Jak ważne jest dopasowanie impedancji w aplikacjach audio?

52

Ile odbijanych sygnałów będzie miało znaczenie w aplikacjach audio (powiedzmy między wzmacniaczem a głośnikiem lub przedwzmacniaczem i wzmacniaczem)? Głównie w odniesieniu do wierności, a nie transferu mocy.

Jakie są różne opcje dopasowania impedancji i ich zalet / wad? Może to być na terminalu wyjściowym, terminalu wejściowym lub modyfikacji kabla?

Eruditass
źródło
15
Odpowiedzi zależą od tego, czy jesteś inżynierem elektrykiem czy audiofonem. Jeśli to drugie, będziemy mogli długo bełkotać o kablach beztlenowych, eksfanckich kondensatorach i wielu innych kosztownych bzdurach, których musisz przestrzegać, machając martwą rybą nad wzmacniaczem podczas pełni księżyca.
Olin Lathrop,

Odpowiedzi:

59

Dopasowywanie impedancji nie jest stosowane w nowoczesnej elektronice audio.

  • Wyjście mikrofonowe może wynosić około 600 Ω, a wejścia przedwzmacniacza mikrofonowego wynoszą 1 kΩ lub więcej.
  • Wyjście liniowe będzie miało wartość około 100 Ω, a wejście liniowe będzie bardziej zbliżone do 10 kΩ.
  • Wzmacniacz głośnikowy będzie miał mniej niż 0,5 Ω, podczas gdy głośniki są bardziej zbliżone do 4 Ω.
  • Wyjście gitarowe może wynosić 100 kΩ, a wejście wzmacniacza gitarowego co najmniej 1 MΩ.

We wszystkich tych przypadkach impedancja obciążenia jest znacznie większa niż źródło; nie są dopasowane. Ta konfiguracja maksymalizuje wierność .

Dopasowywanie impedancji było stosowane w systemach telefonicznych, z których ewoluowały systemy audio i były (czasami?) Stosowane we wzmacniaczach lampowych, ale nawet wtedy jest to kompromis między maksymalną mocą a maksymalną wiernością .

Efekty linii przesyłowej nie mają zastosowania. Wydaje mi się, że przy długości fali co najmniej 10 km (dla 20 kHz) najbardziej efektownym efektem odbicia jest filtrowanie grzebienia (zwijanie HF) z liniami o długości kilku kilometrów? Ale to całkowicie nierealne.

Bill Whitlock :

Kable audio NIE są liniami transmisyjnymi. Marketingowy szum egzotycznych kabli często przywołuje klasyczną teorię linii przesyłowych i implikuje, że reakcja w nanosekundach jest w jakiś sposób ważna. Prawdziwa fizyka przypomina nam, że kable audio nie zaczynają wykazywać efektów linii transmisyjnej w sensie inżynieryjnym, dopóki nie osiągną długości fizycznej około 4000 stóp.

Twierdzenie o maksymalnej mocy nie ma zastosowania, ponieważ:

Rane Corporation :

Dopasowywanie impedancji wychodziło z lampami próżniowymi, Edsels i fryzurami ulowymi. Nowoczesne stopnie tranzystora i wzmacniacza operacyjnego nie wymagają dopasowania impedancji. Jeśli to zrobione, dopasowanie impedancji obniża wydajność audio .


Aby dowiedzieć się, dlaczego dopasowanie impedancji nie jest konieczne (a wręcz szkodliwe) w aplikacjach pro audio, zobacz William B. Snow, „Impedancja - dopasowana lub optymalna” [ napisany w 1957 roku! ], Sound Reinforcement: An Anthology , pod red. Davida L. Kleppera (Audio Engineering Society, NY, 1978, ss. G-9 - G-13), oraz dopasowanie wzmocnienia i impedancji RaneNote Unity: Strange Bedfellows .

Shure Brothers :

Czy w przypadku obwodów audio ważne jest dopasowanie impedancji?

Nigdy więcej. Na początku XX wieku ważne było dopasowanie impedancji. Bell Laboratories stwierdził, że aby osiągnąć maksymalny transfer mocy w obwodach telefonicznych na duże odległości, należy dopasować impedancje różnych urządzeń. Dopasowywanie impedancji zmniejszyło liczbę potrzebnych wzmacniaczy lampowych, które były drogie, nieporęczne i wytwarzały ciepło.

W 1948 r. Bell Laboratories wynalazł tranzystor - tani, mały, wydajny wzmacniacz. Tranzystor wykorzystuje maksymalne przenoszenie napięcia bardziej efektywnie niż maksymalne przenoszenie mocy. W celu maksymalnego przeniesienia napięcia urządzenie docelowe (zwane „obciążeniem”) powinno mieć impedancję co najmniej dziesięciokrotnie większą niż impedancja urządzenia wysyłającego (zwanego „źródłem”). Jest to znane jako MOSTOWANIE. Mostkowanie jest najczęstszą konfiguracją obwodu podczas podłączania urządzeń audio. Dzięki nowoczesnym obwodom audio dopasowanie impedancji może faktycznie obniżyć jakość dźwięku.

