三、机械杂音及热噪声
(一)机械噪声
有源音箱将音箱与放大器集成在一起,因此有部分噪声是特有的。
最常见的机械噪音来源是电源变压器。前面说过,电源变压器工作过程是“电—磁—电”转换的过程,电磁转换过程中,除产生磁泄露外,交变磁场会引起铁芯震动。老式镇流器日光灯工作时镇流器会发出嗡嗡声,使用日久后声音还会增大,就是因为铁芯受交变磁场吸斥而引发震动。
2.在变压器与固定板之间增加减震层,选用弹性的软性材料如橡胶、泡棉等,切断变压器与箱体之间的震动耦合通道。
3.选择有一定功率裕量的变压器,变压器工作越接近额定上限,震动越大。功率裕量大的变压器不易出现磁饱和,长期工作稳定性好,发热量相对较小。
还有种常见的机械噪声来源于电位器。市售有源音箱绝大多数使用旋转式碳膜电位器,随使用时间的推移,电位器金属刷与膜片之间会因灰尘沉积、膜片磨损产生接触不良,在转动电位器时会有很大的噪音产生,磨损严重的电位器甚至在不转动时也会有噪声。
这种情况在有源音箱上是普遍存在的,变压器品质高低只对最终引起的振幅大小有影响,即使价格非常昂贵的电源变压器也存在振动,因此绝大多数有源音箱主箱噪音水平逊于副箱。
电源变压器导致的机械杂音防治措施比较简单,可根据实际情况以下几点作为参考:
1.选择品质较好、工艺严谨的变压器,降低变压器自身振动,这也是最有效的措施
无源器件导电部分存在大量的游离态电子,游离态电子数量与温度有直接关系,温度越高,数量也越多。游离态电子运动可视为无序运动,与正常有序的信号电流相比而言可视为杂波。IC等有源器件游离态电子数量远大于无源器件,有源器件具有放大作用,因此有源器件热噪声要高于无源器件。
热噪声同样是无法根治的,防治手段主要是更换元件以及降低元件工作负荷。更换元件是指采用低噪声元件,如金属膜电阻热噪声要低于碳膜电阻,碳膜电阻热噪声低于碳质电阻,低噪声、低温漂IC热噪声好过通用IC等。另外,加强散热措施、降低工作温度也是降低热噪声、增强工作稳定性的有效手段,一般甲类功放噪声及零漂逊于甲乙类功放。工作温度过高不仅仅是噪声增加,对于有源器件来说,还意味着漏电流、增益的不稳定,对功放的长期稳定工作不利。
引起高频振荡的原因很多,采取的措施也是很复杂的,下面是笔者根据实践总结出的一些可能的方面。
1.恰当选取漏极和栅极的馈电电感量,降低他们的Q值,防止自激,同时应当注意输入输出电路的其它寄生参数振荡。
2.仔细调整输入,输出,级间的匹配电路,防止因电路严重失配,导致功率来回反射,从而形成振荡。失配导致的振荡一般为强振荡,如果失配严重,很有可能使功放性能变得很差,此时在频谱仪上可以看到频谱非常杂乱,严重的时候甚至击穿功放管。
(5)印制电路应以减小分布参数和反馈地原则排版。为了减小分布参数,印制电路在设计中要遵循一些原则:(1)公共地线应布置在最边缘,便于与机壳相连;电源,滤波,控制,低频,直流,导线等元件应靠边布置;射频元件布置在印制板中间;不要求屏蔽的部分的地线应杜绝伸入射频电路区域,以减小射频电路部分对地或机壳地分布电容。(2)射频引线要短而直,因为印制板上的布线,在大功率射频的时候,即可能成为发射天线,也可能成为接收天线。外加地引线尽量采用适当宽地扁带状线。由于是功率合成功放,电路布置尽量对称。(3)合理选用与电性能要求相符合的板材,如选用射频时介电常数小地板材,且板材的厚度也尽可能的厚,既降低分布电容的数值,也防止板子被击穿。(4)实践中,导线的宽度也应该根据分布电感,分布电容和功率,采用恰当的线宽。
还有些较特殊的动态杂音需简述一下:部分有源音箱箱板之间接合不牢靠,或是用家自行拆箱后未压紧安装螺丝,在播放动态稍大的音乐时有杂音产生;或是由于加工手段不完善,箱体存在不同程度的漏气;倒相管两端未做双R或指数型开口,大动态时气流在此急剧压缩、膨胀产生噪声。
(二)热噪声
有源音箱电路部分由电阻、电容等无源器件和IC、晶体管等有源器件组成,电子元件在正常工作状态下必然会产生属于元件自身特有的“本底噪声”,也就是常说的热噪声。热噪声属广谱热噪声,主要集中在中高频,反映在听感上一般多是高音单元中发出的“嘶嘶”声。
一张地线布,同时采用了一些其他降噪手段,信噪比例很高,输入端开路时,实测输出端残留噪音不高于0.3mV,夜深人静时耳朵贴在扬声器单元上也没有任何噪声。为看图方便,仅画出一声道的地线做示范。C9、R1、C10及信号输入插座接地端是小信号地,通过红色地线接至总接地点,左侧地线是扬声器及zobel网络地,右侧地线是退耦电容的电源地,三条地线在主滤波电容C4的1脚汇合,实现真正意义上的“一点接地”。
3.加强各级功率放大器馈电支路的去藕和各级馈电支路之间的去藕,以防止通过电源反馈产生自激振荡。
4.选择适当的旁路电容(包括电容的种类和容量)。例如要旁路高,低频不同频带,可选用两种不同容量,不同频率特性的电容并联作为旁路电容。
5. 适当的负反馈可以增强功率放大器的稳定性.
