2023/6/9第6章音頻放大器

2023/6/96.1音頻放大器的組成

音頻放大器又稱聲頻放大器、低頻放大器或擴(kuò)音機(jī)，是放大音頻電信號的裝置。按音頻放大器中各部分的功能不同，常常將其分為兩部分：其一稱為前置放大器（也稱前級放大器）；其二稱為功率放大器（也稱后級放大器），如圖6-1所示為模擬音頻放大器的基本組成框圖。前置放大器還可細(xì)分為信號源前置放大器和主控放大器。2023/6/96.2前置放大器

圖6-2前置放大器示意圖

2023/6/91.信號源前置放大器的作用是：

①有選擇地接收信號源的信號；②對輸入的信號進(jìn)行頻率均衡或阻抗變換；③對各種信號進(jìn)行相應(yīng)的放大，使各種信號的輸出電壓基本相同，以利于其后的主控放大器的工作，并改善信噪比。6.2前置放大器

2023/6/92.前置放大器中的主控放大器也稱控制放大器或線路放大器，其主要作用是將前面送來的信號進(jìn)行各種處理與再放大，使之能滿足功率放大器對輸入信號電平的要求，并達(dá)到人們對音響效果的某些主觀要求，比如音量調(diào)節(jié)、響度控制、音調(diào)調(diào)節(jié)、噪聲抑制、聲道平衡、聲像展寬等功能都在此環(huán)節(jié)完成。6.2前置放大器

2023/6/9前置放大器主要功能電路有以下幾個(gè)部分。6.2.1均衡放大電路

均衡放大電路是校正輸入信號的頻率響應(yīng)并進(jìn)行放大而設(shè)置的專用電路。過去常見的有：電磁唱頭均衡放大電路、磁頭均衡放大電路。6.2前置放大器

2023/6/9音調(diào)控制電路通過對高、中、低音調(diào)的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)節(jié)目的特點(diǎn)并滿足不同聽音者的要求。音調(diào)控制的基本原理是調(diào)節(jié)衰減網(wǎng)絡(luò)或者反饋網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，使其對高、中、低不同頻率的信號產(chǎn)生不同程度的衰減或反饋，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出頻率響應(yīng)的目的。6.2.2音調(diào)控制電路

2023/6/9音調(diào)控制電路的幅頻特性有四種情形：低音提升、低音衰減、高音提升及高音衰減。低音提升（或衰減）的轉(zhuǎn)折頻率f1一般為100Hz，高音提升（或衰減）的轉(zhuǎn)折頻率f3一般為10kHz，中頻轉(zhuǎn)折頻率f2一般為lkHz，6.2.3等響度控制電路6.2.4前置放大器中的分頻6.2.2音調(diào)控制電路

2023/6/96.3功率放大器

功率放大器的作用是將來自主控放大器的信號放大到能足夠推動(dòng)相應(yīng)揚(yáng)聲器所需的功率。功率放大的本質(zhì)就是將電源電能“轉(zhuǎn)化”為音頻信號電能。圖6-4功率放大器的組成方框圖

2023/6/91.諧波失真

諧波失真是指功率放大器中非線性畸變的狀況，它是由非線性元器件所引起的，它使輸出信號中出現(xiàn)輸入信號中沒有的諧波成份，如圖6-5所示是產(chǎn)生二次諧波失真的情況。圖6-5產(chǎn)生二次諧波失真示意圖6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/92.頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)又稱頻率特性，它又可細(xì)分為增益——頻率響應(yīng)和失真——頻率響應(yīng)。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/93.輸出功率功率放大器輸出功率的表示方法有多種，其中最常用的是額定輸出功率，是指在額定負(fù)載阻抗下，放大器不失真的輸出功率，常常是由生產(chǎn)廠家來規(guī)定此值。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/9除額定輸出功率外，功率放大器的輸出功率，還有以下的種種表示方法：平均功率。它是瞬時(shí)功率在一周期內(nèi)的平均值。

有效值功率。它是瞬時(shí)功率的均方根值。

音樂功率。它是指放大器工作于音樂信號時(shí)的輸出功率，又稱動(dòng)態(tài)輸出功率。

功率放大器的實(shí)際輸出功率與它所帶負(fù)載的阻抗大小有著密切聯(lián)系，在使用中需加注意。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/94.信噪比功率放大器額定輸出電壓與無信號輸入時(shí)輸出的噪聲電壓之比，稱為信噪比（S／N），常用dB來表示。即專業(yè)功放的信噪比通常要求大于100dB。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/95.輸入靈敏度

功率放大器達(dá)到額定輸出功率時(shí)，輸入信號所需的電平值，稱為輸入靈敏度。功放的輸入靈敏度約為+4dB（注：0dB為0.775V）。6.輸出阻抗

普通功率放大器輸出級的內(nèi)阻一般都很低,而輸出阻抗是指功率。

放大器能長期工作，并能使負(fù)載獲得最大輸出功率的匹配阻抗。功率放大器的輸出阻抗一般為2Ω、4Ω、8Ω和16Ω等。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/98.瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)是表征放大器對信號（尤其是高頻信號）的跟隨能力。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/99.交越失真與削波失真交越失真是由于乙類推挽放大器功放管的起始導(dǎo)通非線性造成的，波形如圖6-6所示。圖（a)為輸入的無失真的正弦波信號，圖（b）為放大器輸出的交越失真信號。削波失真是功放管飽和時(shí)，放大器輸出信號不隨輸入信號的增大而增大，輸出波形尖峰被削平，稱為削波失真，如圖6-6（c）所示。圖6-6交越失真與削波失真

