限幅器：基本概念以及设置方法——阜新声艺视听
01
介绍
这篇文章的主旨是帮助广大用户更好的理解如何使用Powersoft功放DSP当中不同种类的限幅器 。这篇文章所描述的内容适用于Powersoft以下产品型号：X系列，T系列，Otto/Quattro/Due Canali DSP+D系列，Mezzo系列以及Loto DSP 。
选择合适的限幅器不是一个简单的事情，这需要考虑到许多方面的因素；例如，可能遇到的一个难题是，如何决定启动阈值和时间常量的数值来使得扬声器既得到了应有的保护而又依然保持着该有的音质表现,因此对限幅器做的每一个调整都需要基于你对所保护的扬声器组件有更加广泛的了解，在这个基础之上才有可能正确使用限幅器。
限幅处理也会被认为是某种“艺术”处理手段，对此很多人都会有自己的观点和理论。出于以上原因，本文只是为用户提供关于限幅器参数设置方面的指南，以及在Powersoft的设备当中如何恰当的使用它们。
注：Powersoft不对因误用本文所包含的信息或者因不正确的限幅器设置而导致扬声器或造成其他损坏的后果承担任何责任。本文作为一个通用指南，其在实际中的具体应用取决于具体环境。
02
限幅，音箱的损坏以及功率压缩
在扩声系统当中，限幅处理这一手段是用来保护扬声器免受意外情况带来的内部元件损坏；因此，限幅器起到的的作用是对抗那些过度的信号峰值以及过度的长期平均功率。
需要注意的是。对扬声器来说，限幅的手段不仅是预防突发情况带来的损坏，它的首要功能是保证扬声器的寿命得以延长。
扬声器限幅器的设计人员通常不会考虑限幅器如何施加声染色，而是更关心是否能保护扬声器。下面列举了几个限幅器在音频链路中典型的应用：
·控制信号的能量
·控制信号的峰值电平
·减小信号的动态范围
要知道，在扩声系统中我们处理的是功率信号（也就意味着高电压以及强电流），那么我们设置限幅器的主要目标就是防止扬声器的驱动单元受到来自两方面的损坏：
过度拉伸： 一个送入扬声器的脉冲信号之所以能够对扬声器造成损坏是因为音圈过度拉伸的运动轨迹造成的，音圈的振动幅度已经超出了物理的限制范围。这种情况下，与音圈相连的振膜会发生形变或破损。
图1：单元破损
过热： 向扬声器长时间传递高功率信号有可能会引起扬声器内部部件（比如铜线绕制的音圈、线圈架、磁铁、悬挂部件以及纸盆）温度过高。由此带来的另一个影响则是功率压缩，这在低频扬声器当中尤为明显。功率压缩是由于音圈内部阻值升高所导致的功率下降，进而导致感知响度的下降。
图2：线圈过热
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限幅器的种类：RMS、Peak和Clip
使用两种类型的限幅器可以避免机械及温度上的变化给扬声器所带来的损坏：
RMS限幅器： RMS限幅器的作用是当过大的功率被长时间持续的施加在扬声器上时，保护扬声器免受高温导致的损坏。温度的升高会导致扬声器内部过热，甚至燃烧起来。设计者应该知晓扬声器在安全范围内能够承受的最大长期功率（AES额定功率）。一个使用RMS限幅的有趣方法是通过扬声器线圈温度来观察扬声器工作温度升高时阻抗曲线的峰值如何发生变化。
在图3中我们能够看到阻抗曲线与温度之间的关系：绿色的曲线为扬声器内部温度处在26℃时测得的，意味着扬声器内部组件处于“凉爽”的状态。橘黄色的曲线为扬声器内部温度处在38℃时所测得的。我们能够看到，当扬声器内部温度开始升高时，峰值阻抗数值会变得比之前更高且在频率上会有少许偏移。因此，实时监控阻抗的变化可以在一定程度上判断扬声器内部温度是否上升，这可以帮助我们对扬声器实施保护。
对扬声器驱动单元极限的全面了解可以使我们将扬声器的工作温度保持在一个安全的数值范围内，这样不仅可以避免不必要的设备损坏，而且也能将扬声器维持在一个“线性的”工作区当中，不会出现功率压缩的情况。
图3：实时阻抗曲线
峰值限幅器： 保护扬声器免受机械损坏。
设计者对该限幅器的各项参数设置应同时考虑扬声器振膜的最大位移和最大可承受电压。
注释：仅依靠峰值限幅器来保护扬声器，仍会导致长期平均功率过高，造成扬声器相应的损害。
04
限幅器的参数
4.1 阈值
当输入信号超过阈值，限幅器开始降低输入增益。增益衰减数值等于输入信号超出阈值的部分。阈值以电压值来表示，这是因为它取决于扬声器的功率和阻抗。
4.2 启动时间
启动时间为输入信号超过阈值后，从限幅器开始工作到完成70％衰减量所需要的时间。在保护扬声器不受损坏的应用场合中，启动时间设置得越长，设备损坏的风险也就越高。然而，如果启动时间设置得过快，那么在限幅器进行工作时，信号是会产生失真或者是严重的畸变的，尤其是一些大动态的打击信号（比如打击乐），从而使得声音质量大打折扣。
