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美国ARC总设计师ROBERTZEFF是美国汽车音响界功率放大器设计大师之一。他以前是美国ZAPCO的功放设计师，自从创立ARC汽车音响品牌以来，其产品尤其是功率放大器深受大众喜爱。这篇文章，是ROBERTZEFF应美国CA&E杂志邀请，介绍汽车音响功率放大器的最新技术与具体应用。 - W+ g3 Z4 H8 f9 @
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/ i* s- ^) H& h0 l 在 汽车音响功率放大器方面，以前多用两种电路，AB类与A类。现在的功放电路有A类，AB类，D类，G类，H类与T类，还有许多新的没有定义的技术名称。这些新技术带来的变化就是更小的体积，更低的价格，同时提高性能和效率。今天，在这里我们来对各种新技术进行系统性的分析，而且重点要有更高的效率，在效率方面，表现突出的电路类型是D类，G类，H类和T类。另外还会对汽车功放的设计与声音的处理方面来交流一下看法，让大家更加明白功放的设计与声音的取向，并消除一些误解和错误的认识。
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汽车功率放大器，需要的线路有许多，如短路保护，热保护，风扇转速控制，开机延时启起动以及过压保压等电路。过去，需要许多的元件来组成这样的控制电路。而科技高速发展的今天，我们只需要一个微处理芯片就可以处理这一切，另外在不增加成本的基础上，还可以增加更多的功能。微处理器可以监控电池的电压，内部电压，温度，控制音量和分频网络，和驱动控制的外部显示。它还可以直接与运算电路组合，从而进行输出功率限制或限幅，增加的成本也不会多。下面我们从功放的各部分来说一下电路的设计。 2 E' w1 ~, ]$ z3 @8 I5 h' \7 n
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电源供应部分% j1 f+ p( I! q* X$ r! g, R
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汽车功放的电源部分的主要作用就是将汽车蓄电池也就是电瓶的电量转化为更高的电压。例如，如果一个功率放大器需要在四欧的状态下，输出100W的功率，那么我们需要的RMS额定电压为20V。这时其时我们需要的电压值为+/-28V，因为20V的额定电压，其峰值电压为28V。我们称其为临界电压，是因为功率放大器的功率放大管的电压最大达到这里，但实际设计时，会稍微更高一点，而保有余量。
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' p( J( M+ { `4 E& V' K 具体的处理过程是将12V的直流电变成交流电，输出给变压器然后再整流成直流电。将12V的直流电转化为交流电比较简单，一个PWM（脉冲调制）IC输出给场效应管MOSFET处理就可以了，MOSFET是开关型晶体管，非常适合做这种处理。 s e0 r* u. H! J; l2 x: n3 B' u
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! H5 N6 r% K2 |0 S5 m& } 12V电压以一个极高的频率进行开与关，这个频率通常为40–150kHz。较慢的开关速度要求更大的变压器，过快则会造成损耗。优质的变压器磁环材质，高整的整流器，合适的绕组方式可以应用较高的开关频率。现在许多优质的功率放大器，都因此而可以用较小的电源处理输入，而产生非常大的功率。
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; V1 _% m0 p4 @稳压式电源供应
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' K" A9 a& X4 ?* v$ G 早期许多的汽车功率放大器都有非稳压式的电源供应方式。稳压式的电源供应要求有非常高品质的滤波电容，即低ESR内阻的电容；输出扼流圈；和优化设计独立的电压反馈电路。稳压是通过控制脉冲调节带宽0-100%去补偿电瓶与输出电压。稳压电压线路感应到电压的变化与响应而改变脉冲的带宽。 5 ?/ u* j) v2 [+ V
