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功率放大器

功率放大器(英文名称:power amplifier),简称“功放”,是指在给定失真率条件下,能产生最大功率输出以驱动某一负载(例如扬声器)的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用,在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

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β倍,β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,则集电极流过的电流会等于基极电流的β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β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。

传统的数字语音回放系统包含两个主要过程:

1、数字语音数据到模拟语音信号的变换(利用高精度数模转换器DAC)实现;

2、利用模拟功率放大器进行模拟信号放大,如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期,许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器,这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换,这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。

A类放大器:

A类放大器的主要特点是:放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作,也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内,所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单,调试方便。但效率较低,晶体管功耗大,效率的理论最大值仅有25%,且有较大的非线性失真。因此效率比较低。

B类放大器:

B类放大器的主要特点是:放大器的静态点在(VCC,0)处,当没有信号输入时,输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内,Q1导通Q2截止,输出端正半周正弦波;同理,当Vi为负半波正弦波,所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%),但是因放大器有一段工作在非线性区域内,故其缺点是“交越失真”较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时,Q1、Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

AB类放大器:

AB类放大器的主要特点是:晶体管的导通时间稍大于半周期,必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大,可以抵消偶次谐波失真。有效率较高,晶体管功耗较小的特点。

D类放大器:

D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器,也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成。D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

优点:

1)具有很高的效率,通常能够达到85%以上;

2)体积小,可以比模拟的放大电路节省很大的空间;

3)无裂噪声接通;

4)低失真,频率响应曲线好。外围元器件少,便于设计调试。

A类、B类和AB类放大器是模拟放大器,D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小,功放晶体管功耗较小,散热好,但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真,频率响应曲线好。外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是音频功率放大器的基本电路形式。

T类放大器:

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同,功率晶体管也是工作在开关状态,效率和D类功率放大器相当。但它和普通D类功率放大器不同的是:

首先,它不是使用脉冲调宽的方法,Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“Digital Power Processing (DPP)”的数字功率技术,它是T类功率放大器的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后,用于控制功率晶体管的导通关闭。从而使音质达到高保真线性放大。

其次,它的功率晶体管的切换频率不是固定的,无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内,而是散布在很宽的频带上。使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。

此外,T类功率放大器的动态范围更宽,频率响应平坦。DDP的出现,把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。在高保真方面,线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。

功率放大器通常由3部分组成:前置放大器、驱动放大器、末级功率放大器。

1、前置放大器起匹配作用,其输入阻抗高(不小于10kΩ),可以将前面的信号大部分吸收过去,输出阻抗低(几十Ω以下),可以将信号大部风传送出去。同时,它本身又是一种电流放大器,将输入的电压信号转化成电流信号,并给予适当的放大。

2、 驱动放大器起桥梁作用,它将前置放大器送来的电流信号作进一步放大,将其放大成中等功率的信号驱动末级功率放大器正常工作。如果没有驱动放大器,末级功率放大器不可能送出大功率的声音信号。

3、末级功率放大器起关键作用。它将驱动放大器送来的电流信号形成大功率信号,带动扬声器发声,它的技术指标决定了整个功率放大器的技术指标。

功放所用的有源器件主要是晶体管(双极型或场效应晶体管),在工作频率很高或要求输出功率很大等场合,也使用电子管(包括大功率发射电子管);在微波段使用行波管。功放按其有源器件的工作点不同可分为甲(A)类、甲乙(AB)类、乙(B)类、丙(C)类和丁(D)类等。表内列出不同工作类型的功率放大器对正弦波所能达到的最高效率。

功放常应用于广播、通信发射机的输出级、音响系统的输出级以及控制系统驱动执行机构的放大器等。应用场合不同,性能要求不同,电路的构成与工作类型也不同。常用的有线性功放、谐振功放、宽带功放电路等。为提高输出功率,可采用功率合成技术。

线性功放 用于要求非线性失真小的场合。常用电路形式有单管放大电路和推挽放大电路。单管放大电路的电路形式与电压放大器类似,必须是甲类工作,效率最低,多用于小功率放大器。推挽放大电路由两个有源器件构成,分别用相位差180°的输入信号激励,然后将它们的输出信号反相叠加供给负载。图1所示的是用变压器实现反相叠加的推挽放大器原理电路。这种电路理论上两个器件可工作在乙类,而输出无失真。但实际的有源器件特性不是完全理想的,需工作在甲乙类。推挽放大电路也可由极性相反的晶体管互补对CPNP型和NPN型双极晶体管对或N型沟道和P型沟道的场效应管对)构成。利用它们的互补特性构成的电路,不需相位相差180°的两个输入信号,输出信号也不需反相叠加。这种电路可全部由晶体管和电阻构成,便于集成化,多用于集成功放中。

