立体声扩展电路原理与制作

普通双声道放声设备的声象出现在左、右两扬声器之间，这使立体声“画面”受扬声器布局的限制，不能展宽。如一般便携式和台式立体声收录机，其左、右两组扬声器的间距仅在几十厘米之间，聆听者只有处于录音机面前很近位置时，才能感觉到一点立体声效果。组合式立体声放声设备的喇叭箱可以独立分开，喇叭箱在室内的间距调整在1.5至“3”米之间，可有较宽的立体声“画面”，但有时仍希望立体声“画面”能进一步扩展，以增强一些包围感。因此，不少新型立体声收录机采用了扩展电路。面板上设有“展宽”（Wide）或“双耳声”（Biphonic）等开关。不扩展时的声象分布如图1所示。扩展后的声象分布如图2所示，声象能够在扬声器的外侧出现。下面我们先谈谈扩展原理，然后介绍一种适合业余制作的扩展电路。

大家知道，我们的听觉能够判断所听到的声音来自哪个方向，是由于这个声音传到我们双耳时产生了一定的强度差或时间差。例如，声音传到两耳时强度相同，我们就会判断这个声音是来自正前方（或正后方）；若某一侧耳朵听到的声音比另一侧响，我们就会判断声音来自听音响的那只耳朵的侧前方（或侧后方）。当然，这种听觉定位能力完全是本能的，是由听觉生理功能决定的。实际听音时，不一定意识到哪一侧耳朵感受的声音响。

目前的双通道立体声系统大多是利用这种强度差定位原理实现立体声重放。我们以一种采用XY制录音工艺的立体声系统为例来说明（见图1）：录音棚里，假设有图示各操不同乐器的五位演奏者演出，放置在他们前方中心线上的是一对有“8”字形指向特性的话筒，所谓“8”字形指向特性，就是声源正对这种话筒的前、后方向发音时，话筒拾取的声音信号最强，而偏向两个侧面发音，拾取的信号强度逐渐减弱。由于五位演奏者各自相对两只录音话筒的方位角度不同，两只话筒便拾取了五对强度差互不相同的信号。把这些信号用录音机录下来，然后复制磁带，或给唱片刻槽，或进行立体声广播就可传输到听众的家用立体声设备中。放音时，左右两个喇叭箱不但重放出五种乐器的声音，而且每种乐器从左右喇叭箱发出的音量不同，其强度差分贝值与原话筒录音时的强度差分贝值相同。由于存在这种强度差，我们在两喇叭箱中心对称线（也称法线）位置上聆听，便会感到五种乐器的声音分布在两喇叭箱之间的连线上。如图示位置的吉他。两个喇叭箱每一瞬间发出的声音音量相等，听者便感到吉他声来自正前方；两个喇叭箱每一瞬间发出鼓的声音强度差8分贝，听者便会感到鼓声来自两喇叭箱连线右侧1／4处，而不是分别发自两喇叭箱；大提琴由于两喇叭箱声音相差18分贝以上，听者便感到这种乐器声音来自右侧喇叭。其余两种乐器的声音方位可同理类推。这种对重放声空间方位的印象称“声象”，或“虚声源”，“感觉声源”等。它是人们听觉机能心理生理学范畴的现象，属于一种听觉效应。立体声重放正是利用这种效应，以声象群的形式构成立体声“画面”或称“声舞台”。

根据理论和实验证明，声象方位角可用下式表示

式中符号的意义可参看图1。α为声象方位角，如图1中α为鼓声的声象方位角，其他各种乐器的方位角为其声象与听者法线的夹角；θ为喇叭箱与听者法线的夹角，习称倾听角；P\(_{L}\)和PR分别为某一种乐器从左、右喇叭箱发出的声音在听音处形成的声压值，以下分析可近似取为左、右通道信号的强度；P\(_{1}\)／P2是左或右喇叭箱单路放音时在听者双耳形成的声压比。对于1000赫以下的声音信号，由于其波长接近或大于人的两耳间距离，声波便在人头部发生绕射作用，P\(_{1}\)／P2值随频率的降低而接近1，于是上式可近似为：

此式称为立体声声象定位正弦定律。由公式（2）显而易见：P\(_{L}\)－PR≤P\(_{L}\)＋PR，即分子项小于或等于分母项。因此α角必然小于或等于θ角，这说明声象出现的范围最宽不超过两喇叭箱内侧。那么，有什么办法能够使声象扩展到喇叭箱外侧去呢？

