3.2功率放大器

晶體管功率放大器按照工作狀態(tài)不同可分為甲類、乙類和甲乙類三種，它們的集電極電流波形圖如圖(a)

甲類功放在一個周期內(nèi)，三極管的導通角為360°。在靜態(tài)時也要消耗電源功率，這時電源功率全部消耗在管子和電阻上，并轉(zhuǎn)化為熱量的形式耗散出去；當有信號輸入時，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率。信號愈大，輸送給負載的功率愈多。甲類放大電路效率低，電阻負載最高也只能達到25%；變壓器負載最多可以達到50%。晶體管功率放大器ui1b)為了提高效率，采用乙類推挽電路。有信號時工作，無信號時不工作，直流靜態(tài)功率損耗為零。晶體管半個周期工作，導通角為180°，這種工作方式稱為乙類功放。乙類功放減少了靜態(tài)功耗，效率較高（理論值可達78.5%），但出現(xiàn)了嚴重的波形失真。ui2(C)為了克服乙類功放的缺點，在乙類功放中設(shè)置開啟偏置電壓，使靜態(tài)工作點設(shè)置在臨界開啟狀態(tài)。只要有信號輸入，三極管就開始工作，這種工作方式稱甲乙類功放。在一個周期內(nèi)，其導通角略大于180°，小于360°。因靜態(tài)偏置電流很小，在輸出功率、功耗和效率等性能上與乙類十分相近，故分析方法與乙類相同。33.2功率放大器

晶體管功率放大器1.變壓器耦合甲類功率放大器電路特征是在輸入信號的整個周期內(nèi)，晶體管均導通，有電流流過。與一般放大器所不同的是其負載不是直接接在晶體管的集電極上，而是通過變壓器接入的。故稱為變壓器耦合的甲類功率放大器。5Pomax

:負載上得到的交流信號功率。PV：電源提供的直流功率。1.變壓器耦合甲類功率放大器單管甲類功率放大器電源供給的電流是以靜態(tài)電流ICQ為中心上下變化的，其平均值為ICQ，電源電壓為EC，所以電源提供的功率為EC·ICQ負載上得到的最大的正弦波功率則為ICQ·EC/26實際上，由于下列原因，其效率不可能這樣高。(1)變壓器的損耗。變壓器初、次級各有導線電阻，它們要損耗能量；變壓器的初級磁力線也不可能完全耦合到次級，存在有一定的漏磁，因此也要產(chǎn)生一些損耗。(2)晶體管飽和壓降也不可能為零，多少都會有一定的功率損耗。(3)為穩(wěn)定工作點，發(fā)射極串聯(lián)有負反饋電阻Re。Re也要消耗一定的能量，同時晶體管集電極到發(fā)射極之間的電壓也要降低。

甲類功率放大器實際效率大約只能達到30%多一點。7功率裕量即為功率儲備量，是指功率放大器的最大不失真功率大于其平均工作功率的倍數(shù)。從高保真放音的要求來說，當然希望功率儲備量越大越好，但是功率儲備量太大，其所需功放板的體積或重量便會也大，造價也隨之昂貴。因而，對于一般專業(yè)用或家用的高檔次音響系統(tǒng)來說，其功放系統(tǒng)的功率儲備量應大于20倍；對與一般的電腦音響系統(tǒng)其功率儲備量有個2-20倍之間就夠了。9(3)輸出變壓器引起的失真。這種失真主要是因變壓器鐵芯的非線性引起的。所以，現(xiàn)在人們更喜歡使用無輸出變壓器的OTL、OCL放大器。甲類功放也有它的優(yōu)點，它有比較好的表現(xiàn)力，音色細膩、平滑流暢，不存在交越失真。各項電聲指標高。(2)輸入電阻和信號源內(nèi)阻引起的失真。晶體管輸入電阻隨信號大小變化也略有變化，由此會引起輸出信號的失真；信號源內(nèi)阻大也會引起失真。10由于電源提供的功率不變，是一定的，因而輸入電壓為零時，效率也為零；輸入電壓越大，IC的幅值越大，那么負載上獲得的功率就越大，消耗在三極管上的功耗就越小，因而轉(zhuǎn)換效率就越高。但是，人們通常希望輸入信號為零時電源不提供功率，輸入信號越大，負載獲得的功率也越大，電源提供的功率也隨之增大，從而提高了效率。為了達到這個目的，在輸入信號為零時，應使管子處于截止狀態(tài)，而為了使負載上能獲得正弦波，常常需要采用兩只管子，在信號的正負半周交替導通，那么兩只三極管都工作在乙類放大狀態(tài)，由于負載仍是通過變壓器耦合到放大電路中的，因此而產(chǎn)生了變壓器耦合乙類推挽功率放大電路。2乙類推挽功率放大器11＋－當輸入信號使變壓器的副邊電壓極性為上＋下－時，V1管導通，V2管截止；－＋當輸入信號使變壓器副邊極性變?yōu)樯希拢珪r，V1截止，V2導通。圖3―7乙類推挽功率放大器

