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音频放大器

[编辑日期:2014/12/25 21:44:52]

音频放大器音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是最基本的一种。为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。 进入21世纪以后,各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机,到作为娱乐设备的MP3播放器,已经成为差

音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,早的电子管放大器的个应用就是音频放大器。然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是基本的一种。为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。
  进入21世纪以后,各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机,到作为娱乐设备的MP3播放器,已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机,便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点,就是都有音频输出,也就是都需要有一个音频放大器;另一个特点就是它们都是电池供电的。都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下,D类放大器被开发出来了。它的大特点就是它能够在保持低的失真情况下得到高的效率。
  高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。因为,功率越大,效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。

音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号,信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz~ 20kHz,因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些,如低音喇叭或高音喇叭)。根据应用的不同,功率大小差异很大,从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦,再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦,直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上,大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。
  音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管,得到与输入电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高(至少40dB)。如果反馈环包含正向增益,则整个环增益也很高。因为高环路增益能改善性能,即能抑制由正向路径的非线性引起的失真,而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪声,所以经常采用反馈。

长期以来,高品质音频放大器的工作类别,只限于A类(甲类)和AB类 (甲乙类)。其原因在于过去只有电子管这样的器件,B类(乙类)电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的A类(甲类)。
  随着半导体器件的出现和发展,放大器的设计得到了更多的自由。就放大器的类别而言,已不限于A类(甲类)和AB类(甲乙类),而出现了更多类别的放大器。为了使读者对此有所了解,这里仅就笔者所知的各种类别 的放大器简介如下。不过需要指出,就目前来说用于音频功率放大器的工作类别,A类(甲类)、AB类(甲乙类)和B类(乙类)这三类放大器仍覆盖着 半导体放大器的绝大多数。
  一、A类(甲类)放大器 
  A类(甲类)放大器,是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。 这种放大器,由于避免了器件开关所产生的非线性,只要偏置和动态范围控制得当,仅从失真的角度来看,可认为它是一种良好的线性放大器。 A类放大器在结构上,还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作,其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过,而不使任一器件截止。这一措施的大优点是它不会突然地耗尽输出电流,如果负载阻抗低于标定值,放大器会短期出现截止现象,在失真上可能略有增加,但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流源型(VCIS),它本质上是一个单独的射极跟随器,并带有一个有源发射极负载,以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时,需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。
  二、B类(乙类)放大器
  B类(乙类)放大器,是指器件导通时间为50%的一种工作类别。这类放大器可以说是为流行的一种放大器,也许目前所生产的放大器有99% 是属于这一类。由于大家比较熟悉,这里不作详细介绍。
  三、AB类[甲乙类)放大器 
  AB类(甲乙类)放大器,实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合,每个器件的导通时间在50—100%之间,依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按B类(乙类)设计,然后增加偏置电流,使放大器进入AB类(甲乙类)。
  AB类(甲乙类)放大器在输出低于某一电平时,两个输出器件皆导通,其状态工作于A类(甲类);当电平增高时,两个器件将完全截止,而另一个器件将供给更多的电流。这样在AB类(甲乙类)状态开始时,失真将会突然上升,其线性劣于A类(甲类)或B类(乙类)。不过笔者认为,它的正当使用在于它对A类(甲类)的补充,且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。
  四、C类(丙类)放大器 
  C类(丙类)放大器,是指器件导通时间小于50%的工作类别。这类放 大器,一般用于射频放大,很难找到用于音频放大的实例。
  五、D类(丁类)放大器
  这类放大器,其特点是断续地转换器件的开通,其频率超过音频,可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平,这种情况被称为脉宽调制(PWM),其效率在理论上来说是很高的。但是,实际困难还是非常大的,因为200kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚;从失真的角度来看,为保证采样频率的有效性,必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声 器之间,以消除绝大部分的射频成分,这至少需要4个电感(考虑立体声), 成本自然不会低。此外,表现在频响方面,它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。
  六、E类(戊类)放大器 
  这类放大器,是一个极端聪明的半导体技术应用,它在几乎所有工作时间内,通过的电压或电流是较小的,亦即功率耗散很低。遗憾的是,它仅用于射频技术,而不用于音频。
  七、F类(己类)放大器 
  这类放大器,就笔者目前所知并不存在,似乎是需要补充的空缺。
  八、G类(庚类)放大器
  这类放大器,似乎与B类(乙类)或AB(甲乙类)的放大器有些类似。 对于小的输出信号,它的供电电流来自低电压源;而对于‘大信号’,供电将转换到较高的电压源。这样,一定比B类(乙类)的效率更高。但是,这种改进似乎不能超越多路输出器件的成本以及使开关二极管在高频时转换干净利落的技术难点,以致使其使用不适合某些高功率的专业设备。此外,G类(庚类)放大器所产生的失真,大概要比相应的B类(乙类)更大,但也有资料显示,对转换细节进行精心设计,将会使其差别较小。
  九、H类[辛类)放大器
  这类放大器,也似乎与B类(乙类)相似,其特点在于动态地提升单供 电电压(不用转换到另一个电压源),以提高效率,所采用的电路结构是自举电路。
  十、S类放大器
  S类放大器,是由桑德曼博士命名的一种放大器。这类放大器,采用一个A类(甲类)放大电路,其电流能力非常有限,加上B类(乙类)放大电路作后备,在连接上使负载呈现为一较高的电阻。Tech-nicsSE-1000所采用的方法与此极为相似。

