电流功率放大器-负阻放大器

负阻放大器，除了在一些特别的场合，第一个用于音响上并取得成功的是YAMAHA，其主要的作用是对低频的延伸有很好的改善作用，但是对200Hz以上的频率却会起到劣化音质的效果，所以一般是用在超低频有源音箱上。

实际上，这种电路是和音箱搭配使用的，单独没有什么实际使用的意义。其工作原理是：如果音箱是一个刚体，那么加上一个管子，就可以变成一个理想的霍尔莫滋共鸣箱，那么不管这箱子大小如何，管子的粗细怎样，只要符合霍尔莫滋共振计算公式。哪怕20Hz的谐振点也可以做的到，箱子的大小，只是效率高低而已，由于音箱上有喇叭的存在，喇叭在发声的时候是在运动的，音箱就不是一个刚体，那么箱子就不会产生霍尔莫滋共鸣。因此，如果在发声的时候喇叭的振膜是静止不动的。那么，箱子就接近刚体，就可以满足霍尔莫滋共振的条件，可以任意的设计这个箱子的谐振点。发声的时候让喇叭不动的工作就是负阻功放的任务了。

负阻功放的工作原理是当喇叭在低频段工作的时候，其阻抗特性急剧变化，放大电路通过电流取样将这种变化取出来反馈给功放，，使得功放以电流的形式进行控制喇叭，如果对放大电路进行等效分析，可以发现功放的内阻在计算上成负阻特性。在动态放大的时候使得喇叭加放大器的内阻接近于0。结果这种电路使得在喇叭不管朝哪个方向都受到很强的阻尼。只要发声以结束，喇叭就不动了，箱子也就变刚体了。所谓负阻，说白了就是正反馈。


下面所论的扬声器，是直接辐射式电动扬声器，简称直射扬声器。

直射扬声器问世于1924年，被誉为20世纪最动听的发明。虽然它已有80多年的历史，但是目前仍在扬声器中占主流地位，被称为万寿无疆的扬声器。直射扬声器只所以长盛不衰，是因为它有许多优点。但是，它也存在不少缺陷。人们对它的改良，一直没有取得突破性进展。所以，它又公认是电声系统全链条中最薄弱和最难提高的环节。

现有电声系统，均是对直射扬声器进行恒压驱动，即驱动它的是恒压功率放大器（简称功放）。虽然现在的恒压功放，保真度已达到接近理想的水平，但是因被其驱动的直射扬声器还很不理想，致使整个电声系统的重放质量也很不理想。

能否通过改变直射扬声器的驱动方式，找到提高电声系统重放质量的办法呢？答案是肯定的。


1.1基本理论

直射扬声器是涉及电学、力学和声学的复杂电声器件，现以装于无限大障板上的直射扬声器为例，了解一下它的输入电阻抗ZY。ZY＝R＋jωL＋（Bl）2YM，R是直射扬声器音圈的等效电阻；j是虚数单位，ω＝2πf是声信号的角频率，π是圆周率，f是声信号频率，L是直射扬声器音圈的等效电感；B是直射扬声器磁隙中的等效磁通密度，l是直射扬声器音圈导线在磁场中的等效总长度，YM＝1/（RM＋jωMM＋1/jωCM）是直射扬声器振动系统和辐射负载的等效输入力导纳，RM＝RM1＋RMR1＋RMR2是直射扬声器力学系统的总等效力阻，RM1是直射扬声器振动体的等效力阻，RMR1、RMR2分别是直射扬声器正面和背面的辐射力阻，MM＝MM1＋MM2＋MMR1＋MMR2是直射扬声器的总等效质量，MM1是直射扬声器锥盆的等效质量，MM2是直射扬声器音圈的等效质量，MMR1、MMR2分别是直射扬声器正面和背面的同振质量，CM＝CM1CM2/（CM1＋CM2）是直射扬声器的总等效力顺，CM1是直射扬声器轭环的等效力顺，CM2是直射扬声器中心垫圈的等效力顺，（Bl）2YM是直射扬声器力学系统的动生电阻抗。

因直射扬声器的力学系统折合成电路参数之后，仍为一个并联谐振回路即电流谐振回路，故在其并联谐振频率即力谐振频率fO呈现高阻，致使ZY在fO出现最大模值│ZY│MAX；在低于fO的频段，因并联谐振回路呈感性，故ZY也呈感性，即ZY的模值│ZY│随f降低而减小；当f高于fO时，并联谐振回路呈容性，这个电容又与音圈电感L发生串联谐振即电压谐振，故在其串联谐振频率即电谐振频率fZ呈现低阻，致使ZY在fZ出现最小模值│ZY│MIN；当f高于fZ时，串联谐振回路呈感性，故ZY也呈感性，即ZY的模值│ZY│随f升高而增大。

对于闭箱和开箱即有限大障板上的直射扬声器，其│ZY│的频率特性与装于无限大障板上的直射扬声器具有相同的规律，仅在某些具体细节有区别；对装于反相箱和其它特殊音箱上的直射扬声器，其│ZY│的低频特性与装于无限大障板上的直射扬声器会有较大不同。限于篇幅，本文不予详述。

从YM＝1/（RM＋jωMM＋1/jωCM）可以看出，在fO时，YM＝1/RM，故直射扬声器力学系统的品质因数QM2＝MM/RM2CM＝MMYM2/CM，电声系统的总品质因数QO2＝（RO＋R）2QM2/（RO＋│ZY│MAX）2＝（RO＋R）2MMYM2/（RO＋│ZY│MAX）2CM，由此可得YM2＝QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM，RO是声功放及其馈线的等效内阻。由于直射扬声器fO时的R、│ZY│MAX、MM、CM是一定的，故其YM只受QO和RO的影响。不难看出，QO大，YM也大；QO小，YM也小。

