音频功率放大器

江南春 · 发表于 2005-2-21 06:20:00

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音频功率放大器

简称“功放”，作用是放大调音台或周边设备（信号处理设备）送来的低电平音频频信号，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置又可分为A类放大、A/B类放大和C类放三种。

A类放大的失真最小，音质好，但电源转换率最低，器件的发热量最大，生产成高，一般用于输出功率较小的Hi-Fi发烧级功放。

C类放大的失真比A类大些，尤其是在小信号输出时（1/100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。

电子管功放巳有数十年历史，是功放元老代。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，被人们宠爱。最大缺点是电源利用效率很低，电子管A类放的效率不到10%、C类约15-17%，大部分电能变为热量消耗掉。耗电大、发热高、体积大、成本高等缺点，在专业音响系统中被晶体管功放替代。

晶体管功放近20多年发展史，是第二代功放。最大优点是电源转换效率高。（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、缺点是转换速率低，偶次谐波失真较大，音质和可靠性都略逊于电子管功放。

一、音频功率放大器的电性能指标

现大多数为低阻抗输出的晶体管功放。还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）。为适应立体声音响系统配置的需要，低阻抗输出功放现巳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。

功放技术参数可分为电性能指标和可靠性指标两类。

1、额定输出功率——在规定的总谐没失真条件下，功放的额定负载阴抗上的输出功率。

P（额定输出功率W）=U2 （负载电阻两端的电压V）/R（负载电阻Ω）

提高输出功率的途径是增加功放内部直流电源的功放容量和提高输出功率晶体管的耗散功率。

在实际应用中，双通道立体声功放通过桥接方法可何负载提供增加一倍的功率。



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。功放桥接后，其输出端的“一”极一般都不能接地，以免与串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，有时会相起不稳定或对其他电子设备引起干扰。（美国CROWN公司发明了可负极接地的桥接输出功放）。桥接输出功放，只需一路输入即可，另一路不需输入信号，应把增益电位器关到“0”。（如果开到最大，会引入该路输入端的感应噪声）。

功放输出端不能简单并联运行，（并联输出端之间稍微有点不平衡，一台功放就会像驱功负载那样去驱功另一台，由于两台功放输出的相位差和电位差，会造成输出波形的严重失真，不平衡严重时，相互“倒灌”可导致损坏功放。）解决方法是：在两台功放输出端之间设置一个电抗负载，阻止任何程度的不平衡引起的严重后果。（感性负载把并联功放的相互负载效应隔离）。

并联方式的优点是如果一台功放发生故障，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，如果一台功放发生故障，则全部无输出，但不会发生相互倒灌的问题。

2、阻尼系数——是直接影响低音纯真度的一个重要参数。

感应电流与扬声器内磁场的作用方生一个阻止锥盆运动的力，阻止锥盆运动的效果是可用阻尼系数D 恒量。

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。一般可达到100-1000（不包括电线电阻）（扬声器锥盆直径越大，低音越好听。但锥盆直径越大，其运动惯性也越，大直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性运动具有制动的作用。）

D=RS（扬声器阻抗Ω）/Ri（功放输出内阻Ω）+R1（功放与扬声器之间连接导线的电阻Ω）

图-阻力系数的作用

3、转换速率（Slew Rate）——涉及它的高频性能。转换速率越高，高音的音质越佳。

晶体管功放的开关速度比电子管功放慢，而转换速效也较之低，一般可达10-150/us。Mos-FET场效应晶体功放的转换速效可达50-70v/us。达到电子管功效同样水平，因此高音音质非常清晰，层次分明。

阻尼分数和转换速率两项枝术参数直接影响低音和高音音质，是功放的两项重要参数。

4、失真度

放大器的非线性失真用总谐波失真（THD）和瞬间互调失真（IMD）两个技术参数来表示。

THD是一个“静态”失真指标，是指在功率放大器输入端输入一个没有失真的纯正弦波，然后在功放额定输出功率下测量出信号的正正弦波基波与它的各次谐波分量之比，实际上，输入信号是包含很多频率成分的复杂波形，即有很多频率同时输入，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相互调制失真，称为瞬态互调失真，是一种影响音质的更重要的失真。