谐振功放 以谐振回路作为有源器件的负载,专门放大窄频带信号的放大器。这种放大器允许电流波形有很大失真,然后利用谐振回路将谐波滤除;可以使有源器件工作在丙类,以获得高效率;多用于大功率发射机中的末级。若将谐振回路调谐在输入信号的谐波上并选择合适的工作点,可构成倍频器。

宽带功放 以传输线变压器作为有源器件的负载。这种功放的上限频率可达几百兆赫,波段覆盖范围宽。传输线变压器按照传输线和变压器的工作原理构成。

功率合成技术 多个放大器对同一输入信号放大,然后用合成的方法,将各放大器的输出功率相加。图2是功率合成原理电路,它由放大器、功率合成与分配网络组成。合成与分配网络常用传输线变压器构成。这种合成技术的特点是其中某一放大器工作状态发生变化,其余放大器的工作不受影响。

为进一步提高功放效率,先将输入信号转换成脉冲序列,经放大后再转换成模拟信号。这种功放工作于脉冲放大,理论效率可达100%,称为丁(D)类放大器。

由于有源器件的开关特性不理想,提高这类放大器的工作频率受到限制。

在功放中,由于热损耗大,有源器件的主要发热部分要外加散热器,有时还要采用风冷、水冷或蒸发冷却,以降低器件温升。

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5000-15000Ω,数值越大表示抗干扰能力越强;

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。

另外,在选购功率放大器的时候还要明确购买意愿,如果希望加装低音炮,最好购买5声道的功放,通常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声道功放就可以解决这个问题,功率放大器的输出功率也要尽量大于扬声器的额定功率。

射频功率放大器:

射频功率放大器(RF PA)是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级,获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率放大器。

射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外,输出中的谐波分量还应该尽可能的小,以避免对其他频道产生干扰。

高频功率放大器:

高频功率放大器用于发射级的末级,作用是将高频已调波信号进行功率放大,以满足发送功率的要求,然后经过天线将其辐射到空间,保证在一定区域内的接收级可以接收到满意的信号电平,并且不干扰相邻信道的通信。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种,窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路,故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器;宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路,因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件,它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在“低频电子线路”课程中已知,放大器可以按照电流导通角的不同,将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o,适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180o;丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大,因而不能用于低频功率放大,只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然极近于正弦波形,失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外,又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高,理论上可达100%,但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率)的限制。

如果在电路上加以改进,使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小,则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率,必须采用低频功率放大器,而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高,但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大,决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低,但相对频带宽度却很宽。例如,自20至20000 Hz,高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载,如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高(由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz),但相对频带很窄。例如,调幅广播电台(535-1605 kHz的频段范围)的频带宽度为10 kHz,如中心频率取为1000 kHz,则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高,则相对频宽越小。因此,高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点,使得这两种放大器所选用的工作状态不同:低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类(限于推挽电路)状态;高频功率放大器则一般都工作于丙类(某些特殊情况可工作于乙类)。

宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器,它不采用选频网络作为负载回路,而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样,它可以在很宽的范围内变换工作频率,而不必重新调谐。综上所述可见,高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大,效率高;它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同,因而负载网络和工作状态也不同。

高频功率放大器的主要技术指标有:输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度(或信号失真度)等。这几项指标要求是互相矛盾的,在设计放大器时应根据具体要求,突出一些指标,兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路,防止干扰是主要矛盾,对谐波抑制度要求较高,而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题,其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率,它通常工作在乙类、丙类,即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大,不能采用谐振回路作负载,因此一般工作在甲类状态;采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小,可以采用谐振回路作负载,故通常工作在丙类,通过谐振回路的选频功能,可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分,选出基波分量从而基本消除了非线性失真。

所以,高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态,不能用线性等效电路分析,工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚,分析工作状态方便,但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中,窄带高频功率放大器:用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率,或放大窄带已调信号或实现倍频的功能,通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器:用于对某些载波信号频率变化范围大得短波,超短波电台的中间各级放大级,以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。

