1、第3章 音频功率放大器1放大器前级放大(前置放大)安排在调音台部分,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.后级放大(音频功率放大)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。3.1 音频功率放大器基础音频功率放大器基础 第3章 音频功率放大器2 3.1.1 功率放大器的基本组成及作用第3章 音频功率放大器3 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。3.1.4 功率放大器的技术指标静态技术指标动态技术指标第3章 音频功率放大器4静态技术指标输出功率 衡量输出功
2、率的指标有最大不失真连续功率、音乐功率和峰值功率等。音乐功率在输出失真度不超过规定值的情况下，功率放大器对音乐信号的瞬间最大输出功率。峰值功率它是指不计失真，在规定的输入电平下将功率放大器输入衰减调至最小，功率放大器所能输出的最大音乐功率。它不仅反映了功率放大器的功率输出能力，而且反映了直流电源和电源变压器的供电能力。第3章 音频功率放大器5THD+N是英文Total Hormonic Distortion+Noise 的缩写，译成中文是“总谐波失真加噪声”。它是音频功率放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定输出功率的一个条件。THD+N 理想的音频功率放大器，若不考虑该功率放大器
3、的增益大小，输入一定频率的正弦波信号，其输出也应该是没有失真（波形没有变形）、没有噪声的正弦波信号。但真实的音频功率放大器的输出音频信号总会有一点失真，并且叠加了噪声（在正弦波上叠加了高频杂波）。这种失真是较小的，从波形图中也难看出来，只有用失真仪才能测出。第3章 音频功率放大器6 波形的失真由于是在正弦波上加了多种高次谐波造成的（如3次谐波、5次谐波等）所以称为总谐波失真。理想的音频功率放大器没有谐波失真及噪声，所以THD+N=0%。实际的音频功率放大器有各种谐波造成的失真及由器件内或外部造成的噪声，它有一定的THD+N的值。这个值一般在0.00n%-10%之间(n=19)。THD+N第3章
4、 音频功率放大器7 3.1.2 音频功率放大器的分类 按功率放大器与音箱的配接方式分定压式功放定阻式功放按功率放大器的核心放大元件来分电子管功率放大器晶体管功率放大器集成电路功率放大器第3章 音频功率放大器83.1.2 音频功率放大器的分类 按功率放大器的工作状态来分甲类功率放大器乙类功率放大器甲乙类功率放大器按功率放大器的末级电路结构来分OTLOCLBTL第3章 音频功率放大器9 1.按功率放大器与音箱的配接方式分 (1)定压式功放。俗称广播系统，一般用于广播或写字楼等公共场合。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
5、、240V等不同电压输出端子供使用者选择。3.1.2 音频功率放大器的分类 使用定压式功放要注意功率放大器和扬声器需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宜过小，以减小导线的电流损耗。第3章 音频功率放大器10定压式功率放大器的缺点在于由于为了实现远距离传输，将信号功率放大后，利用线间变压器提升输出电压；到终端后，再利用线间变压器降压匹配阻抗，驱动音箱，虽然实现了远距离传输，但损失了音乐保真。(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
6、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。因为第3章 音频功率放大器11定阻式的功放因为不需要远距离的传输，所以信号放大后直接驱动音箱，所以音乐的保真度较高。如果两只8音箱串联，即阻抗为16，那么实际输出功率如果两只8音箱并联，即阻抗为4，那么实际输出功率这时，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3章 音频功率放大器12 2.按功率放大器的使用元件分 (1)电子管功率放大器。优点：奇次谐波失真小，音色温暖醇厚，线性好，抗过载能力强，功率大。并且线路简
7、单，线路干扰小，容易获得高保真的音响效果。第3章 音频功率放大器13 2.按功率放大器的使用元件分 (1)电子管功率放大器。缺点：静态指标不高，耗电量大，使用寿命不长，价格不菲。目前电子管功率放大器多用在有线广播等大功率专业音响系统中。第3章 音频功率放大器14(2)晶体管功率放大器。晶体管功率放大器具有体积小、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。晶体管有体积小、功率大、耗能少等特点，最突出的优点是转换速率比较高，谐波失真较小，频率响应可以达到20Hz20KHz0.1dB甚至更好。采用晶体管放大器的音响，音色清丽
