耳机放大器及电路原理.pdf

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1、引言 说起功放 , 大家一定不会陌生 。 可是提起耳放耳 机功率放大器知道的人就不是很多了 , 就连一位玩音 箱多年的朋友也曾睁大眼睛发问 “ 耳放是什么东西 ” 什么是耳放呢耳放就是提供给耳机听音系统音频 功率 、 并对其重放的音色 、 音量及声场状态进行调节与 控制的独立设备 。 所谓的独立设备 , 是相对于某些设备 中如随身听 、 声卡 、 调音台等 内置的耳放电路而言 的 。 这些设备也具有耳机输出插口 , 可以直接驱动耳机 发声 , 但我们不把这些内置 的耳放 电路纳入 耳放的 范 围 。 耳放是随着高保真耳机的发展而产 生的 。 上世纪七 十年代以后 , 耳机技术有了迅速的发展和提

2、高 。 优质耳 机重放的效果几乎达到了完美的程度 。 这些耳机中有的 频响超 越了人的 听觉范围 一 曰 , 达 到 了 日 一 以上 的水平 , 谐波失真和互调失真也减少到 了小于无的高标准 。 它们的音质在很多 方面已明显 超过了扬声器放声系统 。 但是 , 绝大多数的优质耳机 , 仅仅凭借一些设备内置 的耳放电路是远不能发挥出它们的优异性能的 , 这是因 为这些耳放电路一般都 比较简单例如万元 级的天龙 一 工工 机 , 其耳放 电路也 只是 使用 了 两片 运放 , 其性能和素质都很有限的缘故另外 还有一些音源根本就没有装置耳放 电路 , 只有线路输出 工丁 的功能而静电式耳机则需要特

3、殊设计的 放大器才能驱动 。 所以在很多情况下音源与耳机之间还 要增加一个中间设备 耳机音频功率放大器 卜。飞 来承上启下 , 于是耳放就成了高质 量的耳机听音系统中不可或缺的设备了 。 使用经验证明 , 优质耳放的作用的确很大 , 它可以充 分挖掘音源的实力 , 张扬耳机潜在的性能优势而且不 同结构的耳放 , 具有不同的声音风格和特点 , 很值得爱好 者把玩 。 一 、 耳放 的特点和技术指标 耳放 , 实际上是脱胎于音频前级放大器和末级功 率 放大器 , 处处都能看到先辈们 的身 影 。 虽说都属于音频 放大器一类 , 但是由于所驱动的对象不同 , 其性能就产生 了很大的差异 。 同为终端

4、负载的音箱 和 耳机之间存在 着很大的 区 别 。 从灵敏度上来讲 , 音箱灵敏度低 , 耳机灵敏度高从 驱动功 率上来讲 , 音箱要求的功率大 , 耳机要求的功率 小从瞬态特性上来讲 , 音箱瞬态反应慢 , 耳机瞬态反应 快从失真度上来讲 , 音箱失真大 , 耳机失真小从阻抗 值上来讲 , 音箱阻抗低 , 耳机阻抗高从振膜重量上来讲 音箱喇叭的振膜重 , 耳机单元的振膜轻从频率 响应上 来讲 , 音箱频响较窄耳机频晌较宽从声辐射的空 间 来讲 , 音箱是向自由空间发声 , 耳机是向极小空间的耳穴 发声 。 凡此种种差异 , 给耳放提出 了不同于音箱功 放的技术要求 , 这就形成了耳放的特点

5、。 那么耳机功放与音箱功放相比较都有哪些特殊的要 求呢 , 耳放要求的输出功率很小 由于耳机的灵敏度很高 , 所以很小 的驱动功 率就会 使耳机产生很高的声压 。 一般的耳机在规定条件下施加 讨的功率就可产生 左右的声压级相当于纺织 车间的机器声 , 日的声压级会造成人耳发痛 , 我们称 为痛阂 , 而高灵敏度的音箱在规定条件下施加 讨功率 才能产生左右的声压级相当于高声唱歌 。 所 以 皿 年第期 耳放的额 定输出功率大都在 囚一讨之 间 , 这给设计 和制造带来了许多方便 。 耳放的信噪比要求很高 一般的功放驱动音箱时 , 只要在距离音 箱处听不 到交流声和其他噪声 , 基本上不会影响正常

