Выходной импеданс усилителей и его влияние на звучание наушников

Что такое выходной импеданс усилителя. Как он влияет на звучание наушников. Почему важно соблюдать правило 1/8 при подборе усилителя к наушникам. Какие проблемы могут возникнуть при несоответствии импедансов.

Содержание

Что такое выходной импеданс усилителя

Выходной импеданс — это внутреннее сопротивление выхода усилителя, которое влияет на его взаимодействие с наушниками. Это важный параметр, который определяет, насколько хорошо усилитель сможет управлять конкретными наушниками.

Основные моменты:

Измеряется в омах (Ω)
Чем ниже, тем лучше усилитель управляет наушниками
Рекомендуется, чтобы выходной импеданс был не более 1/8 от импеданса наушников
У качественных усилителей обычно менее 2 Ом
У недорогих устройств может достигать 100 Ом и более

Почему выходной импеданс так важен

Выходной импеданс усилителя критически важен по нескольким причинам:

Влияет на уровень громкости. Чем выше выходной импеданс, тем сильнее падает напряжение, особенно на низкоомных наушниках. Это может привести к недостаточной громкости.

Меняет частотную характеристику. Импеданс наушников зависит от частоты. При высоком выходном импедансе это приводит к неравномерности АЧХ.
Ухудшает демпфирование. Высокий импеданс снижает контроль усилителя над движением диффузоров, что размывает бас и ухудшает точность звучания.

Поэтому для получения качественного звука крайне важно, чтобы выходной импеданс усилителя был существенно ниже импеданса наушников.

Правило «одной восьмой» при подборе усилителя

Существует простое правило для определения оптимального выходного импеданса усилителя — он должен быть не более 1/8 от импеданса наушников. Это позволяет минимизировать негативные эффекты.

Как применять правило 1/8:

Для 32-омных наушников — не более 4 Ом
Для 16-омных наушников — не более 2 Ом
Для 300-омных наушников — не более 37.5 Ом

Чем ниже выходной импеданс, тем лучше усилитель сможет раскрыть потенциал наушников. Поэтому многие качественные усилители стремятся к нулевому выходному импедансу.

Влияние высокого выходного импеданса на звучание

При несоблюдении правила 1/8 могут возникнуть следующие проблемы со звуком:

Недостаточная громкость, особенно на низкоомных наушниках
Искажение тонального баланса — обычно ослабление баса и акцент на средних частотах
Размытый, гудящий бас из-за недостаточного демпфирования
Менее четкая стереопанорама
Общее ухудшение детальности и прозрачности звучания

Особенно сильно эти эффекты проявляются на арматурных и мультидрайверных наушниках, которые могут показывать разницу АЧХ до 10-12 дБ при высоком выходном импедансе источника.

Почему некоторые устройства имеют высокий выходной импеданс

Несмотря на негативное влияние на звук, многие устройства по-прежнему имеют высокий выходной импеданс. Основные причины:

Защита от повреждения. Высокий импеданс ограничивает ток и мощность, снижая риск повреждения чувствительных наушников.
Удешевление конструкции. Простой резистор на выходе дешевле, чем сложная схема защиты.
Маркетинговый ход. Некоторые производители заявляют, что высокий импеданс улучшает звук (что не соответствует действительности).
Следование устаревшим стандартам, рекомендовавшим 120 Ом.

Однако современные качественные усилители используют более совершенные методы защиты, позволяющие достичь низкого выходного импеданса без риска повреждения наушников.

Как узнать выходной импеданс своего устройства

К сожалению, многие производители не указывают выходной импеданс в характеристиках. Есть несколько способов его определить:

Посмотреть в подробных технических характеристиках (если указано)
Обратиться в техподдержку производителя
Поискать результаты измерений в обзорах

Измерить самостоятельно с помощью специального оборудования

Если точное значение неизвестно, можно ориентироваться на класс устройства:

Высококачественные усилители для наушников — обычно менее 1 Ом
Портативные плееры — 1-10 Ом
Бюджетные устройства — может достигать 100 Ом и более

Что такое выходное сопротивление?

Автор Глеб Захаров На чтение 9 мин. Просмотров 3.5k. Опубликовано 19.07.2019

Выходной импеданс – это величина импеданса между выходными устройствами предусилителя или усилителя (обычно транзисторами, но, возможно, трансформатором или лампой) и фактическими выходными клеммами компонента. Это включает в себя внутренний импеданс самого устройства.

Чтобы лучше понять это определение, давайте кратко повторим концепцию импеданса. Сопротивление – это степень, до которой что-то ограничивает поток электричества постоянного тока. Импеданс в основном то же самое, но с переменным током вместо постоянного тока. Как правило, полное сопротивление компонента будет меняться при изменении частоты электрического сигнала. Например, небольшая катушка провода будет иметь почти нулевое сопротивление при 1 Гц, но высокое сопротивление при 100 кГц. Конденсатор может иметь практически бесконечное полное сопротивление при 1 Гц, но почти полное сопротивление при 100 кГц.

Содержание

Зачем вам нужен выходной импеданс?
Насколько низким должен быть выходной импеданс?
Выходное сопротивление усилителя
Выходной импеданс предусилителя/устройства-источника
Выходное сопротивление усилителя наушников

Зачем вам нужен выходной импеданс?

Так почему же компонент имеет выходное сопротивление? По большей части, это защитить его от повреждений от коротких замыканий.

Любое устройство вывода ограничено по величине электрического тока, с которым оно может работать. Если выход устройства закорочен, его просят передать огромное количество тока. Например, выходной сигнал 2,83 В будет генерировать ток 0,35 А и мощность 1 Вт в типичном 8-омном громкоговорителе. Нет проблем там. Но если провод с сопротивлением 0,01 Ом был подключен к выходным клеммам усилителя, тот же выходной сигнал 2,83 В будет производить ток 282,7 А и мощность 800 Вт. Это гораздо больше, чем может обеспечить большинство устройств вывода.

Если усилитель не имеет какой-либо схемы защиты или устройства, выходное устройство будет перегреваться и, вероятно, будет необратимо повреждено. И да, это может даже загореться.

С некоторым количеством импеданса, встроенного в выход, компонент, очевидно, имеет большую защиту от коротких замыканий, потому что выходное сопротивление всегда находится в цепи. Скажем, у вас есть усилитель для наушников с выходным сопротивлением 30 Ом, вы используете пару 32-омных наушников и вы укорачиваете шнур наушников, случайно обрезав его ножницами. Вы переходите от полного сопротивления системы 62 Ом к общему сопротивлению, возможно, 30,01 Ом, что не так уж важно. Конечно, намного менее экстремальный, чем переход с 8 Ом на 0,01 Ом.

Насколько низким должен быть выходной импеданс?

