浅谈音频功放类型与结构

　　功放

 

　　功率放大器简称功放，俗称“扩音机”，是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。

 

　　功放的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，推动音箱放声。一套良好的音响系统功放的作用功不可没。

 

　　功放，是各类音响器材中最大的一个家族，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。

 

　　功放分类

 

　　移频功放除了普通功放的放大信号驱动扬声器扩声的功能外，还能有效的抑制现场啸叫，保证语音的传输质量，即使在环境较差的场合，也能极大限度地抑制回啸，保护音响设备不会因啸叫而烧坏。

 

　　移频功放广泛应用于高档多媒体电教室、培训室，小型会议室或其他简单扩声场合，话筒可直接接入移频功放，还能有效抑制话筒对音箱产生的啸叫，并且支持背景音乐接入进行扩声。

 

　　按导电方式

 

　　按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称A类）、乙类功放（又称B类）、甲乙类功放（又称AB类）和丁类

 

　　功放（又称D类）。

 

　　甲类功放是指在信号的整个周期内（正弦波的正负两个半周），放大器的任何功率输出元件都不会出现电流截止（即停止输出）的一类放大器。甲类放大器工作时会产生高热，效率很低，但固有的优点是不存在交越失真。单端放大器都是甲类工作方式，推挽放大器可以是甲类，也可以是乙类或甲乙类。

 

　　乙类功放是指正弦信号的正负两个半周分别由推挽输出级的两“臂”轮流放大输出的一类放大器，每一“臂”的导电时间为信号的半个周期。乙类放大器的优点是效率高，缺点是会产生交越失真。

 

　　甲乙类功放界于甲类和乙类之间，推挽放大的每一个“臂”导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期。甲乙类放大有效解决了乙类放大器的交越失真问题，效率又比甲类放大器高，因此获得了极为广泛的应用。

 

　　丁类功放也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具有效率高，体积小的优点。许多功率高达1000W的丁类放大器，体积只不过像VHS录像带那么大。这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器，但在有源超低音音箱中有较多的应用。

 

　　按元件数量

 

　　按功放输出级放大元件的数量，可以分为单端放大器和推挽放大器。

 

　　单端放大器的输出级由一只放大元件（或多只元件但并联成一组）完成对信号正负两个半周的放大。单

 

　　端放大机器只能采取甲类工作状态。

 

　　推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。尽管甲类放大器可以采用推挽式放大，但更常见的是用推挽放大构成乙类或甲乙类放大器。

 

　　按功放管类型

 

　　按功放中功放管的类型不同，可以分为胆机和石机。

 

　　胆机是使用电子管的功放。

 

　　石机是使用晶体管的功放。

 

　　按功能

 

　　按功能不同，可以前置放大器（又称前级）、功率放大器（又称后级）与合并式放大器。

 

　　功率放大器简称功放，用于增强信号功率以驱动音箱发声的一种电子装置。不带信号源选择、音量控制

 

　　等附属功能的功率放大器称为后级。

 

　　前置放大器是功放之前的预放大和控制部分，用于增强信号的电压幅度，提供输入信号选择，音调调整和音量控制等功能。前置放大器也称为前级。

 

　　将前置放大和功率放大两部分安装在同一个机箱内的放大器称为合并式放大器，我们家中常见的功放机一般都是合并式的。 ［1］

 

　　按用途

 

　　按用途不同，可以分为AV功放，Hi-Fi功放。

 

　　AV功放是专门为家庭影院用途而设计的放大器，一般都具备4个以上的声道数以及环绕声解码功能，且带有一个显示屏。该类功放以真实营造影片环境声效让观众体验影院效果为主要目的。

 

　　随着大屏幕电视，多种图象载体的普及，人们对“坐在家里看电影”的需求日益高涨，于是集各种影音功能于一体的多功能功放应运而生。“AV”是英文AudioVideo即音频，视频的打头字母缩写。“AV功放”经历了杜比环绕，杜比定向逻辑，AC-3，DTS的进程，AV功放的与普通功放的区别，在于AV功放有AV选择杜比定向逻辑解码器，AC-3，DTS解码器，和五声道功率放大器。以及画龙点睛的数字声场（DSP）电路，为各种节目播放提供不同的声场效果。但是由于AV功放在电路的信号流通环节上，经过了太多而且复杂的处理电路，使声音的纯净度”受到了过多的“染色”，所以用AV功放兼容HI-FI重放时效果不理想。这也是很多HI-FI发烧友对AV功放不屑一顾的原因。

 

　　Hi-Fi功放是为高保真地重现音乐的本来面目而设计的放大器，一般为两声道设计，且没有显示屏。

 

