不准确的原因之一”) ”)。
Robherc KV5ROB

关于您的第一点:我已经看到在其他音频电路上增加了一个电容器。我还以为我应该增加一个(这样电流就不会“理论上”在扬声器中达到无穷大,和/或使扬声器“锥”向一个或另一个方向太多)。但是不幸的是,增加一个电容器会降低声音的质量。我已经测试了电解电容器,其值约为1(或10 ...)至220uF。也许我应该测试更高的价值……
fredrik.hjarner

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@ RobhercKV5ROB当然,如果您知道两边的直流电平,则可以使用极性电容器进行交流耦合。电容器只关心电压看到在其销,而不是相对地电压或任何其它点。

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@ taz0k示意图已更新,我删除了一些发表错误陈述的评论。
Robherc KV5ROB
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