D类放大器的优势:
  D类放大器初提出是在1958年,近年来日益受到欢迎。
  消费类产品厂商正向D类放大器转移的主要原因在于其极高的效率,它产生的热量仅为线性放大器的一半。AB类放大器的效率大约是50%左右,而D类放大器的效率在80%以上,甚至还可以达到90%。
  在效率、体积以及功率消耗方面,D类放大器具有明显的优势。而在广为诟病的音质方面,经过业界的努力,D类放大器的音质已与AB类放大器没有区别。而在价格上,单从图中看似乎AB类放大器较为便宜,但是从系统方面考虑,由于AB类放大器要输出较大功率必然要有更大的功耗,因而其散热片也是必不可少的。而D类放大器由于效率高、功耗小,因而可以省去散热片。另外,由于AB类放大器的功耗大,就需要更大体积的电源对其供电,这样也会使其开销增加。可以说,从系统方面考虑,它们的开销相差不多。因而,D类放大器的优势是显而易见的。
  对于传统的晶体管放大器,输出级包含多个晶体管,这些晶体管提供瞬时连续的输出电流。音响系统的很多可能的实现方案都包括A类、AB类和B类放大器。与D类放大器设计相比,甚至效率高的线性输出级的功耗都很大,这一区别使D类放大器在很多应用中优点明显,这是因为功耗越小,产生的热量就越少,可节省电路板空间和成本,并可延长便携式系统的电池使用寿命。
  线性放大器、D类放大器及功耗
  线性放大器输出级直接与扬声器相接(有时通过电容器)。如果输出级使用双极结晶体管(BJT),则它们一般工作在线性模式,集电极-发射极电压大。输出级也可采用MOS管实现。
  所有线性输出级都消耗功率,这是因为产生VOUT的过程中不可避免地会至少在一个输出晶体管上产生非零IDS和VDS。功耗的大小与输出晶体管使用的偏置办法关系很大。
  A类晶体管拓扑使用其中一个晶体管作为直流电流源,可提供扬声器需要的大音频电流。使用A类放大器的输出级音质可能不错,但是功耗太大,这是因为流过输出级晶体管(此处我们并不需要)的直流偏置电流常比较大,没有流到扬声器(此处才是我们想要的)。
  B类放大器的拓扑不用直流偏置电流,消耗的功率要小得多。以推挽式的方法单独控制其输出晶体管,使MH器件给扬声器提供正电流,ML器件吸收负电流。这样可降低输出级的功耗,只有信号电流流过晶体管。不过,B类放大器电路音质较差,这是因为输出电流过0时,存在非线性行为(交越失真),晶体管在开/关状态间变化。
  AB类放大器是A类和B类的混合,使用一定的直流偏置电流,但比纯A类设计小得多。很小的直流偏置电流足以避免交越失真,音质很好。功耗虽然在A类与B类限之间,但通常更接近B类。与B类电路控制相似,需要有一些控制,使AB类电路能供给或吸取大的输出电流。
  不幸的是,即使设计优秀的AB类放大器功耗也很大,这是因为其半量程输出电压一般离正或负电源轨都远。漏-源极电压降大,因此产生很大的IDS 3 VDS瞬时功耗。

这个放大器有一种宽频率特性,低畸变,和是能驾驶一位8 欧姆报告人到大约5 瓦特的产品水平以轻微地更高的畸变。任一电源在范围12到18 伏特DC 也许被使用。
  放大器经营在类AB 方式下;470R 预先设定了电阻器控制淡静潮流流经BD139/140 免费产品晶体管。调整这里,是一种交易在低畸变和低淡静潮流之间。典型地, 在淡静情况下,备用潮流也许是15 mA 上升到150 mA 以50 mV 输入信号。

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