To powszechne nieporozumienie. HyperPhysics pokazywał wyjście wzmacniacza 8 omów , ale od tego czasu poprawiły stronę . Firma Electronic Design przez długi czas wykazywała moc wyjściową wzmacniacza 8 omów , ale ostatecznie to naprawiła po wielu skargach w sekcji komentarzy:

Dlatego, chyba że jesteś firmą telefoniczną z długimi na milę kablami, impedancji źródła i obciążenia nie trzeba dopasowywać ... do 600 omów lub innej impedancji. --- Bill Whitlock, prezes i główny inżynier Jensen Transformers, Inc. i AES Life Fellow.

endolit
źródło
13
Brakuje części dużego obrazu. Dopasowywanie impedancji odbywało się w dawnych czasach, ponieważ obciążenia i sterowniki były reaktywne. W przykładzie audio transformatory często znajdowały się na ścieżce sygnału, a jeśli nie dopasujesz impedancji, po prostu nie zadziała. Można dziś uniknąć nieprzystosowanej impedancji, ponieważ większość nowoczesnych urządzeń elektronicznych ma wejścia i wyjścia rezystancyjne, a nie reaktywne. Jednak w przypadku urządzeń, w których elementy reaktywne znajdują się na ścieżce sygnału, dopasowanie impedancji jest nadal ważnym czynnikiem.
Robert Harvey,
1
@endolith: Wszystko z transformatorem po obu stronach wymaga dopasowania impedancji. To prawda, że ​​najnowocześniejszy sprzęt elektroniczny ma rezystancyjne wejścia i wyjścia, więc celem stają się wysokie impedancje na wejściach i niskie impedancje na wyjściach. Nie zawsze jednak zapewnia to idealne warunki; jeśli budujesz wejście mikrofonowe dla miksera, nie potrzebujesz impedancji wejściowej 10 megaomów, ponieważ wrażliwe wejście odbiera wszelkiego rodzaju szumy. Zamiast tego chcesz czegoś więcej w granicach 10 kiloomów.
Robert Harvey
1
@endolith: Dziwię się, że nie widziałem impedancji wyjściowej wzmacniaczy lampowych wspomnianych jako czynnik w „dźwięku lampowym”, ani nie spotkałem się z dyskusją na temat projektowania wzmacniaczy o wyższej „skutecznej” impedancji wyjściowej naśladującej dźwięk lampowy ampery. Nie trzeba używać rezystorów marnujących energię do regulacji impedancji wyjściowej; Sądzę, że sprzężenie zwrotne wyczuwające prąd może przynieść całkiem niezłą robotę.
supercat
2
Czy cokolwiek z tego dotyczy wzmacniaczy klasy D (mają reaktywne wyjścia?)
finnw
1
@Kaz: Tak, ale skrzypce to instrument, a nie obudowa głośników. Celem projektowania instrumentów jest uzyskanie ładnego dźwięku z niczego. Projekt obudowy głośników ma na celu odtworzenie ładnego dźwięku, który został pierwotnie nagrany, bez żadnych zmian. (Chyba że projektujesz wzmacniacze gitarowe. Są one bardziej jak instrumenty.)
endolith
12

Dopasowywanie impedancji nie jest tak naprawdę problemem dla częstotliwości audio, aw twoich przykładach nie jest tak naprawdę preferowane. Musisz jednak zwrócić uwagę na impedancję wejściową i wyjściową.

Zazwyczaj dopasowuje się impedancję z dwóch powodów:

  1. Minimalizuj odbicia - odbicia stają się problemem, gdy długość linii transmisyjnej osiąga ten sam porządek, co długość fali sygnału. Istnieją różne praktyczne zasady. Niektórzy mówią, że martwią się, gdy długość drutu wynosi 1/4 długości fali, inni mówią 1/6, 1/10 itd. Zależy to od sygnału i reaktancji linii przesyłowej. W tym przypadku tak naprawdę nie ma znaczenia, ponieważ długość fali elektrycznej sygnału 20 kHz wynosi ~ 49 000 stóp. Innymi słowy, refleksje nie stanowią problemu dla aplikacji, o którą pytasz.

  2. Maksymalne przenoszenie mocy - dopasowanie impedancji wyjściowej sterownika do impedancji wejściowej obciążenia umożliwia maksymalne przeniesienie mocy. Na początku wydaje się to ważne przy prowadzeniu głośnika, ale są ważniejsze uwagi (patrz poniżej).