6、的听音音 箱功放的信噪 比一般在 巳巳左右 。 可是耳机由 于灵敏度极高 , 大多数又是紧贴着耳朵听音 , 所以要求耳 放的噪声要非常小 , 信噪 比应大于 。 只有这样 , 音 乐中的微弱细节 才可听到 , 不会被噪声所掩 盖 。 优质耳 放的信噪比可达 日以上 。 耳放的输出阻杭范 围较宽 音箱 的阴抗大都在 几一 之间 , 可是 优质耳机的阴 抗却 有 、 几 、 、 几 、 几 、 、 几 、 等许多种类 , 而且数值相差很大 。 这就 要 求耳放能尽量适应高 、 低 阻负载 , 同时还能提 供足够的 驱动功率 。 耳放的失真度要极低 耳机发声单元的振 膜非常轻 , 它对声频信号的跟随

7、 能力极强 , 频响也 很宽 , 这也增 大了它 对信号的谐波失 真 、 互调 失真 、 相位失 真 , 的敏 感 度 , 因此 耳放的各 项失真度指标要很好 。 耳放的 阻尼系数不要求很大 由于耳机的振动系统质 量很轻 , 在谐振时产 生 的运 动惯量极小 , 不需要放大 器具有很低的输出 内阻来加强 对振膜惯性振动 的抑制 。 而专业音箱和 家用音箱的喇叭 其振动部分的质 量很大 , 放 大 器 的输出 内阻必须做的很 小才能有 效抑制振动部分的惯性振动 , 使播放的声音 干 净利落而不含混 。 比如专业功放的阻尼系数常达以 上 , 家用功放的阻尼 系数常在 一 左右 , 而耳放的阻 尼系

8、数常在 一 之间 , 个别机种可达左右 。 输出 内 阻高的放大器容易设计和生产 。 对耳放的基本性能指标要求见表 。 对于表中的大多数指标 , 只要了解其定义都较容易理 解 , 不再赘述 。 这里只对信噪 比 、 失真度指标中的有关 问题加以说明 。 信噪比是指输出信号电平与本 机噪声电平 的 比值 , 通常用分贝田来表示 。 信噪比越大说明本机噪声越 小 , 性能越好 。 当信噪 比为 巳时 , 输出的信号电压是 噪声电压的一万倍 , 当信噪 比为时 , 输出的信号电 压是噪声 电压的十万倍 。 但是指标后常有 计权的标注 , 这是什么意思呢原来由于人耳对声音各频率成分的灵 敏度不同 ,

9、经声级计测量得到的声压级就不能反映出人 耳对声音响度的感 觉 。 为了使声级计的读数能代表人耳 的听觉晌应 , 在声级计 中接入了对某 些频率作一定衰减 或放大的 、 日 、 和计权网络电路系统 。 接入这个计权 网络的声级计称为标准声级计 。 经过标准声级计测量的 声级称为 “ 计权声级 ”, 单位用 日八 、 吕 、 不口日来分别表示 , 计权网络适 用于航空噪 声并与噪度烦噪 程度有关的测量 。 经过长期实践 , 人们发现人耳对声音的主观感受响度 、 噪声 、 对语 言 的干扰度等和计权声级有很好的相关性 , 因此计权 声级也成为对噪声评价的最 主要方法 。 音频放大器信噪 比计权的获得

