1、第4章 音频功率放大器第第4章章 音频功率放大器音频功率放大器 4.1 音频功率放大器基础音频功率放大器基础 4.2 功率放大器功率放大器 4.3 专业音频功率放大器专业音频功率放大器 第4章 音频功率放大器4.1 音频功率放大器基础音频功率放大器基础 所谓放大器是指能够对电压(或电流)信号进行不失真放大的有源电路，在实际应用中通常将其分为前级放大和后级放大两种。前级放大也称为前置放大，在专业音响系统中通常将其安排在调音台部分。其主要作用是将音频信号进行初步的电压放大，以便其它电路对音频信号进行处理；而后级放大称为音频功率放大，在专业音响系统中通常是一台独立的设备，第4章 音频功率放大器 其主
2、要作用是将经过调音台处理后的信号进行功率放大，以提供足够大的功率去推动音箱工作。此外，在一些非专业音响系统中，为了减少连接线、缩小体积、降低成本，往往也将前置放大和功率放大放在一台设备内，构成组合式放大器。组合式放大器的使用效果一般不如专业音响中的独立设备，但用户使用起来较为方便，因此这种方式大多用在家用音响系统中。第4章 音频功率放大器 4.1.1 功率放大器的基本组成及作用 功率放大器的基本组成如图41所示。图41 功率放大器的基本组成 第4章 音频功率放大器 就其功能来说，功率放大器比前置放大器的电路简单，但其消耗的功率远比前置放大器大。因为功率放大器的实质就是将直流电能转化为音频信号的
3、交流电能。输入级起着缓冲作用，其输入阻抗较高。通常要引入一定的负反馈，增加整个功放电路的稳定性并减小噪声，减小本级电路对前级电路的影响。预激励级的作用是控制其后的激励级和功率输出级两推挽管的直流平衡，并提供足够的电压增益，输出较大的电压以推动激励级和功放级正常工作。第4章 音频功率放大器 激励级的作用是给功率输出级提供足够大的激励电流及稳定的静态偏压。激励级和功率输出级则向扬声器提供足够的激励电流，以保证扬声器正常工作。此外，功率输出级还向保护电路、功率指示电路提供控制信号，向输出级提供负反馈信号。由于放大器技术比较成熟，元器件又都是常用部件，电路连接比较清楚简单。因此，在技术上已不存在保密的
4、可能，各个厂家生产的同等成本、同等档次的放大器在性能上的差别不太大；所不同的是外观、工艺以及零部件的个体差异带来的电声、电器性能的差别；相比之下，国产音响系统与进口名牌产品的差距较大，读者可根据自己的条件及要求选择相应档次的音响系统。第4章 音频功率放大器 4.1.2 音频功率放大器的分类 1.按功率放大器与音箱的配接方式分 (1)定压式功放。为了远距离传输音频功率信号，减少在传输线上的能量损耗，该方式以较高电压形式传送音频功率信号。一般有75V、120V、240V等不同电压输出端子供使用者选择。使用定压功放要求功放和扬声器之间使用线性变压器进行阻抗匹配。如果使用多只扬声器，则需要用公式进行计
5、算，多只扬声器的功率总和不得超过功率放大器的额定功率。另外，传输线的直径不要过小，以减小导线的电流损耗。第4章 音频功率放大器 (2)定阻式功放。功率放大器以固定阻抗形式输出音频功率信号，也就是要求音箱按规定的阻抗进行配接，才能得到额定功率的输出分配。例如，一台100W的功率放大器，它实际的输出电压是28.3V(在一个恒定音频信号输入时)，那么接上一只8音箱时，可获得100W的音频功率信号。即2228.3100()8oLupWR第4章 音频功率放大器 如果两只8音箱串联，即阻抗为16，那么实际输出功率 228.350()16opW此时，其功放输出功率为50W。如果两只8音箱并联，即阻抗为4，那
6、么实际输出功率228.3200()4opW 这时，功放已经超负荷了，机器会开始发热，最后将会损坏功率放大器。第4章 音频功率放大器 2.按功率放大器的使用元件分 按功率放大器使用的元件，可把它分成四类。(1)电子管功率放大器。电子管在音频领域里发挥过重要的作用，尤其是在20世纪60年代以前均是使用电子管制作功率放大器的，后来被体积小、功率大、耗能少、技术参数高的晶体管所取代。但是在20世纪90年代以后，欧洲人又追忆起电子管放大器的某些独有的特色：音色柔和、富有弹性和空间感强等优点。所以，电子管功放又重新出现在人们的生活、娱乐当中。第4章 音频功率放大器 (2)晶体管功率放大器。晶体管功率放大器
