認知阻抗

所有的家庭工作室都會碰到阻抗這個問題，而且還很困惑。錄音師一定要懂得阻抗，我會告訴你如何去避免死板的吉他聲、數字干擾以及嘈雜的放大器聲。所有看過調音臺、前置放大器、麥克風、或是更多音頻設備技術規格的人都會碰到阻抗這個術語。輸入阻抗、輸出阻抗、終結阻抗、阻抗匹配以及特性阻抗在技術規格中都是些普通的術語，但是它們代表什么？為什么它們有關聯？本文會回答這些問題并讓你了解阻抗的實際應用，我們不講太多的數學和科學。

什么是阻抗？

我們來給阻抗下個基本的定義。首先，我們要了解電阻（用字母R表示），單位歐姆（用希臘字母Ω表示）。假想一個包含電池和電阻的電路。電池會產生電壓并使電流從正極流出，流入負極。電阻阻擋著電流，電阻的阻值越高，流過電阻的電流也就越小。電壓不同，流過電阻的電流也隨之改變。這個現象在數學上就被定義為歐姆定律，電池的電壓（用字母V表示，單位伏特）等于電流（用字母I表示，單位安培）乘以電阻的阻值。定律的代數表達式為V=IR，重新整理得到I=V/R。所以，如果電池電壓為12伏，電阻為120歐姆，那么電路的環路電流就為12伏（V）/120歐姆（Ω），結果就是0.1安培（A）或100毫安（mA）。

在這個簡單的直流（DC）電路中，電池的電壓是恒定不變的（忽略電池自然放電）。然而，從音頻電子學的角度來看，信號的振幅持續變化就表現為音頻信號的振幅變化，而且是在正負方向交替變化的。在信號振幅以及方向改變的情況下也就產生了我們所熟知的交變電流（AC交流）電路。

這樣事情就變得復雜了一些，因為除了電阻，還有兩個基本的元件會影響到交流電路。這兩個元件就是電容和電感。除了它們的電阻對電流的變化跟信號電壓幅度的變化的頻率成比例外，說到底，這兩個元件和電阻差不多。所有的音頻電子學都和電阻、電容和電感組成的電路有關系，連同象晶體管這樣的“活性”元件，或是提供放大功能或是開關功能的電子管。為了簡化電路，我們通常把一個含有電阻、電容、和電感的復雜電路看作是一個整體，電路的總“電阻”就是我們所說的阻抗。

阻抗用字母Z表示，因為我們參照的是高阻抗輸入，它仍然以歐姆為單位。然而，實際值在某些程度上還是有賴于信號電壓的頻率。在音頻輸入輸出電路中，阻抗主要是阻礙硬件更容易的互連。阻抗在音頻頻率上的變化是不會太大的。對于無線電頻率來說，音頻的頻率和它是大不相同的。

輸入和輸出阻抗

所有能產生電壓的設備都有輸出阻抗—就是從外向整個電路內部“看”上去的電路內部阻抗值。同樣，所有要接受電壓的設備都有輸入阻抗—從接受電壓的設備要與施壓設備連接的連接處“看”進去的阻抗。從源（輸出）電路（有些書也稱網絡）輸出的電壓通過目標（輸入）電路的輸入阻抗進入到目標（輸入）電路。然而，輸入和輸出阻抗也會影響到電路中電流的流動。

圖1輸入和輸出阻抗，也稱源和負載阻抗。你可以把源電路看作是信號輸出設備，目標電路看做是信號輸入設備。這個思想貫穿全文，請注意?。∠聻閳D片說明

阻抗與頻率響應

在某個頻率上，設備的輸出阻抗和它連接線的電容會形成一個簡單的第一序列低通濾波器，并產生一個6dB/倍頻程的衰減。然而，你需要一個很低的輸出阻抗或是一條長的高容性連接線來避免這個濾波器效應。即便如此，我們最好還是盡可能地選擇低容性的連接線，并保證走最短的線路。)

