高性能音频功放

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1、高性能音频功放一、前景分析音频功率放大器是种不太起眼但又很关键的设备。如果没有音频功放，会是怎样的境况：没 有设备驱动扬声器，也就没有了高保真音响、收音机和电视。没有扩声器材，我们没法举办 比乡村宴会更大的节日庆典，活动场馆的规模也大不过2000人的圆形剧场；电影院和演播 厅无法工作，电声乐器也无法使用。音频的录制、处理和放大技术还催生了音乐广播和有声 电影，使其更加生动感人，同时也降低了成本，使之广为流传。于是，20世纪成为有史以 来最热闹的时代。但是，如果音频功放未被发明，这些都将不复存在，人们由声音获得的情 感和从音乐中领略的精神决不会像今天这般浓烈。重视功放音乐及其细节的，即被视为高

2、性能”功放从电子学的角度讲，功率放大器用于驱动扬声器发声，常见的音频功率放大器主 要有下列几种：(a) 变压器耦合甲类放大器电路主要用于电子管放大器中；(b) 变压器耦合推挽功率放大器电路主要用于一些输出功率较大的电子管放大器 中；(c) .OTL 功率放大器电路主要用于一些输出功率较小的放大器中；(d) OCL功率放大器是一种常用的放大器电路，常用于一些输出功率要求较大的 功率放大器中；(e) BTL 功率放大器电路主要用于一些要求输出功率更大的场合。OTL、OCL 和 BTL 功率放大器电路主要用于晶体管放大器中。功率放大器包 括电流放大器和电流放大器，就是把输入信号进行放大，幅值及带负载

3、能力，主 要应用在信号放大方面。典型的是低频功率放，当然也有高频放大，低频放大的 一般是线性放大，如音响之类。高频的则是非线性放大。一般工作在开关状态， 而且有选频网络，像无线发射等。音频放大器有两种，一种是专用于音频放大的运算放大器，它在音频范围内有比 较好的性能(主要是频响特性和失真特性，好的音频放大器这两个特性都非常 好)，一般用于音响的前置放大级；另一种是音频功放，也就是功率放大电路， 用于音响的驱动级，可以驱动功率比较大的喇叭或者音响，使之发出声音； 运算放大器是集成放大电路的统称，其概念范围比音频放大器(特指用于前置放 大的音频放大器)大，且有更大的应用范围，其频率适用范围远远大于

4、音频放大 器，往低到直流，高的可以达到几百M甚至G赫兹级。简单的说，音频放大器 就是一种特殊的运放。在音频电路里，这两种都用于信号的前置放大，使音频信号的电压得到抬升， 以便后级作功率放大处理用(功放电路的电流放大能力很强，但电压放大能力通 常比较弱)。从使用效果看，专用的音频放大电路在音频放大上性能要好于一般 运放。二、功率放大器简介利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源 的功率 转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不 同频率的波,即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电 流的P倍，P是三极 管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信 号注入基极，则集电极流过

5、的电流会等于基极电流的P倍，然后将 这个信号用隔直电容隔离出来，就得 到了电流（或电压）是原先的P 倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大， 就完成了功率放大。选择功率放大器的时候，首先要注意它的一些技术指标： 1、输入阻抗：通常表示功率放大器的抗干扰能力的大小，一般会在 5000-15000Q， 2、失真度：指输出信号同输入信号相比的失真程度，数值越小质量越好， 一般在 0.05以下； 3、信噪比：是指输出信号当中音乐信号和噪音信号之间的比例，数值越 大代表声音越干净。 4、输出类型2 声道和 4 声道扬声器只能推动前后扬声器，而低音炮只能再另配功放， 5、功率放大器的输

6、出功率也要尽量大于扬声器的额定功率。音响放大器的基本组成音响放大器组成框图1）话筒放大器话筒又称传声器，其作用是把声音信号转换为电信号，通常将输出 阻抗低于600Q的称之为低阻话筒，而将输出阻抗高于600Q的称之为高阻话筒。 此外，选用话筒时还应考虑频率响应，固有噪声等要求。话筒放大器的作用是高保真的放大较微弱的声音信号。用作话筒放 大器的运放组件除了要求输入失调电压小、低噪声外，还要求其输入阻抗远大于 话筒的输出阻抗，一般而言，双极性运算放大器适合于低阻抗话筒。FET型运算 放大器适合于高阻抗话筒。2）混和前置放大器混和前置放大器的作用是把 CD 唱片或磁带录音机的音乐信号与声 音信号进行混

7、和放大，通常可用如图 2.4.2 所示反相加法器电路构成。图中 U1 和 U2 分别为上述的音乐信号和声音信号。U1U2RfR2R1图2.4.2混和前置放大器（3）音调控制器 音调控制器的功能是根据需要按一定的规律调节音响放大器输出信 号的频率响应，从而达到补偿声学特性，美化音色等目的。它能对音频范围内的 若干个频段点分别进行提升和衰减。某一频段点的理想频率特性控制曲线如下图 所示，而虚线为实际频率特性控制曲线。频率特性控制曲线图中fo=1kHz 中音频率（亦称中心频率），要求增益Aum=OdB；fL1低音转折频率，一般为几十赫兹；fL2=10fL1中音转折频率；fH1中音转折频率；fH2=1