6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/910.互調(diào)失真11.相位失真相位失真也稱相位畸變，功率放大器和其它聲頻系統(tǒng)，輸出信號與輸入信號之間一般是存在相位差的。12.瞬態(tài)互調(diào)失真由于負(fù)反饋很深，這種過載電壓值有時(shí)比額定值高幾十倍甚至幾百倍，因而輸出信號被削頂，從而造成了失真，這就是瞬態(tài)互調(diào)（TransientIntermoduiation）失真，簡寫TIM失真。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/9怎樣減小甚至消除瞬態(tài)互調(diào)失真是廠家和消費(fèi)者都關(guān)心的事情。經(jīng)過研究與實(shí)踐發(fā)現(xiàn)了很多的具體措施，這里僅列幾條如下。

(1)采用20～25dB較小的大環(huán)路負(fù)反饋，輔之以每級的少量局部負(fù)反饋，使整個(gè)放大器的開環(huán)增益控制在50dB左右。(2)選用特征頻率高的晶體管，使放大器的頻響較好，至少要達(dá)到100kHz。前級各管頻率需達(dá)到40～200MHz，末級功放管應(yīng)達(dá)到2－4MHz。(3)放大器應(yīng)盡量采用對稱電路結(jié)構(gòu)，各級均采用推挽電路并達(dá)到全互補(bǔ)對稱方式。(4)在保證一定信噪比前提下，輸入級的靜態(tài)電流適當(dāng)取大一些，這樣可減小晶體管發(fā)生過載現(xiàn)象的可能性。比如一些前級采用甲類方式靜態(tài)電流高達(dá)50mA，可使后級在瞬態(tài)輸出時(shí)得到充足的電流供給，提高整機(jī)瞬態(tài)特性。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/9(5)采用高、低壓雙電源供電方式，前級放大由高壓電源供電，以提高過載能力并擴(kuò)展晶體管線性區(qū)域。(6)在電壓放大級的發(fā)射極反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)合適的小電容，將滯后補(bǔ)償改為提前補(bǔ)償，以提高放大器的開環(huán)頻響，減小瞬態(tài)互調(diào)失真，并且能夠增加頻帶寬度。(7)在放大器輸入端加接無源濾波器，以免超聲頻或射頻信號串入，形成輸入級瞬間過載。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/913.晶體管功放與電子管功放削波失真的比較圖6-7晶體管功放與電子管功放的過荷特性

6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/6/96.5音頻放大器的分類1.按所用電子元器件，可分為晶體管放大器、電子管（真空管）放大器集成電路放大器、厚膜功放及混合式放大器等等。2.按其結(jié)構(gòu)類型，則可分為合并式放大器、前后級分體式放大器和AV功放。3.若按電路工作狀態(tài)，可分為超甲類、甲類、甲乙類及丙類等等。也有按功放電路輸出形式，可分為變壓器輸出、OTL、OCL、直接耦合及BTL類等等4.按與揚(yáng)聲器的連接方式，可分為定阻輸出、定壓輸出功率放大器。2023/6/96.6功率放大器的電路形式

下面簡述常用的幾種晶體管功率放大器的電路形式1.OTL功率放大器(1)準(zhǔn)互補(bǔ)型OTL功率放大器電路：圖6-8為準(zhǔn)互補(bǔ)型OTL功率放大器的實(shí)用電路。(2)全互補(bǔ)對稱OTL功率放大器電路：2023/6/9圖6-8準(zhǔn)互補(bǔ)型OTL電路圖6-9全互補(bǔ)對稱OTL電路6.6功率放大器的電路形式

2023/6/9(1)準(zhǔn)互補(bǔ)OCL功率放大器電路，準(zhǔn)互補(bǔ)OCL功率放大器電路如圖6-10所示，這種放大器的輸出電路克服了OTL電路的缺陷。圖6-10準(zhǔn)互補(bǔ)型OCL電路

6.6功率放大器的電路形式

2023/6/9(2)全互補(bǔ)對稱0CL功率放大器電路，這種放大器的輸出電路與全互補(bǔ)對稱OTL電路一樣，采用PNP大功率硅管與NPN大功率硅管組成全互補(bǔ)對稱推挽輸出電路。6.6功率放大器的電路形式