信號通過輸入變壓器T1，轉(zhuǎn)換成為兩個幅度相等，極性相反的信號，兩只晶體管分別將其放大，然后在T2上合成。因此負載上能獲得正弦波電壓，從而獲得交流功率。同類型的管子（V1和V2）在電路中交替導通的方式稱為“推挽”工作方式。13信號通過輸入變壓器T1，轉(zhuǎn)換成為兩個幅度相等，極性相反的信號，兩只晶體管分別將其放大，然后在T2上合成。這里信號的正負半周之間出現(xiàn)了無信號的過渡區(qū)，這樣輸出的合成信號就與原輸入信號之間產(chǎn)生了失真，這種失真稱為“交越失真”。14并且由于輸入、輸出都用了變壓器耦合，這樣會使放大器體積、重量都較大，而且其漏電感及分布電容、雜散磁場等，都會對信號產(chǎn)生干擾和影響，損耗增大，效率降低。所以，目前的功率放大器大都采用無輸出變壓器的電路，即OTL電路。

3.OTL功率放大電路交越失真是乙類推挽功率放大器較為明顯的問題。15

3.OTL功率放大電路

OTL功率放大電路屬于互補推挽電路的一種。V1、V2分別在輸入信號的作用下，輪流導通和截止，不同類型的兩只晶體管交替工作，且均組成射極輸出形式的電路稱為“互補”電路，兩只管子的這種交替工作方式稱為“互補”工作方式。C0則分別工作在充電和放電的狀態(tài)。由于這個充放電時間很短，且C0的容量很大，所以C0上的電壓基本保持不變。17C0的選擇往往與揚聲器RL的阻抗和放大器的工作下限頻率fL有關(guān)，一般要求當放大器的級數(shù)增多時，由于各級對低頻的衰減會增加，C0的值還要取大一些，一般為470~2200μF。18

OTL電路比變壓器耦合電路有了很大的改進，但從高保真的角度看，仍有許多不足之處。主要表現(xiàn)為瞬態(tài)互調(diào)失真大，開環(huán)增益指標差，穩(wěn)定性不好，諧波失真大，有殘留交流聲等。這些缺點是由于電路中的電抗元件和電路的不對稱引起的。為了避免OTL電路中輸出電容對電路造成的不良影響，現(xiàn)在，在音頻功率放大器中普遍采用無輸出電容電路，即OCL電路，又稱直接耦合互補倒相功率放大器。4.OCL功率放大電路19電路采用對稱的正、負兩組電源供電，使兩只互補功放管能夠輪流工作。其工作原理與OTL電路的相同。省去輸出電容以后，OCL電路輸出的中點電位是零電位。因為這時輸出與揚聲器是直接耦合，若輸出級中點電位不為零的話，將有直流流入揚聲器，使音圈偏離中點，產(chǎn)生額外的失真，嚴重者將燒壞揚聲器。所以O(shè)CL電路的中心點必須確保直流零電位。21