晶体管功放一般的THD和IMD都可以做到0.1%以下，但是在关心失真度指标的同时还应注意他的转换速率。因为功率放大器中采用深度负反馈可把失真度指标降低到很小的范围，但带来的负面影响是转换速率降低，高音音质和瞬态特性变差。因此优质功放很少采导用深度负反馈电路，仅采用少量的局部反馈。

5、频率响应特性（振幅-频率特性）

频率响应特性在20HZ-20KHZ频率范围内，幅频特性波动的分贝数。一般均达到±0.5dB范围。

6、输入特性——是指增益电位器调到最大位置时，负载电阻上达到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。

0dBm电平：输入电平为275mv时，在规定的负载上可获得额定输出功率。

+6dBm：输入电平为1.5V时，在规定的负载上可获得额定输出功率。

26dBm：此时功放的电压增益固定为26dB(20倍)

负载阻抗越小,输出电压越低,所音的输入电压也越低.小负载换大负载会引起功率放大器过载和输出波

7、相位响应特性（相位失真）——是指功放对不同输入频率信号产生的不同相移，频率越高，相移越大。

功放对输入信号都有延时，形成输出信号与输入信号之间的相位变化（相移）。相位响应影响音乐信号的频谱结构，使乐声“染色”（变调），如果相位真超过±600，会使功放出现工作不稳定。

8、信号/噪声比（S/N或SNR）——是说明功放信号动态范围的一个技术指标。是指在额定输出功率下，输出端的信号电压有效值与无信号输入时输出端上的噪声及交流哼声的电压有效值之比。优质功放的SNR>100dB。

9、通道间的半音衰减

双声道立体声功放与多路调音台一样，通道之间也存在不同程度的串音存在。

二、音频功率放大器的可靠性指标及保护措绝

在大功率、高电平状态，由于输入信号电平变化范围大，输出负载时有变动及经常发生连接导线短路或开路等，这些错误操作极易发生输入信号过载和输出功率过载导致功放设备损坏——保护措施（既能保护自身不受破坏，还能保护与其连接的扬声器系统不受损）。

1、开机保护——为清除场声发出的开机冲击声，功放中设置了一个自动延时装置，每次开机5-10s后，才接通输出电路。

功率放大器开机时，在电路到达稳定前都有一个短暂的“暂态，电路过程”，这个暂态过程在输出端上出现一种瞬间冲击电压；对于无输出变压器的低阻功放，这个瞬间冲击电压会直接送到扬声器，使扬声器在每次开机时都会发出“啪”声。

2、功放的稳定性——是可靠性指标之一

试验方法：输出端开路，分别接上100PF、0.1uF和1uF三种容量的电容器，改变输入信号的频率和调节音量控制器使功放输出自额定功率降至最小，用示波器观察输出波形，均不应发生自激振荡和寄生振荡波形。

3、短路过载保护——发生输出短路或输出过载时，该装置自动切断输入信号，使其成为无信号输入状态，保护了功率放大器。故障解除后自动恢复。

（过载保护装置必须精确调整它的保护电平，否则发生过早保护）

4、变压器过热保护——功放的电源变压器都设置有一个温度控制开关，超过规定温度时就会自动关机，保护了电源变压器安全运行。降到正常范围时，可自功恢复按建。

5、直流输入保护

晶体管功放采用正、负双路直流电源供电，输出端上的直流电压为0V，但如电路中发生某些故障，就会打破这种平衡，输出端出现“正”或“负”的直流电压，此电压送到扬声器后，会直接烧毁该扬声器。

在输出端采用一个快速的熔断保险丝。保护效果不理想，在低价功放中广泛采用。优质功放的直流保护电路设计得极精确可靠。

6、ODEP保护——解决了功放传统设计中长期存在的两个问题：一是避免功放在运动期间瞬时过载的停机问题。二是提高了输出电路的效率。

1-5为保证功放正常运行必须具备的基本条件。

当外界如热烈欢呼声、爆炸声响等使输入信号发生短暂的过载（不会损坏功放和扬声器），传统保护就是在此时立即切断功放的输入，使全场“哑音”。而美国CROWN公司发明了称为输出器件模拟保护装置ODEP（Output Device Emulation Protection），是一种不停机的精密保护电路。ODEP采用严格的程序检测功放中每个输出晶体管的安全工作区域（SOA）。能够能预料潜在的问题，并且毫无察觉地进行补偿，使演出工作得以正常进行。