一般来说，一个比较折中的方案是，启动时间不要长于需要保护的最低频率的周期（例如分频点为1kHz的高音单元，启动时间应小于1ms）。
图4：限幅器工作图示
4.3 释放时间
释放时间为限幅器从最大衰减状态恢复30％衰减量所需要的时间。总的来说，释放时间必须设定得当以避免“喘吸”效应。释放时间可以被设置成启动时间的1至32倍。
4.4 软拐点
软拐点可以让压缩比随着输入信号电平提升而缓慢增加，这样一来，声音从未被压缩直到被压缩的这一过程的变化不会过于明显。这一参数在Powersoft的限幅器当中以dB表示，位于阈值下方。
05
Powersoft功放的限幅器怎样工作
5.1 RMS限幅器
RMS限幅在保证扬声器发挥其最高性能的同时保护其驱动单元不会因过热而烧坏。限幅器的设定不应该使得系统的正常信号大小触发其工作，因为一般的音乐信号通常具有很高的峰值电平，而平均电平比较小。
5.2 峰值限幅器
峰值限幅器的设计目的在于避免扬声器纸盆可能出现的极端位移运动（这里的“极端位移”是相对于单元所允许的行程来说的），它的工作模式只基于被送入此通道信号的量的大小。峰值限幅器、RMS限幅器和削波限幅器的设置与并联扬声器的数量无关：你既可以参考单只扬声器的阻抗和功率对其进行设置，也可以参考整个并联扬声器网络的阻抗和功率来进行设置，两者得到的结果是相同的。
使用峰值限幅器能够降低峰值因数,从而将原本信号的动态“压扁”。对于大多数情况，建议的增益衰减量是3—9dB。
5.3 削波限幅器
Powersoft所提供的的削波限幅器是一个“砖墙”限幅器，它被用于遏制驱动信号，不允许信号超过所设定的阈值。这种限幅器有着0.3ms的固定启动时间——同时也有0.3ms的预测时间，这使得在过大的信号到来之前限幅器就能有所准备，这样的好处是降低硬削波所带来的信号失真。削波限幅器的响应速度非常快，它也是保护扬声器免受损坏的最后一道防线。为了获得最佳的品质和性能表现，一般建议削波限幅器的增益衰减量为0-3dB，同时启用Peak和RMS限幅器。
图5：ArmoníaPlus里的基础限幅器
06
怎样计算限幅器的各项数值
为了给ArmoniaPlus所提供的三种限幅器计算电压阈值，启动与释放时间这几个参数的合适数值，Powersoft提供了一款被称为功率共享的计算工具。在这个工具当中，专门有一个部分叫做“限幅器建议阈值”，可以给大家提供一个安全的数值作为初始设置。只需输入扬声器的AES功率以及标称阻抗，选择扬声器类型（低频扬声器元，中频扬声器单元，高频扬声器单元，全频扬声器单元）或分频情况。数据输入完毕之后，工具会进行计算，提供一个合理的限幅器配置供使用者参考与选择。此工具同时可以用于Low-Z扬声器与Hi-Z扬声器（100V、70V和25V）。
要注意的是，工具所计算出来的数值仅仅是一个初始参考，特别是对一些分频驱动的扬声器进行限幅器配置的时候，建议使用音乐信号或者与音乐信号具有相同特征的音频信号对各个分频单元的性能进行一定的分析与了解。通过这种方式，才能够避免不同限幅器对不同分频单元所做的不同增益衰减所导致的音色不平衡的问题。
图6：功率共享工具当中限幅器部分
07
结论
在对Powersoft的限幅器做基本分析后，我们可以聚焦在两个方面：一是，Powersoft的限幅器的设计完全是为了保护扬声器， 所以应该总是将其激活，让扬声器得到适当的保护；二是音质与一个好的系统设计之间的关系 ，就像前面提到的那样，当整个系统在音质上有着最佳表现时，RMS限幅器承担着最重的限幅工作，峰值限幅器控制瞬态信号，而削波限幅器则作为保护扬声器的最后一道防线。
遵循这些简易的工作流程，在获得良好音质表现的同时，也能够延长系统的使用寿命。
来源丨易科
教大家做一款高保真的功放，电路简单，你也可以做！
普及数电模电知识，科教兴国。
大家好，创客e工坊本期教大家用TDA2030A做一款高保真的功放。
说起TDA2030A，相信大家都不陌生，这块芯片具有体积小，输出功率大，各种保护电路齐全等特点，我们只需要焊接少量的外围元件，即可做出一款音质不错的功放。在前面的教程中，创客e工坊已经和大家玩过LM386、TDA2003了，今天我们就来进阶，玩玩TDA2030A，看看它会有什么不一样的表现。
这是TDA2030A的实物图：
TDA2030A实物图