7、具有体积小、功率大、耗能少等特点，技术参数指标很高，具有良好的瞬态特性等优点。它有分立式的电路结构，这种电路用在很多功率放大器中。第4章 音频功率放大器 (3)集成电路功率放大器。由于大功率晶体管的品种日益繁多，使得集成大功率优质功放得以大量应用。并且在电路设计中采用了大电流、超动态、超线性的DD电路(菱形差动放大电路)和霍尔电路，或者采用动态偏置、双电流供电以及全互补等一系列技术，使得集成功放的谐波失真大大降低(小于0.05%以下)，频率响应达到20Hz20kHz以上，而且在电路中还可以方便地加入各种保护电路。目前专业音频功率放大器几乎都采用集成功率放大模块作功放的输出级。第4章 音频功率放
8、大器 (4)VMOS功率放大器。随着场效应管生产技术的不断发展，大功率的场效应管品种也日趋丰富。因为场效应管是电压控制的器件，它具有负温度特性，因此无需对输出管进行复杂的保护，而且它具有和电子管相似的音色。采用场效应管制作的功放具有噪声低、动态范围大、无需保护等特点。其电路简单，而性能却十分优越。第4章 音频功率放大器 3.按晶体管工作特性分 按其工作特性，可把功率放大器分成以下三类。(1)甲类功率放大器。这类功率放大器的晶体管工作在特性曲线的直线段，用一只晶体管将声波的正负半波完整地进行放大。因此，正弦波波形非常完整，不存在交越失真的问题，失真度很小，在Hi-Fi音响领域里很多厂家选用此种功
9、放，如英国罗特功放、音乐传真功放和日本的金嗓子功放都是甲类功率放大器。第4章 音频功率放大器 (2)乙类功率放大器。它是用两只晶体管共同完成声波的能量放大。一只管子担任正半波的放大工作，另一个管子完成负半波的放大工作。最后合成为一完整的正弦波。用这种方式对音频信号进行放大的功放称为乙类功放。由于两只功放管共同完成了声波的放大，所以，其输出功率较大，但存在着交越失真。在正负半周的波形连接处，由于晶体管的非线性，波形的合成总是存在着一些不够平滑的现象。这种由于两个电路合成时所产生的波形失真称为交越失真。第4章 音频功率放大器 (3)甲乙类功率放大器。这是一种介于甲类和乙类之间的功率放大器。它能在较
10、小失真的情况下，获得较高的功率输出。这也是一种被广泛应用的功率放大器。4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分 (1)OTL电路。OTL电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路，通常采用单电源供电，从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号。与采用输出变压器的功放电路相比，具有体积小、重量轻、制作方便等优点，性能也较好。第4章 音频功率放大器 (2)OCL电路。OCL电路的最大特点是电路全部采用直接耦合方式，中间既不要输入、输出变压器，也不要输出电容，通常采用正、负对称电源供电。该电路克服了OTL电路中输出电容的不良影响，如低频性能不好、放大器工作不稳定，以及输出晶体管和扬声器受浪涌电流的冲击等。
11、(3)BTL电路。BTL电路的特点是把负载扬声器跨接在两组性能相同、输出信号相位相反的单端推挽功率放大电路之间，这样在较低的电源电压下能得到较大的输出功率。通常采用单组电源供电。第4章 音频功率放大器 4.1.3 功率放大器的技术指标 一个好的放大器，要求能准确地放大来自各声源的声音信号，并能反映出该声音信号的音量、音调和音色，力图恢复该声源音质状况的本来面貌。对于立体声系统，还要能重现声的位置以及周围的背景声、混响声和反射声等。具体评判一个放大器的好坏，需要有一些具体的、客观的评判指标，下面对这些指标分别予以介绍。第4章 音频功率放大器 1.输出功率 输出功率的大小是根据放大器的使用环境、条
12、件及对象等许多因素决定的，它是功率放大器最基本的一项指标。衡量放大器输出功率的指标有最大不失真连续功率、音乐功率和峰值功率等几种不同的指标。目前公认的指标是“最大不失真连续功率”，又叫RMS功率，正弦波功率或平均值功率等。其含义是相同的，它是指放大器配接额定负载时(通常RL=8)，在总的谐波失真系数小于1%，负载两端测出1kHz的正弦波电压的平方，除以负载电阻而得出。即21RMSLUpR(41)第4章 音频功率放大器 2.增益 放大器的增益是放大器放大能力的重要指标，也称为放大倍数。其定义为放大器的输出量与输入量之比。根据其输入量与输出量的不同，又分为电压增益、电流增益和功率增益，其表达式为电
