阻抗匹配在音频应用中有多重要?


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在音频应用中(例如,在放大器和扬声器之间,或者在前置放大器和放大器之间)反射信号有多重要?主要是关于保真度而不是权力转移。

匹配阻抗及其优点/缺点的不同选择是什么?可以在输出端子,输入端子上,还是可以修改电缆?


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答案取决于您是电气工程师还是音频耳机。如果是后者,我们可能会漫长地抱怨无氧电缆,超值电容器和许多其他昂贵的废话,在满月期间在放大器上挥舞着一条死鱼时必须遵循。
奥林·拉斯罗普

Answers:


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在现代音频电子设备中不使用阻抗匹配。

  • 麦克风输出可能约为600Ω,而麦克风前置放大器输入则为1kΩ或更大。
  • 线路输出约为100Ω,而线路输入则约为10kΩ。
  • 扬声器放大器将小于0.5Ω,而扬声器则更像4Ω。
  • 吉他输出可能为100kΩ,而吉他放大器输入至少为1MΩ。

在所有这些情况下,负载阻抗都明显大于电源阻抗。他们不匹配。 这种配置使保真度最大化

阻抗匹配在真空管放大器中所使用的电话系统,其音频系统演变而来,并且是(有时?)使用的,但即使是这样,这是一种折衷的最大功率和最大保真度之间

传输线效果不适用。我认为您的波长至少为10 km(对于20 kHz),从反射中看到的最大影响是一些梳状滤波(HF滚降),其长度为几km?但这是完全不现实的。

比尔·惠特洛克Bill Whitlock)

音频电缆不是传输线。奇特电缆的市场宣传经常引用经典的传输线理论,并暗示纳秒级响应在某种程度上很重要。实际物理学提醒我们,音频电缆只有达到物理长度约4,000英尺时,才开始在工程意义上开始表现出传输线效应。

最大幂定理不适用,因为:

Rane Corporation

阻抗匹配出现在真空管,Edsels和蜂巢发型上。现代晶体管和运算放大器级不需要阻抗匹配。如果这样做,阻抗匹配会降低音频性能


有关为什么在专业音频应用中不需要阻抗匹配(实际上是有害的)的原因,请参见William B. Snow,“阻抗-匹配或最佳”(写于1957年!],《声音增强:选集》(由David L. Klepper编辑(纽约,音频工程学会,1978年,第G-9-G-13页),以及RaneNote Unity增益和阻抗匹配:奇怪的床友。

舒尔兄弟

对于音频电路,匹配阻抗重要​​吗?

不再。在20世纪初期,匹配阻抗非常重要。贝尔实验室发现,要在长途电话电路中实现最大的功率传输,应匹配不同设备的阻抗。阻抗匹配减少了所需的真空管放大器的数量,这是昂贵,笨重和发热的。

1948年,贝尔实验室(Bell Laboratories)发明了晶体管—一种廉价,小型,高效的放大器。晶体管比最大功率传输更有效地利用最大电压传输。为了获得最大的电压传输,目标设备(称为“负载”)的阻抗至少应为发送设备(称为“源”)的阻抗的十倍。这称为桥接。连接音频设备时,桥接是最常见的电路配置。对于现代音频电路,匹配的阻抗实际上会降低音频性能。

这是一个普遍的误解。 HyperPhysics以前显示的是8欧姆放大器的输出,但是从那以后它们就改善了页面。电子设计公司很长时间以来一直显示8欧姆放大器的输出,但经过一番评论后,他们终于解决了该问题:

因此,除非您是拥有一英里长电缆的电话公司,否则源阻抗和负载阻抗都不需要与...匹配至600欧姆或任何其他阻抗。--- Jensen Transformers,Inc.和AES Life Fellow的总裁兼首席工程师Bill Whitlock。


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您缺少全局的一部分。阻抗匹配是在过去进行的,因为负载和驱动器是无功的。在音频示例中,变压器通常位于信号路径中,如果阻抗不匹配,则根本无法工作。今天,您可以摆脱阻抗不匹配的困扰,因为大多数现代电子设备都具有电阻性输入和输出,而不是电抗性。但是对于电抗元件位于信号路径中的设备,阻抗匹配仍然是重要的考虑因素。
罗伯特·哈维

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@endolith:两端都带有变压器的任何东西都需要阻抗匹配。当然,大多数现代电子设备都具有电阻性输入和输出,因此目标变成了输入上的高阻抗和输出上的低阻抗。但是,这并不总是产生理想的条件。如果要为调音台建立麦克风输入,则您不希望输入阻抗为10兆欧,因为敏感的输入会吸收各种噪声。取而代之的是,您希望获得更多的10K欧姆的东西。
罗伯特·哈维

