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电压源与电流源
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电流源和电压源
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探讨音源的奥秘：lineout?phone out?
该用户从未签到
讨论了一点有关耳机的理论知识，这次来讨论一下音源。
随着发烧耳机的推广，耳放也逐渐进入了耳机用户的视野。但是，耳放对于大多数用户来说还是比较陌生的。我的耳机在音源上的音量已经足够大了，有没有必要上个耳放？我上了耳放，为什么感觉和网上的评论相差很多？上了耳放到底有什么好处？有的音源除了耳机输出口之外还有lineout口，耳放应该接在哪个口？……今天就和大家一起讨论一下。
这一篇比较长，请大家不要急着拆楼，谢谢。
[ 本帖最后由 =ssl=zhu 于
17:34 编辑 ]
TA的每日心情擦汗 17:01签到天数: 1 天[LV.1]初来乍到
该用户从未签到
一，业余人士的电路分析利器，伏安特性曲线
把电路器件两端的电压和流过器件的电流之间的对应关系表示成电压－电流坐标系中一系列的点，把这些点连接起来，就得到了伏安特性曲线。例如，电阻对应的伏安特性曲线就是一条经过原点的直线，直线的斜率和电阻的阻值成正比。
咱们的讨论仅限于音源和耳机，针对耳机的阻值范围，把坐标系中电压的单位定为V，电流的单位定为mA。在这样的坐标系下，直线的斜率是电阻阻值的1/1000。目前耳机的阻抗最高只有600欧姆，因此在这样的坐标系下，耳机的伏安特性曲线的斜率最多只有0.6，即耳机的伏安特性曲线与X轴的夹角不超过45度。请大家留意一下这个细节。
图1 电阻的伏安特性曲线
有了伏安特性曲线，就可以直观地、定性地分析各种复杂的电路器件的特性。而且，把伏安特性曲线应用到复杂电路网络中去，可以大大简化电路的分析。无论多么复杂的电路网络，如果想办法把它划分成具有两个输入端点的网络（专业名称叫二端网络），只要能够得到描述端口电压和电流对应关系的伏安特性曲线，就可以无视网络内部的具体构造，把这个复杂的网络作为一个整体，通过伏安特性曲线来进行分析。
此外，在伏安特性曲线上任取一点，用该点对应的纵坐标（电压）和横坐标（电流）相乘，就可以算出器件上的功率。对于电阻这种无源器件来说，算出的是它的输入功率；对于电源之类的有源器件来说，那就是输出的功率。这一点也请大家留意。
图2 用伏安特性曲线简化复杂电路分析
[ 本帖最后由 =ssl=zhu 于
17:31 编辑 ]
该用户从未签到
二，电源的伏安特性曲线
在电路理论中，定义了两种理想化的电源：电流源和电压源。
电流源输出的电流值是恒定的，与输出电压的大小无关。
图3 电流源的伏安特性曲线
电压源输出的电压值是恒定的，与输出电流的大小无关。
图4 电压源的伏安特性曲线
根据上一楼的结论，这两种电源的输出功率都可以达到无限大，这显然是不符合现实的。实际电源的输出功率总是有限的，而且总有一部分功率消耗在电源内部。为此，使用电压源与电阻的串联网络或者电流源与电阻的并联网络来描述实际电源。与理想电源串联或者并联的这个电阻，称为电源的内阻。
图5 用理想电源＋内阻描述实际电源
用图5左侧的电流源＋电阻的并联网络描述实际电源，计算实际电源的伏安特性曲线：
设输出电压为v，输出电流为i，则流过内阻Ro的电流为
电流源本身输出的电流是恒定的，因此
v=IoRo-iRo
这是一条不经过原点，斜率为-Ro的直线。直线与X轴的交点为Io，与Y轴的交点为IoRo。
如果用右侧的电压源＋电阻的串联网络，则有
设输出电流为i，输出电压为v，则内阻Ro两端的电压为
电压源本身输出的电压是恒定的，因此
这是一条不经过原点，斜率为-Ro的直线。直线与X轴的交点为Vo/Ro，与Y轴的交点为Vo。
图6 实际电源的伏安特性曲线
对于同一个实际电源来说，它的伏安特性曲线是固定的。因此，这两条直线的表达式是等效的，也就是