1、额定功率(rate power):是指连续的正弦波功率,在1kHz正弦波输入及一定的负载下,谐波失真小于1%所输出的功率,表示成W/CH(瓦/声道)。一般来说,额定功率越大,造价越高。

2、总谐波失真(THD):是指高次谐波占基波的百分比,总谐波失真越小越好,好的功率放大器的总谐波失真能达到0.02%

3、转换率(slew rate):单位时间上升的电压幅度,单位为伏/微秒,它反映了功率放大器对瞬态声音信号的跟踪能力,是一种瞬态特性指标。

4、阻尼因子(damping factor):其定义为功率放大器的负载阻抗(大功率管内部电阻加上音箱的接线线阻),例如8Ω:0.04Ω=200:1,一般要求比值比较大,但不能太大,太大会觉得扬声器发声单薄,太小则会使声音混浊,声音层次差,声像分布不佳。

5、输出阻抗(output impedance)(或称额定负载阻抗):通常有8Ω、4Ω、2Ω等值,此值越小,说明功率放大器负载能力越强。就单路而言,额定负载为2Ω的功率放大器,可以带动4只阻抗为8Ω的音箱发声,并且失真很小。

无论AV放大器和Hi-Fi功放对功率放大器要求十分严格,在输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数等方面都有明确要求。

输出功率:

输出功率是指功放电路输送给负载的功率。人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一,使用时注意。

1、额定功率(RMS):它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率(严格说是正弦波信号)。经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。很显然规定的失真度前提不同时,额定功率数值将不相同。

2、最大输出功率:当不考虑失真大小时,功放电路的输出功率可远高于额定功率,还可输出更大数值的功率,它能输出的最大功率称为最大输出功率,前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率。

3、音乐输出功率(MPO):音乐输出功率MPO是英文Music Power Outpur的缩写,它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率,也就是输出失真度不超过规定值的条件下,功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。

音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果,例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音,有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不完的劲;有的功放却显得力不从心底气不足。为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用音乐输出功率来量度。

4、峰值音乐输出功率(PMPO):它是最大音乐输出功率,是功放电路的另一个动态指标,若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。

通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率,音乐输出功率大于最大输出功率,最大输出功率大于额定输出功率,经实践统计,峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-8倍。

频率响应:

频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力,功率放大器的频响范围应不低于人耳的听觉频率范围,因而在理想情况下,主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20kHz。国际规定一般音频功放的频率范围是40-16kHz±1.5dB。

失真:

失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。波形失真的原因和种类有很多,主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。

动态范围:

放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。实际运用时,该比值使用dB来表示两信号的电平差,高保真放大器的动态范围应大于90dB。

自然界的各种噪声形成周围的背景噪声,而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大,在通常情况下,将这个强度差称为动态范围,优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真,而在输入弱信号时,有不应被自身产生的噪声所淹没,为此好的音响系统应当具有较大的动态范围,噪声只能尽量减少,但不可能不产生噪声。

信噪比:

信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系,将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。

输出阻抗和阻尼系数:

1、输出阻抗:功放输出端与负载(扬声器)所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗;

2、阻尼系数:阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。

工作范围是指功率放大器在规定的失真度和额定输出功率条件下的工作频带宽度,即功率放大器的最低工作频率至最高工作频率之间的范围,单位Hz(赫兹)。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。

功率放大器的工作模式主要有以下几种:

时分双工(TDD)模式:

在TDD模式的移动通信系统中,接收和传送在同一频率信道(即载波)的不同时隙,用保证时间来分离接收和传送信道。

TDD系统有如下特点:

1、不需要成对的频率,能使用各种频率资源,适用于不对称的上下行数据传输速率,特别适用于IP型的数据业务;

2、上下行工作于同一频率,电波传播的对称特性使之便于使用智能天线等新技术,达到提高性能、降低成本的目的。

时分多址(TDMA)模式:

TDMA是时分多址(Time Division Multiple Access)的英文缩写。同一频率的载波在某一特定时间内,分成若干相等的小时间段,供多个不同号码的用户使用不同的小时间段来实现连接的通信方式。简而言之,它是将一个狭窄的无线频道分割成框架性的时间片断(特别是3和8),并将每一个时间片断分配给每一个用户的数字无线技术。

