浅谈电子分频与功率分频优劣

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浅谈电子分频与功率分频优劣
有源音箱探索(一) 浅谈电子分频与功率分频优劣  
　　音频电路中使用的分频器实际上就是电子电路中的滤波器，滤波器是一种能使有用频率信号通过而抑制（或大幅衰减）无用频率信号的电子装置，按处理信号类型分类，滤波器可分为模拟滤波器和离散滤波器两个大类，其中模拟滤波器可分为有源、无源、异类三个分类，离散滤波器分为数字、取样模拟和混合三个分类，音箱使用的分频器绝大多数属于模拟滤波器。
　　电子分频又称为前级分频、主动分频，在音响产品中应用较普遍。最近两年，采用电子分频的民用2.0音箱渐多，电子分频技术也成为一个热议的话题，在对电子分频的认知上，不少人存在一定的误解和偏差，在这里我们焦点音频提出自己的观点，希望抛砖引玉，能引发大家的探讨。

最近两年，采用电子分频的民用2.0音箱渐多惠威D1080MKII

　　应用于有源音箱的分频器，可分为传统的功率分频器（位于功放和扬声器单元之间，处理功率信号）和电子分频（在功放电路之前，处理小信号）。电子分频其实质为高、低通滤波器，电子滤波器实际并不是什么新技术、尖端技术，在上世纪60年代即开始了普遍应用，并随运算放大器发展得到了令人瞩目的发展，时至今日，电子滤波器已经广泛存在于我们生活的每一个角落。
　　有源音箱上常见的的电子分频一般是高、低通滤波器或带通滤波器，分有源和无源两种，功率分频器则是由L、C、R组成的无源滤波器。

对于电子分频和功率分频，我们主要有以下几个观点：
一 内阻与阻尼系数
　　电子分频电路在功放部分之前，只负责处理小信号，与功放内阻没有关系，也就是说，电子分频不影响功放的内阻；而功率分频器串联在功放与扬声器单元之间，其直流电阻、阻抗及一些分布参数都需要计算在内，一些高阶或结构复杂的功率分频器的内阻更大，因此对于使用同样功率放大单元的有源音箱来说，采用功率分频器的有源音箱其内阻必然大于采用电子分频的有源音箱。
　　阻尼系数可简单的理解为音箱（扬声器）额定阻抗与功放电路实际阻抗的比值，阻尼系数和音箱的低频表现、控制力都有直接关系，阻尼系数越高，对低频影响越小、控制力越强，而功率分频器的插入则会明显降低阻尼系数，经常DIY音箱的人可能有体会，同一只单元，直接接放大器试听时低频干净有力，装箱、接入功率分频器后低频力度有不同程度的降低。
　　从内阻和阻尼系数的角度来说，电子分频电路占有明显优势。
二 精度问题
　　对于优秀的分频器来说，准确而稳定的分频点是必不可少的，在这点上电子分频明显优于功率分频器。
　　电子分频电路的后级负载一般是功放或缓冲电路，阻抗很高，分频特性受影响可忽略不计，一旦元件参数固定，分频点也就固定了，不受外围电路的影响；而功率分频则不然，首先功率分频电路分频点直接受扬声器影响，在设计分频器之前必须要测量扬声器在分频点的实际阻抗值，直接套用标称阻抗得到的结果于理想值会有很大的偏差，更深层次的原因是，在插入功率分频器后，扬声器的T/S小信号参数会发生变化，导致分频电路的不准确，也就是说，即使测量了扬声器单元在分频点的实际阻抗，最终设计的功率分频器也会存在不同程度的偏差，尤其是采用高阶、结构复杂的功率分频器时，这一点往往令大多数设计者非常苦恼。

