放大器阻尼係數和輸出阻抗的測量及電路分析計算

红灯记

放大器阻尼係數和輸出阻抗的測量及電路分析計算

音響功率放大器是用來驅動喇叭，使喇叭的振膜振動而發出聲音。好的音響功率放大器必須能有效地控制喇叭振膜的振動，要它動就動，要它停就停。要讓喇叭的振膜‘動’只要給喇叭音圈加上電壓、產生電流，依照電動機的原理，喇叭的振膜就會‘動’。要讓喇叭的振膜‘停’則是反過來，當喇叭的振膜隨著慣性移動時，喇叭音圈切割磁場，依照發電機的原理，喇叭音圈會產生“電動勢”〈電壓〉，這時必須將喇叭音圈產生的“電動勢”短路來令喇叭音圈產生制止振膜隨著慣性移動的磁場，這樣才能將隨著慣性移動的喇叭振膜“剎車”。所以好的音響功率放大器必須要有很低的輸出阻抗。為了評估音響功率放大器控制喇叭振膜的能力，將喇叭阻抗與放大器輸出阻抗的比值定義為“阻尼係數”〈damping factor〉。

那麼音響功率放大器的輸出阻抗如何測量呢？
圖1. 所示的電路就是測量音響功率放大器輸出阻抗的標準電路。

將音響功率放大器的輸入短路，那麼放大器的輸出就為‘0’。而負載電阻串聯一個交流電壓源代表喇叭音圈切割磁場所產生的“電動勢”。測量負載電阻上的交流電壓降和放大器輸出端對地的交流電壓，兩者的比值為放大器的“阻尼係數”。再依照“分壓定理”可以計算出放大器的“輸出阻抗”。

圖1b. 所示的電路是另一種測量音響功率放大器輸出阻抗的電路。這種方法是測量放大器在不同負載阻抗下的交流輸出電壓，比較兩者的差異，藉以計算出放大器的輸出阻抗。這種方法有個嚴重的缺點在於電表的解析度難以精確比較出兩者的差異。而圖1. 和圖1a.  的方法，當測量負載電阻上的電壓降時，電表可以選擇電壓大、但靈敏度低的檔位。當測量放大器輸出端對地的電壓時，電表可以選擇電壓小、但靈敏度高的檔位。因此圖1. 和圖1a.  的方法容易進行精確的測量。

接下來我用JLH1969這個放大器電路、以Multisim進行一系列仿真，藉以了解放大器阻尼係數和輸出阻抗的測量及電路分析計算。

圖2. 所示為我用2N3055A和一些比較普遍的BJT電晶體用Multisim所畫的JLH1969放大器電路。我反覆調整R2跟R7，將輸出中點調整為13.5V，輸出功率電晶體的靜態電流為1.2A。

圖2a. 所示為Multisim的仿真結果。從仿真結果可計算出在負載阻抗ZL為8Ω時，閉環路增益為12.761863，開環路增益為962.662684。

圖2b. 所示為負載阻抗ZL斷開時的仿真結果。從仿真結果可計算出在負載阻抗ZL斷開時，閉環路增益為13.07299，開環路增益為2381.24678。

圖2c. 所示為測量放大器阻尼係數和輸出阻抗時的仿真結果。從仿真結果可計算出阻尼係數為38.655，輸出阻抗為0.2069585。

為了深入了解負反饋放大電路對於降低放大器輸出阻抗的作用，我用Multisim所提供的“受輸入電壓控制的電壓源”這個理論模型來建立圖2. 的JLH1969放大器電路的等效電路。依照前述的仿真計算結果所建立的等效電路如圖3. 所示。

“受輸入電壓控制的電壓源”其實就是輸入阻抗無限大、輸出阻抗為‘0’的理想放大器。圖3a. 所示為測量放大器阻尼係數和輸出阻抗的仿真結果。圖3b. 所示為負載阻抗ZL斷開時的仿真結果



從圖3. 、圖3a. 、圖3b. 的仿真結果可以得知這個電路的輸出阻抗。不過，如果不給仿真結果，只給圖3. 的電路，各位能以電路學的理論來將這個電路閉環路時的輸出阻抗分析計算出來嗎？在此，我就把這個問題當成電路學的考題來考考各位吧！不過如果各位分析計算出來的結果跟圖3. 、圖3a. 、圖3b. 的仿真結果差異太大，可別說圖3. 、圖3a. 、圖3b. 的仿真結果不正確！圖3. 、圖3a. 、圖3b. 是理論模型的仿真，如果理論模型的仿真都出錯，那可就砸了Multisim的招牌！各位如果有人想砸Multisim的招牌可別扯上我，我膽子小，我不奉陪！

不過我可以給各位一點小小的提示。一般在分析負反饋放大電路時，通常會把“Zin”當成阻抗無限大而忽略，但在此如果忽略“Zin”就會造成很大很大很大很大很大的誤差喔！

說到“電路分析”，尤其是有關輸出阻抗的電路分析，總要提到“微變電路分析法”。一般教科書和電子學老師講“微變電路分析法”時，總是把BJT電晶體的C-E極當成阻抗無限大而忽略。那麼針對JLH1969這個放大器電路進行“微變電路分析法”時，BJT電晶體的C-E極當成阻抗無限大而忽略，R3又遠大於R1，那麼JLH1969這個放大器電路在開環時的輸出阻抗不就只剩下R1這個100Ω電阻。那JLH1969這個放大器電路在開環路時的輸出阻抗不是應該接近100Ω才對？那為什麼前面的仿真顯示在開環時的輸出阻抗是11.82Ω？

我問各位，你堅信BJT電晶體的C-E極可以當成阻抗無限大而忽略嗎？那麼圖4. 的電路仿真該怎麼解釋？為什麼圖4. 的輸出阻抗計算出來是18.94Ω？


其實你只要看看圖4a. 2N3055A的特性曲線就可以明白問題所在！如果BJT電晶體的C-E極阻抗無限大，那麼特性曲線應該是水平線，不會傾斜。圖4a. 顯示I_b(10.75m)的這條曲線在Vce=13.5V時Ic=1.222A。圖4b. 顯示I_b(10.75m)的這條曲線在Vce=10.025V時Ic=1.127A。圖4c. 顯示I_b(10.75m)的這條曲線在Vce=17.024V時Ic=1.318A。依照這些數據計算出來的輸出阻抗是36.643979Ω。





最後，做個結論是放大器阻尼係數和輸出阻抗的測量很簡單、很容易，不需要昂貴、特殊的儀器。J. L. Linsley Hood既然在他發表的文章說他所製作的JLH1969放大器的輸出阻抗是160mΩ，這顯然是實際測試出來的數據。

选自《中国音响DIY》感谢作者 WENSEN