Vo=IoRo, Io=Vo/Ro
电路理论中有这样的定理：任何含有电源的有源网络，都可以找到等效的电压源与电阻的串联网络或者电流源与电阻的并联网络来描述。
[ 本帖最后由 =ssl=zhu 于
17:24 编辑 ]
该用户从未签到
四，复杂电路的简单分析方法，工作点
将整个电路从某处剖开变成两个二端网络，分别计算它们的伏安特性曲线，两者的交点对应的坐标值就是剖开处的电源和电压。这个点称为电路的工作点。这是一种简单而华丽的电路分析方法，呵呵。
让我们用这种方法来分析音源和耳机组成的电路。在音频信号固定的前提下，音源可以看作一个实际电源，而耳机可以看作一个电阻。把音源和耳机从接口处一剖两半，在同一个坐标系下分别画出它们的伏安特性曲线，它们的交点就是工作点：
图7 音源+耳机的工作点
从这张图上可以得出什么结论呢？
第一，音源固定，耳机的阻值越大，工作点越靠上，工作点对应的电流值就越小。因此，耳机的阻抗越大，获得的驱动电流就越小。这就意味着，高阻高灵敏度耳机未必就是随身听的最佳伴侣。由此我们证实了中“勘误篇”的一个结论。
第二，耳机固定，音源的内阻越小，工作点对应的电流值就越大。如果改变音源的内阻（或者说得更精确一点，输出阻抗），就可以调节工作点的电流，进而调节耳机的音量。实际上，用电位器改变音源的输出阻抗，从而控制输出的音量大小，这是非常普遍的做法。
第三，当工作点对应的电流值很大的时候，电压值不一定非常大，由此计算出的输出功率也不一定大。此时虽然音源的输出功率不大，但是输入耳机的驱动电流很大，耳机有可能被烧毁。尤其是低阻耳机，更加容易出现这个问题。扩展一下，耳机参数中的最大承受功率是用来计算耳机的最大承受电流，和音源的输出功率没有直接关系。因此，看到音源的输出功率小于耳机的最大承受功率，就把音量开到最大来试耳机的好坏，这样是不科学的哦～
一张小图就包含着这么多有用的结论，华丽吧？
[ 本帖最后由 =ssl=zhu 于
18:52 编辑 ]
该用户从未签到
五，lineout的作用
从楼上可以看到，实际电源的输出电压和电流会随着后端负载发生变化，这对于信号源来说是不行的。信号源应该提供稳定的电压信号，不受后端的干扰。因此，信号源的伏安特性曲线应该尽量向理想电压源靠拢。
lineout就是把音源作为信号源的输出接口。lineout口的输出阻抗很小，伏安特性曲线相当平直。因此，如果把耳机直接接到lineout口，就会获得很大的驱动电流。这对于低阻高灵敏度耳机来说不一定是好事，有被烧毁的危险。
图8 lineout＋耳机的工作点
[ 本帖最后由 =ssl=zhu 于
17:27 编辑 ]
该用户从未签到
六，耳机放大器
常用的耳机放大器在电路理论中属于电压控制的电压源。它可以用带有四个端点的双端口网络来描述。其中一个端口是输入端，另外一个端口是输出端。输出端的电压和输入端的电压成正比，具体比率与放大器的工作电流有关。放大器本身也可以用伏安特性曲线和工作点来分析，根据工作点的位置还可以分成纯甲类放大器和甲乙类放大器等等。这次就不展开讨论了（小声说：其实是因为俺也没弄太懂……）。
图9 耳机放大器
耳机放大器最基本的作用，就是在基本不改变输出阻抗的情况下增大音源的输出电压（即伏安特性曲线与Y轴的交点）。从图上看的话，加上耳放后，音源的伏安特性曲线更加陡峭，从而使得工作点向右移动，对应的驱动电流值增大。对于低阻高灵敏度的耳机来说，这个似乎没什么必要。但是，计算一下工作点的电流表达式：
容易得到（二元一次方程组应该会解吧？）
i=Vo/(R+Ro)
Vo的变化范围增大（例如没加耳放时是1～10，加上之后是10～100）的话，i的变化范围也会增大，从而改善耳机的解析力和大动态下的表现。因此，给低阻高灵敏度的耳机上耳放也有一定的意义，但是一定要注意耳机的安全，不要被烧毁。这也是低阻耳放难做的原因之一吧，放大倍数低了效果不好，倍数上去了又容易烧毁耳机。
[ 本帖最后由 =ssl=zhu 于
17:29 编辑 ]
该用户从未签到
七，lineout?phone out?
