2014-02-10T19:57

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Software de audiófilo

PRÓLOGO R: A impedância de saída do fone de ouvido é uma das razões mais comuns pelas quais os mesmos fones de ouvido podem soar diferentes dependendo de onde estão conectados. Esse parâmetro importante raramente é especificado pelos fabricantes, mas, ao mesmo tempo, pode causar diferenças significativas na qualidade do som e afetar bastante a compatibilidade dos fones de ouvido.

RESUMO: Tudo o que você realmente precisa saber é que a maioria dos fones de ouvido funciona melhor quando a impedância de saída do dispositivo é inferior a 1/8 da impedância do fone de ouvido. Assim, por exemplo, para Grados de 32 ohms, a impedância de saída deve ser no máximo 32/8 = 4 ohms. O Etymotic HF5 é de 16 ohms, então a impedância máxima de saída deve ser 16/8 = 2 ohms. Se você quiser ter certeza de que a fonte funcionará com qualquer fone de ouvido, verifique se a impedância de saída é inferior a 2 ohms.

POR QUE A IMPEDÂNCIA DE SAÍDA É TÃO IMPORTANTE? Por pelo menos três razões:

• Quanto maior a impedância de saída, maior a queda de tensão em impedâncias de carga mais baixas. Essa queda pode ser grande o suficiente para evitar que os fones de ouvido de baixa impedância "oscilem" para o nível de volume desejado. Um exemplo é o Behringer UCA202 com uma impedância de saída de 50 ohms. Perde muito em qualidade ao usar fones de ouvido de 16 a 32 ohms.
• A impedância do fone de ouvido varia com a frequência. Se a impedância de saída for muito maior que zero, isso significa que a queda de tensão nos fones de ouvido também mudará com a frequência. Quanto maior a impedância de saída, maior a planicidade da resposta de frequência. Fones de ouvido diferentes irão interagir de forma diferente (e geralmente imprevisível) com diferentes fontes. Às vezes, essas diferenças podem ser significativas e bastante audíveis.
• À medida que a impedância de saída aumenta, o fator de amortecimento diminui. O nível de graves, calculado para fones de ouvido durante o projeto, pode ser significativamente reduzido com amortecimento insuficiente. Frequências baixas serão mais vibrantes e não tão nítidas (manchadas). A resposta transitória se deteriora e a profundidade dos graves é prejudicada (mais atenuação em baixas frequências). Algumas pessoas, como aquelas que gostam do "som quente do tubo", podem até achar esse baixo subamortecido do seu agrado. Mas na grande maioria dos casos, isso dá um som menos honesto do que quando se usa uma fonte de baixa impedância.

REGRA DE UM OITAVO: Para minimizar cada um dos efeitos acima, é necessário apenas garantir que a impedância de saída seja pelo menos 8 vezes menor que a impedância do fone de ouvido. Ainda mais simples: divida a impedância do fone de ouvido por 8 para obter a impedância máxima do amplificador para evitar distorção audível.

EXISTE ALGUM PADRÃO DE IMPEDÂNCIA DE SAÍDA? O único padrão que conheço é o IEC 61938 (1996). Ele define o requisito de impedância de saída para 120 ohms. Existem várias razões pelas quais esses requisitos estão desatualizados e geralmente não são uma boa ideia. O artigo Stereophile sobre o valor padrão de 120 ohms diz literalmente o seguinte:

"Quem escreveu isso está claramente vivendo em um mundo de sonhos"

Devo concordar. Talvez um valor de 120 ohms ainda fosse aceitável (e dificilmente) antes do advento do iPod e antes que os dispositivos portáteis geralmente ganhassem grande popularidade, mas não mais. Hoje, a maioria dos fones de ouvido é projetada de maneira completamente diferente.

PSEUDO PADRÕES: As saídas de fone de ouvido da maioria das configurações profissionais são de impedância de 20 a 50 ohms. Não conheço nenhum que se encaixe em 120 ohms como o padrão IEC. Para equipamentos de consumo, a impedância de saída está tipicamente na faixa de 0 a 20 ohms. Com exceção de alguns tubos e outros designs esotéricos, a maioria dos equipamentos audiófilos de última geração possui impedâncias abaixo de 2 ohms.

IMPACTO do iPod: Desde que o padrão de 120 ohms foi publicado em 1996, de toca-fitas de baixo custo a CD players portáteis, finalmente mudamos para a mania do iPod. A Apple ajudou a tornar portáteis de alta qualidade e agora temos pelo menos meio bilhões de reprodutores digitais, sem contar os telefones Praticamente todos os reprodutores portáteis de música/mídia são alimentados por baterias recarregáveis ​​de íon-lítio Essas baterias geram uma voltagem de pouco mais de 3 volts, que normalmente produz cerca de 1 volt (RMS) na saída do fone de ouvido (às vezes menos .) Se você colocar uma impedância de saída de 120 ohms e usar fones de ouvido portáteis comuns (que estão na faixa de 16 a 32 ohms), o volume de reprodução provavelmente não será suficiente. Além disso, a maior parte da energia da bateria será dissipada como calor no resistor de 120 ohm. Apenas uma pequena fração da energia vai para os fones de ouvido. Este é um problema sério para dispositivos portáteis, onde é muito importante prolongar a vida útil da bateria. Seria mais eficiente fornecer toda a energia para os fones de ouvido.

PROJETO DE FONE DE OUVIDO: Então, para qual impedância de saída os fabricantes projetam seus fones de ouvido? Em 2009, mais de 220 milhões de iPods foram vendidos. iPods e tocadores portáteis semelhantes são como gorilas de 800 libras no mercado de fones de ouvido. Portanto, não é de surpreender que a maioria dos designers tenha começado a projetar fones de ouvido de maneira que sejam bem compatíveis com o iPod. Isso significa que eles são projetados para funcionar com uma impedância de saída inferior a 10 ohms. .Eu nunca vi um fone de ouvido audiófilo projetado para uso doméstico projetado de acordo com o antigo padrão de 120 ohms.

MELHORES FONES DE OUVIDO PARA AS MELHORES FONTES: Se você der uma olhada rápida nos amplificadores de headphone e DACs mais sofisticados, descobrirá que quase todos eles têm impedância de saída muito baixa. Exemplos são Grace Designs, Benchmark Media, HeadAmp, HeadRoom, Violectric, É claro que a maioria dos fones de ouvido de última geração tem melhor desempenho quando emparelhados com a mesma classe de equipamento. Alguns dos fones de ouvido mais bem recebidos são inerentemente de baixa impedância, incluindo vários modelos da Denon, AKG, Etymotic, Ultimate Ears, Westone, HiFiMAN e Audeze. Todos eles, que eu saiba, foram projetados para uso com uma fonte de impedância baixa (idealmente zero), e um representante da Sennheiser me disse que eles projetam seus fones de ouvido audiófilos e portáteis para fontes de impedância zero.

PERGUNTA AFC: Se a impedância de saída for maior que 1/8 da impedância do fone de ouvido, haverá uma resposta de frequência plana. Para alguns fones de ouvido, especialmente armadura (armadura balanceada) ou fones de ouvido com vários drivers, essas diferenças podem ser enormes. Veja como 43 ohms de impedância de saída afetam a resposta de frequência do Ultimate Ears SuperFi 5 - um nivelamento palpável de 12 dB:

IMPEDÂNCIA DE SAÍDA 10 ohms: Alguns podem olhar para o exemplo acima e pensar que uma diferença tão significativa aparece apenas em 43 ohms. Mas muitas fontes têm uma impedância de cerca de 10 ohms. Aqui estão os mesmos fones de ouvido com uma fonte de 10 ohm - ainda audível 6 dB irregularidade. Essa curva resulta em graves fracos, ênfase pronunciada na faixa intermediária, agudos abafados e resposta de fase pouco nítida devido a uma queda acentuada de 10 kHz, que pode afetar a imagem estéreo.

SENNHEISER DE TAMANHO COMPLETO: Aqui estão os Sennheiser HD590s de tamanho normal e alta impedância com a mesma fonte de 10 ohms. Agora a ondulação acima de 20 Hz é apenas um pouco mais de 1 dB. Apesar de 1 dB não ser tanto assim, o desnível fica na zona dos fundos "zumbidos", onde qualquer acento é altamente indesejável:

COMO FUNCIONA O AMORTECIMENTO: qualquer cabeça de alto-falante, seja fones de ouvido ou alto-falantes, move-se para frente e para trás enquanto a música toca. Assim, eles criam vibrações sonoras, representando uma massa em movimento. As leis da física afirmam que um objeto em movimento tende a permanecer em movimento (ou seja, tem inércia). O amortecimento também ajuda a evitar movimentos indesejados. Sem entrar em muitos detalhes, um alto-falante subamortecido continua a se mover quando deveria ter parado. Se o alto-falante estiver superamortecido (o que raramente acontece), sua capacidade de se mover de acordo com o sinal aplicado é limitada - imagine que o alto-falante está tentando trabalhar imerso em xarope de bordo. Existem duas maneiras de amortecer um alto-falante - mecânica e elétrica.