制作精良的变压器,铁芯压的很紧,同时在下线前要经过真空浸漆工艺处理,交变磁场引起的铁芯震动很小;如变压器铁芯松动、未压实,通电时引起的振动会比较强(想象一下理发店的电推子)。许多低价变压器为节约工时仅做“蘸”漆而未做“真空浸漆”处理,铁芯振动更严重。音箱箱体有一定的助声腔作用,变压器振动引起的空气扰动传导到扬声器振膜上,听起来与电磁干扰引起的噪音非常相似。年前修理一套交流声严重的有源音箱,遍查电路找不到原因,无意中将扬声器连线碰断,噪音几乎未降低,最终确认是变压器作怪。
3.分布参数引起的振荡,这一点十分复杂。设计到功放的诸多方面,实践说明应当注意以下几点:
(1) 公共接地端引线要短,到地电流路径阻抗要低
(2) 注意元件布置,各线圈以及各引线分布电感之间地耦合要小。
(3) 正确选择电路常数。
(4)功率放大器地输入,输出电路形式,是否与分布参数结合后发生严重变形。
功率放大器设计经验
在功放的调试中,一个不可避免的问题就是功放的自激振荡的问题。自激对功放的危害是很严重的,甚至烧毁管子。引起自激振荡的原因是多种的,基本的原理就是形成了局部正反馈。自激分低频和高频自激:
高频大功率场效应管在低频的增益很高,若不采取适当措施,则会产生几兆赫以下的低频振荡,瞬间就能毁坏场效应管,或使高频信号的增益,效率降低。其产生的主要原因和措施如下:
1.由于散热不良,可能导致低频自激。随着温度的升高,功放管的内部性能变差,极有可能产生与频率相关的热回授。引起低频自激,故必须加强散热。
2.馈电不当有可能引起低频自激。(1)漏极直流馈电电感(扼流圈),既起到直流馈电作用,同时又起到电抗的加载作用。但若其电感量选取不合适,将会由于加载不当造成自激。即当其电感量太大时,将会与漏极的杂散电容(包括场效应管等效的输出并联电容或串连电容)形成串连和并联谐振,造成自激。当电感量很小时,对低频仍有很高阻抗。故其电感量应选小些,一般使其成为电路参数的一部分,谐振于工作频率。但其电感量过小会使放大器增益降低,故一般选取其在工作频率时的感抗值为电路阻抗的(2~20)倍。当选定的电感量小时,为了更好地抑制高频信号从馈电窜出,可在此后加接Π或Γ型去藕电路。(2)在漏极实行电导和电抗同时加载。减小扼流圈的电感量,降低其Q值,将使电路的低频增益大大降低。为使漏极馈电不受影响,可以在漏极馈电电感上并联一个电阻,可以消除低频自激。但这将会损耗信号功率。(3)栅极的馈电电感(扼流圈),也同时起到了直流馈电和对输入端进行电抗加载作用。电感量也应该选取合适,太大将与场效应管的等效并联电容产生并联谐振。太小可能会与周围的分布电容产生串连或并联谐振。一般选取其在工作频率时的感抗值为输入端电路阻抗值的(20~400)倍。(4)对场效应管输入端进行电导和电抗同时加载。即在栅极的馈电电感上并联一个小电阻,或直接使用电阻加载,以降低Q值,使其不易起振,也可以串连小电阻。