如果你希望輸出設備傳送給輸入設備的能量保持最大，那么你的源（輸出）電路的輸出阻抗一定要和目標（輸入）電路的輸入阻抗相等；我們也稱之為阻抗匹配或阻抗平衡。（嚴格地說，輸入阻抗就是源電路的阻抗）如果源電路和目標電路之間在物理上距離很遠（相對于通過的頻率信號的波長而言），那么連接線也要使用同樣的阻抗規格。在一個理想的能量傳輸匹配系統中，輸出電壓就等同于跨在輸入輸出阻抗兩端的電壓。

600(Ω)標準的誕生

如果源電路和目標電路的阻抗不匹配，會有什么結果呢？基本上，從源電路傳送到目標電路中的能量會有一部分被目標電路傳回源電路（無論是哪里，在連接電路中總是存在阻抗匹配錯誤的問題），而這不是什么好事。從理論上來講，這樣的能量“反射”（即傳回源電路的能量）會產生回授，或是導致信號在某個頻率被衰減。差不多早在100多年以前，電話業就發現了這個比較實際的阻抗匹配問題。因為在城鎮之間線纜的長度和傳送的音頻信號的波長是相當的，那么發送和接收端的電話交換設備之間的阻抗就非常重要，線纜的特性阻抗一定要匹配。如果阻抗沒有正確匹配，就會有能量從目標電路反射回源電路，導致兩電話間的聲音信號變得比較微弱。對于現在來說，這樣的影響并不是很多了。因為絕大部分的通信系統都是數字系統了，雖然還是存在這樣的問題，可是技術得到了改進，問題也就并不重要了。

在解決阻抗匹配問題上，為了確保良好的音頻信號傳輸，還要保證最小的能量損失，通信業很快就制定了600歐姆（Ω）的標準。實際上電話線的特性阻抗趨于140歐姆，所以大家都使用了匹配轉換器在“標準”600歐姆和實際使用的140歐姆之間進行轉換。

立體聲下的阻抗匹配系統

廣播業以及后來的錄音業都是從通信業所成長起來的。當下錄音業一直在使用的VU表就是典型的通信測量系統。這也就致使當時的廣播和錄音工作室都使用了600歐姆匹配準則，無論是磁帶機輸出、調音臺輸入還是其他的設備。由于諸多原因，匹配阻抗的想法在錄音棚并不是特別的緊要而實用了。

首先，我們并不是在意源電路和目標電路間的能量傳輸，真正讓我們感興趣的是信號電壓所帶的信息。所有的音頻連接線都達到15公里長，那也是不太可能的?；谶@些理由，對于阻抗匹配就毫無技術需求了。其次，在錄音棚中把一個輸出信號分配給多個設備的輸入是很常見的，在阻抗匹配系統中還是存在很多問題。

把一個輸出阻抗為600歐姆的調音臺輸出看做是名義上的0dBm，用輸入阻抗為600歐姆的磁帶錄音機的輸入和其相連（dBm和dBu是不同的，請看下面的專欄）。 磁帶錄音機的輸入表頭可以看到信號電平也是0dBm。然而，掛上第二臺磁帶錄音機，和第一臺并聯在一起接上調音臺的輸出。這樣，兩臺磁帶機合為一體，而此時兩個設備的總輸入阻抗就因設備并聯的關系變為了300歐姆。因為橫跨在每個輸入阻抗兩端的電壓減半了，結果，兩個磁帶機上的信號電平都減小了。電壓的一半就是信號電平6dB的衰減，最終磁帶機的表頭顯示輸入電平為-6dBm，而不是0dBm。這樣的情況是不好的，相對于可連接的設備來說，是非常有局限的。

上圖在以600歐姆為標準工作的阻抗匹配系統中，一個調音臺的輸出接了兩臺磁帶機器的輸入，而磁帶機出現了6dB的電平衰減，因為并聯在一起的磁帶機，各自只接收到了一半的信號能量。

電壓匹配和橋式輸入

上面這個問題的解決辦法就是使用完全阻抗匹配理念來分配，但要用我們所說的電壓匹配來取代。這個辦法就是讓工程師選擇盡可能低的輸出阻抗來連接相對較高的輸入阻抗—兩者之間至少差10倍的關系，通常比這還要高。現在的設備通常都使用150歐姆或者更低的輸出阻抗和10K歐姆或者更高的輸入阻抗。極小的輸出阻抗和相對較高的輸入阻抗，（連接線的阻抗可以相對忽略）全部的輸出電壓應該直接供給輸入阻抗。