Очень общее правило в аудио: вы хотите, чтобы выходное сопротивление было как минимум в 10 раз ниже ожидаемого входного сопротивления, которое он будет подавать. Таким образом, выходное сопротивление не оказывает существенного влияния на производительность системы. Если выходной импеданс намного более чем в 10 раз превышает входной импеданс, который он подает, вы можете столкнуться с несколькими различными проблемами.

С любой аудиоэлектроникой слишком высокий выходной импеданс может создавать эффекты фильтрации, которые вызывают странные аномалии частотной характеристики, а также приводят к снижению выходной мощности. Чтобы узнать больше об этих явлениях, ознакомьтесь с моей первой и второй статьями о том, как кабели динамиков могут влиять на качество звука.

С усилителями есть дополнительная проблема. Когда усилитель перемещает диффузор динамика вперед или назад, подвеска динамика возвращает конус обратно в его центральное положение. Это действие генерирует напряжение, которое затем возвращается на усилитель. (Это явление известно как «обратная ЭДС» или обратная электродвижущая сила.) Если выходной импеданс усилителя достаточно низок, он эффективно закорачивает эту обратную ЭДС и действует как тормоз на конусе, когда он отскакивает назад. Если выходной импеданс усилителя слишком высок, он не сможет остановить диффузор, и диффузор будет продолжать подпрыгивать, пока не прекратится трение. Это создает эффект звонка и заставляет ноты задерживаться после того, как они должны были остановиться.

Это можно увидеть в рейтингах коэффициентов демпфирования усилителей. Коэффициент демпфирования – это ожидаемое среднее входное сопротивление (8 Ом), деленное на выходное сопротивление усилителя. Чем выше число, тем лучше коэффициент демпфирования.

Выходное сопротивление усилителя

Поскольку мы говорим об усилителях, давайте начнем с того примера, который показан на рисунке выше. Полное сопротивление колонок обычно составляет от 6 до 10 Ом, но обычно для колонок сопротивление падает до 3 Ом на определенных частотах, а в некоторых крайних случаях даже до 2 Ом. Если вы используете два динамика параллельно, как это обычно делают пользовательские установщики при создании многокомнатных аудиосистем, это уменьшает сопротивление в два раза, то есть динамик, который падает до 2 Ом, скажем, 100 Гц, теперь падает до 1 Ом на этой частоте, когда в паре с другим динамиком того же типа.

Это, конечно, крайний случай, но разработчики усилителей должны учитывать такие крайние случаи, иначе они могут столкнуться с большой кучей усилителей, приходящих на ремонт.

Если минимальный импеданс динамика составляет 1 Ом, это означает, что выходной импеданс усилителя должен быть не более 0.1 Ом Очевидно, что нет места, чтобы добавить достаточное сопротивление к выходу этого усилителя, чтобы обеспечить надежную защиту выходных устройств.

Таким образом, усилитель должен будет использовать какую-то схему защиты. Это может быть то, что отслеживает токовый выход усилителя и отключает выход, если ток слишком велик. Или это может быть простой предохранитель или автоматический выключатель на входящей линии переменного тока или на линиях питания. Они отключают источник питания, когда потребляемая мощность больше, чем может выдержать усилитель.

Кстати, почти во всех ламповых усилителях мощности используются выходные трансформаторы, а поскольку выходные трансформаторы представляют собой просто катушки из проволоки, обернутой вокруг металлического каркаса, они имеют собственный собственный импеданс, иногда даже 0,5 Ом или даже больше. Фактически, чтобы имитировать звук лампового усилителя в его твердотельных (транзисторных) усилителях Sunfire, знаменитый дизайнер Боб Карвер добавил переключатель «токового режима», который последовательно помещал 1-омный резистор с выходными устройствами. Конечно, это нарушало минимальное отношение выходного сопротивления 1: 10 к ожидаемому входному сопротивлению, которое мы обсуждали выше, и, таким образом, оказало существенное влияние на частотную характеристику подключенного динамика, но это то, что вы получаете со многими ламповыми усилителями и это именно то, что Карвер хотел имитировать.

Выходной импеданс предусилителя/устройства-источника

С предусилителем или устройством-источником (CD-проигрыватель, кабельная приставка и т. Д.), Как показано на рисунке выше, ситуация другая. В этом случае вас не волнует сила или ток. Все, что вам нужно для передачи звукового сигнала, это напряжение. Таким образом, нисходящее устройство – усилитель мощности в случае предусилителя или предусилитель в случае устройства-источника – может иметь высокий входной импеданс. Любой ток, проходящий через линию, почти полностью блокируется этим высоким входным сопротивлением, но напряжение проходит нормально.

Для большинства усилителей мощности и предусилителей обычно используется входное сопротивление от 10 до 100 кОм. Инженеры могут идти выше, но они могут получить больше шума таким образом. Между прочим, гитарные усилители обычно имеют входное сопротивление от 250 кОм до 1 МОм, поскольку звукосниматели электрогитары обычно имеют выходное сопротивление в диапазоне от 3 до 10 кОм.

Короткие замыкания могут быть обычными для цепей линейного уровня, потому что так легко случайно натереть два оголенных провода вилки RCA о кусок металла, который их замыкает. Таким образом, выходные сопротивления 100 Ом или более распространены в предусилителях и устройствах-источниках. Я видел несколько экзотических высококлассных компонентов с выходным сопротивлением на уровне линии всего 2 Ом, но они будут иметь либо очень мощные выходные транзисторы, либо защитную схему для предотвращения повреждения от короткого замыкания. В некоторых случаях они могут иметь соединительный конденсатор на выходе, чтобы блокировать напряжение постоянного тока и предотвращать перегорание выходного устройства.

Фоно-предусилители – это совершенно другая тема. Хотя они обычно имеют выходные сопротивления, аналогичные импедансам CD-плеера, их входные сопротивления очень отличаются от импедансов линейного каскада. Это слишком много, чтобы вдаваться в подробности. Возможно, я углублюсь в эту тему в другой статье.

Выходное сопротивление усилителя наушников

Рост популярности наушников привел к довольно странному, нестандартному системному сопротивлению типичных усилителей для наушников. В отличие от обычных усилителей, усилители для наушников имеют широкий диапазон выходных сопротивлений. Действительно дешевые усилители для наушников, подобно тем, которые встроены в большинство ноутбуков, могут иметь выходное сопротивление до 75 или даже 100 Ом, хотя сопротивление наушников обычно составляет от 16 до 70 Ом.

Потребитель редко отключает и повторно подключает громкоговорители во время работы усилителя, а также редко повреждает кабели громкоговорителей во время работы усилителя. Но с наушниками такие вещи случаются постоянно. Люди обычно подключают или отключают наушники, когда работает усилитель для наушников. Кабели наушников часто повреждаются, иногда вызывая короткое замыкание, когда они используются. Конечно, большинство усилителей для наушников являются дешевыми устройствами, что может сделать создание достойной схемы защиты слишком дорогостоящим. Поэтому большинство производителей выбирают более простой путь: они повышают выходное сопротивление усилителя, добавляя резистор (или иногда конденсатор).

