耳机中的基本电路知识 耳机中的基本电路知识 F0403601班 何栋辉 （上海交通大学 电气工程与电子信息学院，上海 200030） 首先来介绍一些常用的描述耳机性质的术语： 1）工作点：如把欲分析的电路划分成两个二端网络A和B，在同一坐标系下分别画出两个网络的伏－安特性曲线，两条曲线的交点称为工作点。工作点对应的电流和电压值，既是A的输出电流和输出电压，也是B的输入电流和输入电压。 2）阻抗匹配：计算实际电源的输出功率可知当i=Io/2时，电源的输出功率最大。此时对应的负载电阻为当负载电阻和电源内阻相等时，电源的输出功率最大，这就是阻抗匹配。在实际电路中，追求阻抗匹配的时候并不多，因为阻抗匹配时虽然输出功率最大，但是有一半的功率都消耗在内阻上了，效率太低。为了提高能量利用效率，也为了避免后端的负载对前端造成比较大的影响，后端的输入阻抗一般要比前端的输出阻抗大若干个量级。 3）音源：从电路的角度来看，音源是一个有源二端网络。如果假设声音信号频率固定，则音源是一个线性有源二端网络，可以用电压源等效模型来描述。为了尽量不让音源的输出信号不受后端负载的影响，音源的输出阻抗相当低，一般都只有几欧姆甚至1欧姆以下，音源的伏－安特性曲线接近理想的电压源。 4）放大器：音源信号频率固定的前提下，可以把放大器看成一个线性有源四端网络。实际的放大器可以看成两个带有内阻、工作范围受限的电源，其中输出端的电压在一定范围内与输入端的电压成正比。需要注意的是对四端网络来说，从输入端看进去的阻抗可以和从输出端看进去的阻抗不一样。为了提高从能量利用效率，同时减少对音源的影响，放大器的输入阻抗相当高，一般都有十几千欧甚至几十千欧。因此，放大器输入端的伏－安特性曲线接近理想的电流源。 放大器的输出阻抗原本也应该尽量小，但是由于需要调节音量，放大器的输出阻抗是可调的。调节输出阻抗的大小，就可以改变耳机音量。设输入端的电压为Uo，放大系数为A，则输出端的最大电压为AUo。放大器输出端的伏－安特性曲线是经过Y轴上一个定点的一系列直线。 5）耳机：在假设音源信号频率固定的前提下，可以把耳机看成一个线性无源二端网络，等效为一个电阻。耳机的伏－安特性曲线和电阻的一样，是一条经过原点的直线。根据发声原理不同，耳机可以分成动圈式、压电式和静电式三种（静电耳机基本没接触过，就不讨论了）。动圈耳机的原理是将带电线圈放在磁场中，线圈在磁场中受力，从而带动振膜发声。带电线圈在磁场中受力的大小与流经线圈的电流成正比，电流越大，受力越大。压电耳机的原理是在压电材料的两面施加电压造成压电材料产生形变，从而带动振膜发声。压电材料的形变程度与两面的电压成正比，电压越大，形变越大。 接下来就可以看看一个完整的耳机系统了。 音源的伏－安特性曲线接近电压源，而放大器输入端的伏－安特性曲线接近电流源。如果该工作点在放大器的线性工作范围内，则放大器输出端的最大电压与音源的输出电压成正比。放大器输出端阻抗固定的话，耳机的工作点如图所示。 从图上可以看到，在音源和耳机不变的情况下，放大器的输出阻抗变小，则工作点的电流和电压变大，耳机的音量也就相应变大。另外在音源和放大器不变的情况下，耳机的阻抗越高，工作点的电流越小，动圈耳机获得的驱动力也就越小。因此，如果灵敏度相等，耳机的阻抗越高越不好推。 下面解释一下为什么即使随身听标明的功率远小于耳机所标明的最大承受功率，音量开大时仍然容易出现破音甚至损坏（尤其是低阻高灵敏度的耳塞）。比较规范的随身听功率表示方法为：**mw+**mw(××欧姆)，表示当耳机阻抗为××欧姆时，随身听的输出功率为每声道**mw。然而，放大器（输出端）的伏－安特性曲线实际上是一个区域，而**mw+**mw(××欧姆)在图上只是一个点而已。知道这个点在放大器（输出端）的伏－安特性曲线覆盖区域内，并没有特别实际的意义。即使这是放大器在负载为16欧时的最大输出功率（即阻抗匹配），放大器的阻抗仍然可以继续调小，工作点还可以继续上移，对应的输出电流、输出电压和输出功率还可以继续增大。因此，即使随身听标的功率很小，音量开到头的话还是有可能把耳机损坏。 另外，“推动不等于推好”这句话也可以有个合理的解释。在放大器输出阻抗固定为Re的前提下，当音源的信号发生变化时，即使工作点的电流值比较大，但是工作点电流变化的幅度仅为电压变化幅度的1/Re。如果耳机的灵敏度不够高，就会出现这样的结果：耳机的音量够大，但是对音源信号的变化不敏感，具体表现在声音上就是细节丢失，缺乏控制力，发得出去收不回来（尤其是低频），声音整体有些模糊，发虚。 比较一下耳机＋lineout与耳放＋耳机的输出。 从图上可以看到，耳机直接插在lineout口上时对应的工作点有可能比接在耳机口时的工作点更高，也有可能更低，这跟放大器的放大倍数、内阻以及耳机的阻抗都有关系。所以，有的耳机接在lineout时的音量比接在耳机口时的最大音量还大，有的就没有这种现象。 另外，从图上可以看到，当耳放接在耳机输出口时，其工作点对应的电压值低于接在lineout口时的电压值（如果耳机口的音量太小，甚至有可能出不了声）。输入电压打了折扣，耳放的输出电压也就打了折扣。即使耳放的放大倍数比较大，也不一定能很好地推动耳机。因此，耳放还是接在lineout口比较合适。 最后介绍一下耳放的作用。耳放的放大倍数一般远高于随身听自带的放大电路，伏－安特性曲线覆盖的区域更广。有些高阻耳机,如果直接插到随身听上，随身听放大电路的伏－安特性曲线覆盖区域内的工作点所对应的电流值可能无法充分驱动耳机，加上耳放后便可以取得更好的工作点，获得满足推力需求的电流，从而改善音质。耳放的作用对于阻抗较高的耳机和低阻低灵敏度的耳机比较显著，而低阻高灵敏度耳机一般可以在随身听放大电路覆盖的区域内取得满足推力需求的工作点，耳放的作用就不太明显。
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