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写给音响工程师的科普文章(二)——从模电角度去了解调音台话放

2019-11-01  启云_9137

    上一篇讲到调音台第一级放大电路为差分放大器,关于差分放大器的基础知识可以参考以下资料:https://wenku.baidu.com/view/e6a46aaa2af90242a995e537

在教材中的差分放大器基本形式是这样子的,在实际电路中把RE电阻换成两个2倍RE,于是变成这样

然后我们现在来对比调音台中的差分放大器和教材中的有什么区别,我就拿yamaha 01V 96来说吧,下图是0196的话放:

那么实际图纸中,画红圈部分就是于教材中所说的Rc,蓝圈就是Re,信号分别从卡农接口的热端和冷端进入两根三极管的基级(蓝线和橙线),然后从三极管的集电极被放大出来(紫色箭头),这就是教材中所说的双端输入双端输出的情况,假如把卡农口的冷端和地相连,就是单端输入双端输出的情况,在教材中是这样的:

右边这只三极管的输入端接地,就相当于把卡农接口的冷端和地线接到一起,也就是1和3短接。然后复杂的公式推导就不写了,直接拿结论出来对比:

那么结论就是无论是单端输入还是双端输入,电压放大倍数都是一样的(画圈部分)。

于是,我们就知道卡农接口的1和3短接实质上电压放大倍数没有变,但放大器工作状态由双端输入变成单端输入,不再具备共模信号的抑制能力,所以当动圈MIC接入XLR接口时最好采用平衡方式来传输,假如短距离传输且没有噪音干扰时,使用不平衡传输也没有任何问题。

然后我们又把问题扩展一下,既然差分放大器对差模信号有放大作用,对共模信号有抵消作用,那么动圈MIC输出是平衡信号吗?

那么下面我们来看看SHUER SM58的内部的原理图:

从原理图中可以看到,从MIC头出来经过一个隔离变压器,变压器输出的两个抽头分别接到XLR公头的2脚和3脚,而1脚是接地的,这里要说明一下,这个“地”的符号问题,这个符号是“大地”的意思。

那么说变压器跟地线一点关系都没有,而我们说的差分放大器所接受的平衡信号是相对于“地”来说的,MIC的变压器输出究竟算不算平衡信号呢?事实上,深入学习差分放大器以后,我们知道差分信号实际就是对两个输入的电压进行比较,而流过地线的电流为0,所以变压器输出不需要地线参与也能正常工作,不仅是变压器输出,平常的有源前级设备与后级设备采用平衡线连接时,也可以不需要地线参与,我们可以用一个简单的实验证明它:

这个实验使用手机来做测试,手机并不与“大地”有直接的电器连接,按照图示接入调音台时,当地线连接时,我们得到的结果是:人声、底鼓、贝斯等相位相同振幅也相同的信号被抵消掉,剩下弦乐这些乐器被保留下来,而断开地线时,结果并没有发生任何变化,增益也没有任何改变,这说明差分放大器不需要地线参与,而在平衡线的标准焊接方法中,我们还是要接地线的,从信号上讲是为了强调让各个系统以“地”为参考点,电器安全方面,满足电气接地安全性需要。

有些人说动圈MIC是“假平衡”,没错,因为按道理讲变压器应该引出中心抽头接地才算是“真平衡”,可是引出的中心抽头接地以后,万一两个绕组电压不平衡麻烦就大了,再说差分放大器的两输入端仅仅判断输入的电压差,不需要地线参与,因此这种做法多此一举。

所以这里又得出一个结论:动圈MIC根本不需要经过DI盒把非平衡变成平衡。

接下来我们要讲解关于不平衡设备接入平衡设备的两种接法:

我们知道差分放大器在单端输入放大状态下,其中一只三极管的输入是接地的,假如不让它接地,而是与信号源断开,就像下面这个样子:

这么做的意思就是让放大器处于差分放大状态,并且冷端断开,也就是冷端电压为0,这时候因为其中一根三极管不起作用,于是输出电压减半。为了让输出电压不变,必须要让电路处于单端放大状态,前面说过单端和差分的电压放大倍数是一样的,这就是为什么我们要把XLR的1和3接起来的原因,于是1和3短接就是用于非平衡输出到平衡输入的接法了。

还有一种非常规接法,我们知道单端信号是相对于信号地而言的,比如我们说的CD机的RCA输出,假如你想要远距离传输而又不想用DI盒,那么可以用这种方法

因为差分放大器不需要地线参与,而我们知道RCA是单端输出,热端与“地1”的电压真实的反映到差分放大器的两输入端,所以整个系统没有信号衰减并且算是平衡传输,但是“地1”跟“地2”不能相连,通俗的说也就是说两个设备的外壳不能同时接到插座的“地”上。否则差分放大器又会变为单端放大模式。(这里的RCA输出和话筒也是一样的道理,你可以认为话筒XLR的3脚为信号地,2为信号源,1为安全地并和外壳相连)

按照这个原理,电吉他的拾音器也是线圈输出,也可以用这样的接法直接注入调音台咯?是的,你真聪明! 

那么反过来,平衡输出到非平衡输入也可以像上面那样,但毕竟是非常规接法,需要注意两级设备的“地线”不能相连。平衡输出到非平衡输入的正规接法是舍弃冷端,不过接收端会损失一半的电压。

顺便扯开一下话题,按上面的说法,平衡跟非平衡都解决了,那人家生产DI盒干嘛?又要扯到DI盒这玩意,那么在什么情况下用DI盒呢?

前面说了,毕竟按我的说法这是非常规连接方式,它的弊端就是前后两级的“地”不能相连,从电器安全性角度去考虑是不现实的,于是出现了DI盒,DI盒可以让以“地”为参考的单端信号变成以同或不同“地”为参考的双端信号。假如说你的系统比较干净,没有什么干扰,DI盒大可不必打开“浮地”开关,其中一个原因也是处于安全性考虑。

DI盒还有一个作用是阻抗变换,应该选择有源DI还是无源DI呢?事实上现在的运放很轻松就可以做到很高的输入阻抗,经济条件差的选择有源,如果非要选择无源DI,无源DI原理无非就是匝数比不同的变压器,实际上变压器都是有损失的,所以要求变压器一定要上档次,比如说一些发烧友崇拜的(jensen)战神牛。

回归正题,有一点需要注意,“音响系统一点接地”这是很多调音师都懂的技巧,一点接地是指整个系统只能有一个设备接地,一般说的就是调音台,往往按照这个法则去做了,还是出现共地环路产生的噪音,这时候你就应该想到,每一条XLR平衡线都焊接了地线,也许是这些平衡线中的地线产生回路,但是很多人想不到这一点,以为平衡线不焊地线就不能用了。

话放部分还有LINE IN输入,从01V96的图纸来看,XLR和LINE IN仅仅是接口不同而已,但并不是所有设备都是这么设计的,因为这台机子有20DB衰减开关,我拿百灵达ADA8000图纸说明一下:

图中蓝线为LINE IN路径,红线为XLR路径,它们都汇集于绿圈这一点再进入三极管,LINE IN与XLR的区别就是篮圈和红圈处的电阻不一样,LINE IN经过了10K的电阻进行衰减,而XLR只有4.7欧。紫色方框就是48V加载的位置了,48V通过两根6.8K电阻加载到XLR的2脚和3脚,那么假如插入的线是1和3短接的,也就是3对地短路,那么就相当于48V通过6.8k电阻接地,于是通过电阻R的电流为48/6800=7mA,这是什么概念?一个LED指示灯的电流一般就5mA,所以即使你的卡农线是短路的也不会损坏调音台。

而47uf电容起到隔离直流的作用,电容有通交流隔直流的作用,所以48V不会窜到LINE IN上,除非这颗电容被击穿,47uf决定了频率的下限大概是十几Hz,电容值越大频率下限越低。