就象所謂的橋式輸入一樣，相對較高的阻抗輸入有其優勢所在，那就是可以在不降低阻抗的情況下并聯多臺設備。這樣在每個輸入端所承受的電壓都是一樣的，也就是所有的輸出電壓，而源電路也不必需要提供很大的電流（低阻抗需要很大的流通電流）。我們來看看之前的那個例子，調音臺的輸出連接兩臺磁帶機。兩臺磁帶機現在使用30K歐姆的輸入阻抗，并聯到一起后，總的輸入阻抗只被降低到了15K歐姆，這相對于調音臺150歐姆的輸出阻抗來說，已經夠高的了。因此，加在目標電路兩端的輸入電壓實際上是不會被影響的，我計算了一下僅有0.04dB的損失。即使是并聯三臺磁帶機，總的輸入阻抗也只下降到10K歐姆，而信號電平的損失也只有0.05dB，我不認為有人可以聽出這個變化。橋式輸入就把立體聲工作變的相當容易了，電壓匹配的理念現在一直沿用在并列的音頻設備上，完全不需要理會所使用的信號電平。

上圖 在一個電壓匹配的系統中，兩臺磁帶機可以在不降低輸入信號電平的情況下并聯在一起，由于磁帶機的阻抗為30K歐姆，那么并聯后的總阻抗值就是15K歐姆。這相對于源電路的輸出阻抗150歐姆來說，非常高了。

高阻抗Hi-fi（高保真)標準

盡管絕大多數的高保真設備都使用電壓匹配概念，還是有一些其他范疇的概念被應用到音頻設備上。許多年前，DIN（德國工業標準）組織定義了一種接口標準，這個標準使用電流源來提供輸出信號，而不是我們所使用的電壓源。DIN接口使用DIN插口（就是應用在MIDI接口上眾所周知的DIN插口），有三針，五針，七針配置的，有的時候還有八針的。五針的是對應于立體聲接口的標準，可以同時傳送立體聲輸入和輸出（使用四針），還有一條公用地線，總共五針。

用電流源產生輸出的關鍵就是接收設備的信號電壓幾乎是完全基于輸入阻抗的。DIN規格也說明了電流源應該對于每1K歐姆的輸入電阻供應1mV（毫伏）的電壓。比較有代表意義的兼容DIN的輸入阻抗是100K歐姆，此時的輸入信號電壓大概是100mV（毫伏）。

擁有唱機連接器的高保真設備通常使用電壓匹配，使用非常低的輸出阻抗，很高的輸入阻抗（很少可以超過100K歐姆）。比較典型的信號電平都是在250mVRMS(RMS—均方根值，此處為交變電壓的有效值)和1VRMS之間變化，盡管CD和DVD播放器通常被指定使用2VRMS的輸出電壓。

麥克風和前置放大器

在麥克風較早的發展時期，許多麥克風和前置放大器系統都是按照阻抗匹配接口來設計的—基本都使用300歐姆阻抗，還有其他一些標準。后來，隨著電容話筒和其內部的阻抗轉換放大器的發展，電壓匹配也開始被應用到所有類型的麥克風上，直到現在。

由于大部分的麥克風都使用150-200歐姆的輸出阻抗，所以很多前置放大器的輸入都提供1.5K-3k的輸入阻抗（應用到了我前面提到的至少10倍法則）。保持較低的麥克風放大器輸入阻抗也是很好的辦法，因為在電流通過它們的時候，電阻會產生噪聲；電阻值越大，噪聲也就越大。來自麥克風的信號相對較弱，一般還需要很大的增益，那么噪聲也就伴隨存在。這就是在提供相同的輸入噪聲測量時，麥克風的前置放大器規格為什么要使用源電路阻抗的原因所在。源電路的阻抗越小，噪聲也就越小。

電吉他的阻抗問題

通常用在電吉他和貝司上的拾音器都是呈現（電）感（特）性而不是容性的（由于連接在琴弦下面鐵塊所致）。因為拾音器會呈現出較高的輸出阻抗，它一般會給吉他放大器和DI盒巨大的輸入阻抗。這個阻抗最少也要達到470K歐姆，有很多琴都是超過1M歐姆（1M=1000K），還有一些安裝在木吉他里的磁性拾音器比這個阻抗更高。