现在来看看耳放的伏安特性曲线。
耳放是有源器件，因此它的伏安特性曲线应该与电源类似。耳放的输出端受输入端控制，输出端的变化（比如接上不同阻抗的耳机）基本不对输入端造成影响。因此，从输出端讨论耳放的伏安特性曲线（电路理论中形象地称为“从输入端看进去”）时，可以不考虑后端耳机带来的影响。
由于前端的信号源总是存在内阻，为了尽可能多地吸收电压信号，耳放输入端的内阻一般都做得相当大。因此，从输入端看放大器，它的伏安特性曲线相当陡峭，接近理想电流源。
图10 耳机放大器（输入端）的伏安特性曲线
有了这个结论，我们来画一下lineout和耳机输出口的伏安特性曲线，看看两种搭配方式的工作点在哪里：
图11 Lineout+耳放和耳机输出口＋耳放
显然，接在lineout口的时候，耳放取到的电压值更大，输出端的电压值也就更大。因此
耳放更应该接在lineout口而不是耳机输出口
在图上可以看到，耳放的输出阻抗相当大，耳放＋耳机输出口的工作点电压有可能相当的低，甚至还不如不接。这就是我们今天的结论。
[ 本帖最后由 =ssl=zhu 于
17:31 编辑 ]
TA的每日心情擦汗 17:01签到天数: 1 天[LV.1]初来乍到
都看不到图哦！
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对于为什么用耳机输出口接耳放效果，有一种说法是耳机输出口的信号已经被音源自带的“不够发烧”的放大电路所“污染”，从而增大了失真。实际上，即使上了lineout+耳放，还是没法避免音源自带的“不够发烧”的放大电路的“污染”。如果说音源自带的放大就是污染的话，那么早在信号从lineout出来之前就已经被污染了两次：转盘从CD读出光信号，经过光电管转换成电信号。光电管的输出电压是很低的，为了满足解码所需的数字电路的需要，对光电管的信号进行了放大；解码完毕得到声音信号波形，这个电压还是不高，为了满足后端放大器的需要，又对信号进行了放大，然后才分成两路，一路直接从lineout输出，一路继续放大从耳机口输出。
因此，讲究的玩家往往把这几个环节独立起来发烧，转盘的信号刚一出来立马送到发烧级的DAC，DAC的信号刚一出来立马送到发烧级的前级，前级的信号刚一出来立马送到发烧级的后级……这跟使用随身听作为音源的玩法完全是两个概念。
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[ 本帖最后由 =ssl=zhu 于
17:32 编辑 ]
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一个帖子居然贴不完……
[ 本帖最后由 =ssl=zhu 于
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实在没力气两边都发了，晕哪
TA的每日心情擦汗 17:01签到天数: 1 天[LV.1]初来乍到
强烈支持，理论与实际相结合，符合素质教育原则。
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12,13楼的图片看不到，阅读权限要100呀
该用户从未签到
12和13楼的图片就是前面正文里的。
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原帖由 =ssl=zhu 于
18:49 发表
12和13楼的图片就是前面正文里的。
哦，原来如此
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文章对于我来说复杂了点点`` `
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实验七电压源与电流源的伏安特性及等效变换
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