10、就是在测量仪器中接入计权网络实 现的 , 获得的信噪比指标要比不计权时高 。 也 就是说信 噪 比不计权 巳的放大器要 比信噪比巳 计权的放大器实际噪声要小 。 。年 第期 彝 图歌德 一 耳放 一个简单测试耳放信噪比的方法是将耳放输入端子短路 , 在安静 的环境下 用双 手将耳机紧压在耳朵上 , 此时不管是耳放音量开在最大 、 还是最小都不应有可闻的噪声 , 这样的耳放我们才可以定性地说它的信 噪比不错 。 关于失真度的向题 , 已有明确定义和测试方法的有谐波失真 、 互调 失真 、 交叉失 真 、 削波失真 、 瞬态失真 、 相位失真 、 动态互调失 真等 。 动态互调失真是反映放大器实际

11、工作时的指标 , 对音质表现显得至关重 要 。 有些放大器其他的指标很高 , 但是声音不好听 , 原因之一就是动态 互调失真太大 。 动态互调失真大的原因是放大器加入深度负反溃后 , 为 了防止寄生振荡增加了补偿电容 , 使放大器高频时产生的信号相位滞后 弓发的 。 这时如 果输入端有 一个尖峰信号 , 由于补偿电容充 电需要时 间 , 输出端来不及向输入端提供即时的负反馈电压 , 于是瞬间的尖峰电 压得不到抑制 , 使放大器出现过载 , 偷出的信号便使这些尖峰信号产生 了严重的削波 。 由于语音和乐音中有许多的尖峰信号 , 这种放大器却使 它们消失殆尽 , 自然就无 “ 靓声 ” 可言了 。

12、 有些产品为了展宽频率响应 和一味追求高的静态指标 , 不合理地加大负反馈 , 这种情况在集成电路 和晶体管放大器中尤为常见 , 这就是产生 所谓 “ 石机声 ” 的重要原因之一 。 目前许多人不重视技术指标究其原 因 , 一是由于某些厂家缺乏必要的测试手 段和规范的测试方法 , 空穴来风 、 胡乱标 高指标 、 和实际产品的素质很不相符 , 使 得大 家对此失去信赖二是目前 “ 技术 标准 ” 里的参数还不能完全 描 述人耳 的 实际听音 感受 , 所以觉得 “ 以耳收货 ” 才 是最 可靠的 。 窃 以为主观听音的重要虽 无可置疑 , 但在已有的技术参数里 , 确实 包含着许多和音质相关的

13、信息 , 我们没有 理由不去 “ 明察秋毫 、 探其究竟 ”。 二 、 耳放 的种类和 电路结构 耳放的种类 如 果按使用 的放 大器件 来分 , 有集成电路耳放 工耳放 、 晶体 管耳放石 耳放 、 电子管耳放胆 耳 放 、 混合型耳放混血耳放四类 。 其 中混合型耳放常有三种基本形式 , 运放与 晶体管混合 、 晶体管与电子管混合 和运 放 、 晶体管 、 电子管混合 , 目前产品中这 三种形式郁有一定份额 。 耳放如 按 电路形 式 来分 , 则 有 丁仁 无输出变压器 、 仁 无输出电 容 器 、 变压器输出和数字化四类 。 如果按驱动的耳机种类来分 , 常见 的 有推动动圈和静电耳机

14、的两类 。 为叙述方便将按第一种分类法逐类 表述 , 每一类再按电路结构展开讨论 , 最 后对静电耳放再作叙述 , 这样经纬比较分 明 。 为了对耳放的组成有个基本 的了解 , 我们先来看一看图的耳放原理框图 。 在图中可以看出耳放主 要由音量 控 制一前级放大 一音调 、 声场调节网络 一驱 动 、 功 率放大 器及电源 五 个 部分 组 成 。 其中音调 、 声场调节 网络的设置虽然多 了些调节功能 , 但也会引起一定的负面影 响 , 所 以在大多数优质耳放 中均不设置 。 对于能够对 、 一 日 、 杜比 、 丁 音效解码的数字化耳放 , 则又增设了 夸吟 “年 第期 数据预放和数字处理

