Qual a importância da correspondência de impedâncias em aplicativos de áudio?


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Quanto os sinais refletidos são importantes em aplicativos de áudio (por exemplo, entre um amplificador e um alto-falante ou um pré-amplificador e um amplificador)? Principalmente no que diz respeito à fidelidade e não à transferência de poder.

Quais são as diferentes opções para combinar a impedância e seus prós / contras? Isso pode estar no terminal de saída, no terminal de entrada ou na modificação do cabo?


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As respostas dependem de você ser um engenheiro elétrico ou um fonoaudiólogo. Neste último caso, podemos murmurar longamente sobre cabos sem oxigênio, capacitores de exageros e muitas outras bobagens caras que você deve seguir enquanto acena um peixe morto sobre o seu amplificador durante a lua cheia.
Olin Lathrop

Respostas:


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A correspondência de impedância não é usada na eletrônica eletrônica de áudio moderna.

  • Uma saída de microfone pode ter cerca de 600 Ω, enquanto as entradas de pré-amplificador de microfone são de 1 kΩ ou mais.
  • Uma saída de linha será algo como 100 Ω, enquanto uma entrada de linha é mais como 10 kΩ.
  • Um amplificador de alto-falante será menor que 0,5 Ω, enquanto os alto-falantes são mais parecidos com 4 Ω.
  • Uma saída de guitarra pode ser de 100 kΩ, enquanto uma entrada de amplificador de guitarra é de pelo menos 1 MΩ.

Em todos esses casos, a impedância de carga é significativamente maior que a fonte; eles não são correspondentes. Essa configuração maximiza a fidelidade .

A correspondência de impedância foi usada nos sistemas telefônicos a partir dos quais os sistemas de áudio evoluíram e foi (às vezes?) Usada em amplificadores a tubo a vácuo, mas mesmo assim é uma troca entre potência máxima e fidelidade máxima .

Os efeitos da linha de transmissão não se aplicam. Com um comprimento de onda de pelo menos 10 km (para 20 kHz), acho que o maior efeito que você já viu da reflexão é uma filtragem de pente (rolagem HF) com linhas de alguns quilômetros de comprimento? Mas isso é totalmente irreal.

Bill Whitlock :

Os cabos de áudio NÃO são linhas de transmissão. O hype do marketing para cabos exóticos geralmente invoca a teoria clássica das linhas de transmissão e implica que a resposta em nano-segundo é de alguma forma importante. A física real nos lembra que os cabos de áudio não começam a exibir efeitos da linha de transmissão no sentido de engenharia até atingirem cerca de 4.000 pés de comprimento físico.

O teorema da potência máxima não se aplica, pois:

Rane Corporation :

A correspondência de impedância saiu com tubos de vácuo, Edsels e penteados de colméia. Os estágios modernos do transistor e do amplificador operacional não requerem correspondência de impedância. Se feito, a correspondência de impedância prejudica o desempenho do áudio .


Para saber por que a correspondência de impedância não é necessária (e, de fato, prejudicial) em aplicativos de áudio profissional, consulte William B. Snow, "Impedância - compatível ou ideal" [ escrita em 1957! ], Sound Reforcement: An Anthology , editado por David L. Klepper (Sociedade de Engenharia de Áudio, NY, 1978, pp. G-9 - G-13) e o RaneNote Unity Gain and Impedance Matching: Strange Bedfellows .

Irmãos Shure :

Para circuitos de áudio, é importante combinar a impedância?

Não mais. No início do século 20, era importante igualar a impedância. Os Laboratórios Bell descobriram que, para obter a máxima transferência de energia em circuitos telefônicos de longa distância, as impedâncias de diferentes dispositivos devem ser comparadas. A correspondência de impedância reduziu o número de amplificadores de tubo de vácuo necessários, que eram caros, volumosos e produtores de calor.

Em 1948, a Bell Laboratories inventou o transistor - um amplificador barato, pequeno e eficiente. O transistor utiliza a transferência máxima de tensão com mais eficiência do que a transferência máxima de potência. Para transferência máxima de tensão, o dispositivo de destino (chamado de "carga") deve ter uma impedância de pelo menos dez vezes a do dispositivo de envio (chamado de "fonte"). Isso é conhecido como ponte. A ponte é a configuração de circuito mais comum ao conectar dispositivos de áudio. Com os circuitos de áudio modernos, as impedâncias correspondentes podem realmente prejudicar o desempenho do áudio.

