关于功放

农家二哥 · 发表于 2009-11-2 11:51:08

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关于功放

   A类功放：（又称甲类功放），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。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，并使这两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，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。A类功放的工作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（SwitchingDistortion），即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是声音最理想的放大线路设计。但这种设计有利有弊，A类功放放最大的缺点是效率低，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。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类功放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。A类功率功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。所以A类机的体积和重量都比AB类大，这让制造成本增加，售价也较贵。一般而言，A类功放的售价约为同等功率AB类功放机的两倍或更多。
      B类功放：（又称乙类功放）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。比如马兰士PM80晶体管功放，在确定的供电电源条件下，工作在乙类时输出功率有100W，而在甲类时只有20W。乙类功放（B类功放）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，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。纯B类功放较少，因为在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。乙类功放的效率平均约为75%，产生的热量较甲类机低，容许使用较小的散热器。
   AB类功放（又称甲乙类功放）与前两类功放相比，AB类功放可以说在性能上的妥协。AB类功放通常有两个偏压，在无讯号时也有少量电流通过输出晶体管。它在讯号小时用A类工作模式，获得最佳线性，当讯号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。普通机10瓦的AB类功放大约在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类功放在大部分时间是用A类功放工作模式，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并提高效率减少热量，是一种颇为合乎逻辑的设计。有些AB类功放将偏流调得甚高，令其在更宽的功率范围内以A类工作，使声音接近纯A类机，但产生的热量亦相对增加。
甲类与乙类的对比
　　A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B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。比如KRELL的KSD-50S甲类功放，输出为50W+50W，重量却有近30Kg，马兰士PM-80在工作状态下输出为20W+20W，重量也有13Kg。
合并功放
　　纯后级功放与单声道功放我们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。
   对于大多数的纯后级功放和单声道功放来说，都需要配接一台前级。因纯后级功放与单声道功放是为了提高功放素质出现的，所以对前级的素质要求也应与其相适应。
   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。
甲类功放音质动人的原因
　　在静态时，甲类功放和乙类功放接上纯电阻负载，测试时可能指标差不多，甚至热噪声甲类大一些。但是实际应用时，接的却是真负载（动负载）——扬声器，而且不同频率时扬声器的阻抗也不一样，这时的综合电声指标将劣于纯电阻负载时的指标，产生瞬态失真。由于负反馈的存在又会反馈到前级，这种瞬态失真关键是扬声器系统质量关型设计受到有效的、不间断的阻尼（控制）所引起，并且信号的电压上升率越高，这种失真越严重。对于高保真而言，重要的是扬声器系统的质量惯性能否受到扩音机有效的阻尼（控制）。
   乙类功放的阻尼不能有效的控制扬声器，对任意半周只有一臂输出在工作，或推或挽，但不能同时工作，所以它的阻尼是单方向的，即无论正半周或负半周，他只有产生推动扬声器工作的动力，而不能产生控制回来的拉力，要全方位阻尼，驱动电流必须及时换向，问题就在这里。以输入方波为例，可能工作时输入信号比方波还要复杂，当信号上升时，扬声器可以按照信号波形去工作，但当信号突然停止时，扬声器由于质量的惯性作用，却不会立刻停止，此时它的音圈产生反电动势造成正在导通的A臂输出管反偏而截止，而原来处于截止的B臂却导通，同时这个反电动势又由负反馈送回前级被放大后从而激励B臂输出管加速导通，共同完成乙类功放这种特殊的阻尼，因为这个过程要过零点，有一瞬间失去阻尼自由振荡。这个过程完毕，B臂导通变截止，原本导通又被反偏的A臂输出管才恢复导通，又经历一次过零点失去阻尼的瞬间才恢复阻尼。因此说乙类功放的阻尼在任意瞬间都是单方向的，对扬声器的阻尼是靠反反复复的过零点换相来实现的，几乎时刻都产生着失真。
   甲类功放正负两臂均导通，阻尼系数的双方向的，在突发性高电压上升时，音圈按照波形去动作，信号停止时，反电势经导通的B臂完成通路，惯性被阻尼，无法产生自由振荡，反电势也建立不了，甲类功放这种全方向的阻尼，迫使扬改朝换代器的振动始终根据信号的波形去振动。这好比一辆正在预势的摩托车，说走就走，说停就停。
从上述分析，你可明白甲类功放音质动人的原因。
   D类功放指的是D类音频功率放大器（有时也称为数字功放）。通过控制开关单元的ON/OFF，驱动扬声器的放大器称D类放大器。D类放大器首次提出于1958年，近些年已逐渐流行起来。已经问世多年，与一般的线性AB类功放电路相比，D类功放有效率高、体积小等特点。
   在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地。认为A类功放声音最为清新D类功放芯片透明，具有很高的保真度。但是，A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。B类功放虽然效率提高很多，但实际效率仅为50%左右，在小型便携式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合，仍感效率偏低不能令人满意。所以，效率极高的D类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视。　由于集成电路技术的发展，原来用分立元件制作的很复杂的调制电路，现在无论在技术上还是在价格上均已不成问题。而且近年来数字音响技术的发展，人们发现D类功放与数字音响有很多相通之处，进一步显示出D类功放的发展优势。
   D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下，D类功放的效率为100%，B类功放的效率为78.5%，A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。
D类功放实际上具有开关功能，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。然而，开关功能（也就是产生数字信号的功能）随着数字音频技术研究的不断深入，用与Hi-Fi音频放大的道路却日益畅通。20世纪60年代，设计人员开始研究D类功放用于音频的放大技术，70年代Bose公司就开始生产D类汽车功放。一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效率，另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功放，两者都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。其中关键的一步就是对音频信号的调制。
   D类功放的基本结构
   第一部分为调制器，最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。若音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1：1的方波。当有音频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1：1；负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于1：1。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为PWM（Pulse Width Modulation脉宽调制）或PDM（Pulse Duration Modulation脉冲持续时间调制）波形。音频信息被调制到脉冲波形中。
   第二部分就是D类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。能够输出的最大功率由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。
   第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单，只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1：1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被恢复出来。
   工作原理D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。此时功放管的线性已没有太大意义，更重要的开关响应和饱和压降。由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好。另外，整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗。所以，饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能得到简化。若干年前，这种高频大功率管的价格昂贵，在一定程度上限制了D类功放的发展。现在小电流控制大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域，特别是近年来UHC MOSFET已在Hi-Fi功放上应用，器件的障碍已经消除。
   调制电路也是D类功放的一个特殊环节。要把20KHz以下的音频调制成PWM信号，三角波的频率至少要达到200KHz。频率过低达到同样要求的THD标准，对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂。频率高，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，THD小，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器，造价相应降低。但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件中的高频损耗、射频的聚肤效应都会使整机效率下降。更高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHz。
   同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。所以要实现高保真，出现了很多与数字音响保真相同的考虑。
   还有一个与音质有很大关系的因数就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器。该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱。严格地讲，设计时应把音箱阻抗的变化一起考虑进去，但作为一个功放产品指定音箱是行不通的，所以D类功放与音箱的搭配中更有发烧友驰骋的天地。实际证明，当失真要求在0.5%以下时，用二阶          Butterworth最平坦响应低通滤波器就能达到要求。如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑。
   近年来，一般应用的D类功放已有集成电路芯片，用户只需按要求设计低通滤波器即可。

开采 · 发表于 2009-11-2 12:05:48

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