如果輸入設備（即吉他放大器或DI盒等設備）的阻抗太低，很容易導致音頻的高頻末端成分損失—實際上，即使是使用高容性的吉他線，還是會有高頻的損失（請參看“阻抗與頻率響應”專題）。這樣錄出來的聲音很死板。

信號電平：dBm或dBu？

從通信業引用過來的另一個標準就是所謂的0dB線路電平。因為通信行業在乎的是能量傳輸，他們以毫瓦來測量音頻信號。實際上，標準信號的電平是1mW（毫瓦）。功率、電阻以及電壓之間的關系是P= V2/R。如果用1毫瓦對應600歐姆的話，電壓就是0.775伏特。是不是很眼熟？應該是，這就是我們參照RMS（均方根）電壓，直到今天還在沿用的標準線路電平值。我們以分貝來測量音頻信號振幅是為了便利，參考值也是0dB。標稱的通信信號電平是用0dBm來定義的，“m”就是參照600歐姆1毫瓦這個標準。

當廣播業和音頻業從阻抗匹配轉向橋式輸入的時候，“1毫瓦600歐姆”這個參數也就沒有意義了，但是信號振幅的量值被保留了下來。為了很好地區分開，0dBu使用了“u”來表示阻抗是未指明的。所以，0dBu參照電平仍然是0.775伏的RMS（均方根）電壓。

揚聲器阻抗

很多讀者都明白揚聲器通常所使用的標稱阻抗：4歐、8歐、15歐、或是16歐。揚聲器是非常復雜的東西，使用被動交叉線路的揚聲器是非?？简灧糯笃黩寗幽芰Φ?。絕大部分的制造商都會反復測試并描繪出揚聲器對應頻率的阻抗變化曲線。簡單的測試只能顯示出阻抗對應頻率是如何變化的，所以對于放大器來說，在全頻段準確地傳送信號是比較困難的。

一般來說，放大器都擁有極低的輸出阻抗（通常都不到1歐而已）以致于揚聲器的阻抗相對它來說是較高的。但是，連接線的阻抗也可能對音質有所影響。比如，呈現高阻抗的較便宜的系統，串聯多個揚聲器后，放大器的一部分能量都會耗費在連接線的發熱上。線纜電阻也同樣會影響到橋式特性，電阻要十分低而不呈現很大的容性。

順便說一下，如果你串聯多個揚聲器，那么通過揚聲器個數的增加，阻抗也在不斷增大。例如，兩個8歐姆揚聲器串聯在一起，總的阻抗就是16歐姆。計算并聯的揚聲器阻抗稍微復雜一點。如果單個揚聲器的阻抗是R1 、R2 、R3 等等，那么并聯后的阻抗就如圖： 那么兩個8歐姆的揚聲器并聯在一起，并聯后的總阻抗由上面的式子可以算出是4歐姆。圖中有四個8歐姆揚聲器，它們要連接到一個能驅動8歐姆負載的放大器上。相對于只接一個揚聲器來說，這四個揚聲器所接收的能量少一些，但是總能量是不變的。使用多個揚聲器也是有好處的：可以使用稍微廉價的揚聲器，因為它們不需要產生很大的能量，還可以將這些揚聲器擺放成錐面以提升系統的低音表現力—因此一些貝司音箱就是使用這樣的多揚聲器設計的。

上圖四個8歐姆的揚聲器連接到一個放大上，還保持著8歐姆的總負載阻抗。

特性阻抗

不僅僅是電路元件有阻抗，線纜也有阻抗值，我們稱其為特性阻抗。如果你只把線纜看做是由金屬編織網做屏蔽線包裹線芯的話，再仔細思考一下。實際上，每根線纜在屏蔽網和線芯之間都呈現了（電）容（特）性，沿著線纜也還伴有自感應現象（盡管電容的大小直接影響著阻抗值的大?。?。線纜的特性阻抗值是由每米長的內在電容所計算的。

然而，在線纜和元件之間有一點不同的就是線纜的特性阻抗不會因線纜串聯而增大（假設在連接中沒有阻抗不匹配的錯誤），除了超長的線纜。這也就意味著你可以在阻抗匹配的數字系統中隨意使用被動數字接線盤來連接不同的設備。