8、冷艳，适合重放的乐曲范围很广。目前是专业音响系统的主力。不足之处在于电路比电子管放大器要复杂，瞬态失真比较大。第3章 音频功率放大器15(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。第3章 音频功率放大器16(4)VMOS功率放大器。集成功率放大器是将OTL和OCL等电路的主要元件
9、集成在一块半导体芯片上封装而成，外接少量元件可构成高性能的功率放大器。集成电路具有体积小，外接电路简单，内部元件对称性好，保护功能齐全等优点，加上价格低廉，因此广泛的应用于普及型音响器材中。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。(3)集成电路功率放大器。第3章 音频功率放大器17(4)VMOS功率放大器。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。金属栅极采用V型槽结构；漏极是从芯片的背面引出，具有垂直导电性。由
10、于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层，因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管。第3章 音频功率放大器18(4)VMOS功率放大器。VMOS场效应管（V-MOSFET）简称VMOS管或功率场效应管，其全称为V型槽MOS场效应管。它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高、驱动电流小（0.1A左右），还具有耐压高（最高1200V）、工作电流大（1.5A100A）、输出功率高、低频跨导的线性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身，因此在电压放大器（电压放大倍数可达数千倍）、功率放大器、开关电源等电路中获得广泛应用。193.按功
11、率放大器的工作状态来分甲类功率放大器乙类功率放大器甲乙类功率放大器功率放大电路20 根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情况，可将功率放大器分为几个工作状态：况，可将功率放大器分为几个工作状态：甲类功率放大器：甲类功率放大器：功率放大电路随着声波信号的输入，这类功率放大器的晶体管将声波的正负半波完整地进行放大。输出不失真，正弦波形非常完整。电路特征是这类功率放大器的晶体管工作在输出特性曲线的放大区。在输入信号的整个周期内，晶体管均导通，有电流流过。21甲类功率放大器：甲类功率放大器：甲类功率放大器的优点是失真极小，各项电声指标高。在Hi-Fi音响领域里很多
12、厂家选用此种功放，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。缺点在于：功耗大。在甲类工作状态下，不论有无输入信号，电源的输出功率PE总是不变。在无信号输入时，电源的输出功率全部消耗在电路中的晶体管和电阻上；在有信号输入时，电源输出功率中的一部分要转换为有用的输出功率。也就是说即使没有输入信号，放大器也照常耗能，电源效率不高。甲类功率放大器在理想情况下的效率最高只能达到50%。目前，甲类放大器多用于前置放大级。若用于功率放大器中，则需要大容量的电源，放大器的体积也会增加。由于甲类放大器的低失真特点是其他几种功率放大器不易得到的，所以一些高档的音响中还是采用。这也是一些名贵
13、的放大器输出效率并不很高，但体积却很大的原因。22功率放大电路乙类功率放大器乙类功率放大器 根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情况，可将功率放大器分为几个工作状态：况，可将功率放大器分为几个工作状态：它一般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。电路特征是在输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通，有电流流过。23乙类功率放大器乙类功率放大器 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
14、。之所以有交越失真，是因为晶体管存在门限电压（死区电压），在输入电压较低时，输入基极电流很小，从而输出电流也很小。因此输出电压在输入电压较小时，存在一小段死区，产生了失真。由于这种失真出现在通过正负半周的波形连接处的地方，波形在合成时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。24 乙类功率放大电路中，输入信号为零时功率放大管的静态电流几乎为零，此时直流电源功率为零。当输入信号逐渐增大时，电源提供的直流功率也逐渐增加，输出信号功率也随之增大，所以乙类的功率放大效率比甲类的要高。乙类功率放大器乙类功率放大器25功率放大电路甲乙类功率放大器甲乙类功率放大器 根据晶
