【Maker電子學】小型喇叭的放大電路設計

作者:Bird

上篇文章小型喇叭與驅動電路的設計,我們聊了一些關於小型喇叭的規格、參數,以及如何利用 Arduino 上一支數位的 GPIO 來驅動它,但在現實的世界中,喇叭往往要接受類比訊號的驅動,因此我們需要一個可以放大類比訊號的電路。

這次我們就來聊聊小型喇叭的放大電路吧!

一顆古老的音頻放大 IC

這次要和大家介紹一顆叫做 LM386 的音頻放大 IC。這顆 8 支腳的 IC 存在地球上的時間可能比大部分的讀者年紀還要大,它在 1970 年代,也就是 Intel 的 i386 問世前十多年就已經在 IC 界縱橫,是非常受歡迎的音頻放大 IC。

最早的 LM386 是 Motorola 設計的,但現在你也可以買到來自 TI、JRC 和臺灣 UTC 做的相容品。

LM386(圖片來源:Bird 提供)

LM386 只有八支腳,在 SMT 元件還沒問世前,它一直都是以 8-pin DIP 的包裝示人(如下圖所示),不過現在你也可以買到 SO 或 TSSOP 等更小包裝的 LM386 了。:

八支腳的 LM386(圖片來源:Bird 提供)

要讓 LM386 工作,最簡單的電路長這樣:

LM386 簡易電路圖(圖片來源:Bird 提供)

嚴格來説,它只需要一個 250 uF 的電容就可以工作,那個 0.05 uF 的電容和 10 Ω 的電阻是補償性的濾波器,而輸入的 10 KΩ 可變電阻則是用來調音量的。

LM386 内部預設的電壓放大倍率是 20 倍,也就是說如果你給它 0.1 V 的輸入,他就會給你 2V 的輸出。這裡要特別强調的是,LM386 的輸入就像一般的運算放大器一樣,屬於「差動輸入」,因此它「感覺」到的輸入電壓是「 + 輸入腳的電壓減去 – 輸入腳的電壓」,不過在大部份的應用中,我們都把 – 輸入腳接地,直接拿 + 輸入對地的電壓當作輸入。

不管是 + 還是 – 輸入接腳,所能容許的輸入電壓範圍都是 -0.4 V 到 +0.4 V,也就是說 LM386 可以接受交流輸入,因爲它内部有偏壓電路,能自動控制輸入的 DC 偏移電壓,因此如果輸入是帶有直流成分的訊號,需要另外串聯一個小電容器來隔離 DC。

至於輸出段就有點學問了,尤其是那個 250 uF 的電容。

交連電容

喇叭是一個可以接受交流驅動的零件,假設我們將喇叭的兩隻腳編號為 1 和 2,當電流從 1 流向 2 時,如果喇叭的振膜是往外突,那麽當電流反過來從 2 流向 1 時,喇叭的振膜就會往内凹;當我們不施加任何電流時,喇叭的振膜就會停在中間的位置不動。

如果我們只用其中一個電流的方向來驅動喇叭,比如說把喇叭的第 2 腳接地,只控制第 1 腳的電壓,那喇叭的振膜就只會在「中間」和「往外突」之間的位置震動,不會有往内凹的狀況發生,這當然就限制了喇叭振膜的行程,也限制了它的輸出功率(想想看,一個喇叭本來可以往前擺動 1 mm,往後擺動 1 mm,加起來總共 2 mm,但現在變成只能往前擺動 1 mm,它能輸出的功率當然就會變小了)。

因此,爲了讓喇叭能發揮它的最大效用,讓它的振膜既能往外突,又能往内凹,我們就要設法讓驅動喇叭的電流方向可以轉變。但仔細看一下 LM386 的電路,它的電源接腳一邊接地,一邊接電源,這就是所謂的「單電源」放大電路,也就是它的「電源供應不包含負的電壓」;對於這種線性放大電路來説,你給它什麽電源,它最大就能輸出那個電壓,因此你沒給它負電壓的電源,它就不可能輸出負電壓。

實務上確實有很多放大器的電路爲了要讓喇叭可以有兩個方向的電流驅動,而設計成「雙電源」,也就是「有正負電壓的電源」。但在 LM386 這種小型設計中,要爲了喇叭準備一個負的電源電壓未免也太費工,因此這裡有一個變通的做法:加個電容器