7、限流保护技术能过限流指示器可指示扬声器负载与功放能力是否取得最佳匹配和是否在安全区内工作。可以检测出信号电流是否经负载和负载电流是否超出了功放输出电流的能力。

8、IOC保护技术（输入输出比较装置）——将输出信号和输入信号进行连续对比，如果输出和输入信号之音的失真超过0.05%，IOC指示器就会发出闪烁指示，提醒使用者，优质功放中采用。

IOC（Input/Output Comparator）指示器实质涵义是一个高传真输出指示器。它的进一步发展是通过功放内部的一个电压控制放大器（VCA）进行增益控制，使输出信号的失真度不会超过规定值。

9、输出驱动保护技术——如检测出有不正常的电压存在，保护装置立即会自动拆开功放和扬声器之间的联接。

为保护低音扬声器，不受直流和次低音（101B以下的音频）引起的损坏，在功放输出端专门设有一个用来检测是否有次低音（Sub Sonic）和直流（DC）存在的保护装置。

10、VZ电源供电技术-----VZ（Variable Zmpedance）是一种可变阻抗专利技术。可以改变施加到输出晶体管上的电压和电流，达到减少输出级的发热量，使功放在更安全的条件下高效工作。

功放电源必须具有足够大的电压和电流来保证功放负载的最大要求。功放内的大功率晶体管在把电源能量转换成信号功率输出时，会产生大量无用的热量。这样消耗了宝贵能源，想办法把这些热量散发出去。输出功率越大，晶体管耗散热量也越大。

VZ由两种直流电源组成，功放负载低于4Ω时，采用低电压大电流的并联模式供电。负载阻抗高时，采用串联高电压、小电流模式供电。这种高低电压模式的转换是由一个灵敏的监视信号电路自动决定的。

VZ电路可保证在最安全的工作条件下，负载上获得最大的功率匹配。大大降低了失真，保证功放不会发生过热，提高了电源的可用效率。用户可方便地把功放设定到与负载达到最佳匹配状态。

11、扬声器偏置集成技术（Loud SpeakerＯffset Integration）——是在不对称的音频信号输入时（含有直流成分的音频信号），为防止低频扬声器纸盆的偏心位移而设置的一种偏置集成补偿电路，这样可以增加低频输出能力。便音圈冷切均匀。

三、第三代功放——开关MOSFET（场效应管）功放。

集电子管功放和晶体管功放两者优点结合的第三代功放优点：

（1）开关MOSFET（场效应晶体管）比双极晶体管有更高的开关速率和超过7倍以上的带宽增益乘积，因此功放频率响应宽、信号功态范围大、转换速率高（最高可达100v/μS），高音清澈细腻，音质自然逼真。

双极晶体管的确增益带宽乘积为2HZ，高频MOSFET的乘积为8HZ，开关MISEFT的乘积为15MHZ。

（2）双极晶体管是一种电流控制器件，典型大功率晶体管的基极激励电流可超过250mA，而开关MOSFET几乎不超过1μA，是其2.5万分之一倍。因此开关速度极快。

（3）温度系数的差别。

开关MOSFET在较大电流运行时，温度系数变为正温度系数（电子管也是正温度系数器件）特性，随着温度的升高，它的内阻也变大，从而限制了电流的增加，温度不会进一步增高，从而器件得到了自身保护。

在低电流运行时，双极晶体管和开关MOSFET都是负温度分数，即温度升高时，内阻减小，促使电流进一步增大，这种现象在低功率运行时无危险性。但在大电流运动时，温度进一步升高，致双极晶管损坏。

（4）最大瞬时过载的差别。

开关MOSFET在短时间内超过SOA区域不会危害器件（此特性与电子管相同，因此开关MOSFET可处理30：1的瞬时峰值功率（峰值与平均值之比）。动态范围的扩大意味着音乐的细腻度和音质层次感的提高。它可输出150A特大瞬时电流至3Ω的低阻抗负载。

