電流功率放大器-負(fù)阻放大器

負(fù)阻放大器，除了在一些特別的場(chǎng)合，第一個(gè)用于音響上并取得成功的是YAMAHA，其主要的作用是對(duì)低頻的延伸有很好的改善作用，但是對(duì)200Hz以上的頻率卻會(huì)起到劣化音質(zhì)的效果，所以一般是用在超低頻有源音箱上。

實(shí)際上，這種電路是和音箱搭配使用的，單獨(dú)沒有什么實(shí)際使用的意義。其工作原理是：如果音箱是一個(gè)剛體，那么加上一個(gè)管子，就可以變成一個(gè)理想的霍爾莫滋共鳴箱，那么不管這箱子大小如何，管子的粗細(xì)怎樣，只要符合霍爾莫滋共振計(jì)算公式。哪怕20Hz的諧振點(diǎn)也可以做的到，箱子的大小，只是效率高低而已，由于音箱上有喇叭的存在，喇叭在發(fā)聲的時(shí)候是在運(yùn)動(dòng)的，音箱就不是一個(gè)剛體，那么箱子就不會(huì)產(chǎn)生霍爾莫滋共鳴。因此，如果在發(fā)聲的時(shí)候喇叭的振膜是靜止不動(dòng)的。那么，箱子就接近剛體，就可以滿足霍爾莫滋共振的條件，可以任意的設(shè)計(jì)這個(gè)箱子的諧振點(diǎn)。發(fā)聲的時(shí)候讓喇叭不動(dòng)的工作就是負(fù)阻功放的任務(wù)了。

負(fù)阻功放的工作原理是當(dāng)喇叭在低頻段工作的時(shí)候，其阻抗特性急劇變化，放大電路通過電流取樣將這種變化取出來反饋給功放，，使得功放以電流的形式進(jìn)行控制喇叭，如果對(duì)放大電路進(jìn)行等效分析，可以發(fā)現(xiàn)功放的內(nèi)阻在計(jì)算上成負(fù)阻特性。在動(dòng)態(tài)放大的時(shí)候使得喇叭加放大器的內(nèi)阻接近于0。結(jié)果這種電路使得在喇叭不管朝哪個(gè)方向都受到很強(qiáng)的阻尼。只要發(fā)聲以結(jié)束，喇叭就不動(dòng)了，箱子也就變剛體了。所謂負(fù)阻，說白了就是正反饋。


下面所論的揚(yáng)聲器，是直接輻射式電動(dòng)揚(yáng)聲器，簡(jiǎn)稱直射揚(yáng)聲器。

直射揚(yáng)聲器問世于1924年，被譽(yù)為20世紀(jì)最動(dòng)聽的發(fā)明。雖然它已有80多年的歷史，但是目前仍在揚(yáng)聲器中占主流地位，被稱為萬壽無疆的揚(yáng)聲器。直射揚(yáng)聲器只所以長盛不衰，是因?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn)。但是，它也存在不少缺陷。人們對(duì)它的改良，一直沒有取得突破性進(jìn)展。所以，它又公認(rèn)是電聲系統(tǒng)全鏈條中最薄弱和最難提高的環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有電聲系統(tǒng)，均是對(duì)直射揚(yáng)聲器進(jìn)行恒壓驅(qū)動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)它的是恒壓功率放大器（簡(jiǎn)稱功放）。雖然現(xiàn)在的恒壓功放，保真度已達(dá)到接近理想的水平，但是因被其驅(qū)動(dòng)的直射揚(yáng)聲器還很不理想，致使整個(gè)電聲系統(tǒng)的重放質(zhì)量也很不理想。

能否通過改變直射揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)方式，找到提高電聲系統(tǒng)重放質(zhì)量的辦法呢？答案是肯定的。


1.1基本理論

直射揚(yáng)聲器是涉及電學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)的復(fù)雜電聲器件，現(xiàn)以裝于無限大障板上的直射揚(yáng)聲器為例，了解一下它的輸入電阻抗ZY。ZY＝R＋jωL＋（Bl）2YM，R是直射揚(yáng)聲器音圈的等效電阻；j是虛數(shù)單位，ω＝2πf是聲信號(hào)的角頻率，π是圓周率，f是聲信號(hào)頻率，L是直射揚(yáng)聲器音圈的等效電感；B是直射揚(yáng)聲器磁隙中的等效磁通密度，l是直射揚(yáng)聲器音圈導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的等效總長度，YM＝1/（RM＋jωMM＋1/jωCM）是直射揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)和輻射負(fù)載的等效輸入力導(dǎo)納，RM＝RM1＋RMR1＋RMR2是直射揚(yáng)聲器力學(xué)系統(tǒng)的總等效力阻，RM1是直射揚(yáng)聲器振動(dòng)體的等效力阻，RMR1、RMR2分別是直射揚(yáng)聲器正面和背面的輻射力阻，MM＝MM1＋MM2＋MMR1＋MMR2是直射揚(yáng)聲器的總等效質(zhì)量，MM1是直射揚(yáng)聲器錐盆的等效質(zhì)量，MM2是直射揚(yáng)聲器音圈的等效質(zhì)量，MMR1、MMR2分別是直射揚(yáng)聲器正面和背面的同振質(zhì)量，CM＝CM1CM2/（CM1＋CM2）是直射揚(yáng)聲器的總等效力順，CM1是直射揚(yáng)聲器軛環(huán)的等效力順，CM2是直射揚(yáng)聲器中心墊圈的等效力順，（Bl）2YM是直射揚(yáng)聲器力學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)生電阻抗。