那么一般我们都知道,48V加载在动圈话筒上是没有问题的,因为2和3都有48V,它们之间电压为0 ,如果不用平衡线,对动圈话筒有什么危害呢?由于不平衡线1和3短接,于是2对1和3就有了48V电压,传到动圈话筒的线圈中,一般情况下线圈加载48V问题也不大,问题是如果线路接触不良的时候,线圈就是一电感,电感在有电压上来时起到阻碍作用,掉电时起到放电作用,由于它的放电的极性跟原48V相反,很有可能会损坏MIC芯或者反窜回调音台,反窜的结果就是可能和原48V叠加导致超过48V的情况而击穿电容,严重的直接注入三极管。

到目前为止话放部分基本上是讲解完了,以下内容是其他型号的机子对差分放大电路的一些优化设计,不是讲解的重点内容,纯属个人横向对比。

1、文章开头给出的01V96话放图,与之相同的机型有yamaha MG12/4CX、yamaha AW4416、yamaha 02R、yamaha MLA8、roland VS2400、roland VS2480,allen GL2200等,我个人感觉amaha MG12、roland VS2480貌似不是很给力,但yamaha MLA8还可以。

2、带有恒流源差分放大电路的机型有YAMAHA_MG124FX、YAMAHA_MG16FX、Biamp_AutoOne,它与01V96不同支出在于多了一组三极管,加上它具有使放大电路与后级阻抗匹配,稳定放大倍数,抑制温度漂移等作用,教材中它的名字叫带有恒流源的差分放大电路,反正名字越长越牛逼就对了。

3、与百灵达ADA8000图纸相同的设计有alesis_multimix_mm-16、makie_1604、soundcraft_EFX12、soundcraft_EPM12、soundcraft_X16、ALLEN_GL2400、ALLEN_ML5000等,红框中这一组三极管也是恒流源的一种形式。

4、代表yamaha最高端技术的TF5、LS9、CL5、M7CL大型台,在20db衰减上使用了继电器,减少了机械开关容易积灰尘的弊病,在差分电路后端增加一级放大电路,74HCT4053是双3选一开关,也就是6档,通过不同档位来做出不同电阻比例来改变增益,所以我认为它是目前很多调音台中增益能力最强的,顺便扯开一下话题,模拟变数字之后,信号是不可能通过软件或者说DSP进行大幅增益的,比如在数字上增益30db,在动态范围以下的30db都是空白了?实际上数字调音台取消了模拟的增益电位器以后,都是通过档位来调节增益的,百灵达X32亦是如此,一般来讲通过DSP运算来增益的幅度不会超过6db,只不过在操作界面上,让人觉得是连续的而已,至于有没有“换挡错顿感”就看各家调校水平了。

最后呢,我们发现事实上三极管差分放大电路万变不离其中,千元级别的台子的话放和万元级别事实上没有想象中的那么大,不过话说01V96的话放也太精简了点,还不如MG16?不过图纸仅仅说明了设计的差异,并不能代表实际用料、元件选型和参数调校,以上就是我个人的见解,其实上面的话放我都按照图纸做过一遍,发现百灵达ADA8000图纸做出来的话放比较容易成功,调校也叫简单,效果也不错,而yamaha的却比较难调校。关于个人对比就讲到这里了,最后还有一点就是,并不是越复杂的电路出来效果就越好,比如JBL5101话放,它的输入输出具有多级可选的阻抗匹配变压器,电源电压高达43V,意味着什么呢?好像我们说的运放使用+-15V电压供电,那么信号的最大电压只能是逼近+-15V,不可能超越它,越高的电压代表着越高的输出动态范围,在模拟音频时代大多使用三极管,于是一些老机器毫无规范可言,于是各家输出电平各种各样的标准,像这一类比较古老话放的重点不是电路设计,而是用料,也是很多烧友喜欢珍藏的原因。

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