由于OCL電路各級晶體管間均采用直接耦合，溫度的變化，電源電壓的波動，都會產(chǎn)生零點漂移現(xiàn)象，使OCL電路輸出端中點產(chǎn)生偏離，使電路性能惡化，因此，OCL電路往往在前級采用溫度穩(wěn)定性較好的差動放大電路來克服零點漂移現(xiàn)象的產(chǎn)生。22圖3―11OCL功放電路V1，V2作為差動輸入放大，V23是激勵級，V24V25V26V27組成了準互補對稱輸出。信號從V1的基極輸入，經(jīng)放大后從V1的集電極耦合到V23管的基極，再經(jīng)V23放大到足夠的幅度，去激勵準互補對稱的V24V25V26V27，作功率輸出。級間負反饋從輸出端通過R112反饋到差動輸入級V2的基極，反饋量很大，再加上差動輸入級具有的高穩(wěn)定性，從而保證了OCL電路輸出了穩(wěn)定電平。V1V2由于OCL電路采用正負對稱電源，差動輸入放大等措施，使輸出端的直流電位為0V。目前多數(shù)專業(yè)功率放大器采用OCL電路。233）克服失真在頻率很低時，由于揚聲器對電源不對稱，對應于信號的正負半周時，與揚聲器串聯(lián)的電容容量并不一致，這便使流過揚聲器的輸出電流正負幅度不同，產(chǎn)生失真。去掉OTL電路的輸出電容有利于克服失真。4）避開浪涌電流在開、關(guān)機的瞬間，由于輸出電容的充放電，會使揚聲器及輸出晶體管受到相當大的浪涌電流沖擊。去掉OTL電路的輸出電容可避開浪涌電流。為防止此沖擊電流燒壞揚聲器，有的電路增加了延時通斷繼電器。255.DC功率放大電路針對OTL和OCL電路的缺點，近年來在大功率放大器中較多采用全對稱的OCL電路，亦稱DC電路，DC電路是在OCL電路基礎(chǔ)上改進而成的，DC是表示該電路的低頻響應可以一直擴展到“直流”的意思，把OCL電路的輸入放大級改成互補差分放大器，以實現(xiàn)全對稱的平衡激勵，輸出電路仍用OCL的形式，就成了DC放大器。DC電路由于去掉了輸出電容、反饋電容，使這些電容的不良影響隨之消除，所以，瞬態(tài)指標比OCL電路高。266.BTL功率放大電路

在OCL電路中采用了雙電源供電，雖然就功率放大器而言沒有變壓器和大電容，但在制作負電源仍需要使用變壓器或帶鐵芯的電感和大電容等。所以就整個電路而言，不是最佳方案。BalanceTransformerlessLine:橋式推挽式放大電路BTL電路是一種平衡式無變壓器電路。該電路在電源電壓、負載不變的情況下，使輸出功率提高到OCL電路的4倍，而且由于良好的平衡性和對稱性，其失真度和穩(wěn)定性都獲得進一步的改善。27功率放大器的電源電路電源電路為放大器提供動力。主要采用交流穩(wěn)壓電源供電，穩(wěn)壓電路可使輸出電壓在電網(wǎng)波動、負載變化時基本穩(wěn)定在某一數(shù)值。由于放大器應有足夠的功率，能長時間連續(xù)工作，因此對放大器中的電源電路有很高的要求。電源電路要有足夠的能量儲備，抗過載能力要強。電源性能的優(yōu)劣對高保真立體聲放大器的放音質(zhì)量好壞有極大影響。對于穩(wěn)壓電路，主要指標是指穩(wěn)壓系數(shù)小和輸出電阻小，所以音響系統(tǒng)對電源的要求是：輸出電壓穩(wěn)定、波紋系數(shù)小、輸出足夠的功率、內(nèi)阻小、50Hz雜散磁場干擾小。

