01/03
Giải quyết một trong những chủ đề khó hiểu nhất trong Audio Electronics
Khi tôi học những điều cơ bản về âm thanh, một trong những khái niệm khó khăn nhất để tôi nắm bắt là trở kháng đầu ra. Trở kháng đầu vào tôi hiểu theo bản năng, từ ví dụ của loa . Sau khi tất cả, một người lái xe có chứa một cuộn dây, và tôi biết rằng một cuộn dây chống lại dòng điện. Nhưng trở kháng đầu ra ? Tại sao một bộ khuếch đại hoặc preamp có trở kháng ở đầu ra của nó, tôi tự hỏi? Nó sẽ không muốn cung cấp mọi volt và amp có thể cho bất cứ điều gì nó lái xe?
Trong cuộc trò chuyện của tôi với độc giả và những người đam mê qua nhiều năm, tôi đã nhận ra rằng tôi không phải là người duy nhất không hiểu được toàn bộ ý tưởng về trở kháng đầu ra. Vì vậy, tôi nghĩ rằng nó sẽ được tốt đẹp để làm một mồi về chủ đề này. Trong bài viết này, tôi sẽ đối phó với ba tình huống phổ biến và rất khác nhau: tiền khuyếch đại, amps và amps tai nghe.
Đầu tiên, chúng ta hãy tóm tắt lại khái niệm về trở kháng . Kháng là mức độ hạn chế dòng điện DC. Trở kháng về cơ bản là giống nhau, nhưng với AC thay vì DC. Thông thường, trở kháng của một thành phần sẽ thay đổi khi tần số của các thay đổi tín hiệu điện. Ví dụ, một cuộn dây nhỏ sẽ có trở kháng gần như bằng không ở 1 Hz nhưng trở kháng cao ở 100 kHz. Một tụ điện có thể có trở kháng gần như vô hạn ở 1 Hz nhưng hầu như không có trở kháng ở 100 kHz.
Trở kháng đầu ra là số lượng trở kháng giữa một thiết bị đầu ra của preamp hoặc bộ khuếch đại (thường là các bóng bán dẫn, nhưng có thể là một máy biến áp hoặc ống) và các đầu ra đầu ra thực tế của bộ phận. Điều này bao gồm trở kháng bên trong của thiết bị.
Tại sao bạn cần trở kháng đầu ra?
Vậy tại sao một thành phần có trở kháng đầu ra? Đối với hầu hết các phần, nó là để bảo vệ nó chống lại thiệt hại từ ngắn mạch.
Bất kỳ thiết bị đầu ra nào bị hạn chế về lượng dòng điện có thể xử lý. Nếu đầu ra của thiết bị bị thiếu, nó sẽ được yêu cầu cung cấp một lượng lớn dòng điện. Ví dụ, tín hiệu đầu ra 2.83-volt sẽ tạo ra dòng điện 0.35 amps và 1 watt công suất vào một loa 8-ohm điển hình. Không sao cả. Nhưng nếu một dây có trở kháng 0,01 ohms được kết nối qua các đầu ra của bộ khuếch đại, thì tín hiệu đầu ra tương tự 2,83-volt sẽ tạo ra dòng điện 282,7 amps và 800 watt công suất. Đó là xa, nhiều hơn so với hầu hết các thiết bị đầu ra có thể cung cấp. Trừ khi amp có một số loại mạch bảo vệ hoặc thiết bị, thì thiết bị đầu ra sẽ bị quá nhiệt và có thể sẽ bị hư hỏng vĩnh viễn. Và vâng, nó thậm chí có thể bắt lửa.
Với một số trở kháng được tích hợp vào đầu ra, thành phần rõ ràng có khả năng bảo vệ lớn hơn chống lại các mạch ngắn, vì trở kháng đầu ra luôn ở trong mạch. Giả sử bạn có một amp tai nghe với trở kháng đầu ra là 30 ohms, lái một cặp tai nghe 32-ohm và bạn rút ngắn dây tai nghe bằng cách vô tình cắt nó bằng một đôi kéo. Bạn đi từ một trở kháng hệ thống tổng cộng của 62 ohms xuống đến một trở kháng tổng số có thể 30,01 ohms, mà không phải là một việc lớn như vậy. Chắc chắn ít hơn rất nhiều so với đi từ 8 ohms xuống đến 0,01 ohms.