Как вы можете видеть из моих измерений в наушниках (переходите ко второму графику), высокий выходной импеданс может оказать огромное влияние на частотную характеристику наушников. Я измеряю частотную характеристику наушников сначала с помощью усилителя для наушников Musical Fidelity с выходным сопротивлением 5 Ом, а затем с дополнительным сопротивлением 70 Ом, добавленным для создания полного выходного сопротивления 75 Ом.

Эффект от высокого выходного импеданса зависит от импеданса подключенных наушников, особенно от изменения импеданса наушников на разных частотах.Наушники, которые имеют большие колебания импеданса – как большинство моделей наушников с драйверами сбалансированного якоря – обычно демонстрируют существенные изменения частотной характеристики, когда вы переключаетесь с усилителя с низким выходным сопротивлением на усилитель с высоким выходным сопротивлением. Часто наушники с естественным звучащим тональным балансом при использовании с источником с низким импедансом имеют низкочастотный, тусклый баланс при использовании с источником с высоким импедансом.

К счастью, низкий выходной импеданс доступен во многих высококачественных усилителях для наушников (особенно в твердотельных моделях), и даже в некоторых маленьких микросхемах для наушников, встроенных в такие устройства, как iPhone. Обычно нет способа точно узнать, озвучены ли наушники для использования с высоким или низким выходным сопротивлением, но я предпочитаю придерживаться низкого выходного сопротивления по причинам, упомянутым ранее в этой статье.

Я предпочел бы не использовать наушники с огромными колебаниями импеданса, которые могут привести к изменению частотной характеристики при использовании усилителей для наушников с высоким выходным сопротивлением (например, в ноутбуке, на котором я это печатаю). К сожалению, я обычно предпочитаю звучание хороших наушников-вкладышей со сбалансированной арматурой, а не наушников с динамическими драйверами, поэтому, когда я использую эти наушники с ноутбуком, я обычно подключаю внешний усилитель или USB-усилитель/ЦАП наушников.

Наушники и выходной импеданс усилителя / Audiophile’s Software

ПРОЛОГ: Выходной импеданс выхода под наушники является одной из самых распространенных причин, почему одни и те же наушники могут звучать по-разному в зависимости от того, куда они включены. Этот важный параметр редко указывается производителями, но в то же время может послужить причиной существенных различий в качестве звучания и в значительной степени повлиять на совместимость наушников.

ВКРАТЦЕ: Всё, что вам действительно надо знать, это что большинство наушников лучше всего работают, если выходной импеданс устройства менее 1/8 импеданса наушников. Так, для примера, для 32-омных Grados выходной импеданс должен быть максимум 32/8 = 4 Ом. Etymotic HF5 — 16-омные, потому максимальный выходной импеданс должен быть равен 16/8 = 2 Ом. Если вы хотите быт уверены, что источник будет работать с любыми наушниками, удостоверьтесь, что его выходной импеданс менее 2 Ом.

ПОЧЕМУ ВЫХОДНОЙ ИМПЕДАНС ТАК ВАЖЕН? Как минимум по трем причинам:

Чем больше выходной импеданс, тем больше падение напряжения при меньших импедансах нагрузки. Это падение может быть достаточно большим, чтобы помешать «раскачать» низкоомные наушники до нужного уровня громкости. В качестве примера можно привести Behringer UCA202 с выходным импедансом 50 Ом. Он сильно проигрывает в качестве при использовании 16 — 32-омных наушников.
Импеданс наушников зависит от частоты. Если выходной импеданс намного больше нуля, это значит, что напряжение, падающее на наушниках, также будет изменяться с частотой. Чем больше выходной импеданс, тем больше неравномерность частотной характеристики. Разные наушники будут взаимодействовать по-разному (причем обычно непредсказуемо) с разными источниками. Иногда эти различия могут быть значительными и вполне ощутимыми на слух.
По мере того, как выходной импеданс увеличивается, уменьшается коэффициент демпфирования. Уровень басов, который рассчитывался для наушников при проектировании, при недостаточном демпфировании может существенно снизиться. Низкие частоты будут более гудящими и не такими четкими (размазанными). Переходная характеристика ухудшается, при этом страдает глубина басов (больше спад на низких частотах). Некоторым людям, вроде тех, кому нравится «теплый ламповый звук», такой недодемпфированный бас может даже прийтись по вкусу. Но в абсолютном большинстве случаев это даёт менее честный звук, чем при использовании низкоомного источника.

ПРАВИЛО ОДНОЙ ВОСЬМОЙ: Для минимизации каждого из вышеописанных эффектов необходимо всего лишь обеспечить выходной импеданс хотя бы в 8 раз меньший, чем импеданс наушников. Еще проще: поделите импеданс наушников на 8 и получите максимальный импеданс усилителя, позволяющий избежать слышимых искажений.

ЕСТЬ ЛИ КАКОЙ-ТО СТАНДАРТ ДЛЯ ВЫХОДНОГО ИМПЕДАНСА? Единственный такой стандарт, который я знаю — IEC 61938 (1996 г.). Он устанавливает требование к выходному импедансу в 120 Ом. Есть несколько причин, почему эти требования устарели, и вообще не являются хорошей идеей. В статье Stereophile о стандартном значении 120 Ом говорится буквально следующее:

«Кто бы это не написал, он явно живет в мире грез»

Должен согласиться. Возможно, значение в 120 Ом еще было приемлемо (и то, едва ли) до появления iPod и до того, как портативные устройства вообще обрели широкую популярность, но не более. Сегодня большая часть наушников разработана совершенно иначе.

ПСЕВДО-СТАНДАРТЫ: выходы под наушники большинства профессиональных установок имеют сопротивление 20 — 50 Ом. Не знаю ни одной, которая бы соответствовала 120 Ом, как в стандарте МЭК. Для оборудование потребительского класса значение выходного импеданса обычно лежит в пределах 0 — 20 Ом. За исключением некоторых ламповых и других эзотерических разработок, большая часть аудиофильского high-end оборудования имеет импеданс ниже 2 Ом.

ВЛИЯНИЕ iPOD: С тех пор, как в 1996-м было опубликован 120-омный стандарт, от низкокачественных кассетных плееров, через портативные CD-плееры, мы наконец перешли к повальному увлечению iPod’ами. Apple помогла сделать высокое качество портативным , и сейчас мы имеем в обороте как минимум полмиллиарда цифровых плееров, не считая телефоны. Практически все портативные музыкальные/медиа-плееры работают от одинарных аккумуляторных литий-ионных батарей. Эти батареи вырабатывают напряжение чуть более 3 вольт, что обычно даёт около 1 вольт (RMS) на выходе под наушники (иногда менее). Если вы поставите на выход сопротивление 120 Ом и воспользуетесь обычными портативными наушниками (сопротивление которых лежит в пределе 16 — 32 Ом), громкость воспроизведения скорей всего будет недостаточной. Кроме того, большая часть энергии батареи будет рассеиваться в виде тепла на 120-омном резисторе. Лишь малая часть мощности будет приходиться на наушники. Это серьезная проблема для портативных устройств, где очень важно продлить время работы аккумулятора. Более эффективным было бы подавать всю мощность на наушники.