Przykład wzmacniacza:

Dzięki nowoczesnej konstrukcji wzmacniacza (stopień mocy czynnej, brak transformatora wyjściowego) Twoim rzeczywistym celem jest, między innymi, najwyższy możliwy współczynnik tłumienia. Kiedy prowadzisz głośnik, sam głośnik faktycznie generuje prąd podczas napędzania, powinno to mieć sens, biorąc pod uwagę, że napędzasz urządzenia do przemieszczania cewki w polu magnetycznym. W idealnym przypadku nie miałoby to znaczenia, ponieważ stożek / cewka zareagowałaby natychmiast na nadchodzący sygnał. W rzeczywistości występuje opóźnienie i przekroczenie stożka ze względu na mechaniczny charakter głośnika. W rezultacie głośnik wytwarza prądy przesyłane z powrotem do wzmacniacza.

Mówiąc prościej, bardziej odpowiednie warunki. Wysoki współczynnik tłumienia pozwala wzmacniaczowi lepiej kontrolować stożek głośnika. Jest to szczególnie ważne w pobliżu punktu rezonansowego głośnika. Współczynnik tłumienia to (rezystancja głośników) / (rezystancja wyjściowa wzmacniacza) i pewna korekta rezystancji drutu. Tak więc w tym przypadku Twoim celem jest jak najmniejsza rezystancja wyjściowa we wzmacniaczu.

poziom linii między urządzeniami (przedwzmacniacz):

Ponownie dopasowanie impedancji nie jest celem. Na ogół chcesz najniższej impedancji wyjściowej i najwyższej możliwej impedancji wejściowej. Minimalizuje to pobór prądu, aw rezultacie spadek napięcia. Jest to najniższa konfiguracja zniekształceń i umożliwia maksymalne przeniesienie napięcia.

znak
źródło
3
„Dopasowanie impedancji wyjściowej sterownika do impedancji wejściowej obciążenia pozwala na maksymalne przeniesienie mocy”. Nie do końca. Dopasowywanie obciążenia do stałej impedancji źródła maksymalizuje przenoszenie mocy, ale jeśli masz kontrolę nad impedancją wyjściową, chcesz, aby była jak najmniejsza, aby zwiększyć moc w obciążeniu.
endolith
2
Nie zgadzam się, że niższa wartość impedancji wyjściowej nie zwiększa transferu mocy, chyba że można obniżyć rezystancję obciążenia, aby dopasować, oznaczałoby to po prostu, że do mieszanki należy dodać rezystor źródłowy, aby dopasować rezystancję obciążenia. Zakładając, że obciążenie jest głównie rezystancyjne. Maksymalizacja napięcia na obciążeniu i maksymalizacja mocy to dwie różne rzeczy.
Mark
7
Zgodnie z tą logiką po prostu wytworzysz wszystko 0 omów i uzyskasz nieskończoną moc. :) Twierdzenie o maksymalnej mocy obowiązuje tylko wtedy, gdy impedancja źródła jest ustalona. W takich warunkach należy zrównoważyć obciążenie ze źródłem, aby uzyskać z niego jak największą moc. en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_theorem Ale jeśli masz stałe obciążenie (głośnik) i możesz zmienić impedancję wyjściową źródła, chcesz zmniejszyć go do minimum. Źródło 0 omów napędza cały zasilacz do obciążenia 4 omów, podczas gdy źródło 4 omów do obciążenia 4 omy po prostu marnuje połowę dostępnej mocy.
endolith
2
Zastanawiałem się nad tym, w jaki sposób impedancja wyjściowa głośników zmienia się w zależności od częstotliwości i jak ścieżki impedancji w funkcji częstotliwości z odpowiedzią w zależności od częstotliwości dźwięku w stosunku do częstotliwości (przy jednolitym napięciu) oraz czy wzmacniacz może wykorzystać takich zmian w próbie uzyskania płaskiej odpowiedzi częstotliwościowej dla głośnika w pokoju. Masz jakiś pomysł, jeśli to zbadano?
supercat
3
@ supercat Cóż, impedancja na poziom SPL jest skomplikowaną funkcją i na pewno ma na nią wpływ między innymi obudowa głośnika, cechy mechaniczne sterownika i parametry ts. Przeciętny głośnik „8 Ω” będzie miał wahania impedancji od ~ 3 Ω do 50 + omów, ale może osiągnąć bardzo bliskie płaskie pasmo przenoszenia. Zasadniczo nie dostosowałbyś głośnika do środowiska akustycznego, ponieważ wszystkie pokoje są różne (szczególnie przy niskich częstotliwościach). Korekta pokoju odbywa się za pomocą EQ. Google Audyssey dla najpopularniejszego systemu automatycznej korekty pomieszczeń.
Mark
3

Przełomowy artykuł na temat kabli głośnikowych został napisany przez Boba Pease'a z National Semiconductors w 1990 r., Zatytułowany „Co to za splot?”. . Czytaj i ciesz się - a następnie kontynuuj swoje życie, bezpiecznie ignorując sprzedawców oleju z węża!

uɐɪ
źródło
Nie widzę nic w tym artykule na temat dopasowywania impedancji
endolith
Artykuł dotyczy ostatniej części pytania „... lub modyfikacja kabla”. Zajmuje się także skutkami połączeń, odbić od punktów niedopasowania impedancji itp.
u