Làm thế nào thấp nên trở kháng đầu ra được?
Một nguyên tắc chung của ngón tay cái trong âm thanh là bạn muốn trở kháng đầu ra thấp hơn ít nhất 10 lần so với trở kháng đầu vào mong đợi mà nó sẽ nạp. Bằng cách này, trở kháng đầu ra không có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng của hệ thống. Nếu trở kháng đầu ra là nhiều hơn 10 lần trở kháng đầu vào mà nó sẽ ăn, bạn có thể nhận được một vài vấn đề khác nhau.
Với bất kỳ thiết bị điện tử âm thanh nào, trở kháng đầu ra quá cao có thể tạo ra các hiệu ứng lọc gây ra dị thường đáp ứng tần số lạ và cũng dẫn đến giảm công suất đầu ra. Để biết thêm về những hiện tượng này, hãy xem bài viết đầu tiên và thứ hai của tôi về cách cáp loa có thể ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh.
Với bộ khuếch đại, có một vấn đề khác. Khi bộ khuếch đại di chuyển hình nón loa về phía trước hoặc phía sau, hệ thống treo của loa sẽ làm cho hình nón quay trở lại vị trí trung tâm của nó. Hành động này tạo ra điện áp mà sau đó được ném trở lại tại bộ khuếch đại. (Hiện tượng này được gọi là “EMF ngược” hoặc lực điện động ngược). Nếu trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại đủ thấp, nó sẽ rút ngắn hiệu quả EMF ngược lại và hoạt động như một phanh trên hình nón khi nó quay trở lại. Nếu trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại quá cao, nó sẽ không thể dừng hình nón, và hình nón sẽ tiếp tục tuôn ra qua lại cho đến khi ma sát dừng lại. Điều này tạo ra một hiệu ứng đổ chuông và làm cho các ghi chú nán lại sau khi chúng được cho là dừng lại.
Bạn có thể thấy điều này trong xếp hạng yếu tố giảm xóc của bộ khuếch đại. Yếu tố giảm chấn là trở kháng đầu vào trung bình dự kiến (8 ohms) chia cho trở kháng đầu ra của amp. Số càng cao thì hệ số giảm xóc càng tốt.
Trở kháng đầu ra bộ khuếch đại
Vì chúng ta đang nói về amps, hãy bắt đầu với ví dụ đó, được thể hiện trong hình vẽ ở trên. Trở kháng loa thường được đánh giá từ 6 đến 10 ohms, nhưng phổ biến đối với loa giảm xuống trở kháng 3 ohms ở tần số nhất định và thậm chí là 2 ohms trong một số trường hợp cực đoan. Nếu bạn chạy hai loa song song, như trình cài đặt tùy chỉnh thường làm khi tạo hệ thống âm thanh đa phòng , làm giảm trở kháng chỉ bằng một nửa, có nghĩa là loa giảm xuống còn 2 ohms ở mức 100 Hz hiện giảm xuống 1 ohm ở tần số đó được ghép nối với một loa khác cùng loại. Đó là một trường hợp cực đoan, tất nhiên, nhưng các nhà thiết kế bộ khuếch đại phải tính đến những trường hợp cực đoan như vậy hoặc họ có thể phải đối mặt với một đống lớn amps đến để sửa chữa.
Nếu chúng ta tìm một trở kháng loa tối thiểu là 1 ohm, điều đó có nghĩa là amp phải có trở kháng đầu ra không quá 0,1 ohm. Rõ ràng, không có chỗ để thêm sức đề kháng đủ để sản lượng của amp này để cung cấp cho các thiết bị đầu ra bất kỳ bảo vệ thực sự.
Do đó, bộ khuếch đại sẽ phải sử dụng một số loại mạch bảo vệ. Đó có thể là một cái gì đó mà theo dõi đầu ra hiện tại của amp và ngắt kết nối đầu ra nếu vẽ hiện tại là quá cao. Hoặc nó có thể đơn giản như cầu chì hoặc bộ ngắt mạch trên đường dây nguồn AC đến hoặc đường ray của nguồn điện. Các thiết bị này ngắt kết nối nguồn điện khi rút hiện tại nhiều hơn amp có thể xử lý.