КОНСТРУКЦИЯ НАУШНИКОВ: Так для какого же выходного импеданса компании-производители разрабатывают свои наушники? По состоянию на 2009 год было продано более 220 миллионов iPod’ов. iPod и аналогичные портативные плееры на рынке наушников подобны 800-фунтовым гориллам. Потому не удивительно, что большинство разработчиков стали создавать наушники таким образом, чтобы они были хорошо совместимы с iPod. Это значит, что они рассчитаны на работу с выходным импедансом менее 10 Ом. А практически все хай-эндовые полноразмерные наушники рассчитаны на источники, соблюдающие правило 1/8, или же имеющие импеданс близкий к нулю. Мне ни разу не встречались аудиофильские наушники предназначенные для домашнего использования, разработанные в соответствии с древним 120-омным стандартом.

ЛУЧШИЕ НАУШНИКИ ДЛЯ ЛУЧШИХ ИСТОЧНИКОВ: Если вы бегло ознакомитесь с наиболее обозреваемыми high-end усилителями для наушников и ЦАП’ами, вы обнаружите, что практически все они обладают очень низким выходным импедансом. Примерами являются продукты Grace Designs, Benchmark Media, HeadAmp, HeadRoom, Violectric, etc. Само собой, что большинство high-end наушников лучше всего проявляют себя в сочетании с такого же класса оборудованием. Некоторые из наиболее хорошо зарекомендовавших себя наушников изначально имеют низкий импеданс, включая различные модели от Denon, AKG, Etymotic, Ultimate Ears, Westone, HiFiMAN и Audeze. Все они, насколько я знаю, были разработаны для использования в сочетании с источником, имеющим низкий (в идеале нулевой) импеданс. Также и представитель Sennheiser сказал мне, что они разрабатывают свои аудиофильские и портативные наушники для источников с нулевым импедансом.

ВОПРОС АЧХ: Если выходной импеданс больше 1/8 импеданса наушников, будет наблюдаться неравномерность частотной характеристики. Для некоторых наушников, особенно арматурных (сбалансированный якорь) или мульти-драйверных, эти различия могут быть колоссальными. Вот, как 43 Ом выходного импеданса влияют на АЧХ Ultimate Ears SuperFi 5 — вполне ощутимая неравномерность в 12 дБ:

ВЫХОДНОЙ ИМПЕДАНС 10 ОМ: Кое-кто может взглянуть на пример выше и подумать, что такие значительные отличия проявляются лишь при сопротивлении в 43 Ом. Но множество источников имеет импеданс около 10 Ом. Вот те же наушники с 10-омным источником — все еще отчетливо слышимая неравномерность в 6 дБ. Такая кривая приводит к ослаблению басов, выраженному акценту на средних частотах, приглушенным высоким и нечеткой фазовой характеристике из-за резкого провала на 10 кГц, что может повлиять на стерео-панораму.

ПОЛНОРАЗМЕРНЫЕ SENNHEISER: Вот полноразмерные Sennheiser HD590 c повышенным импедансом, с тем же 10-омным источником. Теперь неравномерность выше 20 Гц лишь немногим более 1 дБ. Хотя 1 дБ — это не так уж много, неравномерность находится в области «гудящих» низов, где любой акцент крайне нежелателен:

КАК РАБОТАЕТ ДЕМПФИРОВАНИЕ: любая динамическая головка, будь то наушники или колонки, перемещается взад и вперед по мере воспроизведения музыки. Таким образом они создают звуковые колебания, представляя собой движущуюся массу. Законы физики гласят, что движущийся объект склонен оставаться в движении (т.е. обладает инерцией). Демпфирование же помогает избежать нежелательных перемещений. Если слишком не вдаваться в детали, недодемпфированный динамик продолжает двигаться тогда, когда он уже должен остановиться. Если же динамик передемпфирован (такое бывает редко), его возможности перемещаться соответственно подаваемому сигналу ограничены — представьте, что динамик пытается работать погруженным в кленовый сироп. Всего есть два способа демпфирования динамика — механический и электрический.

ПРЫГАЮЩИЕ ТАЧКИ: Механическое демпфирование подобно амортизаторам автомобиля. Они вносят сопротивление, потому если вы качнете машину, она не будет долго раскачиваться вверх-вниз. Но амортизация также добавляет жесткость, потому что не позволяет подвеске менять своё положение в полном соответствии с рельефом дороги. Потому здесь приходится искать компромисс: мягкие амортизаторы делают поездку более мягкой, но приводят к покачиванию, жесткие же делают поездку менее комфортной, но предотвращают раскачивание. Механическое демпфирование — это всегда компромисс.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕННЕЕ: Есть лучший способ контролировать нежелательное перемещение диффузора, называется он электрическим демпфированием. Катушка и магнит в динамике взаимодействуют с усилителем для контроля перемещения диффузора. Этот тип демпфирования имеет меньше побочных эффектов и позволяет разработчикам создавать наушники с меньшим уровнем искажений и лучшим звучанием. Как подвеска автомобиля, способная более точно подстраиваться под рельеф дороги, оптимально демпфированные наушники могут точнее воспроизводить аудио сигнал. Но, и это критический момент, электрическое демпфирование эффективно лишь тогда, когда выходной импеданс усилителя намного меньше импеданса наушников. Если вы включите 16-омные наушники в усилитель с выходным импедансом 50 Ом, электрическое демпфирование сойдет на нет. Это значит, что динамик не остановится в тот момент, когда он должен остановиться. Это похоже на автомобиль с изношенными амортизаторами. Конечно же, если правило 1/8 соблюдено, электрическое демпфирование будет достаточным.

АКУСТИЧЕСКАЯ ПОДВЕСКА: В 70-х ситуация изменилась, так как популярными стали транзисторные усилители. Практически во всех транзисторных усилителях соблюдается правило 1/8. Фактически большинство соответствует правилу 1/50 — их выходной импеданс меньше 0.16 Ом, что даёт коэффициент демпфирования 50. Таким образом производители динамиков получили возможность разрабатывать более качественные динамики, использующие преимущества низкого выходного импеданса. Прежде всего были разработаны первые закрытые динамики с акустической подвеской от Acoustic Research, Large Advents, и др. Они обладали более глубоким и точным басом, чем у аналогичных по размеру предшественников, рассчитанных на ламповые усилители. Это было большим прорывом в области hi-fi — благодаря новым усилителям теперь можно было в значительной мере полагаться на электрическое демпфирование. И очень жаль, что столь многие источники сегодня отстают от жизни на 40 и более лет.

