有源音箱降噪秘笈-深入電路內(nèi)部研究

有源音箱降噪秘笈-深入電路內(nèi)部研究

在網(wǎng)上瀏覽BBS時(shí)，常見(jiàn)一些玩家被有源音箱的各種噪音困擾，這里就筆者在實(shí)踐中總結(jié)出的一些經(jīng)驗(yàn)與大家分享。顧名思義，有源音箱就是音箱與放大器的組合，因此有源音箱噪音分析與一般放大器噪音與放大器近似，分析、處理時(shí)可借鑒HIFI放大器。

　　噪音與放大器相生相伴，是無(wú)可避免的，這里討論降低噪音，目的是將其降低至可接受的范圍，而不是、也無(wú)法將其徹底根除，換句話說(shuō)，信噪比只能盡量提高，但不能無(wú)限大。有源音箱的噪音按來(lái)源可粗略分為電磁干擾、地線干擾、機(jī)械噪聲與熱噪聲幾類，下面來(lái)從噪音產(chǎn)生根源與機(jī)理方面簡(jiǎn)要分析一下，并提出一些經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)行之有效的解決方案，以期能對(duì)初學(xué)者能所幫助。

一、電磁干擾

　　電磁干擾主要來(lái)源是電源變壓器和空間雜散電磁波。

　　有源音箱除極少數(shù)特殊產(chǎn)品外，多數(shù)是由市電提供電源，因此必然要使用電源變壓器。電源變壓器工作過(guò)程是一個(gè)“電—磁—電”的轉(zhuǎn)換過(guò)程，在電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生磁泄露，變壓器泄磁被放大電路拾取放大，最終表現(xiàn)為由揚(yáng)聲器發(fā)出的交流聲。

　　電源變壓器常見(jiàn)規(guī)格有EI型、環(huán)型和R型，無(wú)論是從音質(zhì)角度還是從電磁泄露角度來(lái)看，這三種變壓器各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單判定優(yōu)劣。

　　EI型變壓器是最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣的變壓器，磁泄露主要來(lái)源E與I型鐵心之間的氣隙以及線圈自身輻射。EI型變壓器磁泄露是有方向性，如下圖所示，X、Y、Z軸三個(gè)方向上，線圈軸心Y軸方向干擾最強(qiáng)，Z軸方向最弱，X軸方向的輻射介于Y、Z之間，因此實(shí)際使用時(shí)盡量不要使Y軸與電路板平行。

環(huán)型變壓器

　　環(huán)型變壓器由于不存在氣隙、線圈均勻卷繞鐵芯，理論上漏磁很小，也不存在線圈輻射。但環(huán)型變壓器由于無(wú)氣隙存在，抗飽和能力差，在市電存在直流成分時(shí)容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生很強(qiáng)的磁泄露。國(guó)內(nèi)不少地區(qū)市電波形畸變嚴(yán)重，因此許多用家使用環(huán)型變壓器感覺(jué)并不比EI型變壓器好，甚至更差。所謂環(huán)型變壓器絕無(wú)泄露，或是因媒介誤導(dǎo)，或是因廠商出于商業(yè)宣傳需要而杜撰，環(huán)型變壓器磁泄露極低的說(shuō)法只是在市電波型為嚴(yán)格的正弦波時(shí)才成立。另外，環(huán)型變壓器還會(huì)在引線處出現(xiàn)較強(qiáng)電磁泄露，因此環(huán)型變壓器的漏磁也是有一定方向性的，實(shí)際裝機(jī)時(shí)旋轉(zhuǎn)環(huán)型變壓器，在某個(gè)角度上獲得最高信噪比。

　　R型變壓器可簡(jiǎn)單看做橫截面圓型的環(huán)型變壓器，但在線圈繞制手法上有區(qū)別，散熱條件遠(yuǎn)比環(huán)型變壓器為好，鐵芯展開(kāi)為漸開(kāi)漸合型，R型變壓器電磁泄露情況與環(huán)型變壓器類似。由于每匝線長(zhǎng)比環(huán)型變壓器短，能緊貼鐵心繞制，因此上述三類變壓器中R型變壓器的銅損最小。

　　如條件允許，可考慮為變壓器裝一只屏蔽罩，并做妥善接地處理，該金屬罩只能選用鐵性材料，一般金屬如銅、鋁等只有電屏蔽作用而無(wú)磁屏蔽作用，不能作為變壓器屏蔽罩。