Ngẫu nhiên, hầu như tất cả các bộ khuếch đại công suất của ống đều sử dụng các máy biến áp đầu ra, và bởi vì các máy biến áp đầu ra chỉ là cuộn dây quấn quanh một khung kim loại, chúng có trở kháng đáng kể của chúng, đôi khi tới 0,5 ohm hoặc thậm chí nhiều hơn. Trong thực tế, để mô phỏng âm thanh của một amp ống trong bộ khuếch đại trạng thái rắn (transistor) Sunfire của mình, nhà thiết kế nổi tiếng Bob Carver đã thêm một công tắc "chế độ hiện tại" đặt một điện trở 1-ohm trong loạt với các thiết bị đầu ra. Tất nhiên, điều này đã vi phạm tỷ số đầu ra tối thiểu từ 1 đến 10 để trở kháng đầu vào mong đợi mà chúng ta đã thảo luận ở trên, và do đó có ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng tần số của loa kết nối, nhưng đó là những gì bạn nhận được với nhiều amps ống và đó chính xác là những gì Carver muốn mô phỏng.
02/03
Ngưỡng đầu ra thiết bị nguồn / đầu nguồn
Với một thiết bị preamp hoặc source (đầu đĩa CD, hộp cáp, vv), như thể hiện trong hình vẽ ở trên, đó là một tình huống khác. Trong trường hợp này, bạn không quan tâm đến sức mạnh hay dòng điện. Tất cả những gì bạn cần để truyền tải tín hiệu âm thanh là điện áp. Do đó, thiết bị hạ lưu - một bộ khuếch đại công suất, trong trường hợp của một preamp, hoặc một preamp, trong trường hợp của một thiết bị nguồn - có thể có trở kháng đầu vào cao. Bất kỳ dòng điện nào đi qua đường này gần như hoàn toàn bị chặn bởi trở kháng đầu vào cao đó, nhưng điện áp được thông qua tốt.
Đối với hầu hết các ampe nguồn và tiền khuyếch đại, trở kháng đầu vào từ 10 đến 100 kilohms là phổ biến. Kỹ sư có thể lên cao hơn, nhưng họ có thể nhận được nhiều tiếng ồn hơn theo cách đó. Ngẫu nhiên, guitar amps thường có trở kháng đầu vào từ 250 kilohms đến 1 megohm, vì pickups guitar điện thường có trở kháng đầu ra từ 3 đến 10 kilohms.
Các mạch điện ngắn có thể được sử dụng phổ biến với các mạch cấp dòng, vì nó dễ dàng vô tình chà hai dây dẫn trần của một đầu cắm RCA vào một mảnh kim loại làm cho chúng bị bong ra. Vì vậy, trở kháng đầu ra của 100 ohms hoặc nhiều hơn là phổ biến ở tiền khuyếch đại và các thiết bị nguồn. Tôi đã nhìn thấy một vài thành phần kỳ lạ, cao cấp với mức sản lượng đầu ra mức thấp đến 2 ohms, nhưng chúng sẽ có các bóng bán dẫn đầu ra rất nặng hoặc mạch bảo vệ để ngăn chặn thiệt hại từ quần short. Trong một số trường hợp, chúng có thể có một tụ điện ghép nối ở đầu ra để chặn điện áp DC và ngăn chặn thiết bị đầu ra bị cháy.
Phono preamps là một chủ đề hoàn toàn khác. Trong khi chúng thường có trở kháng đầu ra tương tự như của một đầu đọc CD, các trở kháng đầu vào của chúng rất khác so với đầu ra của một giai đoạn đầu dòng. Đó là quá nhiều để đi vào đây. Có lẽ tôi sẽ đào sâu vào chủ đề đó trong một bài viết khác.