CARROS DE SALTO: O amortecimento mecânico é semelhante aos amortecedores de um carro. Eles adicionam resistência, então se você balançar o carro, ele não vai balançar para cima e para baixo por muito tempo. Mas o amortecimento também adiciona rigidez, porque não permite que a suspensão mude de posição de acordo com a superfície da estrada. Portanto, um compromisso deve ser encontrado aqui: os amortecedores macios tornam o passeio mais suave, mas levam ao balanço, enquanto os duros tornam o passeio menos confortável, mas evitam o balanço. O amortecimento mecânico é sempre um compromisso.

ELÉTRICA PERFEITA: Existe uma maneira melhor de controlar o movimento indesejado do difusor, chama-se amortecimento elétrico. Bobina e imã interagem em dinâmica com amplificador para controlar o movimento do difusor. Esse tipo de amortecimento tem menos efeitos colaterais e permite que os designers criem fones de ouvido com menos distorção e melhor som. Como a suspensão de um carro que pode se ajustar com mais precisão à estrada, os fones de ouvido com amortecimento ideal podem reproduzir o sinal de áudio com mais precisão. Mas, e este é o momento crítico, o amortecimento elétrico só é eficaz quando a impedância de saída do amplificador é muito menor que a impedância do fone de ouvido . Se você conectar fones de ouvido de 16 ohms a um amplificador com impedância de saída de 50 ohms, o amortecimento elétrico desaparece. Isso significa que o alto-falante não irá parar quando deveria parar. É como um carro com amortecedores gastos. Obviamente, se a regra do 1/8 for seguida, o amortecimento elétrico será suficiente.

SUSPENSÃO ACÚSTICA: Nos anos 70, a situação mudou, com a popularização dos amplificadores transistorizados. Quase todos os amplificadores transistorizados seguem a regra 1/8. Na verdade, a maioria está em conformidade com a regra 1/50 - sua impedância de saída é inferior a 0,16 ohms, o que dá um fator de amortecimento de 50. Dessa forma, os fabricantes de alto-falantes conseguiram projetar alto-falantes melhores que aproveitam a baixa impedância de saída . Em primeiro lugar, foram desenvolvidos os primeiros alto-falantes fechados acusticamente suspensos da Acoustic Research, Large Advents e outros, que tinham graves mais profundos e precisos do que os antecessores de tamanho semelhante projetados para amplificadores valvulados. Este foi um grande avanço no hi-fi, graças aos novos amplificadores que agora você pode confiar fortemente no amortecimento elétrico. E é uma pena que tantas fontes hoje estejam 40 anos ou mais atrasadas.

QUAL É A IMPEDÂNCIA DE SAÍDA DO MEU DISPOSITIVO? Alguns desenvolvedores deixam claro que pretendem manter a impedância de saída o mais baixa possível (como o Benchmark), enquanto outros listam o valor real de seus produtos (como 50 ohms para o Behringer UCA202). A maioria, infelizmente, deixa esse significado um mistério. Algumas análises de hardware (como a deste blog) incluem a medição da impedância de saída, pois esse é um fator importante na forma como um dispositivo soará com determinados fones de ouvido.

POR QUE TANTAS FONTES TÊM ALTA IMPEDÂNCIA DE SAÍDA? Os motivos mais comuns são:

• Proteção de fone de ouvido- Fontes de energia mais altas com baixa impedância de saída geralmente fornecem muita energia para fones de ouvido de baixa impedância. Para proteger esses fones de ouvido contra danos, alguns designers aumentam a impedância de saída. Portanto, esta é uma compensação que adapta o amplificador à carga, mas ao custo da degradação do desempenho para a maioria dos fones de ouvido.. A melhor solução é a capacidade de selecionar dois níveis de ganho. Um nível baixo permite definir uma tensão de saída mais baixa para fones de ouvido de baixa impedância. Além disso, a limitação de corrente também pode ser usada, de modo que a fonte limitará automaticamente a corrente para fones de ouvido de baixa impedância, mesmo se o nível de ganho for muito alto.
• Ser diferente- Alguns desenvolvedores aumentam deliberadamente a impedância de saída, alegando que isso melhora o som do dispositivo. Às vezes, isso é usado como uma maneira de fazer um produto soar diferente dos produtos concorrentes. Mas, nesse caso, cada "som único" obtido depende inteiramente dos fones de ouvido que você está usando. Para alguns fones de ouvido, isso é percebido como uma melhoria, enquanto para outros é uma deterioração bastante significativa. É mais provável que o som seja significativamente distorcido.
• É barato- Maior impedância de saída é a solução mais simples para fontes de baixo custo. Esta é uma maneira barata de obter estabilidade, a proteção mais simples contra curto-circuito; ele também permite o uso de amplificadores operacionais de qualidade inferior que mesmo os fones de ouvido de 16 ou 32 ohm não acionariam diretamente. Ao conectar alguma resistência em série à saída, todos esses problemas são resolvidos a um preço de alguns centavos. Mas para esta solução barata, você tem que pagar uma deterioração significativa na qualidade do som em muitos modelos de fone de ouvido.

EXCEÇÕES ÀS REGRAS: Existem vários fones de ouvido supostamente projetados para uso em alta impedância de saída. Pessoalmente, me pergunto se isso é mito ou realidade, já que não conheço nenhum exemplo específico. No entanto, é possível. Nesse caso, o uso desses fones de ouvido com uma fonte de baixa impedância pode levar a uma dinâmica de graves superamortecida e, como resultado, a uma resposta de frequência diferente da pretendida pelo designer. Isso pode explicar alguns casos de "sinergia", quando certos fones de ouvido são combinados com uma determinada fonte. Mas esse efeito é percebido puramente subjetivamente - para alguém como expressividade e detalhe do som, para alguém - como rigidez excessiva. A única maneira de obter um desempenho adequado é usar uma fonte de baixa resistência e seguir a regra de 1/8.

COMO VERIFICAR DE FORMA ECONÔMICA: Se você está se perguntando se a qualidade do som sofre devido à impedância de saída da fonte, sugiro comprar o amplificador FiiO E5 por $ 19. Possui uma saída de impedância quase zero e será suficiente para a maioria dos fones de ouvido de impedância.

TOTAL: A menos que você tenha certeza absoluta de que seus fones de ouvido soam melhor com alguma impedância de saída mais alta, é melhor sempre usar fontes com uma impedância não superior a 1/8 da impedância de seus fones de ouvido. Ou ainda mais simples: com impedância não superior a 2 ohms.

PARTE TÉCNICA

IMPEDÂNCIA E RESISTÊNCIA: Os dois termos são intercambiáveis ​​em alguns casos, mas tecnicamente eles têm diferenças significativas. A resistência elétrica é indicada pela letra R e tem o mesmo valor para todas as frequências. A impedância elétrica é uma quantidade mais complexa e seu valor geralmente muda com a frequência. É marcado com faia Z. No âmbito deste artigo, as unidades de medida para ambas as grandezas são Ohms.

TENSÃO E CORRENTE: Para entender o que é impedância, e do que se trata este artigo, é importante ter pelo menos uma ideia geral de tensão e corrente. A tensão é semelhante à pressão da água, enquanto a corrente é análoga ao fluxo de água (por exemplo, litros por minuto). Se você correr água de sua mangueira de jardim sem prender nada na ponta da mangueira, terá muito fluxo de água (corrente) e poderá encher rapidamente um balde, mas a pressão perto da ponta da mangueira será praticamente zero . Se você usar um bico pequeno na mangueira, a pressão (tensão) será muito maior, e o fluxo de água diminuirá (vai demorar mais para encher o mesmo balde). Esses dois valores estão inversamente relacionados. A relação entre tensão, corrente e resistência (e impedância, para os propósitos deste artigo) é definida pela Lei de Ohm. R pode ser substituído por Z.