КАКОЙ ВЫХОДНОЙ ИМПЕДАНС У МОЕГО УСТРОЙСТВА? Некоторые разработчики дают понять, что они стремятся максимально снизить выходной импеданс (как, например, Benchmark), в то время как другие указывают для своих продуктов его фактическое значение (например, 50 Ом для Behringer UCA202). Большинство же, к сожалению, оставляют это значение загадкой. Некоторые обзоры оборудования (например, в этом блоге) включают измерение выходного импеданса, так как от него в значительной мере зависит, как будет звучать устройство с теми или иными наушниками.

ПОЧЕМУ ТАКОЕ БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО ИСТОЧНИКОВ ИМЕЕТ ВЫСОКИЙ ВЫХОДНОЙ ИМПЕДАНС? Наиболее распространенные причины следующие:

Защита наушников — Более мощные источники с низким выходным импедансом зачастую способны подать слишком большую мощность на низкоомные наушники. Дабы защитить такие наушники от повреждения, некоторые разработчики увеличивают выходной импеданс. Таким образом это компромисс, адаптирующий усилитель к нагрузке, но ценой ухудшения параметров для большинства наушников. Лучшее решение — возможность выбора двух уровней усиления. Низкий уровень позволяет установить меньше выходное напряжение для наушников с низким импедансом. Также в добавок может использоваться ограничение по току, таким образом источник будет автоматически ограничивать ток для низкоомных наушников, даже если установлен слишком большой уровень усиления.
Чтобы отличаться — Некоторые разработчики специально завышают выходной импеданс, утверждая, что это улучшает звучание их устройства. Иногда это используется как способ сделать звучание продукта отличным от звучания конкурирующих продуктов. Но в таком случае каждое «отдельное звучание», которое вы получаете, полностью зависит от используемых наушников. Для некоторых наушников это воспринимается как улучшение, с другими же скорей как значительное ухудшение. Наиболее вероятно, что звучание в значительной мере исказится.
Это дешево — Более высокий выходной импеданс является наиболее простым решением для дешевых источников. Это дешевый способ достижения стабильности, простейшая защита от короткого замыкания; также это позволяет использовать менее качественные операционные усилители, которые в противном случае напрямую не смогли бы раскачать даже 16 или 32-омные наушники. Путем последовательного подключения к выходу некоторого сопротивления, все эти проблемы решаются ценой в какой-то цент. Но за это дешевое решение приходится платить значительным ухудшением качества звучания на многих моделях наушников.

ИСКЛЮЧЕНИЯ ИЗ ПРАВИЛ: Существует несколько наушников, якобы предназначенных для использования с высоким выходным импедансом. Лично мне интересно, миф это или реальность, так как я не знаю ни одного конкретного примера. Впрочем, это возможно. В таком случае использование этих наушников с низкоомным источником может привести к передемпфированной динамике басов и, как следствие, к отличной от планируемой разработчиком АЧХ. Этим могут объясняться отдельные случаи «синергии», когда определенные наушники сочетаются с определенным источником. Но этот эффект воспринимается сугубо субъективно — для кого-то как выразительность и детальность звучания, для кого-то — как излишняя жесткость. Единственный способ добиться адекватной работы — использовать низкоомный источник и соблюдать правило 1/8.

КАК НЕДОРОГО ПРОВЕРИТЬ: Если вас интересует, не страдает ли качество звучания из-за выходного импеданса источника, могу предложить приобрести за 19$ усилитель FiiO E5. Он оснащен выходом с практически нулевым импедансом и его будет достаточно для большей части наушников с импедансом <100 Ом. Если с ним улучшение звука будет очевидным, скорей всего импеданс вашего источника слишком высок.

ИТОГО: Если только вы не абсолютно уверены, что ваши наушники звучат лучше с каким-то определенным более высоким выходным импедансом, лучше всегда использовать источники с импедансом не более 1/8 от импеданса ваших наушников. Или еще проще: с импедансом не более 2 Ом.

ИМПЕДАНС И СОПРОТИВЛЕНИЕ: Эти два термина в некоторых случаях взаимозаменяемы, но технически они имеют значительные отличия. Электрическое сопротивление обозначается буквой R и имеет одинаковое значение для всех частот. Электрический импеданс — величина более сложная, и его значение обычно меняется с частотой. Он обозначается буковой Z. В рамках данной статьи единицы измерения обоих величин — Омы.

ГРАФИК ВЫХОДНОГО ИМПЕДАНСА: Схема ниже демонстрирует эффект от выходного импеданса. Слева — т. н. идеальный источник, резистор посередине представляет собой выходной импеданс. Резистор справа — это импеданс нагрузки (наушников). Если выходной импеданс не равен нулю, напряжение, вырабатываемое источником, при подключении нагрузки упадет. Чем выше выходной импеданс, тем больше уменьшается напряжение, подаваемое на нагрузку. Это падение вытекает из формулы: Vн = Vист * (Zн / (Zн + Zист) ). Более подробное разъяснение читайте в статье Википедии Делитель напряжения.

НАПРЯЖЕНИЕ И ТОК: Чтобы понять, что такое импеданс, и о чем вообще идет речь в этой статье, важно иметь хотя бы общее представление о напряжении и токе. Напряжение подобно давлению воды, в то время как ток является аналогом потока воды (например, литров в минуту). Если вы пустите воду из своего садового шланга, не прикрепив ничего к его концу, вы получите большой поток воды (ток) и сможете быстро наполнить ведро, но давление вблизи конца шланга будет практически равняться нулю. (-1/20) = 0.89 . Используя формулу делителя напряжения, мы получим, что когда выходной импеданс равен 1/8 импеданса нагрузки, коэффициент как раз равен 0.89, т. е. падение напряжения составляет -1 дБ. Импеданс наушников может меняться в пределах полосы звуковых частот в 10 или более раз. Для SuperFi 5 указан импеданс 21 Ом, но фактически он изменяется от 10 до 90 Ом. Таким образом правило 1/8 даёт нам значение максимального выходного импеданса 2.6 Ом. Если принять напряжение источника равным 1 В:

Напряжение на наушниках при импедансе 21 Ом (номинальный) = 21 / (21+2.6) = 0.89 В
Напряжение на наушниках при импедансе 10 Ом (минимальный) = 10 / (10+2.6) = 0.79 В
Напряжение на наушниках при импедансе 90 Ом (максимальный) = 90 / (90+2.6) = 0.97 В
Неравномерность АЧХ = 20*log(0.97/0.89) = 0.75 дБ (менее 1 дБ)

ИЗМЕРЕНИЕ ВЫХОДНОГО ИМПЕДАНСА: Как видно из принципиальной схемы выше, выходное сопротивление формирует делитель напряжения. Измерив выходное напряжение без подключения нагрузки и с известной нагрузкой, вы сможете рассчитать выходной импеданс. Это можно легко сделать с помощью онлайн калькулятора. Напряжение без нагрузки — это «Input Voltage», R2 — это известное сопротивление нагрузки (не используйте в данном случае наушники), «Output Voltage» — напряжение при подключении нагрузки. Нажмите Compute, и получите искомый выходной импеданс R1. Также это можно сделать с помощью 60-герцовой синусоиды (её можно сгенерировать, например, в Audacity), цифрового мультиметра и 15 — 33-омного резистора. Большинство цифровых мультиметров имеют хорошую точность лишь вблизи частоты 60 Гц. Воспроизведите 60 Гц синусоиду и отрегулируете громкость таким образом, чтобы выходное напряжение было равно примерно 0.5 В. Затем подключите резистор и зафиксируйте новое значение напряжения. Например, если вы получили 0.5 В без нагрузки и 0.38 В с нагрузкой 33 Ом, выходной импеданс равен примерно 10 Ом. Формула здесь следующая: Zист = (Rн * (Vхх — Vн)) / Vн. Vхх — напряжение без нагрузки (холостой ход).