13、压增益：电流增益：功率增益：ouiUAUoiiIAIopipAp(42)(43)(44)第4章 音频功率放大器式中：Uo为放大器的输出电压；Ui为放大器的输入电压；Io为放大器的输出电流；Ii为放大器的输入电流；po为放大器的输出功率；pi为放大器的输入功率。第4章 音频功率放大器 由于人耳对音量大小的感觉并不和声音功率的变化成正比，而是近似成对数关系，所以，放大器的增益也常用分贝(dB)来表示。20lgouiUAU20lgoiiIAI20lgopipAp第4章 音频功率放大器 3.信噪比 信噪比是指信号与噪声的比值，常用符号S/N来表示，它等于输出信号电压与噪声电压之比，用dB表示，即20l
14、g()oNSUdBNU(45)第4章 音频功率放大器 式中：Uo为放大器额定输出电压；UN为放大器Uo额定值输出的噪声电压。信噪比越大，表明混在信号中的噪声越小，放大器的性能越好。放大器本身噪声大小，还可以用噪声系数来衡量，它的定义是：N=输入端信噪比 输出端信噪比/iiooSNSN(46)第4章 音频功率放大器 由于管子本身的噪声，以及电阻上的热噪声，放大器输出端的信噪比往往要小于输入端的信噪比。信噪比高了意味着听音时“干净”，特别是在信号的间隙时会感到非常寂静，当你听音时能感到“动态范围大”、“音质清晰”、“干净”。信噪比大约要超过100dB。第4章 音频功率放大器 4.频率响应 频率响应
15、即有效频率范围，它是用来反映放大器对不同频率信号的放大能力。放大器的输入信号是由许多频率成分组成的复杂信号，由于放大器存在着阻抗与频率有关的电抗元件及放大器本身的结电容等，使放大器对不同频率信号的放大能力也不相同，从而引起输出信号的失真。频率响应通常用增益下降3dB以内的频率范围来表示。一般的高保真放大器为了能真实地反映各种信号，其频率响应通常应达到几Hz到几十kHz宽度，如图42所示。第4章 音频功率放大器图42 频率响应曲线 第4章 音频功率放大器 理想的频率响应在通频带内是平直的，即放大器的输出电平沿频率坐标的分布近似于一条直线。直线平直，说明放大器对各频率分量的放大能力是均匀的，虽然人
16、的听觉范围是20Hz20kHz，但为了改善瞬态响应和如实地反映各种声频信号的特点，对放大器往往要求有更宽的频率带宽，例如，从10Hz100kHz频带内不均匀度应小于10dB。总之，功率放大器频带越宽越好。第4章 音频功率放大器 5.放大器的失真 音频信号经过放大器之后，不可能完全保持原来的面貌，这就称为失真。失真的种类很多，除了上述的频率失真以外，还有谐波失真、相位失真、互调失真和瞬态失真等。其中最主要的是谐波失真。(1)谐波失真。谐波失真是指信号经放大器放大后输出的信号比原有声源信号多出了额外的谐波成分。它是由放大器的非线性引起的。其定义为22203 01 0100%fffUUHDU第4章
17、音频功率放大器 U1f0输出信号基波电压的有效值；U2f0、U3f0输出信号的二、三次谐波电压的有效值；HD总的谐波失真系数。谐波失真系数越小越好，它说明了放大器的保真度越高。高保真放大器的谐波失真应小于10%。图43为二次谐波失真波形。图中波形产生了较大的失真。当然新产生的谐波分量还有三次以至更高次数的谐波。谐波次数越高，幅度越小，因而对信号的影响也越小。第4章 音频功率放大器 图43 二次谐波失真波形(a)输入正弦波信号；(b)二次谐波信号；(c)合成信号 第4章 音频功率放大器 虽然各声道谐波失真量不同，但大体规律是相同的。频率在1kHz附近，谐波失真量最小；高于或低于1kHz时，谐波失
18、真量最大；在1kHz以上时，谐波失真随频率的增高明显急剧增大。因此，欲正确表达放大器谐波失真指标，必须标出频率范围，如图44所示。第4章 音频功率放大器图44 谐波失真与信号频率的关系曲线 第4章 音频功率放大器 (2)相位失真。相位失真是指音频信号经过放大器以后，对不同频率信号产生的相移的不均匀性，以其在工作频段内的最大相移和最小相移之差来表示。相位失真与瞬态响应及瞬时互调失真都有着密切的关系。对于高保真放大器，要求其相位失真在20kHz范围内应小于5%。(3)互调失真。互调失真也是非线性失真的一种。声音信号是由多频率信号复合而成的，这种信号通过非线性放大器时，各个频率信号之间便会相互调制，
19、产生新的频率分量，形成所谓的互调失真。因此，在选用放大器时，一定要注意放大器的非线性指标，尽量选用线性好的放大器，从而克服互调失真的影响。第4章 音频功率放大器 (4)瞬态互调失真。瞬态互调失真是指晶体管放大器由于采用了深度大回环负反馈而带来的一种失真。由于深反馈信号跨越了两级以上的放大电路，而两级间存在着电容C，当放大器输入一个持续时间非常短的瞬态脉冲信号时，由于电容C充电带来的滞后作用，使输出端不能及时得到应有的输出电压，输入端也不能及时得到应有的负反馈。在此瞬间，输出级瞬时严重过载，输出信号的波峰将被消去，从而引起失真。第4章 音频功率放大器 6.动态范围 放大器的动态范围通常是指它的最
