Att hantera ett av de mest förvirrande ämnena i ljudelektronik
När jag lärde mig grunderna i ljudet var ett av de begrepp som var svårast för mig att förstå outputimpedans. Inputimpedans förstod jag instinktivt, från en högtalares exempel. En högtalarförare innehåller trots allt en trådspole, och jag visste att en trådspole motstår elflödet. Men produktion impedans? Varför skulle en förstärkare eller preamp ha impedans vid utgången, undrade jag? Skulle det inte vilja leverera alla möjliga volt och amp till vad det än driver?
I mina chattar med läsare och entusiaster genom åren har jag kommit inse att jag inte var den enda som inte fick hela idén om utgångsimpedans. Så jag tyckte det var trevligt att göra en primer om ämnet. I den här artikeln behandlar jag tre vanliga och mycket olika situationer: preamps, ampere och headphone ampere.
Låt oss först korta upp begreppet impedans. Motstånd är den grad som något begränsar strömmen av likström. Impedans är i princip samma sak, men med AC istället för DC. Vanligtvis förändras impedansen hos en komponent när frekvensen hos den elektriska signalen ändras. Till exempel kommer en liten trådspole att ha nästan nollimpedans vid 1 Hz men högimpedans vid 100 kHz. En kondensator kan ha nästan oändlig impedans vid 1 Hz men nästan ingen impedans vid 100 kHz.
Utgångsimpedans är mängden impedans mellan en förstärkare eller förstärkarens utgångsenheter (vanligtvis transistorer, men möjligen en transformator eller ett rör) och de faktiska utgångsterminalerna hos komponenten. Detta inkluderar den inre impedansen hos själva enheten.
Varför behöver du Output Impedance?
Så varför skulle en komponent ha en utgångsimpedans? För det mesta skyddar den mot skador från kortslutning.
Varje utmatningsenhet är begränsad i den mängd elektrisk ström som den kan hantera. Om utmatningen från enheten är kortsluten blir den ombedd att leverera en stor mängd ström. Till exempel kommer en 2,83 volts utsignal att producera en ström av 0,35 ampere och 1 watt ström till en typisk 8 ohm högtalare. Inget problem där. Men om en ledning med 0,01 ohm impedans var ansluten över en förstärkarens utgångsterminaler, kommer samma utmatningssignal på 2,83 volt att producera en ström på 282,7 ampere och 800 watt ström. Det är långt, mycket mer än de flesta utmatningsenheter kan leverera. Om inte förstärkaren har någon form av skyddskrets eller enhet, kommer utmatningsenheten att överhettas och kommer troligen att leda till permanent skada. Och ja, det kan till och med fånga eld.
Med viss grad av impedans inbyggd i utgången har komponenten uppenbarligen ett större skydd mot kortslutning, eftersom utgångsimpedansen alltid finns i kretsen. Säga att du har en hörlursförstärkare med en utgångsimpedans på 30 ohm, kör ett par 32 ohm hörlurar, och du kortsluter hörlursnätet av misstag genom att klippa det med ett sax. Du går från en total systemimpedans på 62 ohm till en total impedans på kanske 30,01 ohm, vilket inte är så stor sak. Visst mycket mindre extrem än att gå från 8 ohm ner till 0,01 ohm.
Hur låg ska Output Impedance vara?
En mycket allmän tumregel i ljud är att du vill att utgångsimpedansen ska vara minst 10 gånger lägre än den förväntade ingångsimpedansen som den kommer att mata. På så sätt har utgångsimpedansen ingen signifikant effekt på systemets prestanda. Om utgångsimpedansen är mycket mer än 10 gånger den ingående impedansen som den kommer att mata kan du få några olika problem.
Med all ljudelektronik kan en alltför hög utgångsimpedans skapa filtreringseffekter som orsakar raka frekvensresponsavvikelser och resulterar också i minskad effekt. För mer om dessa fenomen, kolla in mina första och andra artiklar om hur högtalarkablar kan påverka ljudkvaliteten.
