并行扬声器听起来很糟糕,但串行很好

电器工程 声音的 扬声器 失真
2022-01-21 04:41:20

我做了一个简单的扬声器电路。这听起来(至少对我来说)非常好(尽管发烧友可能会大声尖叫并逃跑)。我目前遇到了一个问题。

为了增加音量和提高音频质量(让扬声器分担负担),我尝试了四个扬声器的不同配置,将它们全部并联,将它们串联,以及将另外两个串联的并联两个。串联添加扬声器只会对音频质量产生很好的影响,但只要我并行使用其中任何一个,音频质量就会变得更加嘈杂/失真。我真的不明白为什么。到底是怎么回事?我希望能够并联扬声器,因为将它们串联对音频质量有好处,但它确实会降低音量,这是一个问题,特别是如果想要使用更多的扬声器。

一个“简单”的解决方法是增加电源,这样我就可以用更高的电压驱动它们,但我有点害怕:P,它也会给相关组件带来更大的压力。使用轨到轨运算放大器可能会稍微改善这种情况,但推挽式BJT上仍然会有电压损失(我猜),而且我没有任何合适的轨到轨运算-放大器可用。

令人讨厌的是它几乎可以工作。我不需要最好的音质或音量,只需要一些可以接受的东西。

连载

并联

附加信息:

  • 扬声器有两种不同的类型,但即使我只是并联两个相同的扬声器,也会出现噪音/失真问题(并且让另外两个未连接)。
  • 这可能不相关,但我的双电源由两个 5 V 壁式电源组成。
  • 我使用的运算放大器是四路运算放大器LM324AN这不是铁路到铁路。
  • 右运算放大器的直接输出和接地之间的 100(至约 220)欧姆电阻可降低所有配置中的噪声。我不知道为什么;当我错误地连接电缆时,我偶然发现了这个:p
  • 顺便说一句:我不认为噪音/失真问题来自并联扬声器消耗太多电流,因为音量对其没有/很小的影响。这是当前的供应问题,然后更高的数量(我认为)会大大恶化它。
  • 第一个运算放大器的目的是将 0 V 至 5 V 输入以 GND 为中心,即第一个运算放大器的输出为 -2.5 V 至 +2.5 V。
  • 两个运算放大器均由 +5 V -5 V 电源轨供电。不幸的是,这并没有出现在示意图中。

更多研究

好的。所以我确实让我的示波器开始工作,并在扬声器之前(推挽之后)探测了电压。

这是一个扬声器的样子(是的,有很多> 20 kHz的噪音):

一位扬声器!

这就是在其他情况相同的情况下,两个相同的扬声器并联时的外观。电压其实并没有降低,但是底部有一个奇怪的东西,一定是我听到的噪音:

两个扬声器并联

在下图中,它更加明显!:

在此处输入图像描述

顺便说一句,第二条痕迹只是一个标记。它没有显示接地,接地大约在波形的中间。

哦!非常抱歉,原理图在一个关键点上是错误的。推拉后我确实有反馈!像这样:

这次正确

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更多研究和解决方案

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首先,根据要求,trace1 上的音频信号和 trace2 上的 GND 图像。它似乎不是很偏直流:

在此处输入图像描述

但是看看音频嘈杂时铁轨的样子仍然很有趣。这是正轨和 GND 的图片。它看起来很吵,而且随着音量的增加它会变得更糟:

正轨

负轨的音量相同,并且明显比正轨差,至少在我看来(我的慢镜头模糊了!):

负轨

我尝试的第一件事是在运算放大器输出和地之间添加一个 1 µF 电容器,我很惊讶地听到噪音消失了

这是负轨在相同体积下的样子,但增加了 1 µF 电容器:

加电容后的负轨

所以那个简单的 1 µF 电容器解决了我的问题!感谢大家,如果没有您的帮助,我将花费更长的时间来解决这个问题 :)

这是添加电容器后正弦波的样子。嗯,我可以整天盯着那个...:

清晰的正弦曲线 mmm

2016-03-09 更新

用一个1uF 交流耦合薄膜电容器和一个 10k 欧姆电阻到 GND替换了运算放大器电平转换器。我并没有真正注意到音质有任何改善,但我确实注意到使用电容器而不是运算放大器电平转换器进行偏置更安全如果使用运算放大器电平转换器,无论出于何种原因,它会将信号放置得太高或太低,那么推挽输出级的 NPN 或 PNP 部分将不得不承载更重的负载,从而导致升温(不好! )。所以,我会保留交流耦合电容。

我还添加了一个电感器来滤除 PWM 频率(~0.3mF),这极大地改善了正弦曲线的外观。

不过,即使有了这两项改进,如果我移除运算放大器输出引脚和 GND 之间的 0.22uF 电容,原始问题仍然会出现。下面是显示 440Hz 正弦波的图像,带和不带 0.22uF 电容。