20、高不失真输出电压与无信号时的输出噪声电压之比，用dB来表示。而信号源的动态范围是指信号中可能出现的最高电压与最低电压之比，用dB来表示。显然，放大器的动态范围必须大于输入信号源的动态范围，才能获得高保真的放大效果。动态范围越大，放大器的失真越小。第4章 音频功率放大器 7.分离度 立体声的分离度即左右声道串通衰减，是指放大器中左、右两个声道信号相互串扰的程度，单位为dB。如果串扰量大，亦即分离度低，则会出现声场不饱满，立体感将被减弱等现象，重放音乐的效果差。第4章 音频功率放大器 8.阻尼系数 阻尼系数是指放大器对负载进行电阻尼的能力，是衡量放大器内阻对扬声器所起阻尼作用大小的一项性能指标。大
21、功率音箱低音单元工作在低频大振幅状态时(尤其是谐振频率附近)，扬声器本身的机械阻尼已无法消除音箱所产生的共振，从而使音箱的瞬态特性变坏，音质出现拖泥带水，层次不清，透明度降低等现象。为了消除这些现象，可以利用减小放大器的内阻，使扬声器共振时音圈产生的感生电动势短路，由此产生的短路电流能抑制扬声器的自由振动，从而起到阻尼作用。第4章 音频功率放大器 我们把功率放大器的额定负载阻抗Ri与输出内阻Ro之比称为阻尼系数，用Fd表示idoRFR 阻尼系数的大小会影响扩音设备重放的音质。阻尼系数越大，对扬声器的抑制能力就越强。高保真扩音机的阻尼系数应在10以上。但Fd值也不是越大越好，而是要适当。不同的扬
22、声器有着不同的Fd最佳值。一般都在15100之间。第4章 音频功率放大器 9.转换速率 一台放大器能够不失真地重现正弦波，不等于能完整地放大前沿陡峭的矩形信号。为了衡量放大器在通过矩形波时引起前沿上升时间延迟，使输出信号产生失真，通常用放大器的转换速率来描述，这个指标越高越好。转换速率低，是功率放大器产生瞬态互调失真的重要原因。为了提高信号波形的再现性和减轻瞬态互调失真，放大器的高速化是完全必要的。高保真放大器的转换速率要求在20V/s以上。第4章 音频功率放大器4.2 功率放大器功率放大器 4.2.1 晶体管功率放大器 前面我们已经介绍了功率放大器可分为甲类、乙类和丙类三种，它们的集电极电压
23、、电流波形图如图45所示。另外，为了完全消除甲乙类和乙类功率放大器产生的交越失真，近来又出现了超甲类放大器和直流放大器等。第4章 音频功率放大器图45 甲、乙、丙三种工作状态时的集电极电压、电流波形 (a)甲类；(b)乙类；(c)丙类第4章 音频功率放大器 1.变压器耦合甲类功率放大器 甲类功率放大器的最基本电路如图45所示。甲类功率放大器与一般放大器所不同的是其负载不是直接接在晶体管的集电极上，而是通过变压器接入的。甲类功率放大器的电路结构和工作原理比较简单，这里不作介绍，我们主要讨论甲类功率放大器的效率。由于单管甲类功率放大器电源供给的电流是以静态电流ICQ为中心上下变化的，其平均值为IC
24、Q，电源电压为EC，所以电源提供的功率为ECICQ，最大的正弦波功率则为ICQEC/2，其放大器的效率为 第4章 音频功率放大器12100%50%CQCCQCIEIE第4章 音频功率放大器图46 甲类功率放大器第4章 音频功率放大器 以上所述是理想情况下的值。实际上，由于下列原因，其效率不可能这样高。(1)变压器的损耗。变压器初、次级各有导线电阻，它们要损耗能量；变压器的初级磁力线也不可能完全耦合到次级，存在有一定的漏磁，因此也要产生一些损耗。(2)晶体管饱和压降也不可能为零，多少都会有一定的功率损耗。(3)为稳定工作点，发射极串联有负反馈电阻Re。Re也要消耗一定的能量，同时晶体管集电极到发
25、射极之间的电压也要降低。第4章 音频功率放大器 考虑到以上因素的影响，甲类功率放大器实际效率大约只能达到30%多一点。所以，甲类功放的效率是比较低的。另外，像其它放大器一样，甲类功率放大器也同样存在有各种失真：(1)输出特性非线性引起的失真。放大器在小信号工作时，问题不大；但当大信号工作时，晶体管输出特性的非线性失真就不可忽视了。解决的办法应该是选用电流放大系数hfe线性较好的功率管和合理安排设计负载线，使其在大信号工作时，非线性失真减小。第4章 音频功率放大器 (2)输入电阻和信号源内阻引起的失真。晶体管输入电阻随信号大小变化也略有变化，由此会引起输出信号的失真；信号源内阻大也会引起失真。克
