现代音响与调音技术-3-音频功率放大器

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2.按功率放大器的使用元件分 (1)电子管功率放大器。
缺点:静态指标不高,耗电量大,使用寿命不长,价格不 菲。目前电子管功率放大器多用在有线广播等大功率专业 音响系统中。
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(2)晶体管功率放大器。晶体管功率放大器具有体积小、 功率大、耗能少等特点,技术参数指标很高,具有良好 的瞬态特性等优点。它有分立式的电路结构,这种电路 用在很多功率放大器中。
甲乙类功率放大器
介于甲类和乙类之间的功 率放大器。它能在较小失 真的情况下,获得较高的 功率输出。这是一种被广 泛应用的功率放大器。
存在交越失真
甲乙类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期 内,管子的导通时间大于半周而小于全周。
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4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分
传统的功率放大电路为提高晶体管等换能器件的 转换效率,通常采用输入及输出变压器结构的推挽电 路。其优点是可以实现阻抗变换,缺点是体积庞大, 笨重,消耗有色金属,且效率低,变压器的低频特性 不好会使低频段的下限频率受到限制。因此现代专业 功率放大器采用OTL(无输出变压器的功率放大电路), OCL(无输出电容的功率放大电路)及BTL(桥式功 放)。
(2)定阻式功放。功率放大器以固定阻抗形式输出音频 功率信号,也就是要求音箱按规定的阻抗进行配接,才 能得到额定功率的输出分配。 例如,一台100W的功率放大器,它实际的输出电压是 28.3V(在一个恒定音频信号输入时),那么接上一只8Ω音 箱时,可获得100W的音频功率信号。因为
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如果两只8Ω音箱串联,即阻抗为16Ω,那么实际输出功率
甲类功率放大器: 甲类功率放大器:
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甲类放大器的应用
目前,甲类放大器多用于前置放大级。 若用于功率放大器中,则需要大容量的电 源,放大器的体积也会增加。由于甲类放 大器的低失真特点是其他几种功率放大器 不易得到的,所以一些高档的音响中还是 采用。这也是一些名贵的放大器输出效率 并不很高,但体积却很大的原因。
乙类功率放大器
电路特征是在输入信号的整个周期内,晶体管仅在半 个周期内导通,有电流流过。
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乙类功率放大器
由于两只功放管共同完成了声波的放大,所以,其 输出功率较大,但存在着交越失真。之所以有交越失 真,是因为晶体管存在门限电压(死区电压),在输 入电压较低时,输入基极电流很小,从而输出电流也 很小。因此输出电压在输入电压较小时,存在一小段 死区,产生了失真。由于这种失真出现在通过正负半 周的波形连接处的地方,波形在合成时存在着一些不 够平滑的现象。这种由于两个电路合成时所产生的波 形失真称为交越失真。
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功率放大电路
根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情 可将功率放大器分为几个工作状态: 况,可将功率放大器分为几个工作状态: 它一般是用两只晶体管 共同完成声波的能量放 大。一只管子担任正半 波的放大工作,另一个 管子完成负半波的放大 工作。最后合成为一完 整的正弦波。用这种方 式对音频信号进行放大 的功放称为乙类功放。
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乙类功率放大器
乙类功率放大电路中,输入信号为零时功率 放大管的静态电流几乎为零,此时直流电源功 率为零。当输入信号逐渐增大时,电源提供的 直流功率也逐渐增加,输出信号功率也随之增 大,所以乙类的功率放大效率比甲类的要高。
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功率放大电路
根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情 可将功率放大器分为几个工作状态: 况,可将功率放大器分为几个工作状态:
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功率放大电路
3. 按功率放大器的工作状态来分
甲类功率放大器 乙类功率放大器
甲乙类功率放大器
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功率放大电路
根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情 可将功率放大器分为几个工作状态: 况,可将功率放大器分为几个工作状态:
甲类功率放大器: 甲类功率放大器:
随着声波信号的输入,这 类功率放大器的晶体管将 声波的正负半波完整地进 行放大。输出不失真,正 弦波形非常完整。 电路特征是这类功率放大器的晶体管工作在输出特性曲 线的放大区。在输入信号的整个周期内,晶体管均导通, 有电流流过。 18
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4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分 (3) BTL电路