因直射揚(yáng)聲器的力學(xué)系統(tǒng)折合成電路參數(shù)之后，仍為一個(gè)并聯(lián)諧振回路即電流諧振回路，故在其并聯(lián)諧振頻率即力諧振頻率fO呈現(xiàn)高阻，致使ZY在fO出現(xiàn)最大模值│ZY│MAX；在低于fO的頻段，因并聯(lián)諧振回路呈感性，故ZY也呈感性，即ZY的模值│ZY│隨f降低而減??；當(dāng)f高于fO時(shí)，并聯(lián)諧振回路呈容性，這個(gè)電容又與音圈電感L發(fā)生串聯(lián)諧振即電壓諧振，故在其串聯(lián)諧振頻率即電諧振頻率fZ呈現(xiàn)低阻，致使ZY在fZ出現(xiàn)最小模值│ZY│MIN；當(dāng)f高于fZ時(shí)，串聯(lián)諧振回路呈感性，故ZY也呈感性，即ZY的模值│ZY│隨f升高而增大。

對(duì)于閉箱和開箱即有限大障板上的直射揚(yáng)聲器，其│ZY│的頻率特性與裝于無限大障板上的直射揚(yáng)聲器具有相同的規(guī)律，僅在某些具體細(xì)節(jié)有區(qū)別；對(duì)裝于反相箱和其它特殊音箱上的直射揚(yáng)聲器，其│ZY│的低頻特性與裝于無限大障板上的直射揚(yáng)聲器會(huì)有較大不同。限于篇幅，本文不予詳述。

從YM＝1/（RM＋jωMM＋1/jωCM）可以看出，在fO時(shí)，YM＝1/RM，故直射揚(yáng)聲器力學(xué)系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)QM2＝MM/RM2CM＝MMYM2/CM，電聲系統(tǒng)的總品質(zhì)因數(shù)QO2＝（RO＋R）2QM2/（RO＋│ZY│MAX）2＝（RO＋R）2MMYM2/（RO＋│ZY│MAX）2CM，由此可得YM2＝QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM，RO是聲功放及其饋線的等效內(nèi)阻。由于直射揚(yáng)聲器fO時(shí)的R、│ZY│MAX、MM、CM是一定的，故其YM只受QO和RO的影響。不難看出，QO大，YM也大；QO小，YM也小。

QO＞0.5時(shí)，直射揚(yáng)聲器將發(fā)生振蕩，會(huì)使重放聲音的瞬態(tài)特性變壞，失真加大，只有QO≤0.5，直射揚(yáng)聲器才不振蕩，故在要求重放聲音有好的瞬態(tài)特性和小的失真時(shí)，QO必須≤0.5。

在QO＝0.5時(shí)，YM的頻率特性大致有如下特點(diǎn)：當(dāng)f＜fO時(shí)，YM∝f；當(dāng)f＞fO時(shí)，YM∝f－1。

從ZY＝R＋jωL＋（Bl）2YM可以看出，在fO時(shí)，因L可以忽略，故ZY＝R＋（Bl）2YM。又因fO時(shí)的YM2＝QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM，故得fO時(shí)的ZY2＝R2＋（Bl）4QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM。顯然，fO時(shí)的│ZY│也受QO和RO的影響。不難看出，QO大，│ZY│也大；QO小，│ZY│也小。

在QO＝0.5時(shí)，│ZY│的頻率特性大致有如下特點(diǎn)：當(dāng)f＜fO時(shí)，│ZY│∝f；當(dāng)fO＜f＜fZ時(shí)，│ZY│∝f－1；當(dāng)f＞fZ時(shí)，│ZY│∝f，對(duì)于音圈電感量L為0的無感直射揚(yáng)聲器，│ZY│∝f0，即│ZY│基本恒定。