指放大器输出功率和输入功率的比值,单位常用“dB”(分贝)来表示。功率放大器的输出增益随输入信号频率的变化而提升或衰减。这项指标是考核功率放大器品质优劣的最为重要的一项依据。该分贝值越小,说明功率放大器的频率响应曲线越平坦,失真越小,信号的还原度和再现能力越强。

功率放大器的功率指标严格来讲又有标称输出功率和最大瞬间输出功率之分。前者就是额定输出功率,它可以解释为谐波失真在标准范围内变化、能长时间安全工作时输出功率的最大值;后者是指功率放大器的“峰值”输出功率,它解释为功率放大器接受电信号输入时,在保证信号不受损坏的前提下瞬间所能承受的输出功率最大值。

增益是天线的主要指标之一,它是方向系数与效率的乘积,是天线辐射或接收电波大小的表现。增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求,简单地说,在同等条件下,增益越高,电波传播的距离越远。而功率放大器的接收增益值越大,则接收性能越强。

常见的直击避雷保护措施:

避雷针:避雷针用来保护工业与民用高层建筑以及发电厂、变压所的屋外配电装置、输电线路个别区段、在雷电先导电路向地面延伸过程中,由于受到避雷针畸变电路的影响,会逐渐转向并击中避雷针,从而避免了雷电先导向被保护设备,击毁被保护设备和建筑的可能性。由此可见,避雷针实际上是引雷针,它将雷电引向自己,从而保护其它设备免遭雷击。

避雷线:避雷线也叫架空地线,它是沿线路架设在杆塔顶端,并具有良好接地的金属导线,避雷线是输电线路的主要防雷保护措施。

避雷带、避雷网:在建筑物上沿屋角、屋脊、檐角和屋檐等易受雷击部位敷设的金属网格,主要用于保护高大的民用建筑。

浪涌也叫突波,顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲,浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲,。可能引起浪涌的原因有:重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量,以保护连接设备免于受损。

浪涌保护器,也叫信号防雷保护器,是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时,浪涌保护器能在极短的时间内导通分流,从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。

对于主要作用是向负载提供功率的放大电路通常称为功率放大电路,其主要特点如下:

1、输出功率是指交变电压和交变电流的乘积,即交流功率;

2、交流功率是在输入为正弦波、输出波形基本不失真时定义的;

3、输出功率大,因而消耗在电路内的能量和电源提供的能量也大;

4、晶体管常常工作在极限应用状态,由此要考虑必要的散热措施和过电流、过电压的保护措施。

在所有电子音像设备中,都有一个功率输出的最佳方案问题,即为了获得最大的功率输出而又不增加电路的投资经费,这就是功率放大器与扬声器系统的最佳组合。

功率放大器组合的目的是为了达到最小的设备投资而获得最大的功率输出。

为了达到最大输出功率,所以负载的大小应该使功率管的电流输出和电压输出的乘积最大,这时的状态称为功率匹配状态。在音响设备的扬声器系统中音响的输出阻抗应为扬声器组合状态的总阻抗,这样音响的输出功率才是标明的额定标准功率,否则音响的输出功率就达不到要求。

例如:音响标准接头上标明是4Ω、100W,那么该接头上的阻抗就是两个8Q扬声器的并联,每个扬声器可得到50W,这样综合扬声器系统,就是4Ω、100W,否则不能实现100w的功率输出。

功率管是功率放大电路中最容易受到损坏的器件,损坏的大部分原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值。另外,若功率放大器与扬声器失配或扬声器使用中长期过载,也极易损坏扬声器(或音箱),因此,在音响设备中,防护的目的是保护昂贵的功放和扬声器,所以对电源、功放、音箱的过载和短路保护是完全必要的。

1、电源保护:当使用开关电源时,则有专门的保护控制端,只要输入过电流或过电压信号,即可达到保护目的。

2、功放级晶体管保护:功率放大晶体管除在使用中必须注意环境温度及选用合适的散热器外,主要是考虑过电流和过电压保护问题,应用的集成电路都设有限流保护和热切断保护功能,所以在自制功放时须注意过压保护。

3、音箱扬声器系统保护:音响系统的保护有两种意义:一种是音响扬声器的过载;另一种不是音频功率的过大、而是直流电位的偏移,导致无电容隔离的OCL或BTL电路扬声器烧毁。