РЕАКТИВНАЯ НАГРУЗКА: Ни одни наушники не обладают полностью резистивным сопротивлением, не изменяющимся в пределах диапазона звуковых частот. Абсолютное большинство наушников представляют собой реактивное сопротивление и обладают комплексным импедансом. Из-за емкостных и индуктивных составляющих импеданса наушников его значение меняется с частотой. Например, вот зависимость импеданса (желтым) и фазы (белым) от частоты для Super Fi 5. Ниже ~200 Гц импеданс равен всего 21 Ом. Выше 200 Гц он возрастает до ~90 Ом к 1200 Гц, а затем спадает до 10 Ом к 10 кГц:

ПОЛНОРАЗМЕРНЫЕ НАУШНИКИ: Возможно, кого-то не интересуют внутриканальные наушники вроде Super Fi 5, так что вот импеданс и фаза для популярной модели Sennheiser HD590. Импеданс всё так же варьируется: от 95 до 200 Ом — практически в два раза:

МАТЧАСТЬ: Один из графиков в начале статьи демонстрировал неравномерность АЧХ около 12 дБ для SuperFi 5, подключенных к источнику с импедансом 43 Ом. Если мы примем номинальное значение 21 Ом за опорное, а выходное напряжение источника примем равным 1 В, уровень напряжения на наушниках будет следующим:

Опорный уровень: 21 / (43 + 21) = 0.33 В — что соответствует 0 дБ
При минимальном импедансе 9 Ом: 9 / (9 + 43) = 0.17 В = -5.6 дБ
При максимальном импедансе 90 Ом: 90 / (90 + 43) = 0.68 В = +6.2 дБ
Диапазон изменения = 6.2 + 5.6 = 11.8 дБ

УРОВНИ ДЕМПФИРОВАНИЯ: Демпфирование динамиков, как пояснялось ранее, может быть либо чисто механическим (Qms), либо складываться из электрического (Qes) и механического демпфирования. Суммарное демпфирование обозначается Qts. Как эти параметры взаимодействуют на низких частотах — объясняется моделированием Тиля — Смолла. Уровни демпфирования можно подразделить на три категории:

Критическое демпфирование (Qts = 0.7) — Многие считают его идеальным случаем, так как оно обеспечивает наиболее глубокие НЧ, без каких-либо отклонений АЧХ или чрезмерного звона (неконтролируемых перемещений диффузора). Бас такого динамика обычно воспринимается как «упругий»,«четкий» и «прозрачный». Большинство считает, что Qts 0.7 обеспечивает идеальную переходную характеристику.
Избыточное демпфирование (Qts < 0.7) — Подразумевает более жесткий контроль перемещения диффузора, но ценой менее глубоких басов. Потому производители наушников редко сознательно используют избыточное демпфирование.
Слабое демпфирование (Qts > 0.7) — Позволяет получить некоторое усиление НЧ с пиком в верхней части НЧ диапазона. Динамик контролируется не полностью, что приводит к чрезмерному «звону» (т.е. диффузор недостаточно быстро прекращает своё движение после затухания электрического сигнала). Слабое демпфирование приводит к отклонениям АЧХ, менее глубоким басам, плохой переходной характеристике и подъему АЧХ в области верхней границы НЧ. Слабое демпфирование — это дешевый способ поднять уровень басов ценой их качества. Этот прием активно используется в дешевых наушниках, дабы создать «поддельные басы». Звучание недодемпфироанных динамиков часто характеризуется как «гулкий» или «небрежный» бас. Если ваши наушники рассчитаны на электрическое демпфирование, и вы будете использовать их с источником, имеющим импеданс более 1/8 импеданса наушников, вы получите именно такие, недодемпфированные НЧ.

ТИПЫ ДЕМПФИРОВАНИЯ: Есть три способа демпфирования динамиков / контроля резонанса:

Электрическое демпфирование — Уже известное нам Qes, оно подобно рекуперативному торможению в гибридных электромобилях. Когда вы жмете на тормоза, электромотор замедляет движение машины, превращаясь в генератор и передавая энергию обратно батареям. Динамик способен выполнять то же самое. Но если выходной импеданс усилителя увеличивается, эффект торможения значительно снижается — отсюда и правило 1/8.
Механическое демпфирование — Известное как Qms, оно скорей подобно автомобильным амортизаторам. По мере того, как вы увеличиваете механическое демпфирование динамика, оно ограничивает управлющий им музыкальный сигнал, что приводит к большей нелинейности. Это увеличивает искажения и снижает качество звучания.
Демпфирование за счет корпуса — Корпус может обеспечить демпфирование, но при этом требуется, чтоб он был закрытым — либо с правильно настроенным фазоинвертором, либо с контролируемым ограничением. Множество топовых наушников конечно же являются открытыми, что исключает возможность использования демпфирования за счет корпуса, как в акустических колонках.

УРОВЕНЬ ПРИЖИМА: Для наушников, которые имеют достаточно плотную посадку, вроде полноразмерных охватывающих с плотно прилегающими амбушюрами, разработчик могут учитывать возможность некоторого дополнительного демпфирования за счет ушной раковины. Но форма головы, ушей, прическа, посадка наушников, наличие очков и другие факторы делают этот эффект практически непредсказуемым. Для накладных наушников эта возможность отсутствует вообще. Ниже вы видите два графика, изображающих импеданс Sennheiser HD650. Обратите внимание: резонансный пик на НЧ в открытом виде имеет уровень 530 Ом, но при использовании искусственной головы значение снижается до 500 Ом. Причиной этого является демпфирование за счет закрытого пространства, образованного ушной раковиной и амбушюрами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Надеюсь, теперь понятно, что единственным путем достижения эффективной работы связки наушники-усилитель является соблюдение правила 1/8. Хоть кое-кто и предпочитает звучание при более высоком выходном импедансе, оно в крайней степени зависит от используемой модели наушников, значения выходного импеданса и личных предпочтений. В идеале — следовало бы создать новый стандарт, в соответствии с которым разработчики должны были бы выпускать источники с выходным импедансом менее 2 Ом.