DE ONDE VEM A REGRA DO 1/8?: A diferença audível mínima no volume percebido por uma pessoa é de cerca de 1 dB. Uma queda de -1 dB na impedância de saída corresponde a um fator, 10^(-1/20) = 0,89 . Usando a fórmula do divisor de tensão, obtemos que quando a impedância de saída é 1/8 da impedância de carga, a relação é exatamente 0,89, ou seja, a queda de tensão é de -1 dB. A impedância do fone de ouvido pode variar dentro da banda de áudio por um fator de 10 ou mais. Para SuperFi 5, a impedância é de 21 ohms, mas na verdade varia de 10 a 90 ohms. Portanto, a regra de 1/8 nos dá uma impedância de saída máxima de 2,6 ohms. Se tomarmos a tensão da fonte igual a 1 V:

• Tensão do fone de ouvido com impedância de 21 ohm (nominal) = 21 / (21+2,6) = 0,89 V
• Tensão do fone de ouvido com impedância de 10 ohm (mínimo) = 10 / (10+2,6) = 0,79 V
• Tensão do fone de ouvido com impedância de 90 ohm (máximo) = 90 / (90+2,6) = 0,97 V
• Nivelamento da resposta de frequência = 20*log(0,97/0,89) = 0,75 dB (menos de 1 dB)

MEDIÇÃO DE IMPEDÂNCIA DE SAÍDA: Como você pode ver no diagrama de circuito acima, a impedância de saída forma um divisor de tensão. Ao medir a tensão de saída sem carga conectada e com uma carga conhecida, você pode calcular a impedância de saída. Isso pode ser feito facilmente com uma calculadora online. A tensão sem carga é "Tensão de entrada", R2 é a resistência de carga conhecida (não use fones de ouvido neste caso), "Tensão de saída" é a tensão quando a carga é conectada. Pressione Calcular e obtenha a impedância de saída R1 desejada. Você também pode fazer isso com uma onda senoidal de 60 hertz (você pode gerá-la, por exemplo, no Audacity), um multímetro digital e um resistor de 15 a 33 ohms. A maioria dos DMMs só tem boa precisão em torno de 60 Hz. Reproduza uma onda senoidal de 60 Hz e ajuste o volume para que a tensão de saída seja de aproximadamente 0,5 V. Em seguida, conecte um resistor e anote o novo valor de tensão. Por exemplo, se você obtiver 0,5 V sem carga e 0,38 V com uma carga de 33 ohms, a impedância de saída será de cerca de 10 ohms. A fórmula aqui é a seguinte: Zist = (Rн * (Vхх - Vн)) / Vн. Vxx - tensão sem carga (inativa).

Nenhum fone de ouvido tem uma impedância completamente resistiva que não muda na faixa de frequência de áudio. A grande maioria dos fones de ouvido são de reatância e possuem uma impedância complexa. Devido aos componentes capacitivos e indutivos da impedância do fone de ouvido, seu valor muda com a frequência. Por exemplo, aqui está a dependência da impedância (amarela) e fase (branca) da frequência para Super Fi 5. Abaixo de ~200 Hz, a impedância é de apenas 21 ohms. Acima de 200 Hz sobe para ~90 ohms em 1200 Hz e depois cai para 10 ohms em 10 kHz:

FONES DE OUVIDO DE TAMANHO COMPLETO: Talvez alguém não esteja interessado em fones de ouvido intra-auriculares como o Super Fi 5, então aqui estão a impedância e a fase do popular modelo Sennheiser HD590. A impedância ainda varia: de 95 a 200 ohms - quase o dobro:

MATÉRIA: Um dos gráficos do início do artigo mostrava cerca de 12 dB de ripple de resposta em frequência para SuperFi 5 conectado a uma fonte com impedância de 43 ohms. Se tomarmos como referência o valor nominal de 21 ohms, e tomarmos a tensão de saída da fonte igual a 1 V, o nível de tensão nos fones de ouvido será o seguinte:

• Nível de referência: 21 / (43 + 21) = 0,33 V - que corresponde a 0 dB
• Com uma impedância mínima de 9 ohms: 9 / (9 + 43) = 0,17 V = -5,6 dB
• A uma impedância máxima de 90 ohms: 90 / (90 + 43) = 0,68 V = +6,2 dB
• Faixa = 6,2 + 5,6 = 11,8 dB

NÍVEIS DE AMORTECIMENTO: O amortecimento do alto-falante, conforme explicado anteriormente, pode ser puramente mecânico (Qms) ou uma combinação de amortecimento elétrico (Qes) e mecânico. O amortecimento total é denotado por Qts. Como esses parâmetros interagem em baixas frequências é explicado pela modelagem Thiel-Small. Os níveis de amortecimento podem ser divididos em três categorias:

• Amortecimento crítico (Qts = 0,7) - Considerado por muitos como o caso ideal, pois oferece os graves mais profundos sem qualquer desvio de resposta de frequência ou zumbido excessivo (movimentos descontrolados do cone). O baixo de tal alto-falante é geralmente percebido como "resiliente", "claro" e "transparente". A maioria das pessoas pensa que o Qts 0.7 fornece uma resposta transitória ideal.
• Excesso de amortecimento (Qts
• Amortecimento fraco (Qts > 0,7) - permite algum aumento de graves com um pico no topo da faixa de graves. O alto-falante não é totalmente controlado, resultando em "toque" excessivo (ou seja, o cone não para de se mover rápido o suficiente depois que o sinal elétrico é atenuado). Amortecimento fraco leva a desvios de resposta de frequência, graves menos profundos, resposta transitória ruim e aumento da resposta de frequência na região do limite superior dos graves. O amortecimento fraco é uma maneira barata de aumentar os graves ao custo da qualidade dos graves. Essa técnica é usada ativamente em fones de ouvido baratos para criar "falsos graves". O som de alto-falantes subamortecidos geralmente é caracterizado como baixo "estrondoso" ou "desleixado". Se seus fones de ouvido forem projetados para amortecimento elétrico e você os usar com uma fonte com impedância maior que 1/8 da impedância do fone de ouvido, obterá exatamente isso, graves subamortecidos. .

TIPOS DE AMORTECIMENTO: Existem três maneiras de amortecer os alto-falantes / controlar a ressonância:

• Amortecimento elétrico- Já conhecido por nós Qes, é semelhante à frenagem regenerativa em veículos elétricos híbridos. Quando você freia, o motor elétrico desacelera o carro, transformando-se em um gerador e transferindo energia de volta para as baterias. O orador é capaz de fazer o mesmo. Mas se a impedância de saída do amplificador for aumentada, o efeito de frenagem é significativamente reduzido - daí a regra de 1/8.
• Amortecimento mecânico- Conhecido como Qms, é bastante semelhante aos amortecedores de carros. À medida que você aumenta o amortecimento mecânico de um alto-falante, ele limita o sinal de música que o impulsiona, resultando em mais não linearidade. Isso aumenta a distorção e reduz a qualidade do som.
• Amortecimento devido ao alojamento- O invólucro pode fornecer amortecimento, mas requer que seja fechado - seja com um bass reflex devidamente ajustado ou clipping controlado. Muitos fones de ouvido de última geração são, obviamente, abertos, o que elimina a possibilidade de usar amortecimento de caixa, como em alto-falantes.

NÍVEL DE IMPRENSA: Para fones de ouvido que têm um ajuste razoavelmente confortável, como fones de ouvido de tamanho normal com fones de ouvido justos, os designers podem considerar permitir algum amortecimento adicional do fone de ouvido. Mas o formato da cabeça, orelhas, penteado, encaixe dos fones de ouvido, presença de óculos e outros fatores tornam esse efeito quase imprevisível. Para fones de ouvido, esse recurso não está disponível. Abaixo você vê dois gráficos representando a impedância do Sennheiser HD650. Observação: o pico ressonante no baixo aberto é de 530 ohms, mas ao usar uma cabeça artificial, o valor cai para 500 ohms. A razão disso é o amortecimento devido ao espaço fechado formado pelo pavilhão auricular e pelos fones de ouvido.

CONCLUSÃO: Espero que agora esteja claro que a única maneira de obter um desempenho eficiente de amplificador de fone de ouvido é seguir a regra de 1/8. Embora algumas pessoas prefiram o som de uma impedância de saída mais alta, isso depende muito do modelo de fone de ouvido usado, do valor da impedância de saída e da preferência pessoal. Idealmente, um novo padrão deveria ser criado, segundo o qual os desenvolvedores teriam que produzir fontes com impedância de saída inferior a 2 ohms.

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Artigo original em inglês: Headphone & Amp Impedance

Por que o valor da impedância de saída da fonte (amplificador) é tão importante, como ele interage com os fones de ouvido e o que isso afeta.