用一块芯片设计、搭建电路，我们首先需要了解这块芯片的引脚功能，所以我们先来了解TDA2030A的引脚功能。TDA2030A一共有5个引脚，芯片有字的一面朝向我们，引脚从左往右数，分别是：1脚同相输入端，2脚反相输入端，3脚负电源/接地，4脚功率输出，5脚正电源。
TDA2030A引脚功能图
了解了TDA2030A的引脚功能，接下来我们就可以去看电路图了。下图是阿乐根据厂家芯片手册里提供的典型电路整理出来的实物连接图，此图采用双电源供电，无输出耦合电容，由于没有输出耦合电容，所以低频响应得到改善，属于高保真电路。下面我们据图做简要的分析：
TDA2030A高保真功放电路原理图
图中，音频信号经过一个1uF的电解电容耦合至TDA2030A的1脚，即同相输入端。22K的电阻一头接1脚，另一头接到电源负极。起到同相输入端偏置的作用。TDA2030A的2脚接一个680Ω的电阻和一个22uF的电解电容，然后连回到负极。另外还接一个22K的电阻连到4脚功率输出引脚这里，在这里都是用来设置闭环增益的。然后，TDA2030A的3脚接负电源，接一个104的高频退耦瓷片电容，一个1N4007二极管正接至4脚。4脚功率输出接到喇叭，然后接一个1Ω的电阻和一个224的瓷片电容，用来移相，稳定频率的。我们知道喇叭是线圈，属于感性负载，不加这两个东西容易产生振荡。好的，最后5脚是正电源输入，同样也接一个104的高频退耦瓷片电容，反接一个1N4007二极管到4脚。这两个1N4007二极管这样子接在这里起的作用是输出电压正负限幅保护。
我们的这个功放电路属于OCL形式的功放，就是说需要接双电源，这样子我们对变压器的选择就有要求了。双电源采用初级线圈中间点接地、上下电压对称相等的变压器。也就是我们这种输出双12V的这样的变压器，如下图：
输出双12V的变压器
接下来我们讲讲功放电源，在这个电路中我们采用常规的桥式整流，大水塘滤波的电源模块，如下图：
功放电源
220V变压器降压输出双12V交流电，我们把变压器次级中间的那根线当做地线（负极），经过整流桥整流，出来两路，正负电源各一路，每路先来个104的瓷片电容滤高频，后面经4个4700uF的电解电容储能、过滤低频杂波信号，以满足后面功放爆低频时的需求，让低频下潜得更深。由于我们前面在做TDA2003时已经做好了这个电源模块，所以我们这次用现成的。
大水塘阵列
空载时测得正电压为+18.20V：
正电压
负电压为-18.18V，电压对称性还可以：
负电压
接下来我们根据原理图准备好所需的元器件：
备齐所需元器件
根据原理图焊接电路：
焊接电路
焊好的电路正面：
电路正面
焊好的电路背面：
电路背面
加块散热片，散热片和芯片之间涂上导热硅脂，注意不要让散热片接触任何元器件或者电路，因为芯片的背面和3脚是相通的，也就是说上电后散热片带负电：
加散热片
好的，最后是将功放部分的电路和电源模块、喇叭连接起来，整体调试。我们先推一个8Ω15W的喇叭，上电瞬间，有小小的电流冲击声，静态状态下电流声微乎其微，要将耳朵凑得很近才能听到，静噪相当满意：
整体调试
用手机当做音源播放歌曲，先来一首腾格尔的《天堂》，只听得悠扬的旋律由远及近，缓缓入耳，徐徐走来，人声相当清澈甜美，立即使我陶醉于歌曲的美景中，有如身临其境。再来一首《加州旅馆》，前奏的纯弦乐，58秒后歌手的声音，各弦类器乐跟打击乐开始交织的声音，那阵阵敲鼓的节奏实在令我难以自拔，立马爱上了这块TDA2030A（虽然可能买到的是国产货）：
用手机播放歌曲
听单声道不过瘾，立马再焊了一块一样的电路出来，想听听双声道立体声TDA2030A的表现，看看有没有惊喜：
焊了另外一个模块
这次我们让两块TDA2030A功放模块推一对奇声的6Ω15W的音箱：
奇声音箱
推音箱比单个喇叭低频加强了许多，听《连锁反应》一阵一阵的，胸腔有被震撼，但是低频下潜得不够深，还不是令人很满意。后面听邓丽君的《北国之春》，《我只在乎你》相当满意。
双声道立体声
至此，本次DIY TDA2030A功放宣告成功，推音箱时的音质不比市面上的普通功放差，甚至略胜一筹，毕竟在电源上下料还是很足的。但是这次所用的电阻电容品质不高，音频线就是普通的杜邦线，以后手头有米了换高品质的电阻电容，换屏蔽线，加大散热片，相信此功放还会更加令人满意的。可惜唯独低频不够强劲，下潜不去，所以阿乐决定给这个TDA2030A功放加前级，想试试有“运放之王”称号的5532，到时候做一个桌面2.1功放，再与大家分享，一起享受DIY的乐趣！
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