功率放大器简称功放,以其主要用途来说,功放可以分做两个主要类别,即专用功放与民用功放。在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅、公共场所扩声,以及录音监听等处所使用的功放,一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求,这类功放通常称之为专用功放或是专业功放。 [1]

而用于家庭的Hi-Fi音乐欣赏,AV系统放音,以及卡拉OK娱乐的功放,通常称为民用功放或是家用功放。

专用功放与民用功放尽管在一些特性参数上有所差别,但也很难说有一条泾渭分明的界线,比如用于音乐录音监听的功放很可能就是一台可用于家庭Hi-Fi甚至是Hi-end功放。

Hi-Fi功放与AV功放:

Hi-Fi功放与AV功放是家用功放中的两个主要类别。这两类功放用于不同的用途,设计的侧重也不相同。Hi-Fi功放用于欣赏音乐,使用者追求的是尽可能的"原汁原味".而AV功放的使用者追求的是与画面相配合的“现场”效果,甚至是夸张了的“现场”效果。这两类功放不太好直接比较孰优孰劣,比如价位同为三千多元的Hi-Fi功放与AV功放,Hi-Fi功放的成本投入只在两个声道上,而AV功放的成本投入则要兼顾5-6个声道,还要具有一定的效果处理功能。如果仅看其两个主声道的投入,肯定低于Hi-Fi功放两个声道的投入。其放音效果的差异是显而易见的。但是无论是Hi-Fi功放还是AV功放,都有高档精品型与超值普及型之分。

一般来说,很难能有一台可以对Hi-Fi、AV全兼容的AV功放,AV功放兼顾Hi-Fi音乐欣赏是有条件的,这一条件就是使用者欣赏音乐时的要求与标准,如果使用者仅是用来欣赏一些休闲音乐,或是只要求能够听到乐曲的旋律,AV功放是比较容易满足的,但是要是对音乐欣赏有较高的要求,一般的AV功放就难于满足了。

晶体管功放与电子管功放:

用于Hi-Fi欣赏的功放可以分作晶体管功放和电子管功放两大类,以前还有用集成电路或是模块电路的Hi-Fi功放,但现已经不多见。音响技术超级论坛 晶体管功放和电子管功放并不存在着优劣的差异,只不过应用的器件不同(一是晶体管,一是电子管),由于两类器件不同,其物理基理与电路特点也不相同。

电子管的电流是电子在真空中受电场力的吸引,运动形成的。而晶体管的电流是半导体元素的外层电子在电场力的作用下转移位置形成的。这种物理基理的不同,造成在实际应用中电路特点也不同。相对来说,电子管功放的工作电压较高,但工作电流比较小,而晶体管功放的工作电压较低,工作电流都比较大。 电子管功放与晶体管功放的音色确是有一定的差异,两者对瞬态信号的响应也不相同。这种不同都又分别适应了不同类别的音乐和不同的音乐欣赏者,所以Hi-Fi功放中形成了晶体管功放和电子管功放并存的情况。不过,若是以品牌、型号、数量而言,晶体管功放所占的份额仍是绝对大于电子管功放。

甲类功放与乙类功放:

晶体管功放输出级晶体管的工作状态,可以分做甲类与乙类。所谓甲类,简单地说就是使输出级晶体管在正弦交流信号的正负半周时均工作在线性区,而乙类则是仅使输出级的晶体管在正弦交流信号的正半周(或是负半周)工作在线性区。由于输出级晶体管的工作状态不同,使得输出级的电源利用效率(即输出功放与耗电功率之比)也不同。在实用的输出电路中,乙类的效率要比甲类的效率高2-3倍。

甲类功放不存在交越失真,而且不论实际输出功率大小,输出级晶体的内阻均为恒定。而乙类功放总会有一定的交越失真(尽管这种失真可能极小),另外,在大输出时输出级晶体管的内阻较小,但在小输出时输出级晶体管的内阻却比较大。这些不同,造成听感上也有不同,甲类功放的声音相对乙类功放而言比较柔和,另外对音箱的低频控制力也比乙类功放强,尤其是在小音量时低音的质感要好一些。甲类功放的这些特点,使得甲类功放在实际应用中不需要很大的输出功率余量,一台20W-30W的甲类功放已经能够把大多数的音箱推动得很不错了。