　　“HI-FI功放”就是我们发烧友的功放了，它的输出功率一般大都在2X150瓦以下。设计上以“音色优

 

　　美，高保真”为宗旨。各种高新技术集中体现在这种功放上。价格也从千余元到几十万元不等。“HI-FI功放”又分“分体式”（把前级放大器独立出来），和“合并式”（把前级和后机做成一体）。一般的讲，在同档次的机型中“分体式”在信噪比，声道分割度等指标上高于“合并机”（不是绝对的）。且易于通过信号线较音。合并式机则有使用方便，相对造价低的优点，平价合并机输出功率一般大都设计在2X100W以下，也有不少厂家生产2X100W以上的高档合并机。 ［1］

 

　　按照使用元器件

 

　　按照使用元器件的不同，功放又有“胆机”（电子管功放），“石机”（晶体管功放），“IC功放”（集成电路功放）。由于新技术，新概念在胆机中的使用，使得电子管这个古老的真空器件又大放异彩，它的优美的声音，令许多烧友拜倒。资深的发烧友几乎都有一台。“IC功放”由于他的音色比不上上两种功放所以在HI-FI功放中很少看到他的影子。 ［1］

 

　　按使用人群

 

　　功放大体上可分为三大类“专业功放”“民用功放”“特殊功放”。

 

　　“专业功放”一般用于会议，演出，厅，堂，场，馆的扩音。设计上以输出功率大，保护电路完善，良好的散热为主。大多数“专业功放”的音色用于HI-FI重放

 

　　时，声音干硬不耐听。

 

　　“民用功放”详细分类又有“HI-FI功放”“AV功放”“KALAOK功放”以及把各种常用功能集于一体的所谓“综合功放”。

 

　　“KALAOK功放”与一般功放的区别在于“KALAOK功放”有混响器从BBD模拟混响发展到DIGETAL（数字混响），变调器，话筒放大器。一些厂家为了市场的需求，把包括AV功放，KALAOK功放在内的各种功能组合成一体即所谓“综合功放”，这是一种大杂烩功放，什么都有，什么也做不好，是一种低档功放，不追求音质，只追求功能丰富。

 

　　“特殊功放”顾名思义就是使用在特殊场合的功放，例如警报器，车用低压功放等等，在此不作介绍。

　　音频功放，顾名思义，是对音频信号进行功率放大的放大器。从早期简单的A类、B类已经发展到现在的G类，甚至还有W类。音频的输入输出也从早期的纯模拟信号，演化到现在的数字/模拟并存。效率越来越高，谐波失真越来越小，保真度越来越高。本文把功放的发展从结构和基本特征做了分析（文中部分内容来自于网络）。

　　功放的定义

　　功率放大器简称功放，俗称“扩音机”，是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。

　　其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。

　　功放的分类

　　功放的分类方式有很多种，一般会按照功放管的导电方式不同进行划分。通常分为A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类）、D类（丁类），以及后来发展的G类、H类等类型。

　　A类功放

　　A类放大器的特点是不论是否输入信号，其输出电路恒有电流流通，而且这种放大器通常是在特性曲线的线性范围内操作，以求放大后的信号不失真。

　　所以它的优点是：失真度小，信号越小传真度越高。最大的缺点是效率低，最大只有25%，不输入信号时丝毫不降低消耗功率，极不适合做功率放大。但因其高传真度，部分高级音响器材仍采用A类放大器。

　　由于无论有没有信号输入，A类功放的电流损耗都一直很大，会产生很大的热量。所以当使用A功放的时候，需要有很好的散热环境。下图是A类功放的工作区间的示意波形，以及A类功放的一般实现方式，分别为“共集电极”、“共发射极”。

　　A类功放工作区间

　　A类功放的输出幅度为Vp，输出负载平均功率PL，电源输入功率为Ps，工作效率为η，则可以得到以下表达式：

　　PL=Vp*Vp/（2*Rl）；Ps=2*Vcc*Iq；η=Pl/Ps，所以，可以推算出来，当Vp=VCC，而且Vp=IQ*RL时，A类功放有最大的工作效率，为25%。

　　B类功放

　　B类功率放大器是工作点在特性线极端处的一种放大器。当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。根据定义，静态工作点为0，信号以一PNP型BJT与原射级跟随器相接，形成所谓的“互补式射级跟随器”又称为“B类推挽式放大器”。

　　其动作原理，在Vi的正半周其间，Q1导通且Q2截止，所以，形成图4的输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半周时，Q1截止而Q2导通，结果形成输出端负半周正弦波，如图4虚线部分所示。

