功率放大器的基本工作原理

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1、一功率放大器的基本工作原理 A 类扩音机的输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无 讯号输入它们都保持传导电流，并使这个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情 况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不 平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器，当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许 流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬 声器发声。 A 类放大方式具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失 真（Switching Distortion） ，即使不采用负反馈，它的环路失真仍十

2、分低，因此被认为是声 音最理想的放大线路设计。 但凡事总是有利亦有弊，A 类放大的缺点是效率低，因为无讯 号时仍有较大电流流入，扩音机产生高热量和浪费功率，这种功率正如输出级的热量一样 完全消散，但却没输到负载，当讯号电平增加时有些功率可进入负载，但许多仍转变为热 量。 A 类放大器是一种最浪费能量的设计，只要一开机它的耗电量最高，播放音乐时，效 率约为百分之 50，即一半功率变为热量浪费。如果不计较上述的缺点，A 类扩音机是重播 音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足 以补偿它的缺点。 为了有效处理散热问题，A 类扩音机必须采用大型沉热器，有些大功率

3、设计还需要风扇散热。因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流，一部 25 瓦的 A 类扩音机供电器的能力至少够 100 瓦 AB 类扩音机用。所以 A 类机的体积和重量都比 AB 类大，这令制造成本增加，售价当然较贵，一般而言 A 类扩音标机的售价约为同等功 率 AB 类机的两倍或以上。 B 类放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率，当有 讯号时每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输 出晶体管转换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。纯 B 类扩音机较少，因为在讯号 非常低时失真十分严重，因交越失真令声音变得粗糙。 B 类扩音机的

4、效率平均约为百分之 75，产生的热量较 A 类机低，允许用较小的散热器，这类放大工作当其输出为最大功率的 40.5%，扩音机内消耗的功率最高，这时为百分之 50，输出功率较低和较高时则效率增加， 因此供电器可以比 A 类机小。 AB 类工作达成性能的妥协，大多数 B 类扩音机都不是用纯 B 类工作，通常有两个偏 压，在无讯号时也有少量电流通过输出晶体管，这类扩音机在讯号小时用 A 类工作，获得 最佳线性，当讯号提高到某一个电平时自动转为 B 类工作获得较高的效率。普通机十瓦的 AB 类大约在 5 瓦以内用 A 类工作，由于聆听音乐时所需要的功率只有几瓦，因此 AB 类 扩音机在大部分时间是用

5、A 类工作，只在出现音乐瞬态强音时才转为 B 类，这种设计可以 获得优良的音质和提高效率减少热量，是一种颇为合逻辑的设计。 有些 AB 类扩音机将偏 流调得甚高，令其在更宽润的功率范围内以 A 类工作，使声音接近纯 A 类机，但产生的热 量亦相对增加。 可变偏流式扩音机：可变偏流扩音机据知是美国 Threshold 公司最先发展，八十年代 日本厂家却普遍采用并创造出多种不同的名称，这种设计是利用一个线路探测输入讯号电 压，根据电压的高低自动改变偏流，讯号电压愈低偏流愈高，等于 A 类工作，讯号电压愈 高偏流愈低达成 B 类工作，这种偏流的变化是连续性，可将交越失真减至最少。理论上这 种设计颇为

6、理想，但这类扩音机常因偏流探测线路与伺服控制线路本身工作不准确而导致 额外的失真，能真正达到接近 A 类音质的产品不多。 C 类放大不适合 HI-FI 用，C 类（丙类）放大器较少听闻，因为它是一种失真非常高 的放大器，只适合在通讯用途上使用。A 类输出晶体管百分之百时间都在工作，B 类输出晶体管的工作时间占百分之 50，AB 灯超过百分之 50 换取较低的失真，C 类输出晶体管的 工作时间低于百分之 50，效率特高，但不是 HIFI 放大所适用。 D 类扩音机采用开关式供电，输出晶体管有如切换开关，不截流即通流，与其他放大 的半通半截方式不同，这种设计亦称数码扩音机。D 类放大的晶体管一经开