从公式（2）可见，如能使分子项大于分母项，就可使α＞θ，这只要将式中的P\(_{R}\)一项变成（－PR），就可实现：

P\(_{R}\)变为（－PR）可通过将右路R电信号反相180°来实现。实验证明，用这种方法获得的声象出现在喇叭箱外侧，而两喇叭箱之间却不再有该声象出现了，这是由于\(\frac{P}{_{L}}\)+PRP\(_{L}\)-PR≥1，此时α角不可能再小于θ角的缘故。极端情况是P\(_{L}\)＝PR，此时P\(_{L}\)-PR＝0，出现Sinα＝∞，导致听觉无法定位。

实用的办法是在立体声音频放大电路中，把每一路的电信号取出一小部分，并把取出的电信号相位反转180°，然后加入到另一路中去，构成如下的左、右路新合成信号（见图2）

式中：P\(_{L}\)、PR为合成前的原左、右路信号，K为引进邻通道反相信号与主信道信号的强度比。0＜K＜1，KP\(_{R}\)、KPL为反相串音信号，

将新合成的信号P′\(_{L}\)、P′R代入正弦定律公式得：

分析此式，显然\(\frac{1+K}{1-K}\)＞1，而P\(_{L}\)-PR;P\(_{L}\)+PR相当立体声录音时各个点声源（例如图1中的五种乐器）其值在0～1范围之间。当\(\frac{P}{_{L}}\)-PRP\(_{L}\)+PR=0时，Sin′=0，α′=0°，声象出现在两喇叭箱连线正中位置；当P\(_{L}\)-PR;P\(_{L}\)+PR=1时Sinα′=\(\frac{1+K}{1-K}\)·Sinθ，由于1+K;1-K＞1，必然使Sinα′＞Sinθ因此α′＞θ，声象出现在喇叭箱外侧；0＜\(\frac{P}{_{L}}\)-PRP\(_{L}\)+PR＜1时声像出现在上述两种声像位置之间。这已为理论和人类听觉试验所证实。

K值要根据Sinα′不能大于1的原则选择，否则声像方位角α′将没有确切值，这是因为三角函数正弦值永远不能大于1。在电路中可通过分压电路实现，有时也可用声像扩展电位器调节，实际上就是改变K值，从而改变了声像方位角α′的大小。对于便携机，由于听者常处于θ＜30°的位置上听音，K可选得大些；而组合式机，听者常可能在θ＜30°的位置上听音，K值取20～30％就行了。

另外，公式（2）主要适用于低音频范围，对于全频域声象定位则须按公式（1）计算。也就是说，上述声像扩展方法主要适用于低音频范围，理论分析和实验都证明，扩展效果最显著的频率范围在200赫至2000赫之间，而这段频域正是一般音乐节目声功率频谱密度最大区域，也是人耳感觉最锐敏的频域。因此，一般如图2那样，在反相串音支路中应接入带通滤波器。实用电路中，采用最简单的RC带通滤波器即可达到要求。

图3为参照日本夏普GF9191X收录机立体声扩展电路，配用国产器件后的改进电路，听音效果与GF9191X机相同，声象可明显地得到扩展。通常将此电路连接在双通道立体声音频放大器的音调电路之后，功率放大器之前。在此电路的输出端装一个双刀双位拨动开关，以便于在“普通立体声”和“扩展立体声”两种工作状态间变换。

此电路的方框图与图2相同。电路上下两半边（左、右通道）完全对称，元器件参数相同，我们以上半边（左通道）为例说明工作原理。

BG\(_{1}\)做为双端输出相位分割放大器使用，它经C1与前级音调电路连接，R\(_{1}\)为它的偏置电路；R2、R\(_{3}\)分别为其集电极、发射极负载电阻，注意该电路与普通共射放大电路不同之处是R3无并联交流旁路电容，与普通共集跟随器电路不同之处是R\(_{2}\)无并联交流旁路电容。所以，它兼有集电极和发射极两个输出端。大家知道，共射放大器集电极输出的信号与基极输入信号相位相差180°，而共集放大器发射极输出信号则与基极输入信号同相位。故此处BG1管的集、射两极输出信号相位相差180°（见图4所示）。