Med förstärkare finns det ett ytterligare problem. När förstärkaren flyttar högtalarkonan framåt eller bakåt, spänner högtalarens upphängning konen tillbaka till dess mittläge. Denna åtgärd alstrar spänning som sedan kastas tillbaka vid förstärkaren. (Detta fenomen är känt som "back EMF" eller omvänd elektromotorisk kraft.) Om förstärkarens utgångsimpedans är tillräckligt låg, kommer den effektivt att korta ut den bakre EMF och fungera som en broms på konen när den springer tillbaka. Om förstärkarens utgångsimpedans är för hög, kommer den inte att kunna stoppa konen, och konen fortsätter att springa fram och tillbaka tills friktionsstoppet är. Detta skapar en ringsignal och gör anteckningar kvar efter att de skulle sluta.
Du kan se detta i dämpningsfaktorns betyg för förstärkare. Dämpningsfaktorn är den förväntade genomsnittliga ingångsimpedansen (8 ohm) dividerad med amplitudens utgångsimpedans. Ju högre antal, ju bättre dämpningsfaktorn.
Förstärkareutgångsimpedans
Eftersom vi pratar om förstärkare, låt oss börja med det exemplet som visas på ritningen ovan. Högtalarimpedanser klassificeras typiskt 6 till 10 ohm, men det är vanligt att högtalarna faller till 3 ohm impedans vid vissa frekvenser, och till och med 2 ohm i vissa extrema fall. Om du kör två högtalare parallellt, som anpassade installatörer ofta gör när du skapar multiroom-ljudsystem, sänker impedansen i hälften, vilket betyder en högtalare som dunker till 2 ohm, till exempel 100 Hz, faller nu till 1 ohm vid den frekvensen när den är parat med en annan högtalare av samma typ.Det är naturligtvis ett extremt fall, men förstärkare designers måste ta hänsyn till sådana extrema fall eller de kan möta en stor hög med ampere som kommer in för reparation.
Om vi uppfattar en högtalarimpedans på 1 ohm betyder det att ampullen ska ha en utgångsimpedans på högst 0,1 ohm. Det är uppenbart att det inte finns något utrymme att lägga till tillräckligt motstånd mot denna amps utgång för att ge utmatningsenheterna något verkligt skydd.
Således måste förstärkaren använda någon form av skyddskrets. Det kan vara något som spårar förstärkarens aktuella utgång och kopplar ur utgången om strömdragen är för hög. Eller det kan vara så enkelt som en säkring eller strömbrytare på inkommande nätledning eller spänningen på strömförsörjningen. Dessa kopplar bort strömförsörjningen när strömdragningen är mer än förstärkaren kan hantera.
För övrigt använder nästan alla rörförstärkare utmatningstransformatorer, och eftersom utgångstransformatorer bara är spolar av tråd inlindad runt en metallram, har de stor impedans, ibland så mycket som 0,5 ohm eller mer. För att simulera ljudet av en rörförstärkare i sin Sunfire solid state-transistorförstärkare, tillagde den berömda designern Bob Carver en strömströmbrytare som satte ett 1 ohm motstånd i serie med utgångsenheterna. Det här förstod naturligtvis det minsta förhållandet 1 till 10 med utgångsimpedans till förväntad ingångsimpedans som vi diskuterade ovan och hade sålunda en betydande inverkan på frekvensansvaret för den anslutna högtalaren, men det är vad du får med många rörförstärkare och Det är precis vad Carver ville simulera.
02 av 03Preamp / Source Device Output Impedance
Med en preamp eller en källanordning (CD-spelare, kabelbox, etc.), som visas på ritningen ovan, är det en annan situation. I det här fallet bryr du dig inte om ström eller ström. Allt du behöver för att överföra ljudsignalen är spänningen. Sålunda kan nedströmsanordningen - en effektförstärkare, i fallet med en förstärkare, eller en fördämning, i fallet med en källanordning - ha en hög ingångsimpedans. Någon ström som kommer genom linjen är nästan helt blockerad av den höga ingångsimpedansen, men spänningen går igenom helt bra.
För de flesta effektförstärkare och förförstärkare är en ingångsimpedans på 10 till 100 kilohms vanligt. Ingenjörer kan gå högre, men de kan få mer ljud på så sätt. För övrigt har gitarrförstärkare vanligtvis ingångsimpedanser på 250 kilohms till 1 megohm, eftersom elektriska gitarrupphängningar vanligtvis har utgångsimpedanser som sträcker sig från 3 till 10 kilohms.