在此处输入图像描述

2个回答

您的放大器具有固定的输出阻抗和有限的电压摆幅。为了从中获得最大功率,负载阻抗必须与输出阻抗匹配。两个并联的扬声器的阻抗是一个扬声器的一半。这显然太低了,您的放大器无法正常驱动。

可能您的“wallwart”耗材在两个并行扬声器的大量消耗下崩溃了。较低的电源电压使输出中的 1.5 V 左右的死区占整体的较大部分,从而显着增加失真。你没有说你使用的是什么类型的运算放大器,除了它们不是轨到轨的。电源电压可能会下降到在输出死区和最终运算放大器的输出范围之间几乎没有活动区域的地步。

此外,您的电路的某些部分没有意义,可以很容易地被更好的设计所取代:

  1. 你有对称的±供应。那挺好的。那么为什么你为什么要将输入从地面中心移开呢?

    仔细检查后,您似乎在进行电平转换以补偿以 2.5 V 为中心的输入信号。这简直是愚蠢的。

    你听不到直流电。即使是“HiFi”音频也只能降至 20 Hz。处理输入直流偏移的明显方法是交流耦合信号。摆脱第二个运算放大器正输入左侧的所有废话。将其替换为串联的 1 µF 电容,后接 10 kΩ 接地电阻。

  2. 您似乎愿意忍受双射极跟随器输出级中的死区,但至少将其包含在反馈环路中,以便运算放大器可以尝试对其进行补偿。所有这些都需要将 10 kΩ(Argh,无元件代号)反馈电阻连接到整个放大器的输出,而不是运算放大器的输出。

这是您的基本电路,上面提到的明显点已固定:

请注意,这既简单又效果更好。

有一些方法可以显着减少末级死区。两个二极管是一种非常常见的方法。

我通常做的是在输出级使用更多的晶体管,使其增益为 2。然后,前一级只需驱动到电源范围的±一半。这就需要一个轨到轨运算放大器,通常在您想要运行它们的 ±12 V 或更高电压下不可用。

添加以响应范围跟踪

你的问题比你意识到的还要多。

您的电路在负载下振荡,几乎可以肯定是通过电源反馈。我应该明确提到这一点,但这就是我电路中的 C3 和 C4 旨在防止的。试试我贴的电路。它使用大部分相同的部件,但性能应该更好。

您还可以在示波器迹线上看到输出级死区的证据。同样,在反馈外观中包含输出阶段将对此有所帮助,尽管它不会修复它。

我现在看到运算放大器是 LM324。这不是音频的好选择。我会使用至少具有 ±12 V 电源的 TL07x。这可能意味着更强大的输出晶体管,可能带有散热器。

一旦你得到这个工作,我可以向你展示如何从输出级获得更大的电压摆幅和更少的死区,但一次只做一件事。无论如何,那将是一个新问题。

  • 顺便说一句。我不认为噪音/失真问题来自并联扬声器消耗太多电流,因为音量对其没有/很小的影响。这是当前的供应问题,然后更高的数量(我认为)会大大恶化它。

我喜欢你在这里应用了一些很好的电气故障排除技术/逻辑。然而不幸的是,你的逻辑错过了一个重点。

驱动动态音频换能器(带有磁铁和音圈的扬声器)时,您的放大器需要具有比其驱动的负载更低的源阻抗。

放大器的源阻抗达到扬声器负载阻抗以下的量在专业音频领域称为“阻尼因子”,它与放大器准确驱动扬声器的能力有关,而额外的可用电流(直接抗电压“下降”的相关能力)对抗(抑制)移动空气和外部振动等的影响,试图扭曲音圈的运动。

为了有效地从您的输出中运行 4 个不匹配的扬声器而不会炸毁任何扬声器并且不会造成严重的失真,您确实需要在您现在拥有的那一个的同时添加 3 个更多的最终输出五线谱。然后,您可以将每个扬声器连接到自己的输出。这将通过并联扬声器来实现您想要获得的更高音量/电压能力,同时避免因消耗过多电流而炸毁您的放大器,并以最低阻抗炸毁扬声器,因为如果扬声器是大部分功率将流过它所有并行在一个通道上。

- - - - - - - - - - Added Schematic - - - - - - - - - -

这是一个电路示意图,使用您现有的大多数组件,结合音频输入的低通/高通,以消除直流偏移和 PWM 超声波噪声。此外,它还包括并行扬声器驱动输出,以及电源和接地之间的 Olin 去耦电容,以及去耦 LM324AN。

电路原理图

注意:从单独的运算放大器输出驱动每个推/拉单元肯定会更好,具有自己的反馈回路,但这需要另外 2 个 LM324AN(使用来自 1OUT 的馈电来运行所有 4 个“最终输出”部分,每个“最终输出”都像 OpAmp 3 和 4 一样连接到每个 OpAmp 对的 1 个扬声器)