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1、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（信号解决设备）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立又可分为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发热级功放。C类放大的失真比A类大些，特别是在小信号输出时（1/10
2、0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，一直被人们溺爱。但它的最大缺陷是电源运用效率很低，电子管A类放大的效率不到10%，C类约为1517%，大部分电能变为热量耗散掉。由于耗电大、发热高、体积大、成本高等缺陷，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数年发展起来的新秀，是第二代功放。它的最大优点是电源转换效率高
3、（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；缺陷是转换速率低、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22023W/4或桥接4000W/8；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；尚有可编程的输入解决器模块P.I.P（Program Input Processor），P.I.P功能
4、模块涉及：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12023台功放的工作状态进行遥控和检测等等。P.I.P模块增长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。尚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
5、音响系统配置的需要，低阻抗输出功放现已都做成两路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20HZ20KHZ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： P0= （8-1）式中：P0额定输出功率（W）；UL负载电阻两端的电压（V）；RL负载电阻（）。例如，一台晶体管低阻抗功放的典型输出为：RL=8欧姆时，P0=225W；RL=4欧姆
6、时，P0=360W。假如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长1.6倍，即360W。其因素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（UL=），相应的输出电流是5.3A（I=42.5/8=5.3A）。假如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长1倍，达成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UL也被限制到38V，输出电流为9.5A。提高音频功率
7、放大器输出功率的途径是增长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长一倍的功率，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。图8-1 功放桥接(a)单声道功放，输出功率P=U/RL (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
8、供增长一倍的功率输出。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”。假如把此电位器开到最大，则会引入该路输入端的感
9、应噪声。能否用并联来增长输出功率呢？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朴地并联运营，由于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，会导致输出波形的严重失真，不平衡严重时，由于互相“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立一个电抗负载，阻止任何限度的不平衡引起的严重后果。感性负载把并联功放的互相负载效应隔离。具体说明如图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所有传送到负载RL上。假如一台功放发生故障，输出电压跌落6dB，
10、输出功率下降一倍（-3dB）。图8-3 功放放大器的并联并联方式的优点是假如一台功放发生故障，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，假如一台功放发生故障，则所有无输出，但它不会发生互相“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，特别是对400HZ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
11、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=RS/ (Ri+Rl) (8-2)式中RS扬声器阻抗（欧姆）Ri功放输出内阻（欧姆）Rl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1001000（不涉及导线电阻）。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
12、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成50V/70V/，达成电子管功放同样的水平，因此高音音质非常清楚，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波失真（THD）和瞬态互调失真（IMD）两个技术参数来表达。总谐波失真（THD）是在功率放大器输入端输入一个没有失真的纯
13、正弦波，然后在功放额定输出功率下测量输出信号的正弦波基波与它的各次谐波分量之比，即： THD= (8-3)式中： U1正弦波基波电压有效值U2 , U3 , Un为2次、3次、n次谐波电压有效值总谐波失真这个参数只能说是一个“静态”失真指标，由于测量时只输入单一频率的正弦波信号，而实际工作时，输入信号是包含很多频率成分的复杂波形，也就是说，有很多个频率同时输入，此时放大器的非线性失真不仅产生多次谐波失真，各频率成分之间还会产生互相调制失真，这种失真称为瞬态互调失真，是一种影响音质的更重要失真。瞬态互调失真（IMD）的测量信号为一个15KHZ正弦波（f2）和一个3.15KHZ方波（f1）的混合信
14、号，它们的有效值电压比为1：5.66（正弦波有效值电压与方波双峰值电压的比为1：11.3）。瞬态互调失真的计算方法为： IMD= （8-4）式中：Un额定负载电阻上各互调分量| f2nf1|电压的有效值Us额定负载电阻上15KHZ正弦波的电压有效值n 1，2，3，正整数晶体管功放一般的THD和IMD都可做到0.1%以下，但是在关心失真度指标的同时还应注意它的转换速率。由于功率放大器中采用深度负反馈可把失真度指标减少到很小的范围，但深度负反馈带来的负面影响是转换速率的减少，高音音质和瞬态特性变差。因此优质功放中很少采用深度负反馈电路，仅采用少量的局部负反馈。这样的结果，虽然失真度不是太小，但转换
15、速率较高，音质很好，瞬态特性也很好，打击乐器的还音特性非常优越。8.1.5频率响应特性（振幅频率特性）功率放大器整机的频率响应特性是在20 HZ20 KHZ频率范围内，幅频特性波动的分贝数。在无输出变压器的低阻抗功放中一般均能达成0.5dB的范围。8.1.6输入特性输入特性是指增益电位器调到最大位置时，负载电阻上达成额定功率时所需的输入电压有效值。优质功放一般设有三种输入电平的选择，其含义如下：0dBm电平：输入电平为775mV时，在规定的负载上可获得额定输出功率。+6dBm电平：输入电平为1.5V时，在规定的负载上可获得额定输出功率。26dB电平：此时功放的电压增益固定为26dB（20倍）。表8-1是CROWN MA-2400功放26dB时的输入电平与输出电压的对照关系。表8-1 CROWN MA-2400功率放大器 26dB增益的输入特性