双极晶体管的工作电平超过它的安全工作区SOA（SufeOperating Area）时，晶体管就会立即烧毁。

（5）开关MOSFET的内阻小，温升低。

低内阻、更小温升和更高效率是开关MOSFET的特点。

双极晶体管的内阻随着音频激励电流的大小而变化。音频MOSFET的内阻为0.25Ω，开关MOSFET的内阻为0.18Ω,它的温升仅为10-150C甚至更低。电源转换率的理伦值可达74%。低的运行温度,提高了功放的寿命。

双极晶体管，失真极小，可达万分之一以上，但音质听感不如电子管功放逼真的细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐，弦乐和钢琴曲方面感觉最明显。电子管是一是种用电压控制的器件，不需控制电流，开关速率很快，双极晶体管是一种电流控制器件，需有较大控制电流，转换速率较慢，这是基本差别。

四、第四代功放——数字音频功率放大器。

前三代功放均属模拟类音频功率放大器，技术成熟、音质好、但难以与数字设备配接，难以远距离监控和较低的电源转换速率。用数字功放取代是必然趋势。

数字功率放大器的优点

数字功放与摸拟功放主要技术特性对比

1、数字音频功率放大器百现（1）D类数字音频功率放大器

PWM：脉冲宽度调制信号

电源利用率达90%以上，又巳时约为模拟功放1/6，故中、高音的音质更清晰、声像定位更正确，但在PWM编码过程中，信号的过矢真（或称交越矢真）比模拟功放大。（采用自应算法脉动冲宽度调制技术、使小信号放大时的矢真大大改善，必进后有时称为“7”类数字功率放大器）

（2）1bit数字音频功率放大器

为进一步提高数字功放的音质又不大幅度提高功率晶体管的开关速率（频响范围扩大到30KHZ，动大市场范围扩大到105dB，声音更为更腻悦耳）——采用2.8244MHZ高取样频率和1bit增量调制（△-∑调制）的编码方案。

如果要获得更大的信号动态范围，更好的信号质量，需要更高的取样频率和更大量仅bit数，需更宽的电路通带和更高转换速率的功率晶体管。

两种编码方案的本质区别是PWM的信息，包含在脉冲宽度的变化中，测量的是模拟信号振幅的绝对值。1bit编码方案的信息包含在脉冲序列的“0”和“1”中，测量的是模拟信号振幅变化的相对值，然后再加振值的起始值获得振幅绝对的变化。

1bit数字功放的频响特性可达2HZ-50KHZ矢真更小，电源利用率达95%以上但需更宽的频带，更高的开关速率，更复杂的编码电路和更高的生产成本。目前输出功率不能做到很大的价格贵、尚未高品化。

（3）powersoft数字功放的主要技术特性和可靠性保护措施——专业级大功率数字功放。

A、①音频特性：频率响应、阻尼分数、转换速率、信号/噪声比、总谐波矢真、互调矢真。

②电源要术及物理参数：自适应电源的电压范围、工作环境温度、重量、体积。

③功率输出特性

B、可靠性保护措施。

①输出短路保护

②过热保护

③限幅保护：输入信号过大或输入信号中出现突大的峰值电平时，自动限幅保护电路使过大的输入峰值信号自动被限幅，不会发生信号削皮，不会损害场声器可流（尤其是高音扬声器单元。）