　　上述分析是建立在變壓器選料、制作精良的基礎(chǔ)上，實(shí)際多數(shù)市售變壓器產(chǎn)品由于成本壓力和競(jìng)爭(zhēng)需要，未嚴(yán)格按行業(yè)規(guī)范設(shè)計(jì)，甚至偷工減料，分析起來(lái)不可預(yù)測(cè)因素較多。首先是鐵芯材料的品質(zhì)，很多企業(yè)用導(dǎo)磁率較低的H50鐵芯、邊角料甚至攙雜軟鐵制作變壓器，導(dǎo)致變壓器空載電流很高，鐵損過(guò)大，空載發(fā)熱嚴(yán)重；這類變壓器為降低成本、同時(shí)為掩蓋鐵損偏高帶來(lái)的電壓調(diào)整率過(guò)大問(wèn)題，大幅度減少初次級(jí)線圈匝數(shù)，以降低銅損的方式來(lái)降低電壓調(diào)整率，這種做法更進(jìn)一步增大了空載電流，而空載電流偏大將直接導(dǎo)致磁泄露加劇。

　　環(huán)型變壓器問(wèn)題更復(fù)雜一些。正規(guī)的環(huán)型變壓器鐵芯是由一條等寬硅鋼帶緊密卷繞而成。還是出于成本原因，多數(shù)低價(jià)環(huán)型變壓器使用數(shù)條甚至數(shù)十?dāng)?shù)條硅鋼帶拼接，甚至使用邊緣參差不齊的邊角料卷繞，繞制好后用機(jī)床車(chē)平，由于環(huán)型變壓器線圈包繞鐵芯，不做破壞性解剖難以發(fā)現(xiàn)。機(jī)械加工對(duì)硅材料的晶格排列、相鄰硅鋼帶間絕緣都有嚴(yán)重破壞，這樣的環(huán)型變壓器無(wú)論性能或漏磁特性均會(huì)大幅度降低，即使經(jīng)過(guò)退火處理也無(wú)法彌補(bǔ)質(zhì)量上的嚴(yán)重缺陷。

　　雜散電磁波主要來(lái)自有源音箱的功率輸出導(dǎo)線、揚(yáng)聲器及功率分頻器、無(wú)線發(fā)射設(shè)備和計(jì)算機(jī)主機(jī)，產(chǎn)生原因在這里不做深入討論。雜散電磁波在傳輸、感應(yīng)的形式上與電源變壓器類似，雜散磁場(chǎng)頻率范圍很寬，有用家反映有源音箱莫名其妙接收到當(dāng)?shù)仉娕_(tái)廣播就是典型的雜散電磁波干擾。

　　另外一個(gè)需引起重視的干擾源為整流電路。濾波電容在開(kāi)機(jī)進(jìn)入正常狀態(tài)后，充電僅集中在交流電峰值時(shí)，充電波形是一個(gè)寬度較窄的強(qiáng)脈沖，電容量越大，脈沖強(qiáng)度也越大，從電磁干擾角度看，濾波電容并非越大越好，整流管與濾波電容之間走線應(yīng)盡量縮短，同時(shí)盡量遠(yuǎn)離功放電路，PCB空間不允許則盡量用地線包絡(luò)。

　　電磁干擾主要防治措施：

　　1.降低輸入阻抗。

　　電磁波主要被導(dǎo)線及PCB板走線拾取，在一定條件下，導(dǎo)線拾取電磁波基本可視為恒功率。根據(jù)P=U＾U/R推導(dǎo)，感應(yīng)電壓與電阻值的平方成反比，即放大器實(shí)現(xiàn)低阻抗化對(duì)降低電磁干擾很有利。 例如一個(gè)放大器輸入阻抗由原20K降低至10K，感應(yīng)噪聲電平將降至1/4的水平。有源音箱音源主要是電腦聲卡、隨身聽(tīng)、MP3，這類音源帶載能力強(qiáng)，適當(dāng)降低有源音箱輸入阻抗對(duì)音質(zhì)造成的影響非常微弱不易覺(jué)察，筆者試驗(yàn)時(shí)曾嘗試將有源音箱輸入阻抗降至2KΩ，未感覺(jué)音質(zhì)變化，長(zhǎng)期工作也未見(jiàn)異常。