8、0fH1高音转折频率，一般为几十千赫兹。由图可见，音调控制器只对低音或高音的增益进行提升或衰减，而 保持中音的增益不变。因此，音调控制器电路可由低通滤波器和高通滤波器共同 组成。音调控制器可由运算放大器构成，但目前更多的是由集成电路构成。为了解和掌握音调控制电路的基本原理和分析方法，下面将图 2.4.4 所示简 单实用的音调控制器作比较详尽的分析。R2R1Rw2Rw1+ C45lUo图由运放构成的音调控制器 中频区频率特性分析通常使C1 = C2 C3； R1=R2；并使在中频区C3可视为开路，在中、 高音频区 C1、C2 可视为短路。这样，可绘出中音频区的音调控制器等效电路如 图 2.4.5

9、 所示，显然，其电压增益 Aum= 0dBR1R2Uo图 音调控制器的中频等效电路图Uo音调控制器的低频等效电路Uo 低频区频率特性分析在低频区，音调控制器的等效电路如图2.4.6所示。其中（a）为Rwl 的滑臂在左端，对应于低频提升最大的情况，（b）为Rw2的滑臂在右端，对应 于低频衰减最大的情况。分析表明，图2.4.6（a）所示电路是一个一阶有源低通滤波器，其传输函数表达式U-OLT1 + j 21 + j 1i1O1 R Cw1 2（R + R ）Ww132 飞w1 22当fVfLl时，C2可视为开路，同时，R4的影响通常可以忽略，即认为R4支路 短路，于是从图（a）可得电压增益为人（R

10、 + R）A = wl 2 uL Rl当，考虑到，由（2.4.1）A =u1可得+ RW12 XR11+0.1j其模为Au1=Rw1 uL可见电压增益Au1相对于AuL下降了 3dB。当时，由式（2.4.1）可得. R + R 1 + jA W12 Xu2R1 + 10 j1其模为Au110 0.14 AuL1此时电压增益相对于AuL下降了 17dB。由图2.4.3的实线可以看出，在的范围内，电压增益的衰减速率为一20dB/10倍频。亦即一6dB/倍频。可用同样方法对图2.4.6 (b)进行分析，并不难得出其增 益相对于中频的衰减量， 高频区频率特性分析在高频区，音调控制器的等效电路如下图(a

11、)所示。为便于分析可先 将星形连接的Rl、R2、R4转换成三角形连接，转换后的电路如图2.4.7 (b)所 示。w2a) 高频区音调控制器等效电路b) 转换后的音调控制器等效电路图音调控制器的高频等效电路若取r = r = R，则可写出转换前后的电阻关系为R二R二R二3R二3R二3Rl 24a b c l 24当Rw2的滑臂至最左端和最右端时，可将上图(b)所示电路分别绘成下图(a) 和(b)所示电路。(a)高频提升7?（b）高频衰减可以看出，上图（a）所示电路为一阶有源高通滤波器，其传输函数为R 1 + jo / o31 + jo / o41A (jo)= oUT i1o 3(R + R )

12、Ca 33RC33按上述低频等效电路的同样的分析方法，可得下列结果f fH1时，C3可视为开路，电压增益H1时，A = /2Au3um时,A= 1 A = 7.07u4um0 dB )3 dB)17 dB)AuH时，可视为短路，此时电压增益为（R + R ）a3R 3由图2.4.3的右半部实线可以看出，在fH1fHXfH2 的范围内，电压增益的提升速率为20 dB/10倍频，亦即6 dB/倍频。可用同样的方法对图2.4.8 (b)进行分析，并不难得出其增益相对于中频的 衰减量。在实际设计时，一般是给出低频区某频率fLX处和高频区某频率fHX处的提 升量或衰减量X(dB),再根据以下两式分别求出

13、转折频率fL2 (fL1)和fH1 (fH2)， 即XffL2 = fLX 氏fH1 二诙例如，当要求低频区80Hz处有14 dB的控制范围，则可按上式求出fL2 =400Hz, 再按 f fI 一节2的关系求得fL1 =40Hzo设计举例 设计一音响放大器，要求具有音调输出控制，对话筒与录音机的输出信号 进行扩音。 已知条件：电源电压为+ 12V，当输入信号U为7.4mV (有效值)时， 输出额定功率为1W,功放板一块，8Q /2W负载电阻一只，8Q /5W扬声 器一只。每个实验台配录音机一台，耳麦一付。 主要技术指标： 额定功率 Po=1W(THD5kQ 首先确定整机电路的级数，再根据各级

14、的功能及技术指标要求分配电压增 益，然后分别计算各级电路的参数，通常从功放级开始向前逐级计算。需 要设计的电路为话筒放大器，混和前置放大器，音调控制器及功率放大器。 根据题意要求，输入信号U为7.4mV时，输出功率最大值为1W，因此 电路系统的总电压增益380 (51.6dB)，各级增益分配如图2.4.11所示。 功放级增益Au4由集成功放块决定，取Au4 = 50 (34dB)，音调控制级在 fo=1kHz时，增益应为1 (0dB)。话筒级与混和级一般采用运算放大器， 但会受到增益带宽积的限制，各级增益不宜太大，取Au1=7.6 (17.7dB)， Au2=1 (0dB)。Au417.7dB0dB0dB34dBA =380 倍（ 51.6dB ） u图2.4.11 各级电压增益分配音调控制器（含音量控制）设计 运算放大器选用通用运放u A741,其中RP33为音调控制电位器，其滑臂 在最上端时，音响放大器输出最大功率。由上面式子得到转折频率fL2及fH1：厂 4X0 HzX 26 = 400Hzf = 10