26、服的办法是合理设计电路，尽量采用电阻较大的扬声器。(3)削波失真。当输出信号超出一定范围时，晶体管进入饱和区或截止区，晶体管失去放大作用而出现削波失真。所以在设计功率放大器时，必须留有充分的功率裕量，以减小削波失真。第4章 音频功率放大器 (4)输出变压器引起的失真。这种失真主要是因变压器铁芯的H-B曲线的非线性引起的。所以，现在人们更喜欢使用无输出变压器的OTL、OCL放大器。当然，甲类功放也有它的优点，它有比较好的表现力，音色细腻、平滑流畅，不存在开关失真和交越失真。第4章 音频功率放大器 2.乙类推挽功率放大器 从功率消耗的角度来说，单管放大器的效率是比较低的。如果将输入信号一分为二，分
27、别由两只功率管来放大。其中一只管子专门放大波形的上半周，另一只管子放大波形的下半周，然后将上下两半周信号分别加到负载上去，使之合成为一个波形，这样就可以兼顾功耗与波形失真的问题。如图47所示。第4章 音频功率放大器图47 乙类推挽功率放大器 第4章 音频功率放大器 信号通过输入变压器T1，转换成为两个幅度相等，极性相反的信号，两只晶体管分别将其放大，然后在T2上合成。这里信号的正负半周之间出现了无信号的过渡区，这样输出的合成信号就与原输入信号之间产生了失真，这种失真称为“交越失真”。交越失真是乙类推挽功率放大器较为明显的问题。另外，由于输入、输出都用了变压器耦合，这样会使放大器体积、重量都较大
28、，而且其漏电感及分布电容、杂散磁场等，都会对信号产生干扰和影响，损耗增大，效率降低。所以，目前的功率放大器大都采用无输出变压器的电路，即OTL电路。第4章 音频功率放大器 3.OTL功率放大电路 OTL功率放大电路属于互补推挽电路的一种，基本工作原理电路如图48所示。图48 OTL中点电压的形成第4章 音频功率放大器 在这个电路中，两个不同极性的三极管组成了互补推挽功放电路。输入信号usr加于电路输入端，即两互补管的基极。对于usr的正半周V1(NPN)管导通而V2管截止，产生电流iC1从左向右流经负载RL;对于usr的负半周，V1截止而V2导通，产生电流iC2从右向左流经负载RL，从而在负载
29、RL上得到一个完整的放大了的输出信号。V1、V2分别在输入信号的作用下，轮流导通和截止，使电路处于推挽工作状态，C0则分别工作在充电和放电的状态。由于这个充放电时间很短，且C0的容量很大，所以C0上的电压基本保持不变。第4章 音频功率放大器 C0的选择往往与扬声器RL的阻抗和放大器的工作下限频率fL有关，一般要求6010()2LLCFf R 当放大器的级数增多时，由于各级对低频的衰减会增加，C0的值还要取大一些，一般为4702200F。上述分析是假设互补管基极接有偏置电压Ub的条件下进行的。而实际电路中，还增加了自举电路、复合管及各种补偿电路等，如图49所示为20WOTL功率放大电路。第4章
30、音频功率放大器图49 20WOTL功放电路第4章 音频功率放大器 该电路为一典型的OTL放大器的实际电路。图中V7、V8为前置激励级，V10V13构成准互补复合输出级，工作接近于乙类状态。V9用来为输出级提供稳定的静态偏置，以减小交越失真。各管的工作点及一些元件的作用如图49所示。该电路的特点：(1)通过R31从输出中点O经V11的发射极引入100%的直流负反馈信号，能使输出中点的电压稳定。(2)利用V9作恒压偏置，既能使输出级获得稳定的静态偏置，又能得到适当的补偿。第4章 音频功率放大器 (3)V12、V13的基极各串了一个电阻(R39、R41)，可改善大功率管的输入特性，降低失真。另外，R
31、26可调节功放级输出端O点的直流电压，使O点电压为电源电压的一半。R34决定了V12、V13的集电极静态电流的大小。通常该电流为1020mA，或控制V9集电极与发射极之间的电压为1.8V左右。R30可调节整个放大器的增益，使之达到指标。R34可调节功率输出级的交越失真，使交越失真达到最小程度。R37可调节两只功率输出管的平衡，使输出波形达到正负半周相等。第4章 音频功率放大器 3.OCL功率放大电路 OTL电路比变压器耦合电路有了很大的改进，但从高保真的角度看，仍有许多不足之处。主要表现为瞬态互调失真大，开环增益指标差，稳定性不好，谐波失真大，有残留交流声等。这些缺点是由于电路中的电抗元件和电