Direitos autorais Taras Kovrijenko 2009–2019

Acho que muitas pessoas sabem que se você ligar o farol alto, o fogão, o vidro traseiro aquecido de um carro em movimento, a tensão gerada pelo gerador diminuirá, mesmo nesse caso dizem que a tensão diminuiu. Como isso se aplica à eletrônica? Na eletrônica, tudo acontece de acordo com o mesmo cenário, se você conectar alguma carga de baixa resistência ao gerador de sinal, a tensão em seus terminais diminuirá, o motivo disso em ambos os casos é a resistência interna do gerador, que é geralmente representado como um resistor conectado em série com o gerador. Circuito Equivalente do Gerador mostrado na imagem abaixo.

Por que equivalente? Porque de fato, fisicamente, o resistor mostrado na foto não está, pelo menos, no gerador do carro, mas para levar em conta os processos que ocorrem dentro do gerador ou amplificador, bem como em outros circuitos, é conveniente descrevê-los desta forma.
Vamos praticar, vamos medir a impedância de saída do gerador de sinal.
Primeiro conecte o osciloscópio nas saídas do gerador de sinal conforme a figura abaixo e veja qual será a tensão.

O oscilograma mostra que o valor da amplitude da tensão é 1 V.
Agora vamos conectar um potenciômetro nas saídas do gerador de sinal e girá-lo até que a tensão nas pontas do gerador fique igual a metade da medida anteriormente, ou seja, 0,5 V.

Com uma resistência de 51 Ohm, a queda de tensão no potenciômetro tornou-se igual à metade da tensão de circuito aberto.
Se você observar a foto acima, verá que a resistência interna do gerador e o potenciômetro conectado por nós formam um divisor de tensão e a queda de tensão em um de seus braços é igual à metade da tensão do gerador, o que significa que exatamente metade da tensão permanece no segundo braço. Como as quedas de tensão na resistência interna e no potenciômetro conectado por nós são iguais, isso significa que a resistência interna do gerador é igual à resistência do potenciômetro, ou seja, 51 Ohm.
Mas há momentos em que não é possível medir a tensão do gerador em marcha lenta, ou seja, sem carga, nesse caso são feitas duas medições com resistências diferentes e a resistência do gerador é calculada pela fórmula abaixo.

A fórmula é derivada da seguinte forma, primeiro a tensão entre R1 e R2 é calculada, assim como um divisor convencional. Em ambas as fórmulas obtidas, a tensão do gerador estará presente, expressamos a partir de cada fórmula e igualamos as outras partes. Em seguida, você só precisa expressar Rg e isso completa o cálculo.
Agora sabemos como medir a impedância de saída do gerador.

6.3. Instalação e estudo de um amplificador aperiódico de baixa frequência em um transistor bipolar

Em amplificadores bipoNos transistores polares, são utilizados três esquemas de conexão do transistor: com uma base comum, com um emissor comum, com um coletor comum. O circuito de comutação mais utilizado com um emissor comum.

Lembre-se de que os circuitos de entrada de um amplificador sensível de baixa frequência são necessariamente executados com um fio blindado.

Para estudar a operação do amplificador de acordo com o diagrama da figura 6.6 você pode montar o amplificador usando o mostrado na figura 6.8 Placa de montagem.

Ao montar o amplificador, é imprescindível observar a polaridade da conexão dos capacitores eletrolíticos. O diagrama de fiação mostra a polaridade de conectar apenas um capacitor eletrolítico. A polaridade de conectar os outros dois capacitores é determinada pelo diagrama de circuito do amplificador. Como a saída do gerador é sinusóideSe não houver componente de tensão direta, a polaridade dos capacitores ao usar transistores do tipo n-p-n deve ser conforme mostrado na Figura 6.6, e para um transistor do tipo p-n-p - na Figura 6.7.

Como os capacitores eletrolíticos têm resistência indutiva, em amplificadores de baixa frequência de alta qualidade, pequenos capacitores de cerâmica são colocados em paralelo com capacitores eletrolíticos.

Sensibilidade de medição e saída nominal

potência do amplificador de baixa frequência

Defina preliminarmente o valor necessário do coeficiente harmônico na saída do amplificador. O controle de volume do amplificador é ajustado para a posição de volume máximo e os controles de tom para a posição intermediária. Conecte todos os instrumentos de medição à rede dispositivos e tensão de alimentação para o amplificador. Uma tensão senoidal com frequência de 1000 Hz é fornecida do gerador de som através de um divisor de tensão nos resistores R 1 , R 2 para a entrada do amplificador. Aumente gradualmente a tensão senoidal na entrada do amplificador e, ao mesmo tempo, meça o conteúdo harmônico do sinal na saída do amplificador. Assim que o coeficiente harmônico atinge um valor predeterminado, a tensão na saída do amplificador U N.OUT é medida e a tensão na entrada do amplificador U N.IN é determinada. Se não houver voltímetro eletrônico sensível, a tensão na entrada do amplificador é determinada após medir a tensão com um voltímetro eletrônico 1 você 1 na entrada do divisor de tensão (nos resistores R 1 e R 2 - fig. 6.9 ).

(6.1)

Com uma baixa sensibilidade do amplificador, um divisor de tensão pode ser dispensado, pois as tensões interferentes que surgem quando os cabos de teste são conectados ao circuito de entrada do amplificador não afetarão significativamente os resultados da medição.

A tensão de entrada U n.in caracteriza a sensibilidade do amplificador em um determinado coeficiente harmônico na saída do amplificador. A potência nominal de saída na carga R n é determinada pela fórmula:

(6.2)

A distorção harmônica de 5-8% pode ser aproximadamente determinada usando um osciloscópio. Com essa distorção harmônica, a distorção da senóide é perceptível na tela do osciloscópio. É mais fácil detectar a distorção senoidal se você usar um osciloscópio de feixe duplo e comparar o sinal na saída do amplificador com o sinal na entrada.

Assim, é possível medir a sensibilidade e determinar a potência nominal de saída de um amplificador de baixa frequência com um coeficiente harmônico do sinal na saída do amplificador de 5-8%, aproximadamente sem um medidor de coeficiente harmônico. A potência máxima de saída do amplificador é determinada em uma distorção harmônica de 10%.

Medindo a impedância de entrada de um amplificador

A impedância de entrada de um amplificador de baixa frequência é geralmente medida em 1000 Hz. Se a impedância de entrada do amplificador R em é muito menor que a resistência interna do voltímetro usado, então, para determinar a resistência de entrada do amplificador, um resistor é conectado em série com sua entrada, cuja resistência é aproximadamente igual à resistência de entrada do amplificador. Dois voltímetros eletrônicos são conectados conforme mostrado na figura. 6.10 , onde R in é a impedância de entrada do amplificador. Determinar a resistência de entrada do amplificador se reduz a resolver o seguinte problema: tensões conhecidas U 1 e U 2 mostradas pelos voltímetros V 1 e V 2, a resistência do resistor R; é necessário determinar R in. Como a resistência interna do voltímetro V 2 é muito maior que a resistência de entrada do amplificador, então:

(6.3)

Se a resistência de entrada do amplificador for compatível com a resistência interna do voltímetro, é impossível determinar R dessa maneira.

Nesse caso, para determinar a impedância de entrada do amplificador, os dispositivos são montados de acordo com o diagrama da figura 6.9 , mas apenas sem um medidor de coeficiente harmônico. Uma tensão senoidal com frequência de 1000 Hz é aplicada à entrada do amplificador, não excedendo a tensão nominal de entrada. A entrada U in1 e a saída U out1 da tensão do amplificador são medidas e o ganho de tensão K = U out1 / U in1 é determinado. Em seguida, o resistor R é conectado em série com a entrada do amplificador e, sem alterar a tensão na saída do gerador de som, é medida a tensão na saída do amplificador Uout2. A tensão na saída do amplificador diminuiu, pois quando o resistor R é conectado em sériecom a entrada do amplificador, parte da tensão da saída do gerador cai no resistor R e parte - na resistência de entrada R in. Com base nas leis da conexão serial, podemos escrever:

você in1 = U R + U R em (6.4)

(6.5)

Expressamos U Rin e Uin1 em termos de tensão na saída do amplificador

(6.6) (6.7)

Substituindo (6.6) e (6.7) em (6.5) obtemos:

(6.8)

De (6.8) obtemos uma expressão para a impedância de entrada do amplificador:

(6.9)

Para melhorar a precisão da determinação de Rin, é necessário que a resistência do resistor R seja da mesma ordem com a impedância de entrada do amplificador R in.