经BG\(_{1}\)射极输出的信号做为左通道的主信号直接送至下一级BG2输入端，而BG\(_{3}\)管集电极输出的右通道反相信号做为串音信号经开关也注入BG2输入端，完成两信号相加。同理，BG\(_{3}\)的射极输出信号做为右通道的主信号，BG1集电极输出左通道反相信号做为串音信号，两者同时注入BG\(_{4}\)。R2、R\(_{4}\)、C2、R\(_{5}\)、C3和另通道的R\(_{26}\)、R23及BG\(_{4}\)的输入阻抗Ri共同构成了带通滤波器。由于BG\(_{4}\)的共集组态的射极跟随器，其输入阻抗Ri远大于R\(_{26}\)与R23的串联值，在计算中可忽略不计。经计算可得此带通滤波器的高端截止频率为：

低端截止频率为：

其滤波电路和频率响应曲线如图4所示。因左、右通道电路对称，另一通道的带通滤波器与此相同。

下面再分析串音量K值。先看图5，U\(_{c}\)=R2·i\(_{c}\)、Ue＝R\(_{3}\)·ie，因为R\(_{2}\)、R3旁均无交流旁路电容，则可近似取交变电流i\(_{c}\)≈ie，故U\(_{c}\)=R2R\(_{3}\)·Ue=270;560·U\(_{e}\)≈\(\frac{1}{2}\)Ue，就是说：BG\(_{1}\)管集电极输出的反相串音信号是发射极输出主信号的一半。同理，BG3管也一样。另外，在BG\(_{1}\)集电极和BG3发射极之间存在着由R\(_{4}\)、R5、C\(_{3}\)、C24、C\(_{26}\)构成的分压电路，C3和C\(_{24}\)的交点是主、串信号相加注入后级电路之点。在带通滤波器的通带内，主要起分压作用的是R4、R\(_{5}\)和R26、R\(_{23}\)，其分压值为R26+R\(_{23}\)/R4+R\(_{5}\)+R26+R\(_{23}\)≈57％，则可算得

实验证明：改变R\(_{5}\)与R26的比值，即可改变K值，使得在不同的倾听角条件下，获得最佳扩展效果。当倾听角θ＜30°时，K值可选择为0.3～0.6。

其它元件，R\(_{7}\)是开关位于“普通主体声”时，做为串音支路的负载用，避免由于串音支路输出端开路而引出辐射干扰等；R8是“普通立体声”时主输出信号的分压电阻，用以调整“普”“扩”转换时通道增益的一致性，即不使音量有明显变化；C\(_{4}\)是隔直流耦合电容；BG2、BG\(_{4}\)为扩展电路的输出级，本级采用射极跟随器电路可为前级提供高负载阻抗，减小对前级特性的影响，并方便地与后级各种功率放大电路连接。

现在有不少整机厂和业余爱好者采用集成功率放大器装制立体声机。采用这种器件时，装制扩展电路的方法更简便，这类集成电路原理与运算放大器相同，其输入级多采用差分放大器形式，有两个输入端，一端馈入前级来的信号，另一端馈入后级来的反馈信号。利用后者再馈入另一通道的输出信号就可构成反相串音。串音电路中应同前述一样接入带通滤波器和分压电路。如日产三洋M9998K型立体声收录机就是采用这种主体声扩展方法。

晶体管选择与工作点调整：图3中4只晶体管均采用高频小功率硅管3DG201，也可用3DX201、3DG6等类型的小功率管代替。β值可取在40～100之间，要求配对；BG\(_{2}\)、BG4因用于射极跟随器电路，要求可低一些，β大些无妨。BG\(_{1}\)、BG3的静态工作点如图3标注值，此时I\(_{c}\)≈3.5mA。如电流偏小，会使线性放大的动态范围缩小。按图示电路，输入端注入1.2V音频信号，谐波失真小于1％，足以和前级音调电路衔接。如果电源电压不是9V，或采用其他型号的管子，工作点与图3不符时，可调整有“*”号的电阻。

印刷线路板与布线：本扩展电路最好和读者选用的立体声音频放大器其他各部分电路装在一块印刷板上，可减少外接线（当然，对已装成的立体声放大器也可用附加线路板）。通常，画线路板时最好将左、右通道对称布线，这样既清楚醒目，便于检查测量，又可使两通道的地电流有一样的通路，有利于两路性能的一致。两通道的“扩展立体声”开关引线不应结扎在一起，以免线路耦合，造成高音频串漏影响立体声分离度。同时，这些引线也不宜靠近功放管壳体，以免接收动放管空间辐射，引起附加串音。（上官沁）