對(duì)于波陣面為平面的聲波，波陣面面積S不隨傳播距離r而變化，若忽略媒質(zhì)對(duì)聲波能量的損耗，則聲壓瞬時(shí)值p和質(zhì)點(diǎn)振速瞬時(shí)值v也不隨傳播距離r而變化，聲波方程和波動(dòng)方程中的波陣面面積S、聲壓瞬時(shí)值p和質(zhì)點(diǎn)振速瞬時(shí)值v都不再是傳播距離r的函數(shù)，故簡(jiǎn)諧平面聲波聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲壓復(fù)值P與同一點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振速復(fù)值V之比即波阻抗率ZS＝P/V＝ρOCO。ρO是媒質(zhì)的靜態(tài)密度，CO是無限大均勻媒質(zhì)中的聲速。

對(duì)于波陣面為球面的聲波，波陣面面積S將隨計(jì)量點(diǎn)到聲源等效中心的距離r而變化，即S＝4πr2，故簡(jiǎn)諧球面聲波的波阻抗率模值│ZS│2＝P2/V2＝ρO2CO2（kr）2/［1＋（kr）2］。顯然，簡(jiǎn)諧球面聲波的│ZS│與kr有關(guān)。當(dāng)距離r較遠(yuǎn)，聲波頻率f較高，即kr＞10時(shí)，球面聲波│ZS│中抗與阻相比已小到可以忽略，故可以按平面聲波處理，即ZS＝P/V≈ρOCO。k＝ω/CO＝2π/λ是波數(shù)，λ＝CO/f是聲波的波長。

直射揚(yáng)聲器的輻射體可近似看成活塞輻射器，故可用無限大障板上作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的圓活塞在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的聲壓表達(dá)式來計(jì)算直射揚(yáng)聲器的聲壓，即P（θ）＝ρOCOka2VJ1（ka·sinθ）/r（ka·sinθ），P（θ）是與活塞面法線成θ角、距活塞幾何中心r處的聲壓，a是直射揚(yáng)聲器輻射面的半徑，J1（ka·sinθ）是以（ka·sinθ）為宗量的第一級(jí)柱面函數(shù)，即貝塞爾函數(shù)?？梢?，空間中某頻率聲波的聲壓P，不但是方向角θ和ka的函數(shù)，而且隨距離r的增加而線性減小。這表明，直射揚(yáng)聲器輻射的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)聲波不完全是球面波，其球形波陣面上各處的聲壓P不同，這是θ和ka造成的。

由活塞輻射體的指向性系數(shù)DS（θ）＝2J1（ka·sinθ）/（ka·sinθ）可以看出，ka越小，指向性越寬；ka越大，指向性越窄。當(dāng)ka大到一定程度，還會(huì)出現(xiàn)副指向性。這表明直射揚(yáng)聲器輻射出的聲能在向活塞面法線方向集中。所以，若使活塞面法線方向上的輻射聲壓具有平直的頻響，則其它角度的聲壓頻響會(huì)產(chǎn)生高頻下降的線性畸變，且該畸變隨ka的增大而加劇。由于ka較大時(shí)出現(xiàn)副指向性，故在大ka時(shí)，直射揚(yáng)聲器輻射體非法線方向上的聲壓頻響會(huì)出現(xiàn)“梳狀”特性。這充分說明直射揚(yáng)聲器的高頻聲波已接近平面波，故完全可以按平面波處理。

雖然在kr＞10時(shí)，球面波可近似按平面波處理，但因直射揚(yáng)聲器的實(shí)際聽音和計(jì)算距離r不可能太遠(yuǎn)，故低頻時(shí)不能按平面波處理。在直射揚(yáng)聲器輻射體的法線方向上，即θ＝0°時(shí)，J1（ka·sinθ）/（ka·sinθ）＝1/2，故聲壓復(fù)值P＝ρOSfV/r。S＝πa2是直射揚(yáng)聲器有效輻射面積。

1.2恒壓驅(qū)動(dòng)

為了減小P的計(jì)算誤差，設(shè)在f＜fZ時(shí)P＝ρOSfV/r，即按球面波處理；在f＞fZ時(shí)P＝ρOCOV，即按平面波處理。另由力學(xué)歐姆定律知，V＝FYM，F(xiàn)是作用于直射揚(yáng)聲器輻射體上的電動(dòng)力。由電動(dòng)原理知，F(xiàn)＝BlI，I是直射揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)電流。由電學(xué)歐姆定律知，I＝U/ZY，U是直射揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)電壓。因此，對(duì)直射揚(yáng)聲器恒壓驅(qū)動(dòng)的聲壓表達(dá)式為：當(dāng)f＜fZ時(shí)，P＝ρOSfBlUYM/rZY；當(dāng)f＞fZ時(shí)，P＝ρOCOBlUYM/ZY。

在f＜fZ時(shí)，因ρO、S、B、l、U、r恒定，故P∝fYM/ZY；在f＞fZ時(shí)，因ρO、CO、B、l、U恒定，故P∝YM/ZY。當(dāng)f＝fO時(shí)，因YM2＝QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM，ZY2＝R2＋（Bl）4QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM。故f2YM2＝fO2QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM，P2∝fO2QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM/［R2＋（Bl）4QOnbs

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