浅谈音响功放的工作原理

浅谈音响功放的工作原理

音响中的功放是整个音响设备中的关键部件,所以音响发烧友们都在其上不惜花费人力物力财力进行"摩机",在电源部分,电路的整体布局,用料等方面进行不断改良.本人并不是超级发烧友,充其量算是一位音响爱好者吧,为此在这里我就以一个音响爱好者的身份谈一谈我对音响功放的看法.

功放分胆机与石机,先讨论石机.石机最初的功放为甲类功放,这类功放的功放管的工作点选在管子的线性放大区,所以就算在没有信号输入的情况下,管子也有较大的电流流过,且其负载是一个输出变压器,在信号较强时由于电流大,输出变压器容易出现磁饱和而产生失真,另外为了防止管子进入非线性区,此类放大器往往都加有较深度的负反馈,所以这种功放电路效率低,动态范围小,且频响特性较差.对此人们又推出了一种乙类推挽式功率放大器,这类功放电路其功放管工作在乙类状态,即管子的工作点选在微道通状态,两个放大管分别放大信号的正半周和负半周,然后由输出变压器合成输出.所以流过输出变压器的两组线圈电流方向相反,这就大大地减少了输出变压器的磁饱和现象.另外由于管子工作在乙类状态,这样不仅大大的提高了放大器的效率且也大大的提高了放大器的动态范围,使输出功率大大提高.所以这种功放电路曾流行一时.但人们很快发现,此种功电路由于其功放管工作在乙类工作状态,所以存在小信号交越失真的问题,而且电路需使用两个变压器(一个输出变压器,一个输入变压器),由于变压器是感性负载,所以在整个音频段内,负载特性不均衡,相移失真较严重.为此人们又推出了一种称为OTL的功率放大电路.这种电路的形式其实也是一种推挽电路形式,只不过是去掉了两个变压器,用一个电容器和输出负载进行藕合,这样一来大大的改善了功放的频响特性.晶体管构成的功放电路有了质的飞跃,后来人们又改良了此种电路,推出了OCL和BTL电路,这种电路将输出电容也去掉了,放大器与扬声器采取直接藕合方式,直到现在由晶体管组成的功放电路,其结构基本上是OCL电路或BTL电路.OCL电路与OTL电路不同之处是采取了正负电源供电法,从而能将输出电容取消掉.BTL电路是由两个完全独立的功放模块搭建组成,如图C所示.IC1放大输出的信号一部分通过IC2反相输入端,经IC2反相放大输出,负载(扬声器)则接在两放大器输出之间,这样扬声器就获得由IC1和IC2放大相位相差180度的合成信号了.

不论是OCL或BTL功放电路,由于其去除了输出变压器和输出电容器,使放大器的频响得到展宽。与扬声器配接方面，当功率放大器连接一个标称阻抗低于其额定负载阻抗的音箱时,理论上将使输出功率增加,但这是有条件的,功放必须有足够小的输出内阻且必须有足够大的电流增益,电源能提供足够大的工作电流,否则不但不失真功率不能增加反而引致放大器性能下降。另一种情形是功率放大器连接一个标称阻抗高于其额定负载阻抗的音箱,这时似乎功率放大器会轻松些,其实也不尽然,如果放大器的电源电压容量不够大,重放时可能未到其额定输出功率就发生电压过载失真。另外扬声器音圈会产生感生电动势,这个感生电动势对扬声器的运动有阻尼作用,放大器的输出阻抗对扬声器所产生的感生电动势有旁路作用,从而能有效地抑制扬声器的感生电动势.

综上所述,晶体管功放要得到好的放声效果,就必须要有较低的输出阻抗,较大的电流增益,电源方面要能提供足够大的工作电流和较高的电源电压且瞬态效应好。

为了使放大器具有较低的输出阻抗和较大的电流增益,功放的后级我们可用多对功率管并联来实现,并且选取耐压值尽可能高的功放管,使其能适应不同阻抗的负载.不过此举就要增加推动功率了,一台好的功放对电源的要求的苛刻的,为了能提高瞬态响应和提供足够的电流整流管要采用大电流开关型整流二极管(有人称为高速整流二极管),另外滤波电容要采用万μF以上的.由于功放在工作时产生的瞬态电流达10安(视功放机的功率而定)以上,后级的接触电阻和连线电阻均不能忽略,例如:电路存在0.1欧的交流阻抗,那么在10安电流的作用下就在其上产生1伏的交流电压,这个交流电压会藕合到前级,轻则产生交流干扰,重则会使放大

器产生自激而损坏功放管.我们曾维修过多台大功率功放机,因整流二极管接触不良或滤波电容虚焊而造成烧坏功率管的.另外,由于大功率的功放机均具较高的增益,所以电源的去藕电路就非常重要,否则很容易产生交流声干扰.一般的功放机均要两级以上的LC滤波电路,且滤波电容的接地点的选取均有讲究.最后就是电源变压器了,现在的功放机其总体效率大概在50%--60%左右,所以所选择的电源变压器的功率的选取应为: 扩音机的最大不失真功率/0.5 例如:一台最大不失真功率为100瓦的功放机其电源变压器的功率应是100/0.5=200瓦.另外为了减少电源内阻和漏感对放大器的干扰,在电源变压器的设计上应尽量减少每伏匝数和选用高磁通率的铁芯.环牛(环形铁芯变压器)就是一种性能较好的变压器.

在这里我还要提一提的是功放机的一个非常重要的参数---动态范围.我们知道现在高档的数字化音源如CD机,DVD机由于采取了高比特率的数字量化,其输出的音源的动态范围达90db以上较传统录音机（40--70db)大.所以,功放机如果没有足够的动态范围与之相配就很容易产生切峰失真（削波效应）,在切峰失真的信号波形中包含了极丰富的功率能量很大的高次谐波成份,它们加入到音箱中,其能量就极可能超过扬声器的承受功率而令其烧坏。所以在功率放大电路中，为了防止放大器进入削波状态，在电路上都加入了负反馈电路。负反馈电路虽然有效地防止了削波的产生，但它也使信号产生线性失真（幅度失真）和非线性失真（相移引起）。半导体器件制造在今天已经有了很大的进步，大动态范围的半导体器件已经问世，在此前提下，人们提出了无负反馈功率放大器的概念，由于不存在负反馈，放大器的保真度将进一步得到了较大的提高。

现在来谈一谈胆机（电子管机）以其音质柔和悦耳而受众多音响爱好者的追捧。它与晶体管不同之处有下面几方面：1、晶体管的电路结构比电子管复杂；2、晶体管的集电极电流基本上不受集-射电压Vce的影响，而电子管的阳极电流和阳极电压基本上符合欧母定律；3、晶体管易受温度的影响，而温度对电子管影响较少；4、晶体管工作在低电压大电流状态，因此对电源的要求高；而电子管工作在高电压小电流状态对电源的要求相对比较低；5、晶体管是电流控制器件，输入输出阻抗低，而电子管是电压控制器件，输入输出阻抗高，因此电子管功放都必须要有一个输出变压器与负载匹配。由于输出变压器的电磁惯性和传输频带（特别是高频段）变窄的原因，音频信号被柔化了，听起来音质柔和（其实这并不是高保真）；

6、电子管的过载能力比晶体管强，所以动态范围相对比晶体管高，因而声音听起来比较悦耳。