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现代音响工程设计手册__第八章
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音频功率放大器简称“功放”,它的作用是放大调音台或周边设备(信号处理设备)送来的低电平音频信号,使它的输出功率足以驱动配接的扬声器负载。
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第八章 音频功率放大器
音频功率放大器简称“功放”,它的作用是放大调音台或周边设备(信号处理设备)送来的低电平音频
信号,使它的输出功率足以驱动配接的扬声器负载。
现有的音频功率放大器都是以线性放大为基础的模拟类功放,即把连续变化的音频信号(称为模拟信
号)直接进行线性放大。所用的放大器件为电子管和双极晶体管(即 NPN 和 PNP 型半导体晶体管,简称
晶体管)两类。按功放静态工作点的设置又可分为 A 类放大、A/B 类放大和 C 类放大三种。A 类放大的失
真最小,音质好,但电源的转换效率最低,器件的发热量大,生产成本高,一般用于输出功率较小的 Hi-
Fi 发烧级功放。C 类放大的失真比 A 类大些,尤其是在小信号输出时(1/100 输出功率)音质失真更明显,
但电源转换效率高、器件发热量小、性能/价格比高,一般用于输出功率大的专业功放。A/B 类功放的特点
介于 A 类和 C 类之间,多用于家庭影院的 AV 功放。
电子管功放已有数十年历史,一直沿用至今,是功放的元老代。由于它的转换速率高,工作可靠,偶
次谐波失真小(听觉对偶次谐波失真特别敏感),音质上好,一直被人们宠爱。但它的最大缺点是电源利
用效率很低,电子管 A 类放大的效率不到 10%,C 类约为 15~17%,大部分电能变为热量耗散掉。由于耗
电大、发热高、体积大、成本高等缺点,在专业音响系统中已被晶体管功放所替代。
晶体管功放是近 20 多年发展起来的新秀,是第二代功放。它的最大优点是电源转换效率高(C 类功放
最高可达 60%左右),体积小、重量轻、发热量不大、生产成本低;缺点是转换速率低、偶次谐波失真较
大、音质和可靠性都略逊于电子管功放。随着晶体管制造技术的不断提高和高新技术的应用,各项电性能
指标和可靠性指标都已得到很好的解决,并还在不断向更大输出功率、更小的体积和多功能、智能化方向
发 展 。 例如美国 CROWN 公 司 的 MA-5000VZ 功 放 , 它 的 最 大输出功 率 可 达 2 2000W/4Ω 或 桥 接
4000W/8Ω;完善的可靠性设计使它可在苛刻的环境中三年免维护工作;VZ 电源技术的应用使它的工作效
率进一步的提高;还有可编程的输入处理器模块 P.I.P(Program Input Processor), P.I.P 功能模块包括:
可变门限压缩器,遥控话筒/线路混合优先权混音器,可对话筒或线路电平信号进行遥控调节,可对 1~
2000 台功放的工作状态进行遥控和检测等等。P.I.P 模块增加了功放许多先进功能,发挥了新技术的优势。
为进一步提高效率,减小重量,已开发研制使用开关电源的功放。
本章将音频功率放大器的技术参数、可靠性指标和保护措施、功放与扬声器的功率配接、功放的选用
等问题进行分析讨论。最后还将介绍最新的 MOS-FET 场效应功放和数字功放等新技术的发展。
8.1 音频功率放大器的电性能指标
现今极大多数音频功率放大器都是低阻抗输出的晶体管功放。还有一部分是适应远距离传输的定电压
输出功放(又称高阻抗输出功放)。为适应立体声音响系统配置的需要,低阻抗输出功放现已都做成两路
1
完全相同的双通道功放,双通道功放还可通过桥接或并联组合成输出功率更大(加倍)的单通道功放。功
放的技术参数很多,可分为电性能指标和可靠性指标两大类,分述如下:
8.1.1 额定输出功率
额定输出功率是指在规定的总谐波失真条件下,功放在额定负载阻抗上的输出功率。测试信号为 20H
Z
~20KH
Z
正弦波,输出功率为正弦波的有效值(RMS)。输出功率、输出电压和负载电阻三者之间的关系
为:
P
0
= (8-1)
式中:P
0
——额定输出功率(W);
U
L
——负载电阻两端的电压(V);
R
L
——负载电阻(Ω)。
例如,一台晶体管低阻抗功放的典型输出为:R
L
=8 欧姆时,P
0
=225W;R
L
=4 欧姆时,P
0
=360W。如果
功放的负载电阻改变后输出电压不变,那么按(8-1)式,4 欧姆负载的输出功率应比 8 欧姆负载的输出功
率大一倍,即 450W,而实际的典型数据仅增加 1.6 倍,即 360W。其原因是受功放内部直流电源的容量和
输出晶体管的耗散功率的限制。8 欧姆负载时功放的输出电压为 42.5V(U
L
= = ),相应