在OCL电路中采用了双电源供电,虽然就 功放而言没有了变压器和大电容,但是在制作 负电源时仍需用变压器或带铁芯的电感或大电 容等。为了实现单电源供电,且不使用变压器 和大电容,可采用桥式推挽功率放大电路,简 BTL电路的特点是把负载扬声器跨接在两组性能 称BTL电路。
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(4)V―MOS功率放大器。 VMOS场效应管(V-MOSFET)简称VMOS管或功 率场效应管,其全称为V型槽MOS场效应管。它是继 MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。它 不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高、驱动电流小 (0.1µA左右),还具有耐压高(最高1200V)、工作 电流大(1.5A~100A)、输出功率高、低频跨导的线 性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管 与功率晶体管之优点集于一身,因此在电压放大器 (电压放大倍数可达数千倍)、功率放大器、开关电 源等电路中获得广泛应用。
中间级电路主要是为了推动输出级达到其设计的功率 电平值,在有的电路中,采用了电流源电路作为有源 负载来提高放大倍数。
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相同、输出信号相位相反的单端推挽功率放大电路 之间,这样在较低的电源电压下能得到较大的输出 功率。通常采用单组电源供电。 为使低频端尽量展宽频带及减少相移,以及考虑到 开关机产生的浪涌电流,在电路中应少用电容或不 用电容。因此OCL与BTL比OTL电路更为有利。
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5.功率放大电路按放大信号的频率可分为 低频功率放大电路 主要用于放大音频范围(几十赫兹到几十 千赫兹)的信号
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电源电路:为放大器提供动力。电源电路要有充足的能量 储备,可以提供放大器所需要的大电流和直流电压,抗过 载能力强。 保护电路:如负载短路保护,负载过荷保护,过压保护, 过流保护和过温保护等。当功放过载或负载端短路时,放 大器的保护电路会自动动作,并将其输出端断开。
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保护电路:保护电路还具有开机延时功能。即放大器开机时, 为了防止对扬声器的冲击,由保护电路进行控制,延时数秒 钟,待放大器稳定后,再与负载接通。
使用定压式功放要注意功率放大器和扬声器需之间使用 线性变压器进行阻抗匹配。如果使用多只扬声器则需要 用公式进行计算,多只扬声器的功率总和不得超过功率 放大器的额定功率。另外传输线的直径不宜过小,以减 小导线的电流损耗。
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定压式功率放大器的缺点在于由于为了实现远距离传输, 将信号功率放大后,利用线间变压器提升输出电压;到 终端后,再利用线间变压器降压匹配阻抗,驱动音箱, 虽然实现了远距离传输,但损失了音乐保真。
晶体管有体积小、功率大、耗能少等特点,最突出 的优点是转换速率比较高,谐波失真较小,频率响应 可以达到20Hz~20KHz±0.1dB甚至更好。采用晶体管 放大器的音响,音色清丽冷艳,适合重放的乐曲范围 很广。目前是专业音响系统的主力。不足之处在于电 路比电子管放大器要复杂,瞬态失真比较大。
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(3)集成电路功率放大器。 由于大功率晶体管的品种日益繁多,使得集成大 功率优质功放得以大量应用。并且在电路设计中采 用了大电流、超动态、超线性的DD电路(菱形差动放 大电路)和霍尔电路,或者采用动态偏置、双电流供 电以及全互补等一系列技术,使得集成功放的谐波 失真大大降低(小于0.05%以下),频率响应达到 20Hz~20kHz以上,而且在电路中还可以方便地加入 各种保护电路。
(1)OTL电路(无输出变压器的功率放大电路 无输出变压器的功率放大电路)
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(1)OTL电路(无输出变压器的功率放大电路 无输出变压器的功率放大电路) OTL: Output TransformerLess
特点:OTL电路为单端推挽式无输出变压器功率放 大电路,通常采用单电源供电,从两组串联的输出 中点通过电容耦合输出信号。与采用输出变压器的 功放电路相比,具有体积小、重量轻、制作方便等 优点,性能也较好。
(4)V―MOS功率放大器。
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(4)V―MOS功率放大器。 金属栅极采用V型槽结构 ; 漏极是从芯片的背面引出 , 具有垂直导电性。由于在栅极 与芯片之间有二氧化硅绝缘层, 因此它仍属于绝缘栅型MOS 场效应管。
因为场效应管是电压控制的器件,它具有负温度特性, 因此无需对输出管进行复杂的保护,而且它具有和电 子管相似的音色。采用场效应管制作的功放具有噪声 低、动态范围大、无需保护等特点。其电路简单,而 性能却十分优越。
3.1
音频功率放大器基础
前级放大(前置放大)
安排在调音台部分,将音频信号进行初步 的电压放大,以便其它电路对音频信号 进行处理.