Информация от спонсора

KUPI.TUT.BY: удобный каталог ноутбуков, ноутбуки цены. Здесь Вы можете подобрать и купить ноутбук по низкой цене. Удобство оплаты, доставка, гарантия качества.

Оригинал статьи на английском: Headphone & Amp Impedance

Почему так важно значение выходного импеданса источника (усилителя), как он взаимодействует с наушниками и на что влияет.

Что такое выходное сопротивление? — Санпауэр Великобритания

Выходное сопротивление представляет собой отношение изменения выходного напряжения к изменению тока нагрузки. Входной и выходной импеданс источника питания используется для проверки стабильности и динамических характеристик источника питания при воздействии различных нагрузок.

Выходное сопротивление — это то, что видно, если посмотреть на схему источника питания с выходной стороны. Выходное сопротивление источника питания зависит от того, используется ли он как источник напряжения с нулевым импедансом в идеале или как источник тока с бесконечным или очень высоким импедансом. Низкий импеданс в источнике напряжения обычно предпочтительнее, потому что он помогает не допускать шума в схему и поддерживать стабильное выходное напряжение.

Типичный источник питания действует как идеальный источник питания с последовательным резистором, подключенным последовательно к его выходу. Не существует идеального источника питания, и всегда есть некоторое падение выходного напряжения при подключении нагрузки.

Выходное напряжение источника питания без нагрузки будет оставаться постоянным до тех пор, пока не будет подключена нагрузка и не начнет течь ток. Падение напряжения на выходе зависит как от выходного тока, так и от выходного импеданса. На этот импеданс часто влияют компоненты выходного стабилизатора и фильтра источника питания, а также конденсаторы и катушки индуктивности.

Влияние выходного сопротивления источника питания

Идеальный источник питания с постоянным напряжением должен иметь нулевое выходное сопротивление, чтобы изменения нагрузки, такие как более высокие токи нагрузки, не вызывали падения напряжения на выходе. Кроме того, низкий импеданс помогает уменьшить шум и помехи. Когда источник питания имеет высокое полное сопротивление, большой ток нагрузки вызывает падение напряжения на этом полном сопротивлении и снижает выходное напряжение.

Падение напряжения на выходе нежелательно, так как напряжение иногда выходит из-под контроля, особенно при большом выходном токе. Беспокойство вызывает тот факт, что высокое выходное сопротивление вызывает большее падение напряжения при подключении нагрузок с низким сопротивлением. Это может быть достаточно большим, чтобы нагрузка не могла получить достаточную мощность для правильной работы.

Выходное сопротивление источника питания влияет на кондуктивные помехи, особенно в нагрузках со смешанными сигнальными цепями. Следует позаботиться о том, чтобы переходная характеристика стабилизаторов напряжения и источников питания не приводила к колебаниям напряжения за пределами номинального допуска рабочего напряжения нагрузки.

В высокоскоростных цифровых схемах, требующих чистого питания, процессоры и ПЛИС могут потреблять очень большие токи, которые могут дестабилизировать источник питания. Сильный ток, длящийся всего несколько наносекунд, может достигать десятков ампер, и ожидается, что источник питания останется стабильным, когда это произойдет. Не должно быть занижения или превышения, звона или любого другого отклика, который может привести к неправильному поведению схемы.

Полное сопротивление источника и согласование импеданса нагрузки

Максимальная передача мощности от источника к нагрузке обычно достигается, когда импеданс нагрузки совпадает с импедансом источника.

RL = Ri или ZL = Zg

Где Ri = Zg — выходное сопротивление или внутреннее сопротивление источника питания.

RL или ZL — сопротивление или импеданс нагрузки.

Обратная связь в источниках питания

Полное сопротивление преобразователя источника напряжения обычно находится в диапазоне от одного до нескольких омов и называется полным сопротивлением без обратной связи, поскольку оно относится к выходному полному сопротивлению без какой-либо обратной связи на выходе.

Однако выходное сопротивление является фактором обратной связи, и регулируемый источник питания работает более или менее как усилитель с обратной связью. И те же принципы, которые применяются к конструкции обратной связи в усилителях, аналогичны принципам в регулируемом источнике питания. Эффективность регулирования источника питания зависит от амплитуды и частотных изменений нагрузки, а низкий импеданс помогает поддерживать стабильный выход независимо от этих изменений.

Высококачественный источник постоянного напряжения обычно имеет низкий выходной импеданс и правильно управляемые реактивные элементы, чтобы обеспечить чистую, стабильную и хорошо регулируемую выходную мощность.

Входное и выходное сопротивление усилителей

Введение

В очень упрощенном виде усилитель состоит из «коробки», которая реализует функцию усиления между входным и выходным сигналами. То, как вход входит в систему, а выход выходит из нее, очень важно и влияет на общее поведение усилителя. Говоря более технически, поток тока как на входе, так и на выходе управляется входным и выходным импедансом усилителя.

В этом учебном пособии разъясняются понятия импеданса входного и выходного усилителей путем объяснения ранее упомянутой концепции «коробки». Во втором разделе освещаются несколько причин важности выбора соответствующих значений для этих параметров. Наконец, некоторые методы предназначены для установки импеданса усилителя, что сильно влияет на поведение схемы.

Определение входного и выходного импеданса

Прежде всего, для понимания данного руководства важно понимать, что 9Входное и выходное сопротивление 0049 являются концепцией и не представляют собой какой-либо физический резистор , который можно удалить или заменить. Действительно, они представляют собой значение в Ом (Ом) , которое учитывает конструкцию усилителей (расположение компонентов вокруг транзистора) и то, к чему и как они подключены (источник, другие усилители или преобразователи). Позже мы подробно остановимся на этих различных способах подключения.

Входной импеданс подключается к входным клеммам усилителя, а выходной импеданс подключается последовательно с усилителем. Представление этой конфигурации показано на Рисунок 1 ниже:

рис. 1: Определение входного и выходного импеданса

Если мы считаем, что входное напряжение и ток равны _{В в} и I _в, а выходное напряжение и ток равны _{В из} и I _из, простейшие определения импедансов Z _из и Z _из даются следующим образом:

Z _вых =V _вых /I _из

Как правило, входное сопротивление высокое, а выходное сопротивление низкое. Идеальные усилители имеют бесконечный входной импеданс и нулевое значение для выходного импеданса .