耳機

耳機和揚聲器一樣，對于推動放大器來說也表現出了負載阻抗的特性。然而，有三種類型的耳機設計—我在這里談論的是阻抗，而不是封閉式、開放式或內耳式的特點。耳機的阻抗是由它的線圈所使用線的長度、粗細以及繞的圈數等等因素來決定的。阻抗會影響到耳機的音量、磁場強度以及其他一些設計表現。最好是使用分貝每毫瓦（dB/mW）的耳機靈敏度。用于驅動耳機的放大器設計也是影響輸出音量的一個重要因素。

廣泛地來說，根據阻抗的不同，耳機被分為三類：廣播級、專業級和便攜式?！皬V播級”擁有相對較高的阻抗，阻抗的范圍基本在1.5K歐姆到2K歐姆之間。相對較高的阻抗可以讓耳機能夠被掛接在配線架上來監聽信號源，并由此判斷是否因為錯誤的連接而導致信號電平下降。我們常見的Beyer DT100耳機的阻抗規格就是2K歐姆。

“專業級”耳機的阻抗一般被設計在150歐姆到600歐姆之間。這一類的耳機通常都是以較低的阻抗獲得較高的音量。在市場策略引導下，有些廠商還會把同型的耳機進行不同的設計，接到放大器上，阻抗較低的那種音量會更大。使用150歐姆阻抗的森海塞爾HD250耳機就是此類耳機。

第三種“便攜式”耳機的設計更趨向于便攜CD的使用。功率來自于電壓和電流，但是供給放大器的電壓是有限的（因為你使用的是電池），那么更大的功率需要更大的電流。這也就使得我們只能使用低阻抗的耳機。這種耳機一般都設計在8歐姆-32歐姆之間。使用24歐姆阻抗的索尼MDR7509耳機就是個代表。

人們也逐漸趨于在便攜設備上使用高品質的“專業級”阻抗耳機，除了最大音量相對低阻抗耳機較小以外，設備的電池供電時間也會縮短。許多制造商都在不同型號的耳機產品上提供了阻抗的大小變化的檔位設置，Beyerdynamic公司在這個方面做的比較全面，但是這些阻抗大小的設置如果沒有適合你的，這又是個值得考慮的問題了。

揚聲器負載和電子管放大器

許多現在的晶體管放大器對于它們的輸出是否適應揚聲器（任何標稱阻抗的）或是短路和斷路這個問題上得到了解決，但是許多電子管放大器卻沒有很好的耐久度。實際上，很多好的電子管放大器在接上不適當的揚聲器而推動的話，它是在自我破壞！原因是比較復雜的，這也依賴于在輸出電路設計上的一些因素，但是也可以使用“映射”阻抗來解決這個問題。

大多數（不是全部）的電子管放大器都使用輸出轉換器。轉換器主要用于在電子管和揚聲器之間轉換有效負載阻抗—一個典型電子管輸出電路需要5K歐姆-10K歐姆之間的負載，而揚聲器實際上可能只需要4歐姆-15歐姆的標稱阻抗。在轉換器為電子管輸出階段創建不同的負載阻抗的過程中，它通過“映射”揚聲器的阻抗來完成整個轉換。這樣一來，15歐姆的揚聲器就被近似看成是輸出電子管的9K歐姆負載。如果揚聲器還有不同的喇叭相連的話，那么電子管輸出會被看成是一個不同的負載，它的表現和操作特性也會隨之改變。

為了使系統能更好的適應不同的揚聲器，許多電子管放大器對應不同的揚聲器負載都有不同的輸出終端（或是一些選擇標稱輸出阻抗的方法）。如果揚聲器的連接線斷了，會發生什么？現在就不是把15歐姆的負載映射成電子管的9K歐姆負載了，我們現在的負載是無窮大，這個負載會被映射為電子管的無窮大負載。如果電流給定，無窮大的負載需要無窮大的電壓。假定一個瞬時的正極音頻信號（可能是鼓的一次敲擊）在輸出轉換器沒有負載的情況下驅動輸出電子管。當信號停止時，磁場就會使轉換器崩潰并產生一個被稱之為“回轉電動勢”的負極信號。由于負載阻抗無窮大，回轉電動勢也就會產生一個無窮大的反轉電壓并直接作用于電子管的陽極。而且電子管在使用中，這個巨大的回轉電動勢很可能遠遠超過了額定工作電壓，最終燒毀電子管，破壞柵極或陽極。