放大器
后级放大(音频功率放大)
经过调音台处理后的信号进行功率放大, 以提供足够大的功率去推动音箱工作。
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3.1.1 功率放大器的基本组成及作用
功率输出级:提供保护电路、功率指示电路控制信号,以及 提供负反馈信号。 激励级和功率输出级则向扬声器提供足够的激 励电流,以保证扬声器正常工作。
甲类功率放大器的优点 是失真极小,各项电声 指标高。在Hi-Fi音响领 域里很多厂家选用此种 功放,如英国罗特功放、 音乐传真功放和日本的 金嗓子功放都是甲类功 率放大器。 缺点在于:功耗大。在甲类工作状态下,不论有无输 入信号,电源的输出功率PE总是不变。在无信号输入 时,电源的输出功率全部消耗在电路中的晶体管和电 阻上;在有信号输入时,电源输出功率中的一部分要 转换为有用的输出功率。也就是说即使没有输入信号, 放大器也照常耗能,电源效率不高。甲类功率放大器 在理想情况下的效率最高只能达到50%。
高频功率放大电路 用于放大射频范围(几百千赫兹到几十 兆赫兹)的信号
低频功率放大电路
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功率放大器的基本组成
输入级
中间级
放大级
功率放大器的输入级通常由双极型晶体管或场效应 管差动放大电路(差分放大电路)组成。提供了较 高的输入电阻和优秀的电源噪声抑制能力。
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功率放大器的基本组成
输入级
中间级
放大级
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3.1.2 音频功率放大器的分类
1.按功率放大器与音箱的配接方式分 (1)定压式功放。俗称广播系统,一般用于广 播或写字楼等公共场合。为了远距离传输音频 功率信号,减少在传输线上的能量损耗,该方 式以较高电压形式传送音频功率信号。一般有 75V、120V、240V等不同电压输出端子供使用 者选择。
如果两只8Ω音箱并联,即阻抗为4Ω,那么实际输出功率
这时,功放已经超负荷了,机器会开始发热,最后将会损坏 功率放大器。 定阻式的功放因为不需要远距离的传输,所以信号放大后 9 直接驱动音箱,所以音乐的保真度较高。
2.按功率放大器的使用奇次谐波失真小,音色温暖醇厚,线性好,抗过载 能力强,功率大。并且线路简单,线路干扰小,容易获得 高保真的音响效果。
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3.1.2 音频功率放大器的分类
定压式功放
按功率放大器与音箱的配接方式分 定阻式功放
电子管功率放大器
按功率放大器的核心放大元件来分
晶体管功率放大器 集成电路功率放大器
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3.1.2 音频功率放大器的分类
甲类功率放大器 乙类功率放大器 按功率放大器的工作状态来分 甲乙类功率放大器 OTL 按功率放大器的末级电路结构来分 OCL BTL
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(3)集成电路功率放大器。
集成功率放大器是将OTL和OCL等电路的主要元件集 成在一块半导体芯片上封装而成,外接少量元件可构 成高性能的功率放大器。集成电路具有体积小,外接 电路简单,内部元件对称性好,保护功能齐全等优点, 加上价格低廉,因此广泛的应用于普及型音响器材中。 目前专业音频功率放大器几乎都采用集成功率放大模 块作功放的输出级。
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4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分
(2)OCL电路(无输出电容的功率放大电路)
OCL: Output CapacitorLess
OCL电路的最大特点是电路全部采用直接耦合方 式,中间既不要输入、输出变压器,也不要输出 电容,通常采用正、负对称电源供电。该电路克 服了OTL电路中输出电容的不良影响,如低频性能 不好、放大器工作不稳定,以及输出晶体管和扬 声器受浪涌电流的冲击等。
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