1
@endolith:令我惊讶的是,我还没有看到电子管放大器的输出阻抗是“电子管声音”中的一个因素,也没有见过关于设计具有更高“有效”输出阻抗的放大器来模仿电子管声音的讨论。安培。无需使用功率消耗电阻器来调节输出阻抗。我认为当前的反馈可以做得很好。
supercat

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这是否适用于D类放大器(它们具有无功输出?)
finnw 2011年

1
@Kaz:是的,但是小提琴是一种乐器,而不是扬声器外壳。乐器设计的目标是从零开始产生出美妙的声音。扬声器外壳设计的目的是在不做任何更改的情况下重现最初录制的优美声音。(除非您正在设计吉他放大器。它们更像是乐器。)
endolith

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阻抗匹配并不是音频的真正问题,在您的示例中,它并不是真正的首选。但是,您确实需要注意输入和输出阻抗。

通常,阻抗匹配有两个原因:

  1. 最小化反射-当传输线的长度与信号的波长相同时,反射将成为一个问题。这里有不同的经验法则。有人说,当电线的长度是波长的1/4时会担心,有人说是1 / 6、1 / 10等。这取决于传输线的信号和电抗。在这种情况下,这并不重要,因为20khz信号的电波长约为49,000ft。换句话说,对于您所要求的应用程序,反射不是问题。

  2. 最大功率传输-将驱动器的输出阻抗与负载的输入阻抗匹配,可以实现最大功率传输。乍一看,这对于驱动扬声器很重要,但还有更多重要的注意事项(请参见下文)。

放大器示例:

采用现代放大器设计(有功功率级,无输出变压器),您的实际目标是除其他因素外,尽可能达到最高的阻尼系数。当您驱动扬声器时,扬声器本身实际上会在驱动电流时产生电流,考虑到驱动设备在磁场内移动线圈,这应该是有道理的。在理想情况下,这无关紧要,因为圆锥/线圈会立即对输入信号做出反应。实际上,由于扬声器的机械特性,会导致音锥延迟和超调。结果,扬声器产生电流,该电流在放大器处传回。

用更简单,更适用的术语来说。高阻尼系数使放大器能够更好地控制扬声器振盆。这在扬声器的共振点附近尤为重要。阻尼系数为(扬声器电阻)/(放大器输出电阻),并对导线电阻进行一些校正。因此,在这种情况下,您的目标是放大器中最小的输出电阻。

设备之间的线路电平(前置放大器):

同样,阻抗匹配不是目标。通常,您需要最低的输出阻抗和最高的输入阻抗。这样可以最大程度地减小电流消耗,从而最大程度地降低电压。这是最低的失真配置,并允许最大的电压传输。


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“将驱动器的输出阻抗与负载的输入阻抗相匹配可以实现最大的功率传输。” 不完全的。将负载与固定的源阻抗匹配可使功率传输最大化,但是如果您可以控制输出阻抗,则希望它尽可能小以增加负载中的功率。
endlith 2010年

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我不同意,较低的输出阻抗值不会增加功率传输,除非您可以降低负载电阻以使其匹配,这仅意味着您需要在混合中添加一个源电阻以匹配负载电阻。假设负载主要是电阻性的。最大化负载电压和最大化功率是两件事。
标记

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按照这种逻辑,您只需将所有电阻都设为0欧姆并获得无限的功率。:)最大功率定理仅在源阻抗固定时适用。在这种情况下,您要使负载等于电源,以从中获得最大功率。 en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_theorem 但是,如果您有固定的负载(扬声器),并且可以更改信号源的输出阻抗,则希望使其尽可能小。一个0欧姆的电源将整个电源驱动到4欧姆的负载,而将4欧姆的电源驱动到4欧姆的负载只会浪费一半的可用功率。
endlith

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我想知道的一件事是扬声器的输出阻抗如何随频率变化,阻抗-频率响应如何随声音-输出-频率(在均匀电压下)响应而变化,以及放大器是否可以使用在试图为房间中的扬声器产生平坦的频率响应方面的变化。知道是否有人调查过吗?
supercat

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@supercat好吧,SPL电平的阻抗是一项复杂的功能,并且肯定会受到扬声器外壳,驱动器机械特性和ts参数等因素的影响。一个普通的“ 8ohm”扬声器的阻抗摆幅约为3ohm至50 + ohms,但可以实现非常接近平坦的频率响应。由于所有房间都不同(尤其是低频),因此通常不会使扬声器适应声学环境。使用EQ完成房间校正。Google Audyssey,用于最受欢迎的自动房间校正系统。
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