然而，這個回轉電動勢只會在你第一次推動放大器所產生。如果沒有給放大器輸入信號，就不會有輸出信號，更不會產生回轉電動勢。只要我們在連接輸入設備之前經常檢查一下揚聲器是否被正確地連接到電子管放大器上（正確的輸出終端或是所選的轉換器檔），這樣的情況是不可能發生的。

音頻測量、視頻和數字音頻

為了圍繞這個阻抗的話題，我在收集一些相關的陌生話題，但是它們的意義不大。準確的音頻信號電平測量需要接口配置和適當的阻抗或電壓匹配的知識來做支持。一般說來，外部表頭（即儀表）—無論是特有的測試和測量設備，還是一般的表頭，它們都被設計成較高的輸入阻抗。這樣它們可以不使用負載而連接音頻電路，也不會影響電平。畢竟，劇烈地改變你要測量的信號電平，對于你的表頭來說，這是非常愚蠢的。在進行正常的電壓匹配后，你只要簡單的把表頭接在音頻電路里就可以了。但是，直接把高阻抗的表頭連接到阻抗匹配的環境中也會引發一些錯誤。因為源電路的輸出被設計為驅動600歐姆阻抗，其他的東西會讓電平混亂。基于這個原因，測試和測量表頭一般都配備有600歐姆轉接器。

盡管在當今的廣播業中，諸如BBC這樣的公司很少能找到600歐姆阻抗匹配的音頻設備，但這仍然值得我們研究，因為它也應用在數字音頻和視頻領域，這兩個領域都是阻抗匹配系統。視頻接口一般都是使用75歐姆阻抗匹配連接。換句話說，源信號來自于75歐姆的輸出設備，輸入設備的阻抗也是75歐姆，同軸線纜的特性阻抗也是75歐姆。

許多視頻設備在輸入連接也提供了75歐姆的轉接終端，但那是為了靈活而設計的，而不是為了貶低平衡阻抗的概念。在平衡的匹配系統，連接源電路和目標電路的線纜都必須是75歐姆特性阻抗。然而，我們常常必須為一個輸出連接多臺設備，那并不是嚴格的阻抗匹配系統。圍繞這個問題的辦法就是把目標設備的輸入并聯起來（使用特殊的T型適配器一個個連接），連接的最后一個設備使用75歐姆的終結器。這樣，源電路只被看作是推動一個目標，阻抗匹配也就保持下來了。

上圖 盡管數字字時鐘輸入和輸出都被阻抗匹配，如果你在鏈路的末端只使用75歐姆的終結阻抗，那么一個信號輸入就可以連接多個輸入。

這個阻抗匹配的概念也被用于S/PDIF數字音頻信號（在唱機或BNC連接器）和數字音頻字時鐘。同時使用75歐姆的同軸線纜連接75歐姆接口。不要使用比較舊的屏蔽線，因為不匹配的特性阻抗會導致回授和信號衰減，阻止數據完全傳送等等問題。

許多S/PDIF線路都是一對一的連接，所以源電路和目標電路設備都呈現75歐姆的阻抗，也要通過75歐姆的線纜來連接。但是，字時鐘信號通常都是分享給多臺目標設備的，所以許多制造商也采用了和視頻設備制造商同樣的時鐘輸入接口。換句話說，字時鐘輸入被設計為擁有75歐姆終結器轉換開關的高阻抗設備。視頻的應用也是如此。只是鏈路的最后一個設備要提供75歐姆終結器—不這樣的話，就會導致回授和信號損失。

譯者注：本文到此結束，與中心思想無關的文字，本人刪去了N字，文章的術語是多了點，但相對來說沒有涉及到音頻電子學和太多的數學，如果你對硬件連接比較感興趣，相信本文是你很好的學習文章，我們只注重國外作者嚴謹的思路和對硬件發展的了解，在此謝謝作者！