前面提到了甲类功放的电源效率低,这一原因造成甲类功放工作时要散发大量的热量。为了使晶体管的工作温度不超过一定限度,需要较大体积和面积的散热器,这使得甲类功放的体积、重量都比较大。

纯后级功放与单声道功放:

常见的功放都是把放大小信号的前置放大器(前级)与功率放大器(后 级)做在一个机壳中,这种功放常被称为“合并功放”,合并功放使用方便,又有比较好的性能价格比。但这种合并功放有它一些固有的缺点,其中最不好克服的就是前级与后级之间的相互干扰问题了。为了解决这一问题,于是便把前级与后级分别做在两个机壳中,这样就有了纯后级功放。大多的纯后级功放都是双声道的结构形式,但这种结构形式使得两个声道相互干扰问题又不太好解决,为了解决两个声道相互间的干扰便又出现了把两个声道分开的单声道纯后级功放。

把功率放大器这样一块块地分割开,最主要的意义是要提高功放的素质,而不是追求这种形式。如果仅仅在形式上实现了相互分开,尽管可以解决相互干扰问题,但其它参数并未明显改善,那么这种分开对功放提高整体素质来说还是有限的。

功率放大器有晶体管与电子管之分,前级同样也有晶体管和电子管之分。对于音响爱好者与音乐爱好者而言,在选用前级与后级上有多种的组合形式,而不同的组合形式又有不同的音效特点,这使得使用者又多了一些选择的空间。

与纯后级功放配接的前级对整个音响系统的优劣影响比较大。首先它必须具有一定的素质,否则,纯后级或是单声道的优点便发挥不出来,甚至有可能把一台劣质前级的“毛病”突出出来,整体音效反而更差了。再有,不同的前级后级配合其音色特点不同,使用者可以根据个人的偏爱选择不同的组合形式。

比如,很多音响与音乐爱好者就喜欢用“胆前、石后”(即电子管前级,晶体管后级)的组合方式,觉得这样组合既发挥了晶体管后级功率输出大,瞬态响应好的特点,又领略了电子管前级音色甜美、醇厚的“韵味”,不过这种搭配也并不是“金科玉律”,因为具体的前级与后级都有各自的特点,而对音色的偏爱又因人而异,使用者可以依据具体的情况找出自己所喜爱的组合方式。

Hi-Fi功放应有多大的输出功率:

Hi-Fi功放应有的输出功率受很多因素影响,首先这一输出功率与所配接的音箱关系较大,其次还与功放的自身素质有关,再有就是与所使用的环境,也就是房间的空间体积有关。

音箱有一项参数叫作灵敏度,它的单位是dB/m?W,所代表的意义是当音箱得到1W的电功率时距离音箱1m处产生的声压(dB)。如果某款音箱的灵敏度是90dB,那么在1m处得到90dB的声压需有1W的功率来推动。要得到100dB的声压, 那就需要10W的功率来推动了。但如果音箱的灵敏度是80dB(如ATC的SCM-10)要想达到100dB的声压则需要100W的功率来推动了。大多数音箱的灵敏度约为85dB-90dB,对这些音箱来说,有10W-30W的不失真功率已经能够有足够的声压了。

功放自身的素质,与功放应有的输出功率关系较大。功放的参数中有一项称为阻尼系数,这是表示对音箱控制能力的一项参数,但这一参数有一个适度范围,而且又和具体的音箱有直接关系。一般说来,如果一台功放的素质很好,在30 W输出时仍能保持其性能参数在一定的水准。那么就没有必要去要求功放有更大的功率输出。可是如果功放的素质不很理想,当输出功率增加时会引起其性能参数的劣化,那么就应当使功放的输出功率有一定的余量,以保证在实用的输出功率下仍有一定的良好参数。通常情况下,当功放为甲类输出或是电子管功放,则不需要有过多的输出功率余量,20W-30W的输出功率已经够用了。但如果是乙类功放或是素质较差的功放,这时应使功放的输出功率有较大的余量。另外,如果配接的音箱是大型倒相式,也应使功放有较大的输出功率余量。在从功放自身的素质考虑功放应有的输出功率时,将功率余量选得大些确实能改善功放与音箱的适配情况。