15、体管在正弦信号整个周期内的导通情根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情况，可将功率放大器分为几个工作状态：况，可将功率放大器分为几个工作状态：甲乙类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期内，管子的导通时间大于半周而小于全周。介于甲类和乙类之间的功率放大器。它能在较小失真的情况下，获得较高的功率输出。这是一种被广泛应用的功率放大器。存在交越失真26 传统的功率放大电路为提高晶体管等换能器件的转换效率，通常采用输入及输出变压器结构的推挽电路。其优点是可以实现阻抗变换，缺点是体积庞大，笨重，消耗有色金属，且效率低，变压器的低频特性不好会使低频段的下限频率受到限制。因此现代专业功率放大器采用OTL(
16、无输出变压器的功率放大电路)，OCL（无输出电容的功率放大电路）及BTL（桥式功放）。4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分（1）OTL电路（无输出变压器的功率放大电路无输出变压器的功率放大电路)27特点：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。OTL:Output TransformerLess（1）OTL电路（无输出变压器的功率放大电路无输出变压器的功率放大电路)28 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
17、，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。（2）OCL电路（无输出电容的功率放大电路）OCL:Output CapacitorLess4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分29 在OCL电路中采用了双电源供电，虽然就功放而言没有了变压器和大电容，但是在制作负电源时仍需用变压器或带铁芯的电感或大电容等。为了实现单电源供电，且不使用变压器和大电容，可采用桥式推挽功率放大电路，简称BTL电路。（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
18、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。4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分为使低频端尽量展宽频带及减少相移，以及考虑到开关机产生的浪涌电流，在电路中应少用电容或不用电容。因此OCL与BTL比OTL电路更为有利。305.功率放大电路按放大信号的频率可分为低频功率放大电路主要用于放大音频范围（几十赫兹到几十千赫兹）的信号高频功率放大电路用于放大射频范围（几百千赫兹到几十兆赫兹）的信号低频功率放大电路31功率放大器的基本组成输入级中间级放大级功率放大器的输入级通常由双极型晶体管或场效应管差动放大电路（差分放大电路）组成。提供了较高的输入电阻和优
19、秀的电源噪声抑制能力。32功率放大器的基本组成输入级中间级放大级中间级电路主要是为了推动输出级达到其设计的功率电平值，在有的电路中，采用了电流源电路作为有源负载来提高放大倍数。33功率放大器的基本组成输入级中间级放大级放大级的电压和电流驱动可使用分立元件，如射级跟随器或源极跟随器（MOSFET）电路，也可使用集成模块实现放大，因此功率放大器的输出级结构可采用多种电路形式。343.1.3 功率放大器的匹配 功率放大器的匹配主要是解决放大器的功率和阻抗匹配的问题。1.功率放大器上有输出阻抗和输出电压两种标注。一般为推动近距离扬声器系统的功率放大器的输出阻抗是用8欧姆、4欧姆或2欧姆来标注。理论上要
20、求配接功率放大器的音箱负载值应正好等于所标注的输出欧姆值，这就是阻抗匹配。只有这样才能输出额定功率。也就是说一台功率放大器的输出阻抗等于音箱的总阻抗，这就是阻抗匹配。功率放大器的负载是呈感性的低阻抗音箱。两者之间的正确联接在较大功率输出时是至关重要的，否则会损坏功率放大器甚至音箱。所谓功率放大器与音箱（扬声器）正确联接，是用两者之间的匹配做为衡量的。352.另一方面音箱承担着功率放大器的输出功率，故而又必须使音箱的标称功率等于功率放大器的额定功率。换句话说就是一台功率放大器的输出功率等于全部音箱吸收的功率总和，这就是功率匹配；3.每一只音箱分配到的功率等于音箱本身的额定功率。若满足以上三条就解