Medição de Impedância de Saída do Amplificador

A impedância de saída do amplificador é determinada pela lei de Ohm para um circuito completo

(6.10)

onde R n é a resistência de carga, R ext é a resistência interna (saída) da fonte. Dado que a tensão nos terminais da fonte U = I× R n de (6.10) obtemos

você=e- EU× R ext (6.11)

Desligue R n, então a corrente I será muito pequena, portanto, a tensão nos terminais da fonte U será igual à força eletromotriz e. Vamos conectar R n. Então a queda de tensão dentro da fonte (e- U Rн) se referirá à queda de tensão na carga U R , pois a resistência interna da fonte se refere à resistência da carga

(6.12) (6.13)

Para uma determinação mais precisa da resistência interna (saída) do amplificador, é necessário tomar a resistência R n da mesma ordem que a interna.

A impedância de saída do amplificador é geralmente medida a uma frequência de 1000 Hz. Do gerador de som, uma tensão senoidal de 1000 Hz é aplicada à entrada do amplificador,de modo que quando a carga é desconectada, o coeficiente harmônico do sinal na saída do amplificador não ultrapassou o especificado para esteamplificador de valor.

Para determinar a resistência de saída Rout, meça a tensão de saída do amplificador duas vezes. Com a carga desconectada, a tensão de saída será igual a EMF, e com a carga conectada - U Rн.

A impedância de saída do amplificador é determinada pela fórmula

(6.14)

Construindo uma característica de amplitude

Informações importantes sobre a qualidade do amplificador podem ser obtidas a partir da característica de amplitude. Para remover as características de amplitude, os dispositivos são montados de acordo com o esquema da Fig. 6.9 , excluindo o medidor harmônico. Uma tensão senoidal com frequência de 1000 Hz é fornecida do gerador de som para a entrada do amplificador, de modo que a diferença entre o sinal na saída do amplificador e a senoidal se torne perceptível. O valor obtido da tensão de entrada é aumentado em cerca de 1,5 vezes e a tensão de saída do amplificador é medida com um voltímetro eletrônico. Os valores obtidos da tensão de entrada e saída do amplificador darão um dos pontos (extremo) da característica de amplitude do amplificador. Então, reduzindo a tensão de entrada, a dependência da tensão de saída na entrada é removida. A partir da característica de amplitude do amplificador, o ganho de tensão é facilmente determinado K \u003d U out / U in. As tensões de entrada e saída do amplificador para determinar o ganho devem ser selecionadas na seção linear da característica de amplitude. Neste caso, o ganho do amplificador não dependerá da tensão de entrada.

Medição do piso de ruído do amplificador

D Para determinar o nível de ruído intrínseco do amplificador, a tensão de saída do amplificador é medida conectando um resistor à entrada do amplificador, cuja resistência é igual à resistência de entrada do amplificador. O próprio nível de ruído do amplificador é expresso em decibéis - fórmula (5.6). Para reduzir o efeito da interferência de campos eletromagnéticos externos, os circuitos de entrada do amplificador são cuidadosamente blindados.

Determinação da eficiência do amplificador

A eficiência do amplificador é determinada quando uma tensão senoidal com frequência de 1000 Hz é aplicada à entrada, correspondendo à potência nominal de saída. Determine a potência nominal de saída de acordo com a fórmula (6.2)

A potência consumida pelo amplificador das fontes (fonte) é determinada pela fórmula P 0 =I× você , onde I é a corrente consumida da fonte, U é a tensão nos terminais do amplificador destinados à conexão da fonte de alimentação (o diagrama de conexão do amperímetro e voltímetro é escolhido levando em consideração o erro mínimo na determinação da potência consumida pelo amplificador , dependendo do amperímetro e voltímetro disponíveis).

Determinando a faixa de frequências amplificadas

Para determinar a faixa de frequências amplificadas e o fator de distorção de frequência, uma característica de frequência (amplitude-frequência) é construída.

Da definição da característica amplitude-frequência do amplificador, segue-se que, para construí-lo, qualquer tensão pode ser aplicada à entrada do amplificador, correspondendo à seção linear da característica de amplitude. No entanto, em tensões de entrada muito baixas, podem ocorrer erros devido a ruído e zumbido CA. Em altas tensões de entrada, não linearidades dos elementos do amplificador podem aparecer. Portanto, a resposta em frequência é geralmente tomada em uma tensão de entrada correspondente a uma potência de saída igual a 0,1 da nominal.

Os dispositivos para obter as características de frequência de amplitude são montados de acordo com o esquema da fig. 6.9 , e o medidor harmônico e o osciloscópio não podem ser conectados.

A faixa de frequências amplificadas é determinada a partir da característica amplitude-frequência, levando em consideração a distorção de frequência permitida. A resposta de frequência de um amplificador é a dependência do ganho de tensão na frequência. Da fig. 5.5 pode-se ver como determinar a faixa de frequências amplificadas pelo amplificador (largura de banda) com uma diminuição do ganho nas frequências de corte para 0,7 do máximo, o que corresponde a um fator de distorção de frequência de 3 dB.

(SOBRE A REDUÇÃO DAS DISTORÇÕES DE INTERMODULAÇÃO E SOM EM ALTO-FALANTES)

A diferença no som dos alto-falantes ao trabalhar com diferentes UMZCHs é percebida principalmente pela comparação de amplificadores valvulados e transistorizados: o espectro de sua distorção harmônica geralmente é significativamente diferente. Às vezes, existem diferenças perceptíveis entre amplificadores do mesmo grupo. Por exemplo, em uma das revistas de áudio, as classificações dadas por UMZCHs de válvulas de 12 e 50 W tendiam a favor de uma menos potente. Ou a avaliação foi tendenciosa?

Parece-nos que o autor do artigo explica de forma convincente uma das razões místicas para a ocorrência de distorções transitórias e de intermodulação nos alto-falantes, que criam uma notável diferença no som ao trabalhar com vários UMZCH. Ele também oferece métodos acessíveis para reduzir significativamente a distorção dos alto-falantes, que são implementados de forma bastante simples usando base de elementos modernos.

Agora é geralmente aceito que um dos requisitos para um amplificador de potência é garantir que sua tensão de saída permaneça inalterada quando a resistência da carga muda. Em outras palavras, a resistência de saída do UMZCH deve ser pequena em comparação com a carga, totalizando não mais que 1 / 10,1 / 1000 do módulo de resistência (impedância) da carga |Z n |. Essa visão é refletida em inúmeras normas e recomendações, bem como na literatura. Mesmo um parâmetro como o coeficiente de amortecimento - K d (ou fator de amortecimento) é especialmente introduzido, igual à razão entre a resistência de carga nominal e a impedância de saída do amplificador R out PA. Assim, com uma impedância de carga nominal de 4 ohms e uma impedância de saída do amplificador de 0,05 ohms, K d será 80. Os padrões atuais para equipamentos HiFi exigem que o fator de amortecimento para amplificadores de alta qualidade seja de pelo menos 20 (e é recomendado não inferior a 100). Para a maioria dos amplificadores de transistor no mercado, K d é maior que 200.
Os argumentos a favor de um Rout PA pequeno (e um Kd correspondentemente alto) são bem conhecidos: são a intercambiabilidade de amplificadores e alto-falantes, obtendo um amortecimento eficaz e previsível da ressonância do alto-falante principal (baixa frequência), bem como o conveniência de medir e comparar as características dos amplificadores. No entanto, apesar da legitimidade e validade das considerações acima, a conclusão sobre a necessidade de tal relação, segundo o autor, fundamentalmente errado!

O fato é que essa conclusão é feita sem levar em consideração a física do funcionamento dos alto-falantes eletrodinâmicos (GG). A grande maioria dos projetistas de amplificadores acredita sinceramente que tudo o que é exigido deles é fornecer a tensão necessária a uma determinada resistência de carga com a menor distorção possível. Os projetistas de alto-falantes, por sua vez, parecem presumir que seus produtos serão alimentados por amplificadores com impedância de saída desprezível. Parece que tudo é simples e claro - que perguntas podem surgir?

No entanto, há questões, e muito sérias. A principal delas é a questão da magnitude distorção de intermodulação introduzido pelo GG quando ele é operado a partir de um amplificador com resistência interna desprezível (fonte de tensão ou fonte EMF).