QO＞0.5时，直射扬声器将发生振荡，会使重放声音的瞬态特性变坏，失真加大，只有QO≤0.5，直射扬声器才不振荡，故在要求重放声音有好的瞬态特性和小的失真时，QO必须≤0.5。

在QO＝0.5时，YM的频率特性大致有如下特点：当f＜fO时，YM∝f；当f＞fO时，YM∝f－1。

从ZY＝R＋jωL＋（Bl）2YM可以看出，在fO时，因L可以忽略，故ZY＝R＋（Bl）2YM。又因fO时的YM2＝QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM，故得fO时的ZY2＝R2＋（Bl）4QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM。显然，fO时的│ZY│也受QO和RO的影响。不难看出，QO大，│ZY│也大；QO小，│ZY│也小。

在QO＝0.5时，│ZY│的频率特性大致有如下特点：当f＜fO时，│ZY│∝f；当fO＜f＜fZ时，│ZY│∝f－1；当f＞fZ时，│ZY│∝f，对于音圈电感量L为0的无感直射扬声器，│ZY│∝f0，即│ZY│基本恒定。

对于波阵面为平面的声波，波阵面面积S不随传播距离r而变化，若忽略媒质对声波能量的损耗，则声压瞬时值p和质点振速瞬时值v也不随传播距离r而变化，声波方程和波动方程中的波阵面面积S、声压瞬时值p和质点振速瞬时值v都不再是传播距离r的函数，故简谐平面声波声场中某点的声压复值P与同一点质点振速复值V之比即波阻抗率ZS＝P/V＝ρOCO。ρO是媒质的静态密度，CO是无限大均匀媒质中的声速。

对于波阵面为球面的声波，波阵面面积S将随计量点到声源等效中心的距离r而变化，即S＝4πr2，故简谐球面声波的波阻抗率模值│ZS│2＝P2/V2＝ρO2CO2（kr）2/［1＋（kr）2］。显然，简谐球面声波的│ZS│与kr有关。当距离r较远，声波频率f较高，即kr＞10时，球面声波│ZS│中抗与阻相比已小到可以忽略，故可以按平面声波处理，即ZS＝P/V≈ρOCO。k＝ω/CO＝2π/λ是波数，λ＝CO/f是声波的波长。

直射扬声器的辐射体可近似看成活塞辐射器，故可用无限大障板上作简谐振动的圆活塞在远区场的声压表达式来计算直射扬声器的声压，即P（θ）＝ρOCOka2VJ1（ka·sinθ）/r（ka·sinθ），P（θ）是与活塞面法线成θ角、距活塞几何中心r处的声压，a是直射扬声器辐射面的半径，J1（ka·sinθ）是以（ka·sinθ）为宗量的第一级柱面函数，即贝塞尔函数。可见，空间中某频率声波的声压P，不但是方向角θ和ka的函数，而且随距离r的增加而线性减小。这表明，直射扬声器辐射的远区场声波不完全是球面波，其球形波阵面上各处的声压P不同，这是θ和ka造成的。

由活塞辐射体的指向性系数DS（θ）＝2J1（ka·sinθ）/（ka·sinθ）可以看出，ka越小，指向性越宽；ka越大，指向性越窄。当ka大到一定程度，还会出现副指向性。这表明直射扬声器辐射出的声能在向活塞面法线方向集中。所以，若使活塞面法线方向上的辐射声压具有平直的频响，则其它角度的声压频响会产生高频下降的线性畸变，且该畸变随ka的增大而加剧。由于ka较大时出现副指向性，故在大ka时，直射扬声器辐射体非法线方向上的声压频响会出现“梳状”特性。这充分说明直射扬声器的高频声波已接近平面波，故完全可以按平面波处理。

虽然在kr＞10时，球面波可近似按平面波处理，但因直射扬声器的实际听音和计算距离r不可能太远，故低频时不能按平面波处理。在直射扬声器辐射体的法线方向上，即θ＝0°时，J1（ka·sinθ）/（ka·sinθ）＝1/2，故声压复值P＝ρOSfV/r。S＝πa2是直射扬声器有效辐射面积。

1.2恒压驱动

为了减小P的计算误差，设在f＜fZ时P＝ρOSfV/r，即按球面波处理；在f＞fZ时P＝ρOCOV，即按平面波处理。另由力学欧姆定律知，V＝FYM，F是作用于直射扬声器辐射体上的电动力。由电动原理知，F＝BlI，I是直射扬声器的驱动电流。由电学欧姆定律知，I＝U/ZY，U是直射扬声器的驱动电压。因此，对直射扬声器恒压驱动的声压表达式为：当f＜fZ时，P＝ρOSfBlUYM/rZY；当f＞fZ时，P＝ρOCOBlUYM/ZY。

在f＜fZ时，因ρO、S、B、l、U、r恒定，故P∝fYM/ZY；在f＞fZ时，因ρO、CO、B、l、U恒定，故P∝YM/ZY。当f＝fO时，因YM2＝QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM，ZY2＝R2＋（Bl）4QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM。故f2YM2＝fO2QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM，P2∝fO2QO2（RO＋│ZY│MAX）2CM/（RO＋R）2MM/［R2＋（Bl）4QOnbs