选择输出功率较大的功放主要的意义,不是因为需要那样大的声压,而是要改善功放对音箱的适配状态。如果一台输出功率适度的功放已经能够把音箱控制的得心应手,那么就没有必要对这台功放提出更高的输出功率要求。

使用环境,也就是房间的空间体积与功放应输出的功率也有一定的关系,以上所谈及的输出功率大小,是以房间的空间体积在40以下而言,如果房间的空间体积较大,那么功放的输出功率则应加大一些。

电子管功放输出级的特点:

电子管功放的功率输出级有三种电路类型,一类是有输出变压器的推挽输出电路。这类输出电路类型在电子管功放中占了绝大多数。在推挽电路中的输出变压器中直流成分很少,二次谐波失真也很小,这类电路的输出功率可以做得比较大,所以适用范围也比较大。一般说对胆机音色有兴趣的音响爱好者来说,这类输出级的胆机很合适。不过这类功放的,输出变压器的设计与工艺至关重要,如果输出变压器的设计与工艺上有不足之处,往往这类功放的频率响应,瞬态响应就不太理想。另外由于输出变压器的制约,所以配接音箱的适应范围较小。

另一类功率输出级的电路类型是单端甲类电路。这类电路也有变压器,但这类电路的输出变压器中有很大的直流成分,对输出变压器的要求比推挽输出电路中输出变压的要求要高。另外对供电电源的要求也比较高。这类输出电路的特点是二次谐波成分比较多,尽管这是一种谐波失真,但对音乐信号来说,二次谐波是高度的谐合音,所以听起来很入耳。这一特点使得这种输出电路的功放在声音的音色上很有特点,尤其是当功放级采用三极管时,人声听起来很甜美,室内乐中的弦乐听起来也很细腻,或者说,这类功放的声音很有味道。但是这类功放的输出功率不容易做得大,所以如果配用的音箱灵敏度较低,在放送大型管弦乐曲时就比较勉强了。这类电子管功放都很受一些音响玩家的欢迎,往往在备有一台大功率晶体管功放之外,又备有一台此类功放,想来是在音色上互有所补,不过,这也说明此类功放的音色特点确有动人之处。

还有一类电子管功放的输出级电路是OTL电路,所谓OTL电路就是无输出变压器电路。现代的晶体管功放输出级几乎全是OTL电路或是OTL电路的改进型。电子管和晶体管的特性参数与工作状态不同,晶体管功放很容易适合配阻抗为4- 8的音箱,而电子管功放要想不需要输出变压器去适配4-8的音箱就要费些周折了。电子管OTL功放由于去掉了输出变压器,所以在技术参数上比前面提到的那两类电路有很大的提高,这类输出电路的功放声音极有特色,和前面两类输出电路相比,它有宏伟的气势和宽阔的声场,和晶体管功放相比它的音色又温暖、细腻。这类功放由于没有输出变压器,所以能够适应较宽范围的音箱阻抗。但是这类输出级的功放电源效率低,设计、工艺、调试都比较复杂,这类输出电路的功放仅见于一些高档机种中,很难见到低价位的普及型机种。

电流特点:

对功放电路的了解或评价,主要从输出功率、效率和失真这三方面考虑。

1、为得到需要的输出功率,电路须选集电极功耗足够大的三极管,功放管的工作电流和集电极电压也较高。电路设计使用中首先要考虑怎样充分地发挥三极管功能而又不损坏三极管。由于电路中功放管工作状态常接近极限值,所以功放电流调整和使用时要小心,不宜超限使用。

2、从能耗方面考虑,功放输出的功率最终是由电源提供的,例如收音机中功放耗电要占整机的2/3,因此要十分注意提高电路效率,即输出功率与耗电功率的比值。

3、功放电路的输入信号已经几级放大,有足够强度,这会使功放管工作点大幅度移动,所以要求功放电路有较大的动态范围。功放管的工作点选择不当,输出会有严重失真。

功率放大器在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

对于很多人来说,对放大器并不是十分的了解,不清楚在功放音箱中,都需要哪些的配件进行配置,才能将功放的效果播放到一个最佳的状态。

第一种:就是在喇叭下面装个电阻做电流取样,实际上反馈回去的还是电压信号,是模拟的电流反馈,做的人最多,但是这个电路有缺陷的,有2个方面的原因:

1、是他的输出增益会随着阻抗的变化而变化。结果使加在喇叭2端的不是恒压了,好象这样可以使加到喇叭上的功率恒定。

由于扬声器的声压特性曲线是在恒压输出下测试的,所以单纯的这种电路并不好声,听感不佳,好玩而已,不过有改进型的电路,以电压负反馈为主,加适量的这种类型的电流负反馈,倒是可以做出不错的声音,但此时电流负反馈的作用是改变功放的阻尼系数,对幅频特性影响不大。

2、是取样点在喇叭的下面,喇叭是个电感,电流流过电感其相位会变化,低频还好,高频可以移相90度,相位特性极差。

第二种:负阻放大器,除了在一些特别的场合,第一个用于音响上并取得成功的是YAMAHA,其主要的作用是对低频的延伸有很好的改善作用,但是对200Hz以上的频率却会起到劣化音质的效果,所以一般是用在超低频有源音箱上。

实际上,这种电路是和音箱搭配使用的,单独没有什么实际使用的意义。其工作原理是:如果音箱是一个刚体,那么加上一个管子,就可以变成一个理想的霍尔莫滋共鸣箱,那么不管这箱子大小如何,管子的粗细怎样,只要符合霍尔莫滋共振计算公式。哪怕20Hz的谐振点也可以做的到,箱子的大小,只是效率高低而已,由于音箱上有喇叭的存在,喇叭在发声的时候是在运动的,音箱就不是一个刚体,那么箱子就不会产生霍尔莫滋共鸣。

因此,如果在发声的时候喇叭的振膜是静止不动的。那么,箱子就接近刚体,就可以满足霍尔莫滋共振的条件,可以任意的设计这个箱子的谐振点。发声的时候让喇叭不动的工作就是负阻功放的任务了。负阻功放的工作原理是当喇叭在低频段工作的时候,其阻抗特性急剧变化,放大电路通过电流取样将这种变化取出来反馈给功放,使得功放以电流的形式进行控制喇叭,如果对放大电路进行等效分析,可以发现功放的内阻在计算上成负阻特性。

在动态放大的时候使得喇叭加放大器的内阻接近于0。结果这种电路使得在喇叭不管朝哪个方向都受到很强的阻尼。只要发声以结束,喇叭就不动了,箱子也就变刚体了。

第三种:电流模反馈放大电路,这个才是实用的电流放大电路,也是真正的电流型负反馈,其反馈的信号是电流,不是电压,就是说在负反馈端不是加上,而是加入,有电流流入的。这种电路最早是在视频传输,或则仪器设备象示波器什么的上用的很多。

由于是低阻负电流反馈输入这种电路的高频特性极佳,容性负载的驱动能力超强,只要进过改进,发现做功率放大器很是不错,可以弥补电压型放大器的一些先天不足,象开环频响低,闭环的瞬态频响失真,极弱的容性负载驱动能力。缺点是这种电路的开环增益比较低,闭环后的失真会比电压型放大器高一个数量级。不过,做的好总失真也不会过0.01%。 [2]

无论在全球移动通信系统、第三代移动通信系统、无线局域网等民用领域,还是在雷达、电子战、导航等军用领域,射频功率放大器作为这些系统中的前端器件,对其低耗、高效、体积小的要求迅速增加。

众所周知,功率放大器是射频电路众多模块中功率损耗最大的,作为系统的核心和前端部分,它的效率将直接影响系统效率,因此效率问题成为现代功率放大器的研究热点。在大多数功率放大器中,功率损耗的主要是晶体管损耗,主要由电压和电流产生的,从而提出开关类功率放大器,主要有D类,E类和F类。其中F类功率放大器专门设计一个谐波网络来实现漏极电压和电流波形控制。理论上,F类功率放大器的漏极效率为100%,被称为新一代功率放大器。

传统功率放大器由于输出电路上的功率消耗,其工作效率很低。为增加传统功率放大器的工作效率,理想的F类功率放大器使用输出滤波器对晶体管输出电压或电流中的谐波成分进行控制,归整晶体管输出的电压和电流波形。从而实现集电极电流的角度参数为90°,即保持集电极波形为半个正弦波,集电极电压波形为方波,并且两者的相位差是λ/4,这样集电极电压和电流的波形就没有交叠区,从而达到100%的理想效率。 [3]


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