03/03
Headphone Amp đầu ra trở kháng
Sự phổ biến của tai nghe đã mang đến sự sắp xếp trở kháng hệ thống không bình thường, không tiêu chuẩn của amps headphone điển hình cho ánh đèn sân khấu. Không giống như amps thông thường, amps tai nghe đến trong một loạt các trở kháng đầu ra. Amps tai nghe thực sự rẻ, giống như những chiếc được tích hợp vào hầu hết các máy tính xách tay, có thể có trở kháng đầu ra cao tới 75 hoặc thậm chí 100 ohms, mặc dù trở kháng tai nghe thường dao động từ khoảng 16 đến 70 ohms.
Thật hiếm khi người tiêu dùng ngắt kết nối và kết nối lại loa khi một amp đang chạy và cũng hiếm khi cáp loa bị hỏng khi amp đang chạy. Nhưng với tai nghe, những điều này xảy ra mọi lúc. Mọi người thường xuyên kết nối hoặc ngắt kết nối tai nghe khi tai nghe đang chạy. Cáp tai nghe thường bị hỏng - đôi khi tạo ra một mạch ngắn - trong khi chúng đang được sử dụng. Tất nhiên, hầu hết các amps tai nghe là thiết bị giá rẻ, có thể làm cho thêm một mạch bảo vệ phong nha chi phí cấm. Vì vậy, hầu hết các nhà sản xuất có cách dễ dàng hơn: Họ nâng cao trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại bằng cách thêm một điện trở (hoặc đôi khi một tụ điện).
Như bạn có thể thấy trong các phép đo tai nghe của tôi (đi xuống đồ thị thứ hai), trở kháng đầu ra cao có thể có ảnh hưởng rất lớn đến đáp ứng tần số của tai nghe. Tôi đo đáp ứng tần số của một tai nghe đầu tiên với một amp tai nghe âm thanh Fidelity có một trở kháng đầu ra 5-ohm, sau đó một lần nữa với thêm 70 ohms kháng thêm vào để tạo ra một trở kháng tổng sản lượng 75 ohms.
Hiệu ứng trở kháng đầu ra cao sẽ thay đổi theo trở kháng của tai nghe được kết nối, và đặc biệt với sự thay đổi trở kháng của tai nghe ở các tần số khác nhau. Tai nghe có các biến đổi trở kháng lớn - như hầu hết các mô hình trong tai với các bộ điều khiển cân bằng - thường sẽ thể hiện những thay đổi đáng kể trong đáp ứng tần số khi bạn thay đổi từ một amp có trở kháng đầu ra thấp với trở kháng đầu ra cao. Thông thường, tai nghe có cân bằng âm thanh tự nhiên khi được sử dụng với nguồn trở kháng thấp sẽ có sự cân bằng âm trầm, âm ỉ khi được sử dụng với nguồn trở kháng cao.
May mắn thay, trở kháng đầu ra thấp có sẵn trong nhiều amps tai nghe cao cấp (đặc biệt là các mô hình trạng thái rắn), và thậm chí một số chip amp tai nghe nhỏ được tích hợp vào các thiết bị như iPhones. Thường không có cách nào để biết chắc chắn nếu một headphone được lồng tiếng để sử dụng với trở kháng đầu ra cao hay thấp, nhưng tôi thích gắn với trở kháng đầu ra thấp vì những lý do được trích dẫn trước đó trong bài viết này.
Tôi không muốn sử dụng tai nghe với các biến đổi trở kháng lớn mà có thể gây ra thay đổi tần số đáp ứng khi được sử dụng với amps tai nghe có trở kháng đầu ra cao (như một trong các máy tính xách tay tôi đang gõ này). Tuy nhiên, thật không may, tôi thường thích âm thanh của headphone tai nghe cân bằng tốt hơn với tai nghe động, vì vậy khi tôi sử dụng tai nghe này với máy tính xách tay của mình, tôi thường kết nối amp ngoài hoặc bộ tai nghe USB / DAC.
Tôi biết đây là một lời giải thích dài dòng, nhưng trở kháng đầu ra là một chủ đề phức tạp. Cảm ơn đã mang theo tôi, và nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào hoặc nếu tôi để lại một cái gì đó, gửi cho tôi một e-mail và cho tôi biết.