Важность импедансов

Если действительно есть что-то, о чем нужно помнить, почему входные и выходные импедансы так важны, так это соответствие . Согласование импеданса — это простая концепция, согласно которой передача мощности от внутреннего сопротивления источника (R _S ) к нагрузке (R _L ) максимальна, когда R _S =R _L . Ниже приведено простое представление для определения различных параметров в этом контексте:

рис. 2 : Проблема максимальной передаваемой мощности

Эту теорему можно легко доказать с помощью некоторых шагов расчета, включающих вычисление производных. Выражение передаваемой мощности P как функция V _S , R _S и R _L приведено в уравнении 1 ниже:

eq 1 : Передаваемая мощность

Однако максимальная передаваемая мощность не означает максимальную эффективность . Это действительно распространенный источник ошибок, поскольку даже сам Джоуль неправильно его понял. Эффективность относится к проценту мощности, которая может быть передана от источника к нагрузке, тогда как передаваемая мощность относится к максимальной величине мощности, которую может развить нагрузка.

Формула эффективности удовлетворяет уравнению 2 :

уравнению 2 : КПД схемы 9Рис. Л /Р _С. На графике с помощью MatLab®

Из Рисунок 3 мы действительно можем видеть, что передаваемая мощность максимальна, когда импедансы совпадают, то есть когда R _L /R _S =1. При идеальном согласовании импеданса эффективность достигает только 50 %. 100 % идеальный КПД достигается при соотношении R _L /R _S стремится к бесконечному значению, то есть когда R _L →+∞ или R _S →0 или оба .

Даже не рассматривая этот график, действительно легко понять, что когда R _L >> R _S , большая часть мощности передается на нагрузку, поскольку напряжение на сопротивлении прямо пропорционально его значению. в Омах. Однако, когда отношение R _L /R _S увеличивается, общее сопротивление цепи также увеличивается, и, следовательно, величина передаваемой мощности уменьшается.

С другой стороны, если сопротивление нагрузки ниже сопротивления источника, большая часть мощности рассеивается в источнике, что приводит к низкой эффективности передачи мощности, даже если общее сопротивление уменьшается, что приводит к более высокой величине власти.

Так должны ли импедансы совпадать для достижения максимальной передаваемой мощности или R _L >>R _S для достижения максимальной эффективности?

В настоящее время, как правило, высокий входной и низкий выходной импеданс являются нормой, даже если это не приводит к совпадению импедансов. Однако в следующем разделе мы увидим, что в некоторых случаях согласование импеданса может оказаться более подходящим.

“ Конфликт импеданса ” происходит между выходной и входной клеммами. В принципе, мы можем выделить три сценария подключения. Первый, когда источник подключен к усилителю, это то, что показано на рис. 2 .

Второй случай, когда усилитель подключен к преобразователю. Преобразователь — это завершающий этап цепи, это элемент, который преобразует электрический сигнал в звук и движение, например, примерами преобразователей являются громкоговорители и двигатели. Конфигурация этого соединения такая же, как представлена в Рисунок 2 , где источником будет усилитель, а нагрузкой преобразователь.

Последний сценарий представляет собой так называемую конфигурацию « каскад », показанную на рис. 4 , где несколько усилителей подключены друг к другу. В современной электронике этот тип архитектуры очень распространен для реализации множества операций и усиления сигналов.

рис. 4 : Каскадная конфигурация

Настройка импеданса

Во входном каскаде, где источник питания (источник R _S ) подключен к усилителю (R _L ) _, максимальная передаваемая мощность не требуется, поскольку усилитель может сам усилить сигнал. Обычно допустима потеря сигнала в -6 дБ между источником и первым усилителем (известным как предусилитель), такая потеря достигается при согласовании импедансов. Поэтому технически можно рассматривать любое соотношение выходного/входного импеданса, удовлетворяющее R _L /R _S >1 . Поскольку никогда не рекомендуется иметь входной импеданс ниже значения внутреннего сопротивления источника, входные сопротивления усилителя должны быть высокими, чтобы их можно было адаптировать к широкому спектру источников, то есть ко многим значениям сопротивления источника..

В случае каскадной конфигурации, представленной в Рисунок 4 , можно различать два режима работы и трактовать их по-разному: ниже входного сопротивления следующего усилителя. Это максимизирует, как мы описали для входного каскада, падение напряжения на входном импедансе второго усилителя, а не на выходном импедансе первого.

Если должна быть реализована передача мощности , более целесообразно согласовать импедансы, чтобы максимальная величина мощности могла передаваться через несколько каскадов усилителей.

Для последней стадии, когда последний усилитель питает преобразователь (скажем, громкоговоритель), выходное сопротивление усилителя должно быть ниже внутреннего сопротивления громкоговорителя. Опять же, по тем же причинам, мощность передается на преобразователь более эффективно, если усилитель имеет низкое выходное сопротивление. В этом случае большая часть мощности может использоваться преобразователем. Однако общее сопротивление не должно быть слишком высоким, чтобы избежать низкой величины мощности.

Методы настройки

рис. 5 : Акцент на развязывающий конденсатор

Значения входного и выходного импеданса полностью определяются архитектурой усилителей. Мы можем перечислить некоторые из архитектур, которые доступны для изменения входного или выходного импеданса:

Входной каскад FET : Полевые транзисторы, такие как MOSFET, могут использоваться для подключения источника к предусилителю. Поскольку их затвор управляется исключительно напряжением, они не потребляют ток на входе и, таким образом, обеспечивают очень высокое входное сопротивление.
Развязывающие конденсаторы : На рисунке 5 развязывающий конденсатор в выходном каскаде конфигурации с общим эмиттером выделен красным кругом. В учебнике по усилителю с общим эмиттером мы уже видели, что использование емкости деривации увеличивает коэффициент усиления усилителя. Однако это также снижает входное сопротивление конструкции. Таким образом, регулировка значения этой емкости может изменить значение входного импеданса усилителя.
Эмиттерный повторитель : Одним из самых простых решений для получения как высокого входного, так и низкого выходного импеданса является использование конфигурации эмиттерный повторитель. Более подробную информацию об этой конфигурации можно найти в руководстве по усилителю Common Collector.

Заключение

В этом руководстве, прежде всего, определены входные и выходные импедансы. Мы видели, что они представляют собой полных сопротивлений усилителя на входных клеммах и на смещенных выходных клеммах. Поскольку они не представляют никакого физического сопротивления, их нельзя удалить, но вследствие архитектуры усилителя их значение можно регулировать.

Эти импедансы играют важную роль на интерфейсах усилителей. Они действительно определяют, как сигналы напряжения или мощности передаются от источника к предусилителю , от усилителя к другому усилителю или от усилителя к преобразователю .

Для установки полного сопротивления в основном используются два критерия: передаваемая мощность или эффективность. Как правило, для усилителей напряжения предпочтительна высокая эффективность. Этого можно добиться, установив входной импеданс каскада n+1 намного выше, чем выходной импеданс каскада n. В этой конфигурации, несмотря на общее увеличение сопротивления, большая часть мощности вырабатывается на входных клеммах каскада n+1, а не рассеивается за счет тепловых потерь на выходе.

Однако иногда бывает целесообразно получить максимальную передаваемую мощность путем реализации импеданса , соответствующего .