　　2.增強(qiáng)高頻抗干擾能力

　　針對(duì)雜散電磁波多數(shù)是中高頻信號(hào)的特點(diǎn)，在放大器輸入端對(duì)地增設(shè)磁片電容，容值可在47——220P之間選取，數(shù)百皮法容值的電容頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)比音頻范圍高兩、三個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)有效聽(tīng)音頻段內(nèi)的聲壓響應(yīng)和聽(tīng)感的影響可忽略不計(jì)。

　　3.注意電源變壓器安裝方式

　　采用質(zhì)量較好的電源變壓器，盡量拉開(kāi)變壓器與PCB之間的距離，調(diào)整變壓器與PCB之間的方位，將變壓器與放大器敏感端遠(yuǎn)離；EI型電源變壓器各方向干擾強(qiáng)度不同，注意盡量避免干擾強(qiáng)度最強(qiáng)的Y軸方向?qū)?zhǔn)PCB。

　　4.金屬外殼須接地

　　對(duì)于HIFI獨(dú)立功放來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)規(guī)范的產(chǎn)品在機(jī)箱上都有一個(gè)獨(dú)立的接地點(diǎn)，該接地點(diǎn)其實(shí)是借助機(jī)箱的電磁屏蔽作用降低外來(lái)干擾；對(duì)于常見(jiàn)有源音箱來(lái)說(shuō)，兼做散熱器的金屬面板也需接地；音量、音調(diào)電位器外殼，條件允許的話盡量接地，實(shí)踐證明，該措施對(duì)工作于電磁環(huán)境惡劣條件下的PCB十分有效。

二、地線干擾

　　電子產(chǎn)品的地線設(shè)計(jì)是極其重要的，無(wú)論低頻電路還是高頻電路都必須要個(gè)遵照設(shè)計(jì)規(guī)則。高頻、低頻電路地線設(shè)計(jì)要求不同，高頻電路地線設(shè)計(jì)主要考慮分布參數(shù)影響，一般為環(huán)地，低頻電路主要考慮大小信號(hào)地電位疊加問(wèn)題，需獨(dú)立走線、集中接地。從提高信噪比、降低噪音角度看，模擬音頻電路應(yīng)劃歸低頻電子電路，嚴(yán)格遵循“獨(dú)立走線、集中一點(diǎn)接地”原則，可顯著提高信噪比。

　　音頻電路地線可簡(jiǎn)單劃分為電源地和信號(hào)地，電源地主要是指濾波、退耦電容地線，小信號(hào)地是指輸入信號(hào)、反饋地線。小信號(hào)地與電源地不能混合，否則必將引發(fā)很強(qiáng)的交流聲：強(qiáng)電地由于濾波和退耦電容充放電電流較大（相對(duì)信號(hào)地電流），在電路板走線上必然存在一定壓降，小信號(hào)地與該強(qiáng)電地重合，勢(shì)必會(huì)受此波動(dòng)電壓影響，也就是說(shuō)，小信號(hào)的參考點(diǎn)電壓不再為零。信號(hào)輸入端與信號(hào)地之間的電壓變化等效于在放大器輸入端注入信號(hào)電壓，地電位變化將被放大器拾取并放大，產(chǎn)生交流聲。增加地線線寬、背錫處理只能在一定程度上減弱地線干擾，但收效并不明顯。有部分未嚴(yán)格將地線分開(kāi)的PCB由于地線寬、走線很短，同時(shí)放大級(jí)數(shù)很少、退耦電容容量很小，因此交流聲尚在勉強(qiáng)可接受范圍內(nèi)，只是特例，沒(méi)有參考意義。

　　需注意的是，變壓器電磁干擾引發(fā)的交流聲頻率一般為50HZ左右，而地線布線不當(dāng)導(dǎo)致的交流聲，由于整流電路的倍頻作用頻率約為100HZ，仔細(xì)區(qū)分還是可以察覺(jué)的。

　　正確的布線方法是，選擇主濾波電容引腳作為集中接地點(diǎn)，強(qiáng)、弱信號(hào)地線嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)，在總接地點(diǎn)匯總。下面以最常見(jiàn)的LM1875（TDA2030A）為例，以生產(chǎn)商推薦線路說(shuō)明一下：

2030A推薦線路

　　圖中R1、R2是輸入落地電阻，C2是直流反饋電容，接地點(diǎn)是小信號(hào)地，標(biāo)記為藍(lán)色，；C3、C4、C6、C7是退耦電容，接地端標(biāo)記為紅色，屬電源地。正確的接地方式為：三個(gè)小信號(hào)接地點(diǎn)可混合在一條地線上，四個(gè)電源地匯集為另一條地線，電源地與小信號(hào)地在總接地點(diǎn)處匯合，除總接地點(diǎn)外，兩種地不得有其他連通點(diǎn)！