放大器的電源電路和保護電路291)穩(wěn)壓電源中的關(guān)鍵部件穩(wěn)壓電源最關(guān)鍵的部件是變壓器和濾波電容。為了使功放盡量工作在線性區(qū)，電源容量取值很大，總?cè)萘客ǔ＿x在幾百VA，甚至上千VA。電源變壓器通常采用環(huán)形變壓器。為了保證輸出波紋系數(shù)小，并滿足大動態(tài)的要求，濾波電容通常選在幾萬微法，甚至到十幾萬微法。301)穩(wěn)壓電源中的關(guān)鍵部件對電源變壓器除了容量上的要求以外，其它方面的要求也較高。早期的電源變壓器多采用傳統(tǒng)的方形變壓器，因其漏磁大而且易產(chǎn)生干擾，近年逐步被環(huán)形變壓器所取代。環(huán)形變壓器具有用料少，重量輕、磁阻小、外界干擾小、空載電流小、自身雜散磁場低等特點。因此在穩(wěn)壓電源中應用十分廣泛。31在使用方式上，早期的功率放大器多采用一只變壓器供電，其最明顯的弱點是左、右聲道容易發(fā)生串擾，影響聲像定位與清晰度。而近年制造的放大器，大多采用左、右聲道分別由獨立的變壓器供電。由此獲得的音質(zhì)改善的效果，不是用更換晶體管、電阻、電容，以及改變電路等其它方法所能得到的。電源變壓器采取獨立分離方式，功放音質(zhì)會得到明顯改善，效果特別好。32由于電源性能的好壞對音質(zhì)的影響非常突出。電源的成分越純凈，內(nèi)阻越小，音質(zhì)就越好。因此近年來功放專用開關(guān)電源在國內(nèi)逐漸受到重視。由于開關(guān)穩(wěn)壓電源具有輸出電壓穩(wěn)定、體積小、重量輕、功率大、效率高，功放瞬態(tài)響應速度快，能輸出多種不同的直流電壓等等多種優(yōu)點，因此廣泛應用到各種較高檔的電器設(shè)備當中。用在功放中，給電路設(shè)計和布局帶來了方便并極大的提高了功放的音質(zhì)。但由于開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)復雜，工作原理難于理解，同時它的故障率也較高，因此一直困擾著大多數(shù)的電子維修人員。2）功放專用開關(guān)電源33用高頻開關(guān)電源供電的功放對音樂的表現(xiàn)所體現(xiàn)的優(yōu)點在于：功放音質(zhì)將有明顯的提高，功放的音域更加寬廣，高音清晰、細膩；中音嬌嫩甜潤；低音更具有震撼力。一些很一般的功放，一旦換用開關(guān)電源，高低音將有明顯的提升，音色變得親切柔和。同時，由于高頻開關(guān)電源的高頻特性好，使功放的聲場寬闊、定位準確，特別是由于該種電源的穩(wěn)定性好，功放的工作點不會隨輸出功率的變化而變化。在大音量時，聲場照樣穩(wěn)定，樂器聚焦準確。34功率放大器工作在高電壓、大電流、重負荷的條件下，當強信號輸入或輸出負載短路時，輸出管會因流過的電流過大而被燒壞。另外，在強信號輸入或開機、關(guān)機時，揚聲器也會經(jīng)不起大電流的沖擊而損壞。因此，必須對大功率音響設(shè)備的功率放大器設(shè)置保護電路。功率放大器的保護電路包括:負載短路保護、負載過載保護、過壓保護、過流保護以及過溫保護等。在一些專業(yè)放大器上一般備有過載削波指示燈（peak），有些放大器還備有指針式或LED的音量表，可指示出額定負載阻抗時的輸出功率，非常直觀。35切斷負載式-------過載保護繼電器：保護揚聲器的，防止開關(guān)機電流沖擊。