7、启即直接将其 负载与供电器连接，电流流通但晶体管无电压，因此无功率消耗，当输出晶体管关闭时， 全部电源供应电压即出现在晶体管上但却无电流，因此也不消耗功率，故理论上效率为百 分之百。 这类扩音机必须利用宽度（Pulse Width）线路，它在每秒内将输入与输出讯号多 次互相比较，这时会产生波，它的宽度和持续主相等于输入与输出之间的误差，如输出较 高则波较宽，相反，波较窄。在扩音机输出部分设有一个低通滤波器，将波平均重现输入 讯号。看起来十分复杂，但却可以做到，而且理论上经处理后输出讯号与输入讯号相同。 D 类放大的优点是效率最高，供电器可以缩小，几乎完全不产生热量，因此无需大型沉热 器，机身体

8、积与重量显著减少，理论上失真低线性佳。但这种扩音机工作复杂，增加的线 路本身亦难免有偏差，所以真正成功的产品甚少，售价亦不便宜。简单就是最佳，供电规 格重要。 最佳的放大是一条有增益的电线，虽然不可能实现，但寓意线路愈简音愈好，今日 许多前级和功率放大器正采用这种设计，事实证明讯号通道愈短引起失真和噪音的机会愈 少。一部扩音机从外表虽然不能断定音质，但如能观察到供电变压器和滤波电容器的大小 已先对此机的性能或质素略知一二，A 类扩音机固然需要巨大的供电器，即使 AB 类机也 是愈大愈佳，今日许多优质扩音机都采用环型变压器，取其效率较方型高和漏磁少，滤波 电容等于水塘，储水量愈多供水愈充足，扩音

9、机的供电充足稳定才能支持输出晶体管的耗 电，输出最大时供电取之不尽，否则便压缩动态甚至产生削波。供电器中的电源变压器等 于水源，只是水塘大而水源不足亦无济于事，所以优良的供电器必须同时采用大型变压器 和电容器（D 类除外） 许多英国制的合并式扩音机虽然功率并不太大，但却有一个非常充 沛的供电器，配合简单的讯号通道可以达成优异的声音。有些产品的面板上除了音量、平 衡、讯源选择和电源掣外其他的控制全部取消，令讯号通道尽量缩短，为求声音纯美不惜 牺牲控制功能，这种设计受真正追求完美声音的人士欢迎，初玩 HIFI 的发烧友常喜欢功能 多，其实有些控制甚少使用，它们无可避免对音质有影响。 二功率放大器的

10、分类 按工作原理分，有 A 类功率放大器、B 类功率放大器、C 类功率放大器、D 类功率 放大器。 按放大元器件，有电子管（胆管）功率放大器、晶体管功率放大器、集成电路功率 放大器、混合功率放大器。 安用途分，有家用功率放大器、会议用功率放大器、舞台用功率放大器。 安音质分，有普通功率放大器、Hi-Fi 功率放大器。 三功率放大器的性能指标 1927 年，美国贝尔实验室推出了革命性的负反馈（NFB）技术，标志着音频放大器 开始进入新纪元。而 1947 年发表的威廉逊放大器，则标志着高保真（High Fidelity）放大 器的面世，该机成功地运用负反馈技术，使胆机的失真降低达 0.5%，音质之

11、佳在当时首屈 一指，是音响史上重要的里程碑。1951 年，美国 Audio 杂志发表了一篇“超线性放大器” 的文章，该放大器将非线性失真大幅度降低，第二年 6 月，又发表将威廉逊线路和超线性 线路相结合的放大器文章，标志着负反馈技术在音响技术中的大量使用。从此，放大器的 设计出现百家争鸣的局面，其影响一直延伸到今天。 在盛行“以耳朵收货”说法的今天，不少发烧友说音响器材的指标没多大意义，因 为许多测试指标优良的放大器听感也不佳。但不能否认的是，人耳聆听由于带有较多的个人主观因素，因此往往带有很大片面性，只能作为参考，而不能作为标准，所以放大器的 指标仍然是衡量其性能一个重要标志。一般来讲测试放

