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，常見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、處理時可借鑒HIFI放大器。

　　噪音與放大器相生相伴，是無可避免的，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、也無法將其徹底根除，換句話說，信噪比只能盡量提高，但不能無限大。有源音箱的噪音按來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，下面來從噪音產(chǎn)生根源與機(jī)理方面簡要分析一下，并提出一些經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)行之有效的解決方案，以期能對初學(xué)者能所幫助。

一、電磁干擾

　　電磁干擾主要來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。電源變壓器工作過程是一個“電—磁—電”的轉(zhuǎn)換過程，在電磁轉(zhuǎn)換過程中必然會產(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。

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

　　EI型變壓器是最常見、應(yīng)用最廣的變壓器，磁泄露主要來源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)型變壓器由于無氣隙存在，抗飽和能力差，在市電存在直流成分時容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生很強(qiáng)的磁泄露。國內(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)型變壓器感覺并不比EI型變壓器好，甚至更差。所謂環(huán)型變壓器絕無泄露，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法只是在市電波型為嚴(yán)格的正弦波時才成立。另外，環(huán)型變壓器還會在引線處出現(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)時旋轉(zhuǎn)環(huán)型變壓器，在某個角度上獲得最高信噪比。

　　R型變壓器可簡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，鐵芯展開為漸開漸合型，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爭需要，未嚴(yán)格按行業(yè)規(guī)范設(shè)計(jì)，甚至偷工減料，分析起來不可預(yù)測因素較多。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，鐵損過大，空載發(fā)熱嚴(yán)重；這類變壓器為降低成本、同時為掩蓋鐵損偏高帶來的電壓調(diào)整率過大問題，大幅度減少初次級線圈匝數(shù)，以降低銅損的方式來降低電壓調(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)型變壓器無論性能或漏磁特性均會大幅度降低，即使經(jīng)過退火處理也無法彌補(bǔ)質(zhì)量上的嚴(yán)重缺陷。

　　雜散電磁波主要來自有源音箱的功率輸出導(dǎo)線、揚(yáng)聲器及功率分頻器、無線發(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_廣播就是典型的雜散電磁波干擾。

　　另外一個需引起重視的干擾源為整流電路。濾波電容在開機(jī)進(jìn)入正常狀態(tài)后，充電僅集中在交流電峰值時，充電波形是一個寬度較窄的強(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)低阻抗化對降低電磁干擾很有利。 例如一個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、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音質(zhì)造成的影響非常微弱不易覺察，筆者試驗(yàn)時曾嘗試將有源音箱輸入阻抗降至2KΩ，未感覺音質(zhì)變化，長期工作也未見異常。

　　2.增強(qiáng)高頻抗干擾能力

　　針對雜散電磁波多數(shù)是中高頻信號的特點(diǎn)，在放大器輸入端對地增設(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、三個數(shù)量級，對有效聽音頻段內(nèi)的聲壓響應(yīng)和聽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

　　對于HIFI獨(dú)立功放來說，設(shè)計(jì)規(guī)范的產(chǎn)品在機(jī)箱上都有一個獨(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干擾；對于常見有源音箱來說，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，無論低頻電路還是高頻電路都必須要個遵照設(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地電位疊加問題，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。

　　音頻電路地線可簡單劃分為電源地和信號地，電源地主要是指濾波、退耦電容地線，小信號地是指輸入信號、反饋地線。小信號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（相對信號地電流），在電路板走線上必然存在一定壓降，小信號地與該強(qiáng)電地重合，勢必會受此波動電壓影響，也就是說，小信號的參考點(diǎn)電壓不再為零。信號輸入端與信號地之間的電壓變化等效于在放大器輸入端注入信號電壓，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)格將地線分開的PCB由于地線寬、走線很短，同時放大級數(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)、弱信號地線嚴(yán)格區(qū)分開，在總接地點(diǎn)匯總。下面以最常見的LM1875（TDA2030A）為例，以生產(chǎn)商推薦線路說明一下：

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：三個小信號接地點(diǎn)可混合在一條地線上，四個電源地匯集為另一條地線，電源地與小信號地在總接地點(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，地線電壓擾動將經(jīng)R4反饋至LM1875反相輸入端，引起交流聲；而并入小信號地的話，由于信號的相位、強(qiáng)度不一致，將導(dǎo)致音樂信號質(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板圖來詳細(xì)說明：

　　1.TDA2030 PCB圖：

2030A PCB

　　這張PCB圖中，存在明顯的地線設(shè)計(jì)錯誤，小信號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第三腳等五個接地點(diǎn)則屬小信號地，大小信號地重疊后通過跳線引至C8、C9的總接地點(diǎn)。同時，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)阻引起的壓降勢必會疊加在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，大小信號地嚴(yán)格分開，同時采用了一些其他降噪手段，信噪比例很高，輸入端開路時，實(shí)測輸出端殘留噪音不高于0.3mV，夜深人靜時耳朵貼在揚(yáng)聲器單元上也沒有任何噪聲。為看圖方便，僅畫出一聲道的地線做示范。C9、R1、C10及信號輸入插座接地端是小信號地，通過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

　　（一）機(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。

　　最常見的機(jī)械噪音來源是電源變壓器。前面說過，電源變壓器工作過程是“電—磁—電”轉(zhuǎn)換的過程，電磁轉(zhuǎn)換過程中，除產(chǎn)生磁泄露外，交變磁場會引起鐵芯震動。老式鎮(zhèn)流器日光燈工作時鎮(zhèn)流器會發(fā)出嗡嗡聲，使用日久后聲音還會增大，就是因?yàn)殍F芯受交變磁場吸斥而引發(fā)震動。

　　制作精良的變壓器，鐵芯壓的很緊，同時在下線前要經(jīng)過真空浸漆工藝處理，交變磁場引起的鐵芯震動很??；如變壓器鐵芯松動、未壓實(shí)，通電時引起的振動會比較強(qiáng)（想象一下理發(fā)店的電推子）。許多低價(jià)變壓器為節(jié)約工時僅做“蘸”漆而未做“真空浸漆”處理，鐵芯振動更嚴(yán)重。音箱箱體有一定的助聲腔作用，變壓器振動引起的空氣擾動傳導(dǎo)到揚(yáng)聲器振膜上，聽起來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，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?，降低變壓器自身振動，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，震動越大。功率裕量大的變壓器不易出現(xiàn)磁飽和，長期工作穩(wěn)定性好，發(fā)熱量相對較小。

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

　　還有些較特殊的動態(tài)雜音需簡述一下：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，在播放動態(tài)稍大的音樂時有雜音產(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)型開口，大動態(tài)時氣流在此急劇壓縮、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)下必然會產(chǎn)生屬于元件自身特有的“本底噪聲”，也就是常說的熱噪聲。熱噪聲屬廣譜熱噪聲，主要集中在中高頻，反映在聽感上一般多是高音單元中發(fā)出的“嘶嘶”聲。

　　無源器件導(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)動可視為無序運(yùn)動，與正常有序的信號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源器件。

　　熱噪聲同樣是無法根治的，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。工作溫度過高不僅僅是噪聲增加，對于有源器件來說，還意味著漏電流、增益的不穩(wěn)定，對功放的長期穩(wěn)定工作不利。