32、路的不对称引起的。为了避免OTL电路中输出电容C23对电路造成的不良影响，现在，在音频功率放大器中普遍采用无输出电容电路，即OCL电路，又称直接耦合互补倒相功率放大器。其基本电路如图410所示。第4章 音频功率放大器图410 OCL功放电路 第4章 音频功率放大器 该电路采用对称的正、负两组电源供电，使两只互补功放管能够轮流工作。其工作原理与OTL电路的相同。省去输出电容以后，OCL电路输出的中点电位不再是EC/2，而是零电位。因为这时输出与扬声器是直接耦合，若输出级中点电位不为零的话，将有直流流入扬声器，使音圈偏离中点，产生额外的失真，严重者将烧坏扬声器。所以OCL电路的中心点必须确保直流零
33、电位。第4章 音频功率放大器 同时，由于电路采用了正、负两组电源供电，省去了输出电容，使低频端没有了衰减，低频端可以一直延伸到10Hz以下，其电声指标大大超过了OTL电路。由于OCL电路各级晶体管间均采用直接耦合，温度的变化，电源电压的波动，都会产生零点漂移现象，使OCL电路输出端中点产生偏离，使电路性能恶化，因此，OCL电路往往在前级采用温度稳定性较好的差动放大电路来克服零点漂移现象的产生，如图411所示。第4章 音频功率放大器图411 OCL功放电路 第4章 音频功率放大器 OCL电路减少了一个输出电容，使低频响应和失真度有了改进，但其它电容的影响仍然和OTL电路一样，其中反馈电容(如C5
34、3)对稳定性的影响更大，在开、关机瞬间会造成中点电位瞬间偏离零点，产生一个强冲击电流。为防止此冲击电流烧坏扬声器，有的电路增加了延时通断继电器。OCL电路的电源对称性比OTL电路的好，噪声和交流声极小，但激励电平仍是不平衡的。需从以下几个方面改进其电声性能：第4章 音频功率放大器 (1)尽量减小大环路负反馈量，而增大每一级的内部反馈量。(2)用特征频率fT为几百到几千兆赫兹的超高频中功率管作末前级和前级电压放大，这样就有可能去掉中和电容或减小中和电容的数值，以减小瞬态互调失真的发生。(3)提高电路的对称性，如前级用甲类或推挽放大，平衡激励，采用全互补输出管等。第4章 音频功率放大器 (4)设法
35、使电抗元器件减至最少，必须存在的电感元件要加均衡补偿。(5)必要时限制前级的高频通带，使功放级的频响范围宽于前级放大器的频响范围。第4章 音频功率放大器 4.DC功率放大电路 针对OTL和OCL电路的缺点，近年来在大功率放大器中较多采用全对称的OCL电路，亦称DC电路，DC电路是在OCL电路基础上改进而成的，DC是表示该电路的低频响应可以一直扩展到“直流”的意思，把OCL电路的输入放大级改成互补差分放大器，以实现全对称的平衡激励，输出电路仍用OCL的形式，就成了DC放大器，如图412所示。第4章 音频功率放大器图412 DC功放电路第4章 音频功率放大器 DC电路由于去掉了输出电容、自举电容和
36、反馈电容，使这些电容的不良影响随之消除，所以，瞬态指标比OCL电路高。如果把四个互补差分管集成在一块硅片上，并选用对称性良好的激励管和输出管，性能还可以进一步提高。第4章 音频功率放大器 5.BTL功率放大电路 BTL电路是一种平衡式无变压器电路。该电路在电源电压、负载不变的情况下，使输出功率提高到OCL电路的4倍，而且由于良好的平衡性和对称性，其失真度和稳定性都获得进一步的改善，如图413所示。第4章 音频功率放大器图413 自倒相BTL电路 第4章 音频功率放大器 它利用IC1的输出信号，经过电位器Rp和R分压，由C耦合至IC2的反相输入端。调节Rp使两个集成电路的输出电压相等。BTL电路
37、的缺点是输出端不能接地，给电路测试带来困难。第4章 音频功率放大器 BTL电路与DC或OCL电路相比具有下列优点：(1)由于电路的高度对称性以及共模反馈的引入，同相干扰基本抵消，偶次谐波减到了最小程度，交流声极小，失真度低。(2)电源利用率高，输出功率大。(3)扬声器中心始终保持零电位，电冲击比其它无变压器电路小得多。(4)共模抑制比很高，使稳定性有较大的提高。第4章 音频功率放大器 6.超甲类功率放大器 超甲类功率放大器是指无截止状态的功率放大器，是为完全消除甲乙类和乙类的交越失真而出现的一种新型放大器。它能使功率放大器兼有甲类不截止和乙类效率高的优点。它采用的关键技术是所谓的动态偏置，即在
