多通道電子音頻分頻放大器的設計與制作

多通道電子音頻分頻放大器的設計與制作

　　自從數字技術進入音頻領域，音源和輸入系統的音質得到了很大的改善，前置放大器變成幾乎只是音源選擇開關和音量電位器的簡單東西。但與此相反，輸出系統卻與模擬時代時一樣變化不大，其原因因主要是揚聲器的 原理并無大變。由于聲頻范圍寬至九至十個倍頻程，要使揚聲器的振動系統在如此寬的頻率范圍內，完全線性地按照電信號振動十分困難，再要求具有線性的聲輻射 特性.幾乎是不可能的。

一個解決的途徑是把聲頻范圍分成數段.再用數只揚聲器分段放音，這即是多揚聲器系統，常見的是二單元和三單元系統。但是分割頻帶需 要分頻網絡，一般是在功率放大器和揚聲器之間插入 L 、 C 濾波器。 由于揚聲器并非純電阻成分，給分頻器的設計帶來困難，不易得到良好的性能;且優質的分頻器需要選用優質的電感器和電容器，價格不菲。

此外，由于各種揚聲器 的效率不同 ( 高音揚聲器比低音揚聲器約高 6 分貝 ) ，為了平衡整個頻帶的聲壓，需要在分頻器中插入衰減器，以降低高效率揚聲器的電平.其結果是整個揚聲器系統成為幾個最低效率揚聲器的組合。

　　為了改變這種情況，產生了多通道放大器方式。

　　在前置放大器之后用有源濾波器分割頻帶，各頻段有自己的功率放大器和揚聲器，各頻段的電平在各功率放大器之前用電位器調整。這種方式的優點是顯而易見 的，它取消了前述 LC 網絡，又能有效地利用各個揚聲器的效率;同時，也降低了對功率放大器的頻率要求，輸出功率也可以小一些;這種結構示于圖 1 ，其關鍵電路是有源濾波器。

　　

　　濾波器有低通、高通、帶通濾波器以及帶阻濾波器。低通濾波器容許從零頻至其截止頻率的分量通過 ; 而阻止高于截止頻率的分量;高通濾波器阻止低于其截止頻率的分量，而容許高于它的分量通過：帶通濾波器容許界于其低截止頻率和高截止頻率之間的頻率分量通 過，而阻止這一頻率范圍外的所有頻率分量。

　　使用運算放大器的有源濾波器可以取消電感元件，并能獲得電壓或電流增益。按濾波器截止特性不同可分為貝塞爾型、契比雪夫型和巴特沃斯型.其特性曲線見 圖 2 ，主要表現在截止頻率附近.貝塞爾型下降緩慢，契比雪夫型下降陡峭，而巴特沃斯型界于二者之間。截止特性通常用 l 倍頻程的衰減量為多少分貝來表示，二階濾波器的每倍頻程衰減量為 12 分貝，三階濾波器為 18 分貝.圖 3 是標準的巴特沃斯二階有源濾波器。圖 3a 為低通濾波器，其計算公式如下：

　　

　　R1 實際選取 18k Ω， R2 實際選取 9.1k Ω， C 實際選取 2200pF 和 270pF 并聯。

　　圖 4 是一款音頻用 12 分貝三通道電子分頻器的原理圖。選用多通道前級分頻比在功率放大器后分頻更能獲得良好的音質。三通道分頻的頻率范圍分別是低頻～ 500Hz ：

　　中頻 500Hz~5kHz ;高頻 5kHZ 。它們合成的頻率特性示于圖 5 。

　　

　　其低頻濾波器和高頻濾波器即是前而的設計例：中頻采用了帶通濾波器.由一級高通濾波器和一級低通濾波器組合而成.其 R 、 C 的計算與設計例相同。這里把低通濾波器設置在高通濾波器之后可以減少殘留噪聲，在濾波器之前設置一緩沖器有利于與音源的匹配，其輸入端的 1k Ω和 150pF 用于限制輸入信號的帶寬：各濾波器的輸出端均用 1k Ω的 10 圈線繞電位器作輸出電平調整。

　　三路濾波器的輸出信號分別接至相同的三個功率放大器，其電路示于圖 6 。首先用輸入級為 FET 的運放 LF357 作電流緩沖，末級功放管采用高頻特性好的 MOSFET ，偏置電路用二極管和電阻構成.利用半可變電阻 VR2 設置靜態電流，靜態電流的測定可在無信號時測量源級電阻 (0.47 Ω ) 兩端電壓。然后利用公式 I="U" / R 算出。末級負反饋從 MOSFET 的源極加到運放的反相端。由于用作驅動的運算放大器的電源電壓不能過高，限制了功放的最大輸出。如運放電源電壓為± 15V ，驅動級最大輸出電壓為土 12V=24V ，揚聲器阻抗 RL="8" Ω，則末級最大輸出功率 P="Vcc" × (VCC / 8RL)=24 × 24 / 64=9W 。這個功率似乎偏小，但實際上這只是一個頻段的輸出功率，加上另外兩個頻段的輸出功率，已完全適用。

　　

　　圖 6 中，功放輸出端的 Rx 、 Cx 及 LY 、 RY 是為穩定電路工作而設。由于揚聲器不是純電阻成分，在頻率升高時，其電感成分會變大，相當于高頻負荷變輕、高頻增益提高，可能引起電路振蕩;加入相當于高頻負荷的 Rx ，就能避免振蕩。

　　當用較長的電纜連接功放和揚聲器時，由于電纜電容的存在.會加重高頻負荷，使功放工作不穩定;加入 LY ， RY ，可避免這種情況。 LY 和 RY 是用直徑 1mm 漆包銅線在 101 Ω 5W 碳膜電阻上密繞 10 匝而成。

　　為了保護揚聲器，在各功放的輸出端要串人 2A 的熔絲，在高頻通道，還要在功放和揚聲器之間串人 2.5 μ F 的聚丙烯電容器，以保護高頻揚聲器。

　　各通道濾波器只要電阻、電容的數字準確.一般不需調試.功率放大器的調整：在無信號輸入時調整 VR1 使輸出電壓為 0V ，然后調整 VR2 使源級電阻 0.47 Ω兩端電壓為 0.1V( 約 200mA) 即可。