當放大器輸出過載或中點電位偏離零點較大時，過載檢測電路輸出過載信號，經(jīng)放大后啟動繼電器動作，使揚聲器斷開，從而保護了揚聲器。常用的電子保護電路有切斷負載式、分流式、切斷信號式和切斷電源式等幾種。36分流式保護電路-------過載保護當輸出過載時，過載檢測電路輸出過載信號，控制并聯(lián)在兩只功率管基極之間的分流電路，使其內(nèi)阻減小，分流增加，減小了大功率管輸出電流，保護功率管和揚聲器。37切斷信號式和切斷電源式保護電路的工作原理與前兩種方式基本相同。不同的是，僅用過載信號去控制輸入信號控制電路或電源控制電路，切斷輸入信號或電源。這兩種保護電路對其它原因?qū)е碌倪^載不具備保護能力，且切斷電源式保護電路對電源的沖擊較大，因此，實際中使用得較少。切斷信號式切斷電源式38專業(yè)音頻功率放大器在音樂廳、歌舞廳等專業(yè)擴聲系統(tǒng)中，所用的功率放大器稱為專業(yè)音頻功率放大器，它是一種功率較大的純功率放大器，為其提供信號的前級設(shè)備是調(diào)音臺。在擴聲系統(tǒng)中，功放的下一級就是音箱，因此要按照所配的音箱的額定阻抗和功率來選擇功放，從而達到功率匹配、阻抗匹配，除此之外，有時還需考慮到音色匹配。39專業(yè)音頻功率放大器在音樂廳、歌舞廳等專業(yè)擴聲系統(tǒng)中，所用的功率放大器稱為專業(yè)音頻功率放大器，它是一種功率較大的純功率放大器，為其提供信號的前級設(shè)備是調(diào)音臺。在擴聲系統(tǒng)中，功放的下一級就是音箱，因此要按照所配的音箱的額定阻抗和功率來選擇功放，從而達到功率匹配、阻抗匹配，除此之外，有時還需考慮到音色匹配。401功率匹配對于功率匹配來講，實現(xiàn)的配接原則是大馬拉小車，即要求功率放大器的額定功率大于音箱的額定功率。采用這樣的方式配接的主要原因是考慮到功率放大器應具有一定的功率儲備，一方面以適應較大動態(tài)范圍的節(jié)目信號不致使功放過載而引起嚴重的非線性失真，燒毀功放。另一方面由于音箱可承受越3倍其額定功率的信號沖擊而不損壞，所以客觀上要求功放的功率要大一些。但如果功率過大，會導致音箱過載，嚴重的還會燒毀音箱。412阻抗匹配在HI-FI音響器材中，比如晶體管功率放大器的輸出阻抗為低阻抗，而電子管功率放大器等器材的輸出阻抗為高阻抗。如果它們與揚聲器連接時阻抗不匹配，會使放大器的輸出功率分配不均，或因阻尼過大使揚聲器的瞬態(tài)特性變差。