“O que a impedância de saída do amplificador tem a ver com isso? Não me engane!" dirá o leitor. - E ele está errado. Tem, e o mais direto, apesar do fato de que o fato dessa dependência é mencionado extremamente raramente. De qualquer forma, não foram encontrados trabalhos modernos que considerem esse efeito sobre tudo parâmetros do caminho eletroacústico de ponta a ponta - desde a tensão na entrada do amplificador até as vibrações sonoras. Por alguma razão, ao considerar este tópico, estávamos anteriormente limitados a analisar o comportamento do GG próximo à ressonância principal em baixas frequências, enquanto coisas não menos interessantes acontecem em frequências visivelmente mais altas - algumas oitavas acima da frequência de ressonância.

Este artigo pretende preencher esta lacuna. Deve-se dizer que, para aumentar a acessibilidade, a apresentação é muito simplificada e esquematizada, portanto, uma série de questões “sutis” ficaram desconsideradas. Portanto, para entender como a impedância de saída do UMZCH afeta a distorção de intermodulação em alto-falantes, devemos lembrar qual é a física da radiação sonora de um cone GG.

Abaixo da frequência de ressonância principal, quando uma tensão de sinal senoidal é aplicada ao enrolamento da bobina de voz GG, a amplitude de deslocamento de seu difusor é determinada pela resistência elástica da suspensão (ou ar comprimido em uma caixa fechada) e é quase independente da frequência do sinal. A operação do GG neste modo é caracterizada por grandes distorções e uma saída muito baixa de um sinal acústico útil (eficiência muito baixa).

Na frequência de ressonância fundamental, a massa do difusor, juntamente com a massa oscilante de ar e a elasticidade da suspensão, formam um sistema oscilatório semelhante a um peso em uma mola. A eficiência da radiação nesta faixa de frequência está próxima do máximo para este HG.

Acima da frequência de ressonância principal, as forças de inércia do difusor, juntamente com a massa de ar oscilante, acabam sendo maiores que as forças elásticas da suspensão, de modo que o deslocamento do difusor é inversamente proporcional ao quadrado da frequência. No entanto, a aceleração do cone neste caso não depende teoricamente da frequência, o que garante a uniformidade da resposta de frequência em termos de pressão sonora. Portanto, para garantir a uniformidade da resposta de frequência do HG em frequências acima da frequência de ressonância principal, uma força de amplitude constante deve ser aplicada ao difusor do lado da bobina de voz, conforme segue a segunda lei de Newton (F = m *uma).

A força que atua no cone da bobina de voz é proporcional à corrente nela. Quando o GG está conectado a uma fonte de tensão U, a corrente I na bobina de voz em cada frequência é determinada pela lei de Ohm I (f) \u003d U / Z g (f), onde Z g (f) é a frequência- resistência complexa dependente da bobina de voz. É determinado principalmente por três quantidades: a resistência ativa da bobina de voz R g (medida com um ohmímetro), a indutância L g. A corrente também é afetada pelo EMF traseiro que ocorre quando a bobina de voz se move em um campo magnético e é proporcional à velocidade do movimento.

Em frequências muito superiores à ressonância principal, o valor de back-emf pode ser negligenciado, pois o cone com a bobina de voz simplesmente não tem tempo para acelerar na metade do período da frequência do sinal. Portanto, a dependência de Z g (f) acima da frequência da ressonância principal é determinada principalmente pelas quantidades R g e L g

Portanto, nem a resistência R g nem a indutância L g diferem em constância particular. A resistência da bobina de voz depende fortemente da temperatura (TCS de cobre é de cerca de +0,35% / o C), e a temperatura da bobina de voz de GGs de média frequência de tamanho pequeno durante a operação normal muda de 30 ... 50 o C e , além disso, muito rapidamente - em dezenas de milissegundos e menos. Consequentemente, a resistência da bobina de voz e, portanto, a corrente através dela, e a pressão sonora em uma tensão aplicada constante mudam em 10 ... 15%, criando distorção de intermodulação do valor correspondente compressão do sinal térmico).

Mudanças de indutância são ainda mais complexas. Amplitude e Estágio a corrente através da bobina de voz em frequências visivelmente mais altas que a ressonante é amplamente determinada pelo valor da indutância. E depende muito da posição da bobina de voz no intervalo: com uma amplitude de deslocamento normal para frequências ligeiramente superiores à frequência de ressonância fundamental, a indutância muda em 15 ... 40% para vários GGs. Consequentemente, na potência nominal fornecida ao alto-falante, a distorção de intermodulação pode atingir 10 ... 25%.

O acima é ilustrado por uma fotografia de oscilogramas de pressão sonora tirada em um dos melhores GG domésticos de média frequência - 5GDSH-5-4. O diagrama de blocos da configuração de medição é mostrado na figura.

Como fonte de sinal de dois tons, foram utilizados um par de geradores e dois amplificadores, entre cujas saídas foi conectado o GG em teste, instalado em uma tela acústica com área de cerca de 1 m 2 . Dois amplificadores separados com uma grande margem de potência (400 W) são usados ​​para evitar a formação de distorção de intermodulação durante a passagem de um sinal de dois tons pelo caminho de amplificação. A pressão sonora desenvolvida pela cabeça foi percebida por um microfone eletrodinâmico de fita, cuja distorção não linear é inferior a -66 dB a um nível de pressão sonora de 130 dB. A pressão sonora de tal alto-falante neste experimento foi de aproximadamente 96 dB, de modo que a distorção do microfone nessas condições pode ser desprezada.

Como pode ser visto nos oscilogramas na tela do osciloscópio superior (superior - sem filtragem, inferior - após filtragem HPF), a modulação de um sinal com frequência de 4 kHz sob a influência de outro com frequência de 300 Hz ( com uma potência nominal de 2,5 W) excede 20%. Isso corresponde a uma distorção de intermodulação de cerca de 15%. Parece que não há necessidade de lembrar que o limiar de perceptibilidade dos produtos de distorção da intermodulação é muito inferior a um por cento, chegando a centésimos de um por cento em alguns casos. É claro que as distorções do UMZCH, mesmo que sejam de natureza “suave” e não excedam alguns centésimos de um por cento, são simplesmente indistinguíveis no contexto das distorções no alto-falante causadas por sua operação a partir de uma tensão fonte. Os produtos de distorção de intermodulação destroem a transparência e os detalhes do som - acaba sendo um "mingau" no qual instrumentos e vozes individuais são ouvidos apenas ocasionalmente. Esse tipo de som provavelmente é bem conhecido dos leitores (um bom teste de distorção pode ser um fonograma de um coral infantil).

Os conhecedores podem argumentar que há muitas maneiras de reduzir a variabilidade da impedância da bobina de voz: preenchendo a lacuna com fluido de resfriamento magnético, instalando tampas de cobre nos núcleos do sistema magnético e selecionando cuidadosamente o perfil do núcleo e a densidade do enrolamento da bobina e muito mais. No entanto, todos esses métodos, em primeiro lugar, não resolvem o problema em princípio e, em segundo lugar, levam à complicação e ao aumento do custo de produção do HG, pelo que não são totalmente utilizados mesmo em alto-falantes de estúdio. É por isso que a maioria dos GGs de média e baixa frequência não tem tampas de cobre nem fluido magnético (nesses GGs, ao operar em potência máxima, o líquido é frequentemente ejetado do intervalo).

Portanto, alimentar o GG a partir de uma fonte de sinal de alta impedância (no limite - de uma fonte de corrente) é uma maneira útil e conveniente de reduzir sua distorção de intermodulação, especialmente ao construir sistemas acústicos ativos multibanda. Neste caso, o amortecimento da ressonância principal deve ser realizado puramente acusticamente, uma vez que o fator de qualidade acústica intrínseca dos GGs de média frequência, como regra, excede significativamente a unidade, atingindo 4...8.

É curioso que seja exatamente esse modo de alimentação “atual” do GG que ocorre na lâmpada UMZCH com uma saída pentodo ou tetrodo com um FOS raso (menos de 10 dB), especialmente se houver um FOS local para corrente na forma de resistência no circuito do cátodo.

No processo de estabelecimento de tal amplificador, suas distorções sem um OOS geral geralmente ficam dentro de 2,5% e são perceptíveis de ouvido com segurança quando incluídas na quebra do caminho de controle (método de comparação com o "fio reto"). No entanto, depois de conectar um amplificador a um alto-falante, descobriu-se que, à medida que a profundidade do feedback aumenta, o som primeiro melhora e, em seguida, há perda de detalhes e transparência. Isso é especialmente perceptível em um amplificador multibanda, cujos estágios de saída são direcionados diretamente para os alto-falantes correspondentes sem nenhum filtro.