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# {0 ^' Z9 x0 q+ } 高频的PMW脉冲调制波形经整流而转化为直流，再经输出扼流圈与电容处理。这时输出的电流就是正与负的大电流提供给功率放大部分。
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: P) W, _ b: T4 g1 g2 _非稳压式电源供应
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- P \/ s1 M' J% T4 U' a 相对于稳压式电源供应，非稳压式电源供应较便宜，它不需要输出扼流圈，电压感应器，独立反馈电路等。这是因为其工作负载系数将近100%，电容的波动电流值也非常低，因此对电容的要求也不会那么高。
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6 q2 h6 z! ~- u4 i: u 我们常常听说过非稳定式电源供应有更加多的电压余量空间，这其实意味着功放在瞬间可以产生更多的电量。许多的 家用音响的功率放大器都是应用非稳定式电压供应线路设计，功放的电源是交流是50Hz，因此开关电源所用的滤波电容必须大200-500倍，这种额外的容量导致 家用音响功率放大器有更多的电压余量。但其实在非稳定式电源供应，电压余量的空间指的是瞬态的电流供应量，而不会有更多的电压余量空间。接下来我们可以看看稳压式电源供应与非稳压式电源供应的对比参数。 ) U T6 \+ _2 y
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从中可以看出，非稳压式电源供应有着在低功率时有较高的输出电压，功率放大部分会有更高的输出电压，但这降低了功放的效率。较小的功率放大器，如小于100W，相对于稳压式电源，非稳压式电源有成本优势。 ( ]# f: J3 L% o6 q
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! `6 ?9 r! U+ \/ c, T0 o0 n稳压/非稳压式电源的优点和缺点
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有些设计师尝试将功放的输入电压最低可以让电池电压低至9.5伏特，然后通过增加电流供应来补偿。下面的表格列出了一个500W的功放在满功率状态下工作的电压和电流。在较低的电压时，电流急剧增大。由于较低电压与更高的电流，供电效率进一步下降，这需要更大的电流。 & _* v C( u U/ `# }
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电压越高，脉冲宽度减少，导致纹波电流增加。这种高电流使滤波电容产生热量，这种热量可能损害电容器的电解液。有许多的生产厂商所用的电容的这些指标不过关，功放在安装之后一年左右就会出现故障，这也就是电容的品质问题。还有在低电压需要大电流时，这个大电流有时超过汽车电瓶值也无法供应上大电流。因此，我们ARC的做法是，将功放的电压稳压在11-11.5伏，这样所有的汽车的电瓶与发电机系统在正常工作时，都可以很容易地保持高出这个电池的电压。 . [% X# L9 c. `9 ^1 d- u
3 S& ?' ?! z5 ]# K$ q: ?功率放大部分，AB类与A类
AB类和A类功放的工作类型基本相似，因此我们放在一起讨论。AB类功放就是功率管的正半部分推正电压，负半部分推负电压，这与喇叭相对应是喇叭音盆向外突出或内缩。 AB类的功放由于工作属性，因此输出功率管不是经常有电流输出，例如，当功率管的上半周在工作时，这时下半周是没有电流输出的。当输出信号接近为零时，这就将接近负半周，这时输出功率管必将经历一个微电流与零电流的过程。为了弥补这种陷波失真，AB类电路的设计在这种接近零区时，使用A类电路。从下图可以看出AB类功率放大器在接近零区时，所产生的失真。通常陷波失真在更高频或者音量较低的情况下会增加，现代的许多AB类电路的设计，都是基于如何尽量地降低此类失真。 A类功率放大器与AB类有较为相似的工作电路，但是它的每颗晶体管始终传导电流。A类是指，每个晶体管始终是传导电流，也就是每个晶体管每路都将信号完整放大输出，因此A类功率放大器没有这种“死区”，用较少的反馈来实现低失真。即使是没有音频输出，一台100W的放大器可消耗近100瓦，因而在汽车环境里，这种类型的设计是不切实际。市场上许多一流的汽车功放其实也并不全部是真正的A类，许多的设计都是小功率时是A类，大功率时就转AB类了。