42如果功放的額定負載阻抗大于以音箱為負載的阻抗，不但不能增加放大器的不失真功率，反而會加重放大器的工作量，這主要原因是因為負載的減小，輸出的電流會增大，那么在放大器內(nèi)阻上的壓降也會增大，從而增大了放大器的工作量，那么在這種情況下，會導致放大器瞬態(tài)失真。如果功放的額定負載阻抗小于以音箱為負載的阻抗，要是放大器的電源電壓不夠大，則會引起電壓過載而產(chǎn)生失真。433音色匹配放大器與音箱匹配中，還有音色匹配的問題。有兩種匹配方式：一種是選擇音色表現(xiàn)相同的放大器和音箱匹配，這樣使音色相得益彰，韻味更濃；另一種就是選用不同音色的放大器和音箱，使不同的音色互相融合，互相彌補，以求得到更佳的音質(zhì)。441功率匹配對于功率匹配來講，實現(xiàn)的配接原則是大馬拉小車，即要求功率放大器的額定功率大于音箱的額定功率。采用這樣的方式配接的主要原因是考慮到功率放大器應具有一定的功率儲備，一方面以適應較大動態(tài)范圍的節(jié)目信號不致使功放過載而引起嚴重的非線性失真，燒毀功放。另一方面由于音箱可承受越3倍其額定功率的信號沖擊而不損壞，所以客觀上要求功放的功率要大一些。但如果功率過大，會導致音箱過載，嚴重的還會燒毀音箱。452阻抗匹配對于阻抗匹配，由于功放的額定負載阻抗與音箱的標稱阻抗實際上不可能完全相等，所以要盡量使它們接近符合。如果放大器的額定負載阻抗大于以音箱為負載的阻抗，不但不能增加放大器的不失真功率，反而會加重放大器的工作量，這主要原因是因為負載的減小，輸出的電流會增大，那么在放大器內(nèi)阻上的壓降也會增大，從而增大了放大器的工作量，那么在這種情況下，會導致放大器瞬態(tài)失真。如果功放的額定負載阻抗小于以音箱為負載的阻抗，要是放大器的電源電壓不夠大，則會引起電壓過載而產(chǎn)生失真。463音色匹配放大器與音箱匹配中，還有音色匹配的問題。有兩種匹配方式：一種是選擇音色表現(xiàn)相同的放大器和音箱匹配，這樣使音色相得益彰，韻味更濃；另一種就是選用不同音色的放大器和音箱，使不同的音色互相融合，互相彌補，以求得到更佳的音質(zhì)。47功率放大器的選用功率放大器的選擇是有一定要求的。首先要根據(jù)廳堂的性質(zhì)，環(huán)境和用途來選擇不同類型和功率的功率放大器。一般情況下，音樂廳，劇院及演唱為主的歌舞廳，擴聲系統(tǒng)應選用頻率響應范圍寬，失真度小，信噪比大，音色優(yōu)美的高品質(zhì)功率放大器，對于娛樂性的歌舞廳，DISCO廳應選擇大功率的功放。廳堂或房間所需的功率放大器的功率可估算出來（與廳堂或房間面積大小及節(jié)目源性質(zhì)有關(guān)）。按廳堂體積來計算，通常每立方米空間需要0.5W到1W，如以欣賞音樂為主，選擇0.5W/m3,如果是欣賞電影為主，每立方米可以選擇1W。例如一個200m2的廳堂，房高3m，那么以欣賞音樂為主時，選擇功率為300W的放大器即可；如以欣賞電影為主，則放大器的最大功率為600W.48其次要考慮功放最佳的散熱能力從獲取優(yōu)質(zhì)的音質(zhì)角度考慮：功率放大器中的換能元件（如晶體管、電子管）應工作在甲類狀態(tài)，但轉(zhuǎn)換效率低。采用甲類狀態(tài)，無論靜態(tài)還是動態(tài)直流電源供給的能量是恒定值。由于轉(zhuǎn)換效率低，會因較大能量損耗致使換能器件發(fā)熱甚至超過所允許的換能元件額定溫度。長時間工作時，換能元件按是否能承受高溫將直接影響可靠性。因此對換能器件采取有效的散熱至關(guān)重要。YAMAHAP系列功放：緊湊設(shè)計外加大功率空氣強制冷卻系統(tǒng)。內(nèi)置的熱力控制的雙速冷卻風削減了外部冷卻的需求，使很長時間的高負荷運轉(zhuǎn)成為可能。49目前，我國市場上優(yōu)秀的功率放大器設(shè)備主要有CROWN（皇冠），BGW。EV。REAVEY（百威），JBL，QSC以及日本的YAMAHA等品牌。功率放大器也是各類擴聲系統(tǒng)中常用的設(shè)備。

其次要根據(jù)音頻功率信號傳輸?shù)木嚯x遠近選用定壓式或定阻式功放。對于背景音樂系統(tǒng)或會議系統(tǒng)等遠距離分散式揚聲器系統(tǒng)，需要選用定壓式功放。對音樂廳，劇院，歌舞廳，DISCO廳等擴聲系統(tǒng)選用定阻式功放。另外，還應根據(jù)音箱的功率來配置功率放大器，功放功率應大于音箱功率。50功率放大器的選用1.功率放大器的選擇是有一定要求的。首先要根據(jù)廳堂的性質(zhì)、環(huán)境和用途來選擇不同類型和功率的功率放大器。一般情況下，音樂廳，劇院及演唱為主的歌舞廳，擴聲系統(tǒng)應選用頻率響應范圍寬，失真度小，信噪比大，音色優(yōu)美的高品質(zhì)功率放大器，對于娛樂性的歌舞廳，DISCO廳應選擇大功率的功放。廳堂或房間所需的功率放大器的功率可估算出來（與廳堂或房間面積大小及節(jié)目源性質(zhì)有關(guān)）。按廳堂體積來計算，通常每立方米空間需要0.5W到1W，如以欣賞音樂為主，選擇0.5W/m3,如果是欣賞電影為主，每立方米可以選擇1W。例如一個200m2的廳堂，房高3m，那么以欣賞音樂為主時，選擇功率為300W的放大器即可；如以欣賞電影為主，則放大器的最大功率為600W.512.要考慮功放最佳的散熱能力從獲取優(yōu)質(zhì)的音質(zhì)角度考慮：功率放大器中的換能元件（如晶體管、電子管）應工作在甲類狀態(tài)，但轉(zhuǎn)換效率低。