　　功放輸出端的茹貝爾（zobel）移相網(wǎng)絡(luò)（R5、C5）接地點(diǎn)處理方法較特殊，該接地點(diǎn)如并入電源地，地線電壓擾動(dòng)將經(jīng)R4反饋至LM1875反相輸入端，引起交流聲；而并入小信號(hào)地的話，由于信號(hào)的相位、強(qiáng)度不一致，將導(dǎo)致音樂(lè)信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降。因此，如印刷電路板空間允許，最好能單獨(dú)走線。

　　下面結(jié)合幾張實(shí)際的PCB板圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明：

　　1.TDA2030 PCB圖：

2030A PCB

　　這張PCB圖中，存在明顯的地線設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，小信號(hào)地與電源地完全重合，因此該板必然存在交流噪聲，且不受音量電位器控制。圖中C2、C3、C4、C5是退耦電容，C7、R2、C6、JP1第一腳、JP2第三腳等五個(gè)接地點(diǎn)則屬小信號(hào)地，大小信號(hào)地重疊后通過(guò)跳線引至C8、C9的總接地點(diǎn)。同時(shí)，zobel移相網(wǎng)絡(luò)接地點(diǎn)（C1第二腳）也混雜在一條地線上，必然使實(shí)際情況更加復(fù)雜。

　　2.LM4766? PCB圖：

LM4776 PCB

　　該圖中，C5、C11、C12為OP退耦電容，接地端屬電源地，圖中用紅色細(xì)線標(biāo)記出電流走向；而R5、R6、R7、R9等HPF電路電阻接地端屬小信號(hào)地，與C5、C11、C12等退耦地共用一條地線走線的話，退耦電容工作電流與地線內(nèi)阻引起的壓降勢(shì)必會(huì)疊加在R5、R6、R7、R9接地端，引發(fā)交流聲甚至自激。

　　3.一張地線布線正確的PCB：

一張地線布線正確的PCB

　　這張PCB中，大小信號(hào)地嚴(yán)格分開(kāi)，同時(shí)采用了一些其他降噪手段，信噪比例很高，輸入端開(kāi)路時(shí)，實(shí)測(cè)輸出端殘留噪音不高于0.3mV，夜深人靜時(shí)耳朵貼在揚(yáng)聲器單元上也沒(méi)有任何噪聲。為看圖方便，僅畫(huà)出一聲道的地線做示范。C9、R1、C10及信號(hào)輸入插座接地端是小信號(hào)地，通過(guò)紅色地線接至總接地點(diǎn)，左側(cè)地線是揚(yáng)聲器及zobel網(wǎng)絡(luò)地，右側(cè)地線是退耦電容的電源地，三條地線在主濾波電容C4的1腳匯合，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“一點(diǎn)接地”。

三、機(jī)械雜音及熱噪聲

　?。ㄒ唬C(jī)械噪聲

　　有源音箱將音箱與放大器集成在一起，因此有部分噪聲是特有的。

　　最常見(jiàn)的機(jī)械噪音來(lái)源是電源變壓器。前面說(shuō)過(guò)，電源變壓器工作過(guò)程是“電—磁—電”轉(zhuǎn)換的過(guò)程，電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程中，除產(chǎn)生磁泄露外，交變磁場(chǎng)會(huì)引起鐵芯震動(dòng)。老式鎮(zhèn)流器日光燈工作時(shí)鎮(zhèn)流器會(huì)發(fā)出嗡嗡聲，使用日久后聲音還會(huì)增大，就是因?yàn)殍F芯受交變磁場(chǎng)吸斥而引發(fā)震動(dòng)。

　　制作精良的變壓器，鐵芯壓的很緊，同時(shí)在下線前要經(jīng)過(guò)真空浸漆工藝處理，交變磁場(chǎng)引起的鐵芯震動(dòng)很??；如變壓器鐵芯松動(dòng)、未壓實(shí)，通電時(shí)引起的振動(dòng)會(huì)比較強(qiáng)（想象一下理發(fā)店的電推子）。許多低價(jià)變壓器為節(jié)約工時(shí)僅做“蘸”漆而未做“真空浸漆”處理，鐵芯振動(dòng)更嚴(yán)重。音箱箱體有一定的助聲腔作用，變壓器振動(dòng)引起的空氣擾動(dòng)傳導(dǎo)到揚(yáng)聲器振膜上，聽(tīng)起來(lái)與電磁干擾引起的噪音非常相似。年前修理一套交流聲嚴(yán)重的有源音箱，遍查電路找不到原因，無(wú)意中將揚(yáng)聲器連線碰斷，噪音幾乎未降低，最終確認(rèn)是變壓器作怪。