12、大器技术指标的方法应分为静态和 动态两种。静态指标是在稳定状态下以正弦波进行测量所得的数据，测试项目包括有频率 响应、谐波失真、信噪比、互调失真以及阻尼系数等；而动态指标是指用较复杂的如方波、 窄脉冲等信号测量得到的数据，包括有相位失真、瞬态响应和瞬态互调失真等。要大致反 映出放大器的品质，动态测试数据必不可少。 1频率响应 一般对频率响应范围的规定是：当输出电平在某个低频点下降 3dB ，则该点为下限 频率，同样在某个高频点下降 3dB 时为上限频率。这个 3dB 点称为不均匀范围或叫做半功 率点（Half Power Point） ，因为电平正好下降 3dB 时，放大器的输出功率正好下降了

13、一半。在传统的说法中，人耳能够听到的频率范围在 20Hz-20kHz 之间，因此放大器的频率 范围理论上应做到 20-20kHz（3dB）平直就足够，但事实上音乐中含有的许多乐器或反 射泛音谐波有很多是超出这个频率范围的。由于人耳对声音的判别精度可达到 0.1dB，有 些高级放大器的频响标称 20-20kHz 的不均匀度为正负 0.1dB，当以3dB 不均匀度测量时 它们的时频响可能达到 10Hz 至 50kHz 甚至更宽。从改善瞬态反应的目的考虑，放大器应 该有更宽广的频应范围，像新一代音源 SACD 和 DVD Audio 的频响范围已超出传统的 20kHz，因此现代高级放大器的频响应能达

14、到从 10Hz-100kHz（3dB） 。但放大器的频响 也不是越宽越好，否则易引入高频或低频干扰，反而使 S/N 降低或诱发互调失真。 严格的频应曲线图应有两幅的，其中我们常见的频率响应图叫做幅频曲线图，另一 幅称为相频曲线图，它是表示不同频率在经过放大器后产生的相位失真（相位畸变）大小， 相位失真是指信号由放大器输入端到输出端产生的时间相位差，相位差过大时会影响负反 馈线路的稳定性，并与相位失真和瞬态互调调失真有较大的关系，Hi-Fi 放大器的相位失真 在 20-20KHz 频率范围内应控制在5%范围内。 2谐波失真( Harmonics Distortion) 物体在受到外界的干扰振动后

15、会出现一个呈周期性衰减振动。例如，两端固定的吉 它弦线在中部受到弹拨时，会产生一个肉眼可见的大振动，这个振动称作基波 （Fundemental） ，弦线除了沿中点作大幅度摆动外，线的本身还有许多肉眼很难看到的细 小振动，它们的频率都比基波高，这些振动频率被称为谐波（Harmonics） ，乐器产生的谐 波常叫做泛音（Overtone） 。除了由信号源产生谐波外，声音振动波传播时遇上障碍物产生 的反射、绕射和折射也会产生谐波。 放大器线路中的各种各样电子元件、接线和焊点会在一定程度上降低放大器的线性 表现。当音乐信号通过放大器时，非线性特性会令信号产生某种程度的变形扭曲，即相当 于在信号中加入了

16、一些谐波，这种信号变形的失真称为谐波失真。谐波失真一般用百分比 来表示，百分比数越小即是放大器产生的谐波少，也就是说信号波形的失真较低。 厂商在标注产品的谐波失真时，一般只给出如 0.1%单项数据，但由放大器产生的谐 波，却是与信号频率和输出功率有关的函数关系。当输出功率接近最大值时，谐波失真急 剧加大，特别是晶体管放大器会因接近过载（Overload）会发生将信号的顶部齐平削去的 严重波形畸变失真。 但是胆机产生的谐波失真频率是基波频率 2、4、6、8倍（即偶次谐波） ，因此偶次 谐波虽然也是失真，但由于其频率是基波的一倍，它可以和基波组成音符上的最和谐、动 听的纯八度和声，这也是造成胆机声音甜美、乐感丰富的一大原因。尽管这种声音可能会 很动听，但是却和高保真的要求相左。高保真放大器的谐波失真一般应控制在 0.05%以下， 目前许多优秀的放大器失真度均可达到这个要求。3互调失真（Intermodulation Distortion） 简单来讲，合成的信号称为调制信号，互调失真是指整个可听频带中高低频混合成 全频的过程引起的失真。产生互调失真的过程其实也是一种调制