2023/6/9這類功率放大器的特點(diǎn)是：（1）沒有任何電容，改善了電路的瞬態(tài)特性，抑制了開機(jī)沖擊聲；（2）采用互補(bǔ)雙差分輸入電路，對輸入的共模信號有較強(qiáng)的抑制能力，提高了中點(diǎn)電壓穩(wěn)定性。同時(shí)雙差分電路比較容易實(shí)現(xiàn)對后級的平衡激勵(lì)，使整個(gè)電路工作在更加對稱的狀態(tài)；（3）整機(jī)電路對稱性好，晶體管高頻特性好，特別是全對稱直流耦合電路，上下兩路完全對稱，開環(huán)畸變極小，不需要引入深度大環(huán)路負(fù)饋，大大降低瞬態(tài)互調(diào)失真；（4）取消了大環(huán)路反饋電容，交、直流反饋系數(shù)相等，電路對交、直流信號具有相同放大倍數(shù)，利于提高放大器的低頻響應(yīng)；（5）整個(gè)電路對晶體管的性能及配對要求極為嚴(yán)格，而且電路的輸入阻抗較低。2023/6/9BTL功率放大器圖6-12BTL電路原理圖

2023/6/9利用兩組完全對稱的OCL功率放大器可以組成BTL功率放大器，圖6-13為一典型的平衡輸入式BTL功率放大器電路框圖，電路中兩組OCL電路交、直流多數(shù)完全對稱，電路增益取決于R1與R2的比值。圖6-13平衡輸入式BTL功率放大器

6.6功率放大器的電路形式

2023/6/96.7功率放大器的電源及保護(hù)電路

1.對功放電源的一般要求

圖6-14高頻開關(guān)電源與環(huán)型變壓器大動(dòng)態(tài)信號時(shí)的電壓波動(dòng)比較

2023/6/92.功放的保護(hù)電路

圖6-15常用保護(hù)電路框圖

6.7功率放大器的電源及保護(hù)電路

2023/6/9（1）切斷負(fù)載式保護(hù)電路（2）分流式保護(hù)電路（3）輸入端保護(hù)電路圖6-16分流保護(hù)電路和揚(yáng)聲器保護(hù)電路圖6-17放大器輸入端保護(hù)6.7功率放大器的電源及保護(hù)電路

2023/6/9事實(shí)上，最大均方根功率也是隨節(jié)目的性質(zhì)的不同而不同，通過大量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，我們可得出以下一些結(jié)論：

l．統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)表明，絕大多數(shù)節(jié)目（占88％）的最大均方根功率與平均均方根功率之比，在3～10倍的范圍內(nèi)。2．因?yàn)槠骄礁β嗜Q于節(jié)目放聲的響度，所以應(yīng)該把額定功率定在相當(dāng)于平均均方根功率的水平上。這時(shí)最大均方根功率為平均均方根功率的3～10倍。由于高保真度放聲要求最大均方根功率必須低于功放的削波功率，因此削波功率應(yīng)該大于額定功率的3～10倍。3．對高保真度專業(yè)放聲用功放的額定功率至多應(yīng)該是削波功率的10％，即使如此，尚有8％的少量節(jié)目在10倍功率儲備情況下，仍有巔峰被削波的情況出現(xiàn)。4．對專業(yè)放聲用功放，削波功率與平均功率之比，只能取大于10:1的比例。若降低要求，比如此比例?。?～7）:l，那么將有44％的節(jié)目的部分巔峰有被削波的危險(xiǎn)?？梢?，民用高質(zhì)量功放最少也應(yīng)按此比例取值。6.8放大器的額定功率與功率儲備

2023/6/95．由分析可見，把額定功率定得和削波功率一樣高或稍低于削波功率都是不正確的。6．因?yàn)榫w管（含集成電路）功放在過載后產(chǎn)生明顯的削波，而電子管功放過載后，諧波畸變與互調(diào)畸變并不迅速增加，所以電子管功放的功率儲備量可以明顯低于上述比例。這也是為什么有時(shí)晶體管功放（特別是大功率的功放）測得的指標(biāo)尚好，但放音質(zhì)量較差的主要原因。當(dāng)然，普通存在于功放電路中的瞬態(tài)互調(diào)畸變，則是另一個(gè)原因。7．分析一下通常收音機(jī)、電視機(jī)音質(zhì)差的原因何在。15～20m2的居室，有1/20W的聲功率響度就夠了。收音機(jī)和電視機(jī)用的小功率揚(yáng)聲器，其效率一般不到5％，這就需要輸入1W以上的平均電功率。即使取上述儲備量比例為5:1，也需要有5W以上的最大電功率。而一般晶體管收音機(jī)或電視機(jī)的功放，削波功率往往遠(yuǎn)低于此值，這就嚴(yán)重地影響了它們的音質(zhì)。8．從上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)：一臺削波功率為80W的晶體管放大器，其平均功率只能用到4～5W左右。若削波功率為50W，則平均功率只能用到3～4W左右。使用時(shí)，如果平均功率分別大于這兩數(shù)值，功放的音質(zhì)就會(huì)明顯的下降，這兩個(gè)比例均大于10，這個(gè)結(jié)果與國外資料所介紹的分析結(jié)果相近。6.8放大器的額定功率與功率儲備

2023/6/9現(xiàn)將以上的討論，歸納為以下初步結(jié)論：專業(yè)用高質(zhì)量晶體管功率放大器，最大均