④直流输出保护——保护低频扬声器单元不受损坏。

⑤长期输出功率限制：长期输入持续非音乐信号，自动衰减输入信号，限制输出功率，不损坏国放和扬声器单元。

⑥VHF保护：输入流出现超出音频范围的强烈持续的非音乐信号，黄色LED灯闪烁警告，保护扬声器系统。

⑦交流电源保护

C、Powersoft数字功放的远程监控特性

最长距离500m、监控应用软件是以下控制和监测出：

·开机/关机　·短路保护监测 ··亚音控制 ·输入电平监测 ·增益控制 ·输出电平监测 ·系统负位

·供电电源状态显示  ·其他独立控制功能 ·抗内温度显示

五、如何配套选择功率放大器

功率放大器与扬声器直接配套使用，也选好扩声系统中这两项主要设备选用配套的尖遵循反列自列：

1、优质扬声器必须配置优质的功放，充分发挥性优秀性能。

普及型声器为保护高单单元不受损害，采用高音保护措施、如灯炮限流保护或磁液冷切保护、以增加高频单元抗瞬间冲击和功率过载的能力。

高档型专业级扬声器采用增大场声器单元的功率容量采提高抗过载能力，不会影响瞬态响应和动态范围，应配以音可靠优质功放，以“门当户对”。

2、正确的功率配比

从保护音质这个角度来说，功放在10-15dB功态范围不发生位何限幅情况，即功放的最大输出应是扬声器额定功率的5-8倍，这样功率配置音质，但投资大，故一般会定在1-2倍，具体经验如下：

（1）要求低，投资有限工程，功放输出功率起码与扬声器箱的额定功率相当。

（2）一般工作，见议功放的功率配比取1.5倍，低音部分最好超过1.5倍，这样才能获得足够的力度感和信号的峰值范围。

（3）要求极高切所如录音室监听，电视  厅，音乐厅等，最理想的功率配比是2倍

3、适应使用环境——环境差或流功系统，选用优质功能。

4、正确判断功放质量

各项电性能指扬是否齐全，数据是否合理正确；保扩措施内容；有无“无故普及型功放很少标明，瞬间互调矢真（2MD）、2 小负载的输出功率、相移、输入灵敏度等指标

降工作时间的承诺（一般为3年）

如可能，看抗内结构、布线是否合理、装配工艺、电源变压器容量和滤波电容器容易大小

5、最好的性能/价格比

六、功率放大器、扬声器和连接电缆

电流在线缆中流动会产生功率损耗和其他问题

一般功率损耗问题容易解决、更要考虑低音音质问题

表示积大的线缆有较低电阻、连接线缆电阻值是直接影响阻尼系数的因与之一。

R1（线缆阻）=ρ×线缆长度、单位m每个线缆长度应为2个单线长度计/3单根导线表面积、单位mm2

            （导线材料的电阻率、单位50mm2/m）

               用作音频线  的的导体电阻率（200C和00CC）

实际中场声器与功放距端口ITM,保持最小阻尼系数为50.连妆电缆对阻尼系数的影响体味条重要,因此在系统设计必须重视,由此还可计算出电缆阻抗对功放输出的功率损耗.

计算公式：电源功率损耗P10ss=R1×22电缆中流过的音频电流

线缆长、导线上损失很大功率、阻尼系数降低

乱弹琴 · 发表于 2005-2-21 19:43:00

好！支持一下～

僵尸 · 发表于 2005-11-20 18:41:00

支持一下。

寄生天下 · 发表于 2006-1-8 04:57:00

不能解压真的怎么办？谢谢

孤独跑者 · 发表于 2006-2-28 02:49:00

分享，谢谢

lzf · 发表于 2006-3-6 03:55:00

十分感谢你,你提供的,正是我所需要的.先下试试看,有问题再请教.

y179028109 · 发表于 2006-3-7 04:06:00

[em02]

sunset · 发表于 2006-3-18 02:27:00

太感谢了。支持支持支持

frankneo · 发表于 2006-3-28 22:12:00

分享，谢谢

wwmcxx · 发表于 2007-8-10 10:55:12

顶一个，能下吗？？？？

shunni · 发表于 2008-9-6 09:09:15

东西呢？没搞得懂

sin99500 · 发表于 2008-12-23 15:49:12

谢谢，收藏了啊

qiao168 · 发表于 2009-1-13 21:30:46

:D :D :D :D

qpdd · 发表于 2009-4-23 16:10:44

好！支持一下～

亓家大少爷 · 发表于 2009-7-21 06:37:37

支持下哦

mfz · 发表于 2009-8-3 16:24:15

顶......

小二度 · 发表于 2009-9-11 15:59:28

下载看看!

superaze · 发表于 2009-9-17 22:41:36

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