　　由于B类推挽式放大器在无输入信号时不消耗功率，因此它较A类放大器有更高的最大效率可达78%。然而，由于推挽式放大器的信号振幅范围有一段是在特性线的非线性区域上，因此导致严重的失真，如下所示，这种失真我们称它做“交越失真”（Cross-Over Distortion）。

　　B类功放实现

　　B类功放工作区间

　　设输出信号为Vp*sinωt，输出负载平均功率PL，电源输入功率为Ps，工作效率为η，则可以得到：

　　PL=Vp*Vp/（2*Rl）；Ps=2*Vcc*Vp/（π*Rl）；η=Pl/Ps，当Vp=VCC时，B类功放有最大的工作效率，78.5%。

　　AB类功放

　　前面提到的B类推挽式放大器的交越失真，是由于信号大小在-0.6V《Vi《0.6V之间时，Q1、Q2皆无法导通所引起的。因此，如果我们在Q1及Q2的Vbe之间加上两个0.6V的电压，使输入信号在±0.6V之间大小时，Q1、Q2也可以导通，以降低失真，这种情形，就是AB类放大器，如上图所示。

　　AB类放大器所产生的失真虽然比B类放大器小，但这项改进所付出的代价是静态功耗的浪费及效率的损失。所以，AB类功放的效率会处于A类和B类之间。

　　主要区分点A类放大器B类放大器AB类放大器

　　工作点位置负载线中点负载线截止点负载线中点与截止点之间

　　失真度失真最小失真度略高于AB类，有交叉失真可消除交叉失真

　　功率转移效率效率最低，在50%以下效率约为50%至78.5%效率略低于B类

　　主要用途失真度低的小功率放大器大功率放大器一般的音响扩大机

　　D类功放

　　前面提到的A类、B类、AB类功放，都可以看做是模拟功放。因为它们的输入和输出都是模拟态的声音电信号，经过模拟功放进行放大，不涉及调制、滤波、编解码等处理过程。而D类功放则可以称为是最简单的数字功放（也有人把它叫做PWM功放，不算是严格的数字功放）。

　　D类功放接收模拟音频信号，用内部三角波发生器产生的三角波和它进行比较，其结果就是一个脉宽调制信号（PWM），然后将PWM信号放大并还原成模拟音频信号。因此，D类功放是用脉冲宽度对模拟音频幅度进行模拟的，其信息的传递过程是模拟的、非量化的、非代码性的。并且由于目前器件性能的限制，PWM功放不可能采用太高的采样频率，在性能指标上尚达不到Hi-Fi（高保真）级的水平。D类功放效率一般可以达到80%~90%以上。由于其较高的效率，大幅度降低了对于环境散热性能的要求，所以目前便携式的产品中，D类功放成为主流。

　　D类功放实现和PWM波形

　　对D类功放来说，比较器和三角波信号组成了固定频率的PWM电路，用三角波信号对音频输入信号进行调制（三角波频率远高于音频输入信号，一般三角波的频率在25KHz~1.5MHz

　　之间）。输入信号幅度越大，产生的PWM波脉冲宽度就越宽。

　　D类放大器在工作时，输出P型、N型功率开关管均处于开关状态。理想状态下，功率开关管导通电阻为0Ω，没有电压损耗。关断时，开关管电阻为无穷大，没有电流流过。因此，D类功放的效率在理论上可以达到100%。但是，在实际应用中，由于受器件特性限制（如开关速度、漏电流、导通电阻不为零等），实际的工作效率可以达到90%以上。D类功放的一般设计架构如下图所示，在实际设计中，还会加入过温保护、过流保护等保护电路。

　　G类功放

　　为了提高功放的效率，发展了G类功放，G类功放于1976 年由日立公司提出，它的主要原理是为功放提供多个电源电压，根据输入音频信号的大小来选择所需要的电源电压。当输入信号较低时，提供电路小的电源电压，反之，则提供高的电源电压。由于音频信号有非常高的峰值率（Peak-to-Mean Ratio）的特点，G 类功放这一灵活选定电源电压的工作方式可以有效地降低功耗，提高效率。因此G 类功放最近几年正在越来越广泛应用于高功率音频功放系统当中。

　　主要的特点是：功放按照信号的要求，由高电压电源或者低电压电源供给。由于音乐的峰值与有效值的比值很大，所以，可以借助G类功放来改善效率状况。

　　在绝大部分时间内，G类功放的功率输出大大低于峰值功率电平。当偶尔有大功率峰值出现的时候，放大器必须借助某种机制，能立即提供大功率输出，内部能耗也同时增大，这种大功率输出仅发生在很短的时间内。

　　G类功放的定义，和目前的带电荷泵+AGC的处理方式比较类似，所以业内很多厂家都把升压（ChargePump或者Boost）+AGC控制的特性的功放定义为G类功放。