看一款糟糕的 20W 放大器设计如何毁掉整个扬声器系

关键词：音频、放大器、amp、运算放大器、双功放、软限幅、TPA3110D2、TLV320AIC325x、PCM514x、模拟、信号链、半导体、德州仪器、TI

与扬声器和放大器打交道的许多工程师都会告诉您同样一件事情。如果过度操作放大器，便会或多或少地损坏扬声器的驱动器。这一过程通常包括逐渐调高低音旋钮，或者急剧调高音量旋钮。这样做会产生什么样的结果呢？

它可能会损坏扬声器的高音驱动器。但是，为什么会产生这种结果呢？大多数高音驱动器都是针对 10W 到 15W 功率范围设计的。在高频下驱动它们工作仅需非常小的能量。中音和低音扬声器的额定功率一般为整个扬声器的平均功率（50W 和 100W等）。

请思考，在一个限幅系统中给某个正弦波增加增益（使用固定电源轨播放音乐）时会产生什么结果。这时，信号开始限幅。如果您对某个信号的驱动超出限幅，则该波形开始看起来更像是一个方波。以频域的角度来看，我们开始获得输入信号谐波。由于大量限幅的出现，谐波出现更高的振幅。现在，如果您使用无源分频器，则许多高阶谐波均可以轻松地从中低音驱动器分频器到高音。

由于高音频面向的驱动器功率极低，因此其所带来的损坏机率也高得多。在许多系统中，这都是一个现实问题，特别是那些使用简易模拟处理（例如：运算放大器，op amp）或者数控模拟EQ系统的系统。两种较好的解决方案是：

1. 双功放系统

如果在一个封闭式系统中，例如：一个有源扬声器等，请考虑让您的系统使用双功放。双功放让您能够使用一个单独的放大器来驱动高音。在低频增益以前就完成了高音和低音之间的分离，这样便可以防止高音损坏限幅低音通道的高频部分。

双功放系统让您能够使用高度灵活的数字调节功能运行大多数模拟系统。缺点是增加放大器所带来的高成本。但是，我们必须在良好的无源分频器和额外放大器成本之间做出折中的选择。在数模转换器 (DAC) 或者多媒体数字信号编解码器 (Codec) 中使用数字分频器，可以在一定程度上缓解这一问题。

以数字方式对您的分频器进行微调，要比更换各种无源元件简单得多。这样做还可以让同一种 PCB 设计重复用于不同尺寸的音箱和扬声器驱动器。注意，这种系统仅在您能够单独地直接访问两个驱动器时有效。

2、智能后处理限幅低音信号

一些开发人员会使用“软限幅”。这是一种非常简单的方法，但在家用音频系统中很少见。一般而言，我们会将低频低音频率增至最高。一些开发人员会去除 24 dB 的低音增频，目的是对小型 2 英寸驱动器的低频率响应能力进行补偿。

如果增频频率大体上较低，则请尝试在增益级后面增加一个低通滤波器，以降低限幅引起的高频。在模拟系统中，使用足够高的截频速率来构建这种低通滤波器通常要求有一个多阶滤波器，从而让系统变得体积庞大且成本高昂。但是，在数字处理系统中却可以轻松实现，条件是在音频处理器中有足够的有效 MIPS。

图 2 显示了软限幅时一个处理流程的例子。

图 1 高增益 DRC 和低通滤波器的处理流程

从 TLV320AIC325x 系列器件等便携式音频放大器到更新型的 PCM514x 家用音频miniDSP DAC，这些可编程 miniDSP 产品都能够实现软限幅。更加智能的一些实现方法，要靠广大系统开发人员去创新。每一种器件都集成了完全可编程 miniDSP 内核，让开发人员不再被固定的处理流程所束缚，无需再一尘不变地照搬他人的音频系统设计方法。

图 2 利用 PLimit 限制输出并确保无高频谐波

对有些人而言，这些内容可能并不新鲜。但对其他人来说，在阅读本文后可能就会豁然明白“原来这就是我的扬声器之所以损坏的原因！”