A razão para isso, à primeira vista, um fenômeno paradoxal é que, com o aumento da profundidade OOS na tensão, a impedância de saída do amplificador diminui drasticamente. As consequências negativas de alimentar o GG do UMZCH com uma baixa impedância de saída são discutidas acima. Em um amplificador triodo, a impedância de saída, via de regra, é muito menor do que em um pentodo ou tetrodo, e a linearidade antes da introdução do feedback é maior; portanto, a introdução de feedback na tensão melhora o desempenho de um único amplificador, mas ao mesmo tempo, piora o desempenho da cabeça do alto-falante. Como resultado, como resultado da introdução de um feedback de tensão de saída em um amplificador de triodo, o som pode realmente piorar, apesar da melhoria nas características do próprio amplificador! Esse fato empiricamente estabelecido serve como alimento inesgotável para especulações sobre os danos causados ​​​​pelo uso de feedback em amplificadores de potência de áudio, bem como argumentos sobre a transparência e naturalidade especiais do som em forma de tubo. No entanto, dos fatos acima, segue-se claramente que o ponto não está na presença (ou ausência) do próprio OOS, mas na impedância de saída resultante do amplificador. É lá que o "cachorro está enterrado"!

Vale a pena dizer algumas palavras sobre o uso da resistência de saída negativa UMZCH. Sim, o feedback de corrente positiva (POF) ajuda a amortecer o GG na frequência de ressonância fundamental e reduz a potência dissipada na bobina de voz. No entanto, deve-se pagar pela simplicidade e eficiência do amortecimento aumentando a influência da indutância GG em suas características, mesmo em comparação com o modo de operação de uma fonte de tensão. Isso ocorre porque a constante de tempo L g /R g é substituída por uma maior igual a L g /. Consequentemente, a frequência diminui, a partir da qual a reatância indutiva começa a dominar na soma das impedâncias do sistema "GG + UMZCH". Da mesma forma, a influência das mudanças térmicas na resistência ativa da bobina de voz aumenta: a soma da resistência variável da bobina de voz e a resistência de saída negativa constante do amplificador muda mais em termos percentuais.

Claro, se R fora. PA em valor absoluto não excede 1/3 ... 1/5 da resistência ativa do enrolamento da bobina de voz, a perda da introdução do POS é pequena. Portanto, pode ser usado um POS de corrente fraca para um pequeno amortecimento adicional ou para ajuste fino do fator de qualidade na banda de baixa frequência. Além disso, o POS atual e o modo de fonte atual no UMZCH não são compatíveis entre si, pelo que o fornecimento de corrente do GG na banda de baixa frequência, infelizmente, nem sempre é aplicável.

Com distorção de intermodulação, aparentemente descobrimos isso. Agora resta considerar a segunda questão - a magnitude e a duração dos tons harmônicos que surgem no difusor do GG ao reproduzir sinais de natureza impulsiva. Esta questão é muito mais complicada e "mais fina".

Existem teoricamente duas possibilidades para eliminar esses harmônicos. A primeira é deslocar todas as frequências ressonantes além da faixa de frequência operacional, na região do ultrassom distante (50...100 kHz). Este método é usado no desenvolvimento de GG de baixa potência e alta frequência e alguns microfones de medição. Em relação ao GG, este é o método de um difusor "duro".

Assim, uma terceira opção também é possível - o uso de um GG com um difusor relativamente "rígido" e a introdução de seu amortecimento acústico. Nesse caso, é possível combinar até certo ponto as vantagens de ambas as abordagens. É assim que os alto-falantes de controle de estúdio (monitores grandes) são geralmente construídos. Naturalmente, quando o HG amortecido é alimentado por uma fonte de tensão, a resposta de frequência é significativamente distorcida devido a uma queda acentuada no fator de qualidade total da ressonância principal. A fonte de corrente neste caso também é preferível, pois ajuda a equalizar a resposta de frequência simultaneamente com a exclusão do efeito da compressão térmica.

Resumindo o que foi dito acima, podemos tirar as seguintes conclusões práticas:

1. O modo de funcionamento da cabeça do altifalante a partir de uma fonte de corrente (em oposição a uma fonte de tensão) proporciona uma redução significativa na distorção de intermodulação introduzida pela própria cabeça.

2. A opção de design mais adequada para um alto-falante com baixa distorção de intermodulação é uma multibanda ativa, com um filtro de crossover e amplificadores separados para cada banda. No entanto, esta conclusão é verdadeira independentemente da dieta GG.

4. Para obter uma alta impedância de saída do amplificador e manter uma pequena quantidade de sua distorção, o OOS deve ser usado não em termos de tensão, mas em termos de corrente.

Claro, o autor entende que o método proposto para reduzir a distorção não é uma panaceia. Além disso, no caso de usar um alto-falante multibanda pronto, o fornecimento de corrente de seus GGs individuais sem alteração é impossível. Uma tentativa de conectar um alto-falante multibanda como um todo a um amplificador com uma impedância de saída aumentada levará não tanto a uma diminuição da distorção, mas a uma distorção acentuada da resposta de frequência e, consequentemente, a uma falha no equilíbrio tonal . Apesar disso redução da distorção de intermodulação GG quase uma ordem de grandeza, e por um método tão acessível, claramente merece atenção digna.

S.AGEEV, Moscou

Normalmente, a questão da correspondência de resistência não recebe atenção suficiente. O objetivo desta seção é delinear os princípios e a prática do casamento de impedância.

Impedância de entrada Qualquer dispositivo elétrico que exija um sinal para operar tem uma impedância de entrada. Assim como qualquer outra resistência (particularmente a resistência em circuitos CC), a resistência de entrada de um dispositivo é uma medida da corrente que flui através do circuito de entrada quando uma certa tensão é aplicada à entrada.

Por exemplo, a impedância de entrada de uma lâmpada de 12 volts consumindo 0,5 amperes é 12/0,5 = 24 ohms. Uma lâmpada é um exemplo simples de resistência, pois sabemos que ela contém apenas um filamento. Desse ponto de vista, a impedância de entrada de um circuito como um amplificador de transistor bipolar pode parecer algo mais complexo. À primeira vista, a presença de capacitores, resistores e junções p-n de semicondutores no circuito dificulta a determinação da resistência de entrada. No entanto, qualquer circuito de entrada, por mais complexo que seja, pode ser representado como uma impedância simples, conforme mostrado na Figura 2.18. Se VIN é a tensão do sinal de entrada AC e IIN é a corrente AC que flui através do circuito de entrada, então a impedância de entrada é ZIN = UIN/ IIN[Ω].

Para a maioria dos circuitos, a impedância de entrada tem um caráter resistivo (ôhmico) em uma ampla faixa de frequência, dentro da qual a mudança de fase entre a tensão de entrada e a corrente de entrada é desprezível. Neste caso, o circuito de entrada se parece com o mostrado na Fig. 2.19, a lei de Ohm é válida e não há necessidade de álgebra de números complexos e diagramas vetoriais aplicados a circuitos com elementos reativos.

Fig.2.18. Um diagrama com um par de terminais de entrada ilustrando o conceito de impedância de entrada ZIN

É importante observar, no entanto, que a natureza ôhmica da impedância de entrada não significa necessariamente que ela pode ser medida em CC; Pode haver componentes reativos no caminho do sinal de entrada (como um capacitor de acoplamento) que não são relevantes para o sinal CA em frequências médias, mas não permitem que medições sejam feitas no alvo de entrada CC. Com base no exposto, em consideração posterior, assumiremos que a impedância é de natureza puramente ôhmica e Z=R.

Medição da resistência de entrada. A tensão de entrada é fácil de medir com um osciloscópio ou voltímetro AC. No entanto, a corrente CA não pode ser medida tão facilmente, especialmente quando a impedância de entrada é alta. A forma mais adequada de medir a resistência de entrada é mostrada na Figura 2.19.

Fig.2.19. Medição de resistência de entrada

Um resistor com uma resistência conhecida R é conectado entre o gerador e a entrada do circuito em estudo. Em seguida, usando um osciloscópio ou um voltímetro CA com uma entrada de alta resistência, as tensões U1 e U2 são medidas em ambos os lados do resistor R. Se IIN for uma corrente de entrada alternada, então, de acordo com a lei de Ohm, uma tensão igual a U1 - U2 = RIBX cai através do resistor. Daí I BX = (U1 - U2)/R, R BX = U2 / R. Portanto Se o circuito em estudo for um amplificador, geralmente é mais conveniente determinar U1 e U2 medindo na saída do amplificador: U1 é medido com o gerador conectado diretamente à entrada e U2 é medido com o resistor R conectado em série com a entrada do resistor R. Como apenas a relação U1 / U2, o ganho não desempenha nenhum papel. Supõe-se que, durante essas medições, a tensão na saída do gerador permaneça inalterada. Aqui está um exemplo muito simples: se um resistor de 10 kΩ em série com a entrada faz com que a tensão de saída do amplificador diminua pela metade, então U1/U2 = 2 e RIN = 10 kΩ.

impedância de saída. Um exemplo que dá uma ideia da resistência de saída é o seguinte: os faróis de um carro escurecem levemente quando o motor de partida está ligado. A alta corrente consumida pelo motor de partida causa uma queda de tensão dentro da bateria, fazendo com que a tensão em seus terminais diminua e os faróis fiquem menos brilhantes. Essa queda de tensão ocorre na impedância de saída da bateria, talvez mais conhecida como resistência interna ou da fonte.