在家用音响里的AB类同样也耗电非常大。 输入和驱动级 功率放大器的工作方式是这样的：小的音频信号输入给功放的晶体管去放大。但每个晶体管的放大都不是线性的，这意味着输入信号通过各种放大级时会有失真。为了修正这类失真，需要将输出信号与输入相对比，两信号之差来抵消这种失真。因此，信号输入级的电路比较特别，我们称之为差分电路，它有正负输入，是为了同时接收音频信号输入和反馈信号输入。反馈电路可以显着地降低失真，但会导致不稳定。因此功放在此处的设计必须非常用心，以避免这种不稳定。 信号输入级输出信号给放大级部分，这种放大级根据不同的功率大小，使用的放大级数不同，一般用一级，两级或三级放大电路。这种电路通常被称为Darlington或三重Darlington。放大级输出信号给功率输出级，一般由两个，四个，六个或更多对管组成。输出晶体管越多，效果越好。多个输出晶体管还有助于降低失真，增加稳定性。 D类功率放大器 首先澄清一个观念：D类，并不代表是数字化。这种功放将输入信号转变为二进制来代替音频信号，而经功率放大后也是如此，再处理成音频信号。因此D类功率放大器并不是用数位电子元器件来控制或处理音频信号。但从它的工作原理来看，D类设计极大地提高工作效率。D类功放的输出是在供应电源的正负极之间就用一个高速开关电路，因此，它不会在输出功率管上浪费功率。如果输出接近为0，则波型只有50%的功率在工作，如果输出是正电压，晶体管的工作状态就超过50%。由于输出管通常都是全开的或者全关闭的，因此理论上来说，其效率可达100%。因此音频信号通过调制PWM为脉冲波型。如图，黄色线是功放的输出，蓝色线是调制的波型。蓝色线的波型经输出滤波，就可以还原成黄色线式的波形。由于要将信号PWM调制处理，然后再处理成模拟信号，因此有较大的失真。因此，在这里也使用如同AB类功放的反馈电路，以达到降低失真的目的。 MOSFET场效应管是D类设计的唯一选择。大多数D类设计只用作低音功率放大器用，因为他们切换速度不够快，高频重现相对要差。一些高品质，全频处理的D类功放在专业音响里有出现，但它们也相应配有复杂的多阶输出。 T类功率放大器 T类（Tripath）功率放大器的工作原理是类似于D类，但也有些例外：T类不使用D类的模拟式反馈电路。反馈信号是数字化的，在输出滤波器之前取样，这样就可以避免滤波器的相移。由于D类或T放大器失真主要是时基误差，因此T类放大器反馈时基信息。T类的另一个区别是，这种放大器采用数字信号处理器将模拟信号编译成PWM信号并处理反馈信息。该处理器对比反馈信息，并作时基调整。由于T类放大器的反馈回路不包括输出滤波器，因此非常稳定，可以在整个音频频段内工作。大部分听众无法分辨出T类和良好的AB类功放声音之间的差异。D类和T类功放也都存在一个问题：即他们在空闲时消耗额外的功率。由于高频波形在任何时候都存在，因此即使没有音频信号，放大器也会产生一些余热。因此有些放大器的设计，在没有音乐信号时，完全关闭功放，但会对开启时有滞后效应。 G类功率放大器 G类通过另外一种方式来提高效率：常规的AB类放大器是由多级电源驱动。一个500瓦的放大器有三个正电压和三个负电压。电压值可能分别为70伏，50伏，25伏。当放大器的输出接近25伏，电源接通50伏；当输出接近50伏时，电源接通到70伏。这种设计有时也被称之为“峰值开关”设计。这种设计提高了效率，减少电压输出晶体管的功率浪费。从下图可以看到，电压的输出（红色）会根据音频信号（蓝色）的电压不同而不同。G类的效率与D类或者T类完全相似，只是G类的设计然较为复杂，它是基于AB类放大器并且有着相类似的音质效果。 H类功率放大器 H类功率放大器与G类相似，只是它的尾端电压是随着输入信号而进行调制。供电电压永远都是比输出信号稍微高一点，这术就可以确保晶体管的电压小而且输出放大管不发热。这种调制供电电压的信号的产生原再有点类似于D类，从形式上来说，你可以这样理解，这种类型的功率放大器是D类与AB类的一个结合体，电路上有点复杂。 如何选择呢？ 稳压电路或者非稳压电路？AB类，D类或T类？说了这么多，如何选择呢？如果你真的需要很强劲的低音，D类或T类功率放大器可以用很小的尺寸就做成很高的SPL声压输出。可以为您为这些放大器会产生最高的SPL最小尺寸。如果想要最纯净的的高频？也许一个很好的AB类放大器，将您的选择。无论你选择，我希望这个信息可以帮助你实现你要找的声音！
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发表于 2010-3-20 19:19:40