21、决了放大器的功率和阻抗匹配的问题。阻抗匹配和功率匹配都必须考虑。否则即使阻抗是匹配的，若功率放大器的输出功率大于音箱的标称功率，会使扬声器工作在疲劳超负荷状态，严重时会损坏扬声器。反之，功率放大器的额定功率小于扬声器的标称功率，这时扬声器可工作在较轻松的状态，虽然安全，但扬声器的利用率不高。36在使用功放的过程中需要解决许多实际的匹配问题。1）音箱的功率等于功放的额定功率称为等功率匹配。对电子管功放的使用要特别注意匹配问题。因为电子管功放的功率和阻抗的匹配要求非常严格。如当负载扬声器过大，输出变压器的初级和次级线圈由于电流过大发热，功放管电路会因电流过大而损坏功放的元器件；如果负载过小，尤其是
22、失载时，更会损坏电子管功放输出变压器的初级线圈，形成了很强的反射电压，作用在电子管功放的输出回路里容易使电子管的屏极发红，或者由于电压过高引起输出变压器过热而烧毁输出变压器的初级线圈。所以在电子管功放负载太小时，要加上假负载。一般要经过计算选择不同瓦数的电灯泡来做“假负载”而实现阻抗和功率的匹配。372）音箱的功率大于功放的额定功率则称为“超载”。在家庭使用的音响设备，当操作有误会出现音量过大，致使功率放大器输出超过额定功率，会损坏扬声器，这是要避免的。而在专业演出，卡拉OK厅中，大动态的乐音，要求加大功率放大器的输出功率，这是重放声的需求。此时按照功率匹配原则不是损坏扬声器就是体现不出乐音大
23、动态下的力度。因此实际运用时是做了一些修正。家庭音箱，应使音箱的标称功率大于功率放大器的额定功率，用音箱的峰值功率做为储备功率，从而防止烧毁音箱。38 这在家庭音箱中或组合音响中是允许的。在家庭音响中，即使是功放开到最大，由于功率放大器的功率小于音箱的功率，因此也不会烧毁音箱。但在专业音响中，这种情况是要避免的。因为功率放大器的功率小于音箱的功率时往往推动不了音箱工作，这样就得加大功率放大器的输入电平，使功放在满功率、大负荷状态下工作，从而产生严重的失真现象，尤其是削波失真。削波失真将会使音频信号的正弦波波顶被削平，出现类似梯形的方波而产生直流成分。当直流分量进入扬声器的音圈中后，没有对声音产
24、生任何贡献，反而会使音圈中产生大量的热量，时间一长就会烧毁音圈。2）音箱的功率大于功放的额定功率则称为“超载”。393）功率放大器的功率大于音箱的功率。在歌舞厅、剧场和大型文艺演出的专业音响系统中，功率放大器的功率要大于音箱的功率。以使功率放大器有足够的推动功率。这样功率放大器有一定的储备功率，减小了机器的本底固有噪声和失真度，使声音的质量得到提高。音箱的阻抗是跨接在晶体管回路中作为发射极负载RL的。音箱的功率越大，RL的值就越小，此时晶体管中的集电极电流就比较大，管温较高，需要良好的散热措施；而音箱的功率越小，RL值就越大，晶体管的集电极电流也就随之减小，管温也就不会太高，晶体管处在良好的放
25、大特性范围之内，动态余量变大。就算遇到强信号，也不会产生谐波失真和频率失真。而且本底噪声还未表现出来时，输出功率就已经足够，这样就使得声音纯净、清澈，提高了音色的质量。40从理论上来说，功率放大器的功率大于音箱功率约35倍是最理想的。在实际使用中，一般功放的功率比音箱的功率大2/3就可得到令人满意的效果。但此时扬声器系统处于满负荷工作状态，所以对扬声器系统进行安全保护是至关重要的。扬声器的保护问题扬声器排除生产工艺造成的可靠性下降因素以外，通常因“冲击”，馈给扬声器的信号失真以及过载导致扬声器损坏的可能性最大。41如：扩声系统中，设备的开、关机瞬间，或传声器的意外跌落都会给扬声器以突发性冲击，
26、造成扬声器损坏；在音响工程的调机过程中也常发生扬声器损坏。操作人员不熟练或偶尔误操作，致使扬声器超负荷运行，也会造成扬声器损坏。当出现乐音大动态时，感到重放声力度不够，而来加大音量，这时功率放大器将超出额定功率，会使输出信号失真，严重时将信号波形切削为矩形波。此时功率放大器的平均输出功率增加可能加重扬声器的负荷，同时由于矩形波的大幅度的高次谐波也会使扬声器中的特别是高音扬声器受到损坏。42 除此之外，原始节目源的动态范围的大小也会因扬声器在配置时没有留有能满足大的动态范围的功率余量而存在损坏的可能性。这点特别在由模拟声磁带放音改为激光唱片尤其严重。因为数字声的动态范围在采用16bit量化时可达到96dB，比模拟声磁带要大出近3040dB.因此扬声器保护，特别是对昂贵的扬声器，就显得很重要。扬声器的保护可采用无源保护和有源保护两种。43扬声器的无源保护扬声器的无源保护最为简单，比如在功率放大器和扬声器之间串接熔断丝，当电流过大熔断丝熔化，切断扬声器从而得到保护。扬声器的有源保护最有效的应是有源保护，也就是全面保护电路。当功率放大器具备了可以对信号进行压缩功能的保护电路后，当出现长时间大动态信号时会产生压缩而不致于产生削波，从而保护扬声器。