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三 功耗、发热与效率
　　功率分频方式因分频线圈的直流电阻、分布参数等原因，会带来2---3dB的插入损耗，不要小看这2---3dB，在音频电路中，3dB就是一倍能量的概念，也就是说，假设扬声器需要的功率为30W，加入功率分频后，功放电路需要有60W的输出才可以满足要求。这还是一般情况，如果是多阶、高Q值或者结构复杂、线径较细的，损耗还会更高。
　　在功率分频器增大损耗、增加发热的同时，功放电路的损耗和发热也会大大增加，最终反应在电源上，消耗的功率要远远大于扬声器额定功率，有可能达到100W甚至更高。
　　电子分频方式处理的是小信号，损耗基本可忽略不计，功放电路直接驱动扬声器单元，因此效率很高，功放电路输出的功率完全作用在扬声器单元上，扬声器功率需求30W的话，最终的电源消耗往往达不到40W。
四 音色调整与补偿
　　功率分频器除了调整、分配高低音信号外，还能对音色起到很强的调节作用。众所周知的是，扬声器的音质、音色和T/S小信号参数有直接关系，功率分频器和扬声器串联工作，可以通过调整自身参数来影响和改变扬声器的小信号参数，达到改变扬声器特性、校调出自己满意的音色的目的，这也是采用同一款扬声器单元的不同品牌的音箱，音色区别很大的根本原因所在。如著名的3/5A，获得BBC授权生产的有KEF、HARBETH、Spendor和Rogers四家，虽然都是KEF生产的单元，但音色各异。有经验的设计师都善于利用功率分频器来调整出自己满意的音色，或者是将不同的扬声器音色校调的非常接近。
　　电子分频因为是功放电路与扬声器直接相连，无法通过影响小信号参数来调整扬声器音色，在这一点上电子分频方式无能为力，只能通过精心选择满足要求扬声器。
　　因为电子分频方式无法对扬声器形成有效的影响和补偿，因此较完善的电子分频电路都附带有一些专用补偿电路，需要指出的是，补偿电路已不属于分频器的范畴，使用功率分频器的放大器中同样可以加入补偿电路，不在本文讨论的范围。
五 设计难度
　　就常见的应用于音频电路的电子分频来说，其设计难度较低，确定好分频点后，外围元件即可以通过简单计算得出，调整或改变分频点也比较容易。分频点、带外衰减特性等不受扬声器影响，换用不同的扬声器分频特性不会有变化。
　　功率分频器则不同，前面说过，扬声器在分频点附近的阻抗往往与标称阻抗存在较大差距，因此确定分频点前，必须要测量扬声器在分频点的实际阻抗，否则会造成很大的偏差。但是再进一步研究和分析可以发现，因为功率分频器会在一定程度上影响和改变扬声器单元的小信号参数，因此扬声器在接入功率分频器前后的特性曲线、参数往往都会发生变化，甚至同样的电感线圈，漆包线直径不同也会导致最终结果有很大差异，因此设计的复杂程度大大提高。功率分频器换用不同扬声器后，分频特性变化很大，必须重新调整。
六 成本与适用性的差异
　　很多人都认为，电子分频方式很先进，因为需要多路功放，成本也很高，其实这种看法有失偏颇。
　　前文有述，功率分频器因插入损耗问题，需要更大的功率输入，对电源要求更高，发热量也明显高于电子分频方式，也就是说，功率分频方式需要功率更大的功放单元、更大的电源变压器、更大面积的散热器，再加上功率分频器自身价格不菲（一对廉价的二阶功率分频器，批发价格也在15元以上），其实造价并不低；而电子分频方式虽然多了两个通道的功放（三分频结构则要多4路），但是对功率的要求降低很多，分为双通道或多通道后，功率需求进一步降低，成本实际并不高，同时电子分频方式下功放发热明显降低，对散热器要求较低，电源变压器也允许使用功率更小的规格。从综合成本来说，电子分频方式并不比功率分频高，甚至可能更低一些。
　　市场上销售的音箱极少有电子分频方式的，主要原因实际并不是成本－－无论采取何种分频方式，都必须要根据扬声器特性来确定分频点、带外衰减特性、通道功率分配比例等参数，如果使用通用型电子分频器+通用功放的话，在没有测试设备的情况下几乎不可能调整到令人满意的程度，电子分频+多路功放+扬声器箱的组合在使用方便程度上也远不如功放+功率分频式音箱方便。
　　另外，电子分频电路种类非常多，可以灵活做出多种特性、适用于不同用途的电路，但是在音频应用范围来说，一般的2阶、带外衰减12dB/oct滤波器即能满足大多数要求，高阶、衰减特性陡峭的分频器在音频电路上并不适用。

不同阶数的巴特沃思（butterworth）滤波器的带外衰减


常见滤波器特性曲线图

　　综上所叙，电子分频方式在阻尼系数（音箱控制力）、精度、功耗、设计难度上都较无源分频方式有明显优势，在音色调整、电路补偿方面则是功率分频方式占优，在成本与造价方面电子分频并不是想象中那样高昂（市场上绝大多数2.1有源音箱就使用了低通滤波器），电子分频并不是什么新技术、也不代表音效出众，电子分频与功率分频一样，只是分频的一种结构而已，各有特点和适用范围，不存在谁好谁坏的问题。