　　這種情況在有源音箱上是普遍存在的，變壓器品質(zhì)高低只對(duì)最終引起的振幅大小有影響，即使價(jià)格非常昂貴的電源變壓器也存在振動(dòng)，因此絕大多數(shù)有源音箱主箱噪音水平遜于副箱。

　　電源變壓器導(dǎo)致的機(jī)械雜音防治措施比較簡(jiǎn)單，可根據(jù)實(shí)際情況以下幾點(diǎn)作為參考：

　　1.選擇品質(zhì)較好、工藝嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖儔浩?，降低變壓器自身振?dòng)，這也是最有效的措施

　　2.在變壓器與固定板之間增加減震層，選用彈性的軟性材料如橡膠、泡棉等，切斷變壓器與箱體之間的震動(dòng)耦合通道。

　　3.選擇有一定功率裕量的變壓器，變壓器工作越接近額定上限，震動(dòng)越大。功率裕量大的變壓器不易出現(xiàn)磁飽和，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好，發(fā)熱量相對(duì)較小。

　　還有種常見(jiàn)的機(jī)械噪聲來(lái)源于電位器。市售有源音箱絕大多數(shù)使用旋轉(zhuǎn)式碳膜電位器，隨使用時(shí)間的推移，電位器金屬刷與膜片之間會(huì)因灰塵沉積、膜片磨損產(chǎn)生接觸不良，在轉(zhuǎn)動(dòng)電位器時(shí)會(huì)有很大的噪音產(chǎn)生，磨損嚴(yán)重的電位器甚至在不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也會(huì)有噪聲。

　　還有些較特殊的動(dòng)態(tài)雜音需簡(jiǎn)述一下：部分有源音箱箱板之間接合不牢靠，或是用家自行拆箱后未壓緊安裝螺絲，在播放動(dòng)態(tài)稍大的音樂(lè)時(shí)有雜音產(chǎn)生；或是由于加工手段不完善，箱體存在不同程度的漏氣；倒相管兩端未做雙R或指數(shù)型開(kāi)口，大動(dòng)態(tài)時(shí)氣流在此急劇壓縮、膨脹產(chǎn)生噪聲。

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　　有源音箱電路部分由電阻、電容等無(wú)源器件和IC、晶體管等有源器件組成，電子元件在正常工作狀態(tài)下必然會(huì)產(chǎn)生屬于元件自身特有的“本底噪聲”，也就是常說(shuō)的熱噪聲。熱噪聲屬?gòu)V譜熱噪聲，主要集中在中高頻，反映在聽(tīng)感上一般多是高音單元中發(fā)出的“嘶嘶”聲。

　　無(wú)源器件導(dǎo)電部分存在大量的游離態(tài)電子，游離態(tài)電子數(shù)量與溫度有直接關(guān)系，溫度越高，數(shù)量也越多。游離態(tài)電子運(yùn)動(dòng)可視為無(wú)序運(yùn)動(dòng)，與正常有序的信號(hào)電流相比而言可視為雜波。IC等有源器件游離態(tài)電子數(shù)量遠(yuǎn)大于無(wú)源器件，有源器件具有放大作用，因此有源器件熱噪聲要高于無(wú)源器件。

　　熱噪聲同樣是無(wú)法根治的，防治手段主要是更換元件以及降低元件工作負(fù)荷。更換元件是指采用低噪聲元件，如金屬膜電阻熱噪聲要低于碳膜電阻，碳膜電阻熱噪聲低于碳質(zhì)電阻，低噪聲、低溫漂IC熱噪聲好過(guò)通用IC等。另外，加強(qiáng)散熱措施、降低工作溫度也是降低熱噪聲、增強(qiáng)工作穩(wěn)定性的有效手段，一般甲類功放噪聲及零漂遜于甲乙類功放。工作溫度過(guò)高不僅僅是噪聲增加，對(duì)于有源器件來(lái)說(shuō)，還意味著漏電流、增益的不穩(wěn)定，對(duì)功放的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作不利。