15、部分 , 不过这种耳放目 前为数不多 , 不是主流产品 。 集成电路耳放 集成电路耳放的放大器件是运放集成电 路戴音频放大集成电路 。 由于集成许多元件 于一个芯片 , 所以外围元件少 , 线 路 非 常简 洁 。 这类耳放的性能和选用的集成电路档次 有很大关系 。 图是美国歌德公司生产的 八一 运放耳 机放大器 , 专门用来驱动其旗舰只 一工动圈耳 机 。 一 耳机低频结 实 凝聚 、 中频率真华 丽 、 高频平顺光渭 , 是一款很有特点的 高档 耳机 , 目前国内售价高达元 以上 。 但这 款 配 套的耳放其线路之简洁却令人 咋舌不 已 , 售价竟合人民币近元 。 它的核心元 件是一枚双运

16、放 , 加上插座 、 开关 、 电阻 、 电容不到个元器件 , 由此 可看出国 外知名 “ 品牌 ” 是多么的值钱了 。 图是它的电路和实物以及木质壳体的 内部结构 。 它是将运放连接成的一个典型 的同相放 大器使用 , 在同相 放大 器中因为 。以 日一尺 尺尺 , 式中 以七为输出信号电 压 、 为输入信号电压 , 所 以这个耳放的 电压增益 以一十一 几十 二 倍 。 用分贝数表示则为 。一 了 卜 吕 。 它采用两节 层压电池戴变换器供电 。 由于只 一 耳机的阻抗为 几 , 灵敏度为 , 所以 尺 一 耳放 也能将它推得比较理想 , 但却达不 到极致 。 图是笔者制作的一个 比较完善

17、的运放 耳机放大器的电路图 。 图中工是输入级 , 单运放闪被 接成同相放大器使用 , 具有输入阻抗高和低 噪声的优点 。 工 与工之间为立体声耳机 声场模拟电路 , 改变电位器 尺的阻值可弓起 声场的变化 。 闪和闪为声场模拟电路 的 接入和切断四刀双掷按钮转换开关 , 当开关 处于接入位置时声场变窄 , 当开关处于切断 位置 时声场变 宽 。 工 、 工 为双运放 尸 其中工中 的一只运放作同相放 大器 使用 , 另一只作直流 伺服使用 。 工 中的两 只运放并联相 接 , 作为输 出级功率扩容 。 这类耳放大多数没有 输出电容 , 属于电路形式 。 图是 它的实物图 晶体管耳放 晶体管耳

18、放 的放大元件 , 主要使 用双极性 半导体管戴场效应管 , 线路 设计具有很大 的灵 活性 , 目 前高档 的 石机耳放多用这种结构 。 晶体 管耳放 的音质 表现通透 、 细腻 、 解析力 高 , 它 的频响宽 、 失真度 低 、 动态 范围 大 , 输出阻抗 范围宽 、 阴尼系数高 , 对 低阴大 振膜的耳机也具有良好的控 制 力 , 所以获得了许多朋友的喜爱 。 图的日本铁 三角 。一 公 司的日高级耳放 就是这类机子 。 日 耳 放 是 由资深工程师入 井 广一设计的 , 号称花了六年时间 。 其奥 秘 是采用最大 电流达的 一 管和 , 使 之具有近 乎的内 阴内阻 , 这样 ,

19、如 果 用 以驱动阻抗 的 一囚 阻尼系数当为 , 如果推动阴抗 几的森海塞尔 日 , 阻尼系数当为 , 这样不 仅仅使耳机振膜 由于反 电动势产生的 运动惯量减到极小 , 更重要 的是大大 减小了耳放的输出失真由于具有极 低的 内阻 , 从而保证了从 几一几 负载的定压输出 。 于是它除了是 丁日一 讨 耳机的绝配 , 又能比较好地驱 动日 。 这套组合播放人声非常甜 美动人 , 略加美化下的古典乐曲很有 生气 , 能将低频浓重 、 节奏感强的流 行音乐演绎得让人如醉如痴 。 图是一种比较简单的晶体管耳 放的电路图 。 这个耳放电路输入级和末级采用 场效应管 , 推动级则 使用双极性晶体 管