Vamos estender essa visão para incluir todos os circuitos de saída, incluindo circuitos CC e CA, que sempre têm uma certa impedância de saída conectada a uma fonte de tensão. A aplicabilidade de uma descrição tão simples até para os circuitos mais complexos é convencida pela regra que diz que qualquer circuito com resistências e fontes que possuam dois terminais de saída pode ser substituído por uma resistência e uma fonte conectadas em série. Aqui, a palavra "fonte" deve ser entendida como um componente ideal que gera tensão e continua a manter esta tensão inalterada mesmo quando dela é consumida corrente. A descrição do circuito de saída é mostrada na fig. 2.20 onde ROTA é a impedância de saída e U é a tensão de saída sem carga, ou seja, a tensão na saída de circuito aberto.

Fig.2.20. Circuito Equivalente de Circuito de Saída

Ao discutir a questão da resistência de entrada e saída, convém atentar para o conceito que aparece pela primeira vez: o circuito equivalente. Todos os esquemas na Fig. 2.18, 2.19 e 2.20 são circuitos equivalentes. Eles não refletem necessariamente os componentes e conexões reais dos dispositivos em questão; esses diagramas são uma representação conveniente que é útil para entender como um determinado dispositivo se comporta.

Arroz. 2.20 mostra que no caso em que um resistor ou terminais de entrada de outro dispositivo é conectado aos terminais de saída, parte da tensão da fonte U cai na resistência interna da fonte.

Medição da resistência de saída. Um método simples para medir a resistência de saída segue do circuito da Figura 2.20. Se os terminais de saída estiverem em curto-circuito, a corrente de curto-circuito ISC é alterada e é levado em consideração que coincide com a corrente que flui pela resistência ROUT como resultado da aplicação de tensão U a ela, então obtemos: ROUT = U/IKC. A tensão U fornecida ao circuito pela fonte é medida nos terminais de saída no modo "inativo", ou seja, com uma corrente de saída desprezível. Assim, a impedância de saída pode ser facilmente obtida como a razão entre a tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito.

Tendo considerado este método principal para determinar a resistência de saída, deve-se dizer que existem obstáculos ao longo do caminho, inerentes à medição da corrente de curto-circuito de saída na maioria dos casos. Normalmente, no caso de um curto-circuito, as condições de operação do circuito são violadas e resultados confiáveis ​​não podem ser obtidos; em alguns casos, certos componentes podem falhar, incapazes de suportar uma carga anormalmente grande. Uma ilustração simples da inaplicabilidade do método de curto-circuito: tente medir a impedância de saída da rede CA! Apesar dessas deficiências do ponto de vista prático, o uso desse método é justificado na derivação teórica da impedância de saída do circuito e é usado mais adiante neste capítulo.

Uma maneira prática de medir a resistência de saída é mostrada na Figura 2.21. Aqui, a tensão de saída sem carga é medida com um voltímetro ou osciloscópio com uma entrada de alta impedância e, em seguida, os terminais de saída são desviados com uma carga de resistência conhecida R. A tensão de saída reduzida com a carga conectada é determinada diretamente pelo mesmo metro. O valor de ROUT pode ser calculado como a razão entre o quanto a tensão caiu e a corrente de saída.

Fig.2.21. Medindo a resistência de saída usando um resistor de derivação

Se U é a tensão de saída de circuito aberto e U1 é a tensão de saída na carga R, então a queda de tensão em ROUT quando a carga está presente é U-U1, a corrente de saída quando a carga está presente é U1/R, então ROUT = R(U - U1) / U1 Correspondência de resistência para transferência de tensão ideal. A maioria dos circuitos eletrônicos considera os sinais como tensões. Na maioria dos casos, ao conectar uma parte do circuito a outra, é necessário transferir a tensão ao máximo com o mínimo de perdas. Este é o requisito para a transferência máxima de tensão, que geralmente é atendida ao casar resistências. Considerando esse critério, consideramos o princípio do casamento de resistência.

A Figura 2.22 mostra dois blocos conectados um ao outro: para uma transferência de tensão ideal, UIN deve estar o mais próximo possível de U. A tensão UIN é: UIN = URIN / ROUT + RIN e UIN≈U, RIN >> ROUT

Fig.2.22. Ilustração da correspondência de impedância entre dois dispositivos

Em outras palavras, para a melhor transferência de tensão possível de um circuito para outro, a impedância de saída do primeiro circuito deve ser muito menor que a impedância de entrada do segundo circuito; geralmente você quer RIN > 10ROUT. É por esta razão que os dispositivos de teste, como geradores, são projetados com baixa impedância de saída (normalmente< 100 Ом). С другой стороны, осциллограф, предназначенный для наблюдения напряжений в испытываемой схеме, делается с большим входным сопротивлением (типичное значение >1 MΩ).

Fig.2.23. A dependência da tensão de saída do circuito na resistência de carga

Se as condições para correspondência ideal de resistências não forem atendidas e o sinal for alimentado à entrada do circuito com uma resistência de entrada comparável à resistência de saída da fonte, então, no caso mais geral, haverá simplesmente perdas de tensão. Esta situação ocorre quando dois estágios amplificadores de transistores bipolares, como o mostrado na Fig. 11.5 são conectados um após o outro (em cascata). Tanto a impedância de entrada quanto a de saída de tal estágio de transistor bipolar são da mesma ordem de grandeza (geralmente vários milhares de ohms), o que significa que cerca de 50% da tensão do sinal é perdida na conexão entre os estágios. Por outro lado, o amplificador FET (Fig. 11.13) é muito melhor em termos de casamento de impedância: ele tem uma impedância de entrada muito grande e uma impedância de saída média; ao conectar essas cascatas uma após a outra, as perdas de sinal são insignificantes.

Há um ou dois casos em que o casamento de impedância precisa de atenção especial, pois uma resistência de carga muito baixa afeta não apenas o ganho de tensão, mas também a resposta de frequência. Isso acontece quando a impedância de saída da fonte não é puramente resistiva, mas reatância e, portanto, a resposta de frequência muda. Um exemplo simples é um microfone condensador, onde a impedância de saída é expressa em picofarads ao invés de ohms, com um valor típico na região de 50 pF. Uma boa reprodução de baixa frequência requer que a impedância de entrada do amplificador seja grande em comparação com a reatância de capacitância de 50 pF em frequências de até 20 Hz. Na prática, isso requer uma impedância de entrada de cerca de 200 MΩ, que geralmente é fornecida por um amplificador FET montado no corpo do microfone.

Correspondência de resistência para transferência de energia ideal. Embora a máxima transferência de tensão seja geralmente o critério para casamento de impedância, há momentos em que você deseja transferir potência máxima. Sem fazer cálculos matemáticos, informaremos que para o circuito 2.22, a potência máxima em RIN é alcançada quando RIN = ROUT. Esse resultado é conhecido como teorema da potência máxima: a potência máxima é transferida da fonte para a carga quando a impedância da carga é igual à impedância de saída da fonte. Este teorema é válido não apenas para componentes resistivos, mas também para componentes complexos ZIN e ZOUT. Neste caso, é necessário que além da condição RIN = ROUT, também seja satisfeita a condição XIN = -XOUT, ou seja, se uma impedância for capacitiva, a outra impedância deverá ser indutiva.

Correspondência de resistência para transferência de corrente ideal. Às vezes, a correspondência de resistência é necessária para fornecer corrente máxima no circuito de entrada. Referindo-se novamente à fig. 2.22, pode ser visto que a corrente de entrada máxima IВХ é alcançada quando a impedância no circuito é escolhida a menor possível. Portanto, com uma ROUT fixa, deve-se buscar o menor valor possível de RIN. Esta situação bastante incomum é exatamente o oposto do caso usual quando é necessário transmitir tensão.