38、无信号或信号小时，偏置电压小，静态电流也小；当信号增大时，随着偏置电压增大，管子的IC0也随着增大。当IC0上升到相当于甲类状态时，管子的截止角就会等于零。第4章 音频功率放大器 如果随着输入信号发生变化，做到晶体管总不截止，这样推挽管正负两半周的合成就如同甲类放大器一样，总是在不截止的状态下进行的。因此，也就不会产生交越失真和开关失真。末级实现超甲类偏置后，失真显著减小。同时，为发挥其特点，对前置级的要求更高，前置级应具有低噪声和高稳定性等特点。OCL超甲类放大器如图414所示。第4章 音频功率放大器图414 超甲类OCL放大器 第4章 音频功率放大器 4.2.2 集成功率放大器 随着元器件
39、生产工艺的不断提高，现在的功率放大器大都采用集成电路。由于集成电路中元件的一致性较好，可靠性较高，所以作为功率放大器，其电路的性能指标也较高。下面介绍几种常用的集成功率放大电路。图415是LM1875组成的放大电路。该电路采用美国国家半导体公司生产的功放集成电路LM1875，它可以组成OTL、OCL和BTL三种不同类型的功率放大电路。这种放大电路可在1250V或650V的单、双电源下工作，不失真输出功率可达30W。第4章 音频功率放大器 集成电路LM1875设有过热、过载和抑制反向电动势的保护电路。图415所示的电路为单声道放大电路。如果是立体声双声道电路，则采用两套相同的放大电路组成。除各个
40、厂家生产的各种集成功率放大电路外，通常还使用厚膜集成电路组成功率放大电路。如日本三洋公司生产的STK系列厚膜音响集成电路，其输出功率可从几瓦到上百瓦。由于厚膜集成电路在设计上较灵活，高温性能较好，而且电路性能参数较高，因此被广泛应用。图416为STK439集成功率放大电路。表41给出STK系列音响集成电路的参数。第4章 音频功率放大器图415 LM1875组成的放大电路 第4章 音频功率放大器图415 LM1875组成的放大电路 第4章 音频功率放大器图415 LM1875组成的放大电路 第4章 音频功率放大器图416 STK439放大电路第4章 音频功率放大器 4.2.3 放大器电源电路及保
41、护电路 1.放大器的电源电路 放大器的电源电路大都采用交流稳压电源供电，其稳压原理与普通稳压电源相同。这里主要介绍放大器电源与普通稳压电源的不同之处。电源性能的优劣对高保真立体声放大器放音质量的好坏有极大影响。音响系统对电源的要求是：输出电压稳定、波纹系数小、输出足够的功率、内阻小、50Hz杂散磁场干扰小。第4章 音频功率放大器 1)稳压电源中的关键部件 稳压电源最关键的部件是变压器和滤波电容。为了使功放尽量工作在线性区，电源容量取值很大，总容量通常选在几百VA，甚至上千VA。为了保证输出波纹系数小，并满足大动态的要求，滤波电容通常选在几万微法，甚至到十几万微法。对电源变压器除了容量上的要求以
42、外，其它方面的要求也较高。早期的电源变压器多采用传统的方形变压器，因其漏磁大而且易产生干扰，近年逐步被环形变压器所取代。第4章 音频功率放大器 环形变压器具有用料少，重量轻、磁阻小、外界干扰小、空载电流小、自身杂散磁场低等特点。在使用方式上，早期的放大器多采用一只变压器供电，其最明显的弱点是左、右声道容易发生串扰，影响声像定位与清晰度。而近年制造的放大器，大多采用左、右声道分别由独立的变压器供电。由此获得的音质改善的效果，不是用更换晶体管、电阻、电容，以及改变电路等其它方法所能得到的。电源变压器采取独立分离方式，功放音质会得到明显改善，效果特别好。第4章 音频功率放大器 2)功放用开关电源 近
43、年来，功放专用开关电源在国内开始受到重视。目前，功放电路由于采用了新技术、新器件、新工艺，功放的性能指标已相当出色。与功放电源相比，功放对音质的影响相对来说少多了。电源性能的好坏对音质的影响尤为突出。电源的成分越纯净，内阻越小，音质越好。尽管人们在电源上舍得投资，采用上千瓦的环形变压器，几十安培的整流，几万至几十万微法的大滤波电容，在电路结构上采用双环形变压器，双全波高速整流线路，使供电质量得到很大的提高。第4章 音频功率放大器 但是由于电源仍是传统的低频电源，它不但体积大、份量重、电损耗大，更重要的是阻止了功放音质的进一步提高。因此，人们把注意力瞄准了开关稳压电源。高频开关稳压电源具有高稳定
44、度、高瞬态响应，能适合功放的大动态要求，是较为理想的功放电源，也是功放电源的发展方向。关于高频开关电源的工作原理可参考有关的专著，这里仅向大家介绍它的优点。首先，功放专用开关电源体积小、重量轻、功率大、效率高，用在功放中，给电路设计和布局带来了方便。工作频率为100kHz的开关电源内阻低、速度高，使功放频带能得到扩展，并且增加了功放瞬态响应的速度。第4章 音频功率放大器 用高频开关电源供电的功放最主要的优点是，功放音质将有明显的提高，功放的音域更加宽广，高音清晰、细腻；中音娇嫩甜润；低音更具有震撼力。一些很一般的功放，一旦换用开关电源，高低音将有明显的提升，音色变得亲切柔和。同时，由于高频开关