É um equívoco comum. O HyperPhysics costumava mostrar uma saída de amplificador de 8 ohm , mas melhorou a página desde então. A Electronics Design mostrou uma saída de amplificador de 8 ohms por um longo tempo , mas finalmente a corrigiu após várias reclamações na seção de comentários:

Portanto, a menos que você seja a companhia telefônica com cabos de uma milha, as impedâncias de fonte e carga não precisam corresponder ... a 600 ohms ou qualquer outra impedância. --- Bill Whitlock, presidente e engenheiro-chefe da Jensen Transformers, Inc. e da AES Life Fellow.


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Você está perdendo parte do quadro geral. A correspondência de impedâncias era feita antigamente porque as cargas e os drivers eram reativos. No exemplo do áudio, era comum os transformadores estarem no caminho do sinal e, se você não correspondesse à impedância, simplesmente não funcionaria. Hoje, você pode se safar com a impedância não correspondente, porque a maioria dos equipamentos eletrônicos modernos possui entradas e saídas resistivas, e não reativas. Mas para equipamentos onde os componentes reativos estão no caminho do sinal, a correspondência de impedâncias ainda é uma consideração importante.
Robert Harvey

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@ endolith: Qualquer coisa com um transformador em ambos os lados requer correspondência de impedância. É verdade que a maioria dos equipamentos eletrônicos modernos possui entradas e saídas resistivas, de modo que a meta se torna alta impedância nas entradas e baixa impedância nas saídas. Isso nem sempre produz condições ideais; se você está construindo uma entrada de microfone para uma mesa de mixagem, não deseja uma impedância de entrada de 10 megaohms, porque uma entrada que seja sensível capta todos os tipos de ruído. Em vez disso, você quer algo mais parecido com 10K ohms.
Robert Harvey

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@endolith: Estou surpreso por não ter visto a impedância de saída dos amplificadores valvulados mencionada como fator no "som do tubo", nem vi nenhuma discussão sobre o design de amplificadores com impedância de saída "efetiva" mais alta para imitar o som do tubo amperes. Não seria necessário usar resistores que desperdiçam energia para ajustar a impedância de saída; Eu acho que o feedback atual pode ser um bom trabalho.
23611

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Será que nada disso se aplica a amplificadores Classe D (eles têm saídas reativas?)
finnw

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@Kaz: Sim, mas um violino é um instrumento, não um gabinete de alto-falante. O objetivo do design do instrumento é produzir um som agradável do nada. O objetivo do design do gabinete do alto-falante é reproduzir o som agradável que foi originalmente gravado, sem nenhuma alteração. (A menos que você está projetando amplificadores de guitarra Esses são mais como instrumentos..)
endolith

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A correspondência de impedâncias não é realmente uma preocupação para frequências de áudio e, nos seus exemplos, não é realmente a preferida. No entanto, você precisa prestar atenção às impedâncias de entrada e saída.

Você geralmente corresponde à impedância por 2 razões:

  1. Minimizar reflexões - As reflexões se tornam um problema quando o comprimento da linha de transmissão fica na mesma ordem que o comprimento de onda do sinal. Existem várias regras práticas aqui. Alguns dizem que se preocupam quando o comprimento do fio é 1/4 do comprimento de onda, outros dizem 1/6, 1/10 etc. Depende do sinal e da reatância da linha de transmissão. Nesse caso, isso realmente não importa, porque o comprimento de onda elétrico de um sinal de 20khz é ~ 49.000 pés. Em outras palavras, as reflexões não são um problema para o aplicativo que você está perguntando.

  2. Transferência máxima de energia - Combinar a impedância de saída de um driver com a impedância de entrada de uma carga permite a transferência máxima de energia. No começo, isso parece importante para dirigir um alto-falante, mas há considerações mais importantes (veja abaixo).