的输出电流是 5.3A(I= =42.5/8=5.3A)。如果 4 欧姆负载时输出电压没跌落,仍为 42.5V,那么相应
的输出电流也将增加 1 倍,达到 10.6A,然而功放内部的直流电源供不出这样大的电流,晶体管的耗散功
率也没有那么大,因此上述例子中的输出电压 U
L
也被限制到 38V,输出电流为 9.5A。
提高音频功率放大器输出功率的途径是增加功放内部直流电源的功率容量和提高输出功率晶体管的耗
散功率。
在许多实际应用中,双通道立体声功放通过桥接方法可向负载提供增加一倍的功率,如图 8-1 所示。
例如,双通道功放中每个通道在 8 欧姆负载上额定功率为 200W,二个通道桥接后,在 16 欧姆负载上可获
得 400W 的额定功率。
图 8-1(B)说明两个桥接功放的输入必须是反向输入,它们的输出端必须是串联的。
2
图 8-1 功放桥接
(a)单声道功放,输出功率 P=U /R
L
(b)桥接功放的输出功率
图 8-2 是美国 CROWN 功放系列产品的一种具有公共接地桥路的典型电路。
图 8-2 接地桥接(CROWN 功放)
两个反相功放桥接后,可向 2 倍的单功放负载提供增加一倍的功率输出。例如,立体声功放每路的功
率在 8 欧姆负载输出为 225W,在 4 欧姆负载为 360W,那么,两路功放桥接后的输出为:16 欧姆负载时为
450W,8 欧姆负载时为 720W。
功放桥接后,其输出端的“一”极一般都不能接地,以免与单路输出时负端接地相混淆引起输出短路。
这种负端不接地的功率输出,有时会引起不稳定或对其它电子设备引起干扰。为此,美国 CROWN 公司发
明了可把负极接地的桥接输出功放,如图 8-2 所示,这种接地桥路的功放工作稳定可靠,不会引起对其它
设备的干扰。
桥接输出的功放,只需一路输入既可,另一路不需输入信号,应把它的增益电位器关到“ 0”。如果把
此电位器开到最大,则会引入该路输入端的感应噪声。
能否用并联来增加输出功率呢?功放输入端可以并联应用,并联后可用同一个输入信号驱动。但功放
的输出端不能简单地并联运行,因为并联输出端之间即使稍微有点不平衡,一台功放就会像驱动负载那样
去驱动另一台,由于两台功放输出的相位差和电平差,会造成输出波形的严重失真,不平衡严重时,由于
相互“倒灌”可导致损坏功放。解决办法是在两台功放的输出端之间设置一个电抗负载,阻止任何程度的不
平衡引起的严重后果。感性负载把并联功放的相互负载效应隔离。详细说明如图 8-3 所示。两台功放平衡
时,扼流圈中心点的电平为 0,电感器的实际损耗也为 0,两台功放的输出可全部传送到负载 R
L
上。如果
一台功放发生故障,输出电压跌落 6dB,输出功率下降一倍(-3dB)。
3
图 8-3 功放放大器的并联
并联方式的优点是如果一台功放发生故障,负载上仍可获得输出功率,功率损失不大于 3dB。而桥接
功放电路,如果一台功放发生故障,则全部无输出,但它不会发生相互“倒灌”的问题。
8.1.2 阻尼系数 D
功率放大器的阻尼系数是直接影响低音纯真度的一个重要参数。众所周知,扬声器的锥盆直径越大,
低音越好听。但是锥盆直径越大,其运动惯性也越大。这种惯性运动使锥盆与音频驱动信号不能同步运动。
锥盆的“余振”使扬声器重放出的声音混浊不清,尤其是对 400H
Z
以下的频率影响最大。大口径低频扬声器
自身是无法解决惯性运动引起的低频失真问题,幸运的是低音扬声器与功放连接后对惯性运动具有制动的
作用。它的原理是锥盆上的扬声器音圈在磁场中运动时可产生一个感应电动势,这个电动势通过连接导线
和功放的输出内阻构成一个电流回路,感应电流与扬声器内磁场的作用产生一个阻止锥盆运动的力,阻止
锥盆运动的效果可用阻尼系数 D 来恒量:
D=R
S
/ (R
i
+R
l
) (8-2)
式中 R
S
——扬声器阻抗(欧姆)
R
i
——功放输出内阻(欧姆)
R
l
——功放与扬声器之间连接导线的电阻(欧姆)
阻尼系数越大,锥盆与驱动信号的同步效果越好,低音越纯真。当今功放的阻尼系数一般可做到 100
~1000(不包括导线电阻)。
图 8-4 阻尼系数的作用
8.1.3 转换速率
功放的转换速率(Slew Rate)涉及它的高频性能。转换速率越高,高音的音质越佳。
由于晶体管功放的开关速度(与转换速率有关的一个参数)没有电子管功放那么快,因此它的转换速
率也没有电子管功放那么高。现今晶体管功放的转换速率一般可做到 10V/ ~15V/ 。MOS-FET 场效
应晶体管功放的转换速率可达到 50V/ ~70V/ ,达到电子管功放同样的水平,因此高音音质非常清
晰,层次分明。
阻尼系数和转换速率两项技术参数直接影响低音和高音音质,是功放的两项重要参数。
8.1.4 失真度
由于功率放大器放大特性的非线性引起输出信号中产生新的谐波分量。放大器的非线性失真可用总谐
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