45、电源的高频特性好，使功放的声场宽阔、定位准确，特别是由于该种电源的稳定性好，功放的工作点不会随输出功率的变化而变化。在大音量时，声场照样稳定，乐器聚焦准确。第4章 音频功率放大器 3)电子管放大器的电源 对于电子管放大器的电源，这里主要介绍用于功放时应特别注意的一些问题。因为在音响功放中，对电源的要求更高一些。首先，在滤波电容容量方面，应尽量取值大一些，通常应在几千微法以上，这样会使功放电源的波纹系数大大减小；其次，对于电子管的灯丝供电，应尽量采用直流供电，以避免交流供电时的交流波纹通过灯丝与阴极、栅极间的耦合电容串入阴、栅极，从而造成较大的噪声。在电路设计中，应尽量考虑将灯丝电压设计成软启动
46、，使灯丝电压逐渐升高，提高灯丝寿命。第4章 音频功率放大器 2.功率放大器保护电路 功率放大器工作在高电压、大电流、重负荷的条件下，当强信号输入或输出负载短路时，输出管会因流过的电流过大而被烧坏。另外，在强信号输入或开机、关机时，扬声器也会经不起大电流的冲击而损坏。因此，必须对大功率音响设备的功率放大器设置保护电路。常用的电子保护电路有切断负载式、分流式、切断信号式和切断电源式等几种，其方框图如图417所示。第4章 音频功率放大器 图417 保护电路方框图(a)切断负载式；(b)分流式；(c)切断信号式；(d)切断电源式第4章 音频功率放大器 切断负载式保护电路主要由过载检测及放大电路、继电器
47、两部分所组成。当放大器输出过载或中点电位偏离零点较大时，过载检测电路输出过载信号，经放大后启动继电器动作，使扬声器断开，从而保护了扬声器。在分流式保护电路中，当输出过载时，过载检测电路输出过载信号，控制并联在两只功率管基极之间的分流电路，使其内阻减小，分流增加，减小了大功率管输出电流，保护功率管和扬声器。第4章 音频功率放大器 切断信号式和切断电源式保护电路的工作原理与前两种方式基本相同。不同的是，仅用过载信号去控制输入信号控制电路或电源控制电路，切断输入信号或电源。这两种保护电路对其它原因导致的过载不具备保护能力，且切断电源式保护电路对电源的冲击较大，因此，实际中使用得较少。图418为切断负
48、载式保护电路，其工作过程如下：当电路过载时，整流桥将此信号检测出来，使V1导通，V2截止，V3导通，继电器吸合，左、右扬声器断开，电路得以保护。第4章 音频功率放大器图418 切断负载式保护电路 第4章 音频功率放大器4.3 专业音频功率放大器专业音频功率放大器 在现代音响系列中，音频功率放大器主要有三大类，即专业音频功率放大器、Hi-Fi放大器和AV放大器。HiFi放大器和AV放大器主要用于家庭音响系统和家庭影院中，也可以用于一般的KTV系统。HiFi放大器有前后级一体放大器和纯功率放大器两种，主要用于对音乐信号的放大处理，有时也称为纯音乐功放。第4章 音频功率放大器 由于HiFi放大器和A
49、V放大器不属于本教材内容，在此不做详述，读者可参阅有关专著。在音乐厅、歌舞厅等专业扩声系统中，所用的功率放大器称为专业音频功率放大器，它是一种功率较大的纯功率放大器，为其提供信号的前级设备是调音台。第4章 音频功率放大器 不同国家和厂家生产的专业功率放大器的档次和性能有一定的差异。而同一品牌的功率放大器也有不同的档次。虽然有些功放在其所标示的技术指标上差异不大，但它们隐含的性能指标却有较大差异。例如在可靠性、功放本身的功率储备和一些特殊性能方面会有所不同。目前我国市场上常见的高品质专业功放主要有美国CROWN(皇冠)、BGW、QSC等产品，特别是皇冠MA系列是其品牌的代表。此外，JBL、YAM
50、AHA、百威等也是优秀的功放产品。表42至表412介绍了几种不同品牌的功率放大器的具体技术指标参数，供读者参阅。第4章 音频功率放大器 在扩声系统中要按照所配音箱的额定阻抗和功率来选择功放。通常要求音箱的阻抗不得小于功放标称的最小阻抗；而功放的功率应大于音箱的功率，以满足一定的功率储备。目前，大多数进口功放设备都装有桥接方式。在使用桥接时，必须注意，与左、右声道配接的音箱接法有所不同。在做桥接时，应当将两音箱串联，然后再接入桥端。这样，每只音箱分得的功率仍与左、右声道端连接时一样。如果做桥式连接、接入一只相同额定功率的音箱，由于功放输出功率增大了3倍，很可能烧坏扬声器，应当特别注意。第4章 音