20、 , 整个电路为上下对称的设计 , 其输入级为差分放 大 , 调整 尺可使输出端的直流 电压为零 。 该机的负反馈部分具有吕 吕七 低音增 强电路 , 这给喜欢低音的朋友或驱动低频响应欠佳的耳机 带来了一点方便 。 如果你愿意获得平直的频率响应曲线 , 只要拨动一下转换开关就可以了 。 图则是一款高档的晶体管耳放的结构图 , 它由 两个 完全相同的单元组成 , 可分别驳接不同的音源 , 驱动两只 耳机 , 并能分别调节 、 控制 。 它在输入级 的模块中也 采 用了部分集成电路 , 所 以称它 为集 成电路与晶体 管混合 型耳放也未偿不可 。 电子管耳放 由于电子管和晶体管传输电流 的方法不同

21、电子管 的电流是电子在真空中的电极间渡越所形成的 , 而 晶体 管等固态元件的电流则是荷 电载流 子在固体中的原子间 运动形成的 , 使得它们产 生了许多不同的特点 。 在声 频放大器的应用中 , 一般来讲晶体管犹如宝石美丽而冷 艳 , 电子管则犹如美玉华贵而 温润 。 这个差异使得电子 管放大器俗称 “ 胆机 ” 至今仍以 “ 胆色迷人 ” 而著 称 。 胆耳放也成为音乐爱好者和耳机发烧友们追逐的对 象 。 电子管耳放电路也有盯仁 、 七和变压器输出三种 基本形 式 。 在 丁 形式中又有 阴极输出 己 、 单端推挽输出 尸 、 倒相推挽输出三 种 。 图是这三种电路的基本形式 。 在图 中

22、 , 如果信号不经过输出电容直接从 点输出 , 则成为电路形式 , 这时整机的相位失真会更 小 , 频率响应 也得到展宽 。 但 是 要求末级功率管要严格 配对 , 确保中性点的直流电压为零 。 为了防止电路发生 故障时 , 中性点电压偏移造成耳机损坏 , 应接入耳机保护 图 胆耳放的三种电路形式 装置 。 图是笔者在国内首 次采用 七即无输出电容 电路程式设计制作的胆耳放 。 这 台取名 “ 声舞台 ” 一 的电子管 耳机放大器 , 输入级采 用作两声道 共阴极放大 , 直藕到由两只 双三 极 管组成的倒相 、 驱动电路 , 然 后推动由 只巨组成的立体声功率放大器 , 直接推动耳机发 声

23、。 为了保证中性点电压为零 , 本机的末级电路首先是 对胆管精密配对 , 再采用直流 负反 馈使之更 加稳定这 里要注意决不能单靠直流负反馈或直流伺服电路将中性 点 “ 强 拉 ” 到零 , 这样会使整机瞬态 特性变差 。 为了防 止电路意外 , 在输出端接有完全独立 的耳机保护装置 , 确保在任何故障情况下耳机的使用安全 。 它可以驳接阻 抗 几一几的多种耳 机 , 为了听音对比 , 设置 两个 耳 机插口 , 一路 为输出方式 , 另一路则 为 丁仁输出方 式 。 这台耳放的低音下潜很深 , 高频段也延伸到 火 日乙 整个频段很均衡 、 率直 、 通透 。 在播放人声 、 各种管弦 乐器的独奏以及大部头交响乐时均有良好的表现 。 由于 输出功率较强 、 动态 范 围较大 , 在播放流行音乐时也显 得 非常热烈和富有激情 。 下期待续 画 年 第期了 夕 彝