Kortslutning kan vara vanligt med ledningskretsar, eftersom det är så lätt att oavsiktligt gnugga de två nakna ledarna av en RCA-kontakt mot en metall som kortar dem ut. Således är utgångsimpedanser på 100 ohm eller mer vanliga i förförstärkare och källanordningar. Jag har sett några exotiska, avancerade komponenter med utgångsimpedanser på linjenivå så låg som 2 ohm, men de kommer att ha antingen mycket kraftiga utgångstransistorer eller en skyddskrets för att förhindra skador från shorts. I vissa fall kan de ha en kopplingskondensator vid utgången för att blockera likspänning och förhindra utmatning av utmatningsenheten.
Phono preamps är ett annat ämne helt. Medan de vanligen har utgångsimpedanser som liknar en cd-spelare, är deras ingångsimpedanser väldigt olika än de i en preamp för linjesteg. Det är för mycket att gå in här. Kanske kommer jag att gräva in det ämnet i en annan artikel.
03 av 03Hörlursanslutningens utgångsimpedans
Ökningen i hörlurarnas popularitet har medfört det ganska konstiga, icke-standardiserade systemimpedansarrangemanget av typiska hörlursförstärkare till rampljuset. Till skillnad från konventionella förstärkare kommer hörlurar förstärkare i en mängd olika utgångsimpedanser. Riktigt billiga hörlursförstärkare, som de som är inbyggda i de flesta bärbara datorer, kan ha en utgångsimpedans så hög som 75 eller till och med 100 ohm, även om hörlursimpedansen vanligtvis sträcker sig från 16 till 70 ohm.
Det är sällsynt att en konsument kopplar bort och återansluter högtalarna när en förstärkare körs, och också sällsynt att högtalarkablarna skadas när en förstärkare körs. Men med hörlurar händer dessa saker hela tiden. Människor kopplar rutinmässigt till eller frånkopplar hörlurar när en hörlursförstärkare körs. Hörlurskablar är ofta skadade - ibland skapar en kortslutning - medan de används. Naturligtvis är de flesta hörlursförstärkare billiga anordningar, vilket kan göra att en anständig skyddskrets kostar oöverkomlig. Så de flesta tillverkare tar det enklare sättet ut: De höjer förstärkarens utgångsimpedans genom att lägga till ett motstånd (eller ibland en kondensator).
Som du kan se i mina hörlursmätningar (gå ner till andra grafen) kan hög utgångsimpedans ha stor effekt på en hörlurs frekvensrespons. Jag mäter en hörlurs frekvensrespons först med en musikalisk Fidelity-hörlursförstärkare som har en 5 ohm utgångsimpedans, sedan igen med en extra 70 ohm resistans som läggs till för att skapa en total utgångsimpedans på 75 ohm.
Effekten som en hög utgångsimpedans kommer att ha varierar med den anslutna hörlurs impedans, och särskilt med förändringen i hörlurs impedans vid olika frekvenser. Hörlurar som har stora impedanssvängningar - som de flesta in-ear-modeller med balanserade armaturförare gör - brukar uppvisa betydande förändringar i frekvensresponsen när du växlar från en förstärkare med låg utgångsimpedans till en med hög utgångsimpedans. Ofta har en hörlurar som har en naturligt ljudande tonbalans när de används med en lågimpedanskälla, en bassig, tråkig balans när de används med en högimpedanskälla.
Lyckligtvis är låg effektimpedans tillgänglig i många avancerade hörlursförstärkare (speciellt solid state-modeller), och till och med några av de lilla hörlurarförstärkare som är inbyggda i enheter som iPhones. Det finns vanligtvis inget sätt att säkert veta om en hörlurar är röstad för användning med höga eller låga utgångsimpedanser, men jag föredrar att hålla fast vid låg effektimpedans av de skäl som nämns tidigare i den här artikeln.
jag skulle föredrar att inte använda hörlurar med stora impedanssvängningar som skulle orsaka frekvensresponsändringar när de används med hörlursförstärkare som har hög utgångsimpedans (som den i den bärbara datorn jag skriver detta på). Tyvärr föredrar jag i allmänhet ljudet av en bra balanserad armatur i örat hörlurar till en som använder dynamiska drivrutiner, så när jag använder dessa hörlurar med min bärbara dator, brukar jag ansluta en extern förstärkare eller USB-hörlurar förstärkare / DAC.
Jag vet att det här har varit en långvarig förklaring, men utgångsimpedansen är ett komplicerat ämne. Tack för att du bär med mig, och om du har några frågor eller om jag har lämnat något, skicka mig ett mail och meddela mig det.