常見的電容器(圖片來源:維基百科

電路圖中那個 250 uF 的電容有個聽起來很厲害的名字:交連電容,我們來說說這個電容器是怎麽工作的。假設我們給了前面那個電路 0.1 V 振幅的正弦波輸入,因爲它的電壓放大倍率是 20 倍,它應該要給我們一個 0.1 * 20 = 2(V)振幅的正弦波輸出。如果我們給 LM386 的電源電壓是 4 V,這個輸出的正弦波會長這樣:

這個正弦波輸出的中心落在 2 V(也就是電源電壓一半的地方),往上的振幅 1 V,往下的振幅 1 V,總共是 2 V 的振幅(圖片來源:Bird 提供)

由於線性放大器不能造出比電源電壓高的輸出,也不能造出比 GND 低的輸出,如果要讓輸出的振幅最大化,最理想的方式就是以電源電壓的一半為中心,上下擺蕩。

但由於這樣的輸出訊號中含有一個 2 V 的直流成分(以及一個 +/- 1 V 的交流成分),如果我們直接把這個訊號送給喇叭,喇叭就要承受一個 2 V 的直流。我們上一次提過,喇叭屬「電感性的零件」,對於直流電而言,電感是沒有阻抗的,因此這個直流會直接作用在喇叭線圈的電阻上,而不會遭到電感的任何抵抗,而它所造成的結果,除了讓喇叭的振膜被吊在一個比較高的位置外,也會讓線圈發熱,甚至燒毀。

這時就是交連電容上場的時候啦!先讓我們再復習一下基本電學。電容器的電抗是:

XC = 1 / 2𝞹fc

當頻率 f 為 0 的時候,算出來的電抗是無限大;換句話説,電容器對直流的阻抗是無限大,直流電是流不過電容的。利用這個特性,我們在放大器的輸出上串聯一個電容器,經過電容器後,輸出的波形就會變成:

這個正弦波變成了以 0 V 爲中心、上下擺蕩各 1 V 的波形(圖片來源:Bird 提供)

這正是驅動喇叭的理想波形呀!交連電容產生妙用啦!它巧妙地將輸出訊號中的直流成分擋下來,讓喇叭收到不含直流成分的驅動波形

由於電容器的電抗與頻率相關,頻率越低電抗越大,因此爲了避免低頻也被電容器擋下來,這個電容要放得夠大,才能讓足夠多的低頻成分穿過交連電容到達喇叭;如果交連電容放太小,就會犧牲掉低頻的成分,喇叭放出來的聲音就不會那麽董滋董滋了!

麥克風放大電路

LM386 内部預設的電壓放大率是 20 倍,但如果在它的第 1 腳與第 8 腳之間接一個 10 uF 的電容,就能將它的電壓放大率提升到 200 倍,而這個放大倍率很適合拿來作為電容麥克風的放大器。

(圖片來源:Bird 提供)

電容麥克風是現在很常用的麥克風零件,它體積小、感度高,而且特性又穩定,只要加個偏壓電阻就可以工作。大部分的電容麥克風,在一般 60 dB SPL 的聲壓下,輸出的電壓差不多在數個 mV 左右,以 10 mV 來計算,經過 200 倍的電壓放大率後,就會得到 2 V 的輸出電壓。如果拿來驅動 8 Ω 的喇叭,可以得到 0.5 W 的驅動功率,這個功率已經足以在一般小型喇叭上發出足夠大的音量。

P = V2/R = 4 / 8 = 0.5(W)

因此,我們可以就這樣做出一個最簡單的麥克風放大器:

(圖片來源:Bird 提供)

這個電路用 2.7 KΩ 的偏壓電阻驅動電容式麥克風,經過 0.1 uF 的電容濾除直流後,10 mV 左右的訊號會經過 10 KΩ 的可變電阻分壓後進入 LM386。我們在 LM386 的第 1 腳和第 8 腳之間加了 10 uF 的電容,讓它的電壓放大倍率變成 200 倍,因此 10 mV 的輸入會在喇叭上造成 2 V 的輸出。

這個電路雖然簡單,但它確實可以工作,你只需要幾個零件就能自己動手做出一支大聲公,想不想動手試試呢?

小結

這次我們介紹了 LM386 這顆古老但實用的音頻放大 IC,並説明了利用交連電容讓喇叭可以獲得交流驅動的原理,最後再簡單介紹了一個利用 LM386 製作的麥克風放大電路,可以拿來做大聲公。如果讀者們以後在自己的專案中,有需要用到音頻放大器,希望這個設計可以幫上忙囉!

(責任編輯:賴佩萱)

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在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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