Exemplo de amplificador:

Com um design moderno de amplificador (estágio de potência ativo, sem transformador de saída), seu objetivo real é o maior fator de amortecimento possível, entre outras coisas. Quando você dirige um alto-falante, o próprio alto-falante gera corrente à medida que está sendo acionado, isso deve fazer sentido, considerando que você dirige um dispositivo para mover uma bobina dentro de um campo magnético. No caso ideal, isso não importaria, pois o cone / bobina reagiria instantaneamente ao sinal recebido. Na realidade, há atraso e ultrapassagem do cone devido à natureza mecânica do alto-falante. Como resultado, o alto-falante produz correntes que são enviadas de volta ao amplificador.

Para colocar isso em termos mais simples e mais aplicáveis. Um alto fator de amortecimento permite que o amplificador tenha melhor controle sobre o cone do alto-falante. Isso é especialmente importante próximo ao ponto de ressonância do alto-falante. O fator de amortecimento é (resistência do alto-falante) / (resistência de saída do amplificador) e algumas correções para a resistência do fio. Portanto, neste caso, seu objetivo é a menor resistência de saída possível no amplificador.

nível de linha entre dispositivos (pré-amplificador):

Novamente, a correspondência de impedância não é o objetivo. Você geralmente deseja a menor impedância de saída e a maior impedância de entrada possível. Isso minimiza o consumo de corrente e, como resultado, a queda de tensão. Essa é a configuração de menor distorção e permite a transferência máxima de tensão.


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"Combinar a impedância de saída de um driver com a impedância de entrada de uma carga permite a transferência máxima de energia". Não é bem assim. A correspondência da carga com uma impedância de fonte fixa maximiza a transferência de energia, mas se você tiver controle sobre a impedância de saída, deseja que seja o menor possível para aumentar a potência na carga.
endolith 16/11/10

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Eu discordo, o valor da impedância de saída ser menor não aumenta a transferência de energia, a menos que você possa diminuir a resistência da carga para corresponder, isso apenas significaria que você precisaria de um resistor de fonte adicionado à mistura para corresponder à resistência da carga. Supondo que a carga seja principalmente resistiva. Maximizar a tensão na carga e maximizar a potência são duas coisas diferentes.
Mark

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Por essa lógica, você faria tudo 0 ohms e obteria um poder infinito. :) O teorema da potência máxima se aplica somente quando a impedância da fonte é fixa. Nessa condição, você torna a carga igual à fonte para obter o máximo de energia possível. pt.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_theorem Mas se você tem uma carga fixa (alto-falante) e pode alterar a impedância de saída da fonte, você quer torná-la a menor possível. Uma fonte de 0 ohm leva toda a fonte a uma carga de 4 ohm, enquanto uma fonte de 4 ohm a uma carga de 4 ohm desperdiçaria metade da energia disponível.
endolith 16/11/10

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Uma coisa que me perguntei é como a impedância de saída dos alto-falantes varia com a frequência e como a resposta de impedância versus frequência acompanha a resposta de saída de som versus frequência (em tensão uniforme) e se um amplificador pode fazer uso de tais variações na tentativa de produzir uma resposta de freqüência plana para um alto-falante em uma sala. Alguma idéia se isso foi investigado?
supercat 23/02

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@supercat Bem, a impedância ao nível do SPL é uma função complicada e é definitivamente impactada pelo gabinete do alto-falante, pelos recursos mecânicos do driver e pelos parâmetros ts, entre outras coisas. Um alto-falante '8ohm' médio terá oscilações de impedância de ~ 3ohm a 50 + ohms, mas pode atingir uma resposta de frequência muito próxima da plana. Geralmente, você não adapta um alto-falante para se ajustar a um ambiente acústico, pois todas as salas são diferentes (especialmente em baixas frequências). A correção da sala é feita com o EQ. Google Audyssey para o sistema de correção automática de salas mais popular.
Mark

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O artigo seminal sobre cabos de alto-falante foi escrito por Bob Pease, da National Semiconductors, em 1990, intitulado "O que é todo esse material de emenda, afinal?" . Leia e aproveite - então continue sua vida enquanto ignora com segurança os vendedores de óleo de cobra!


Não vejo nada neste artigo sobre correspondência de impedâncias #
18891

O artigo faz referência à última parte da pergunta "... ou modificando o cabo". Ele também aborda os efeitos de conectores, reflexões a partir de pontos de impedância de incompatibilidade etc.
uɐɪ
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