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前置放大器与功率放大器的性能解析

前置放大器与功率放大器的性能解析2011-05-31 11：34

第一节前置放大器与功率放大器一、前置放大器1.前置放大器的功能与主要性能在歌舞厅、会堂以及家庭等场合，广泛使用的放大器分为音频放大器(亦称声频放大器)TAV放大器(视听放大器)两类。音频放大器又分前置放大器和功率放大器两种，它们只接收、放大、处理音频信号；而AV放大器可以接收、放大、处理音频和视频信号。在音频放大器中，前置放大器(又称电压放大器、控制放大器)的作用是对它的输入各种音频节目源信号进行选择和放大，并调整输入信号的频响、幅度等，以美化音质。功率放大器则是将前置放大器送来的信号进行无失真的单纯功率放大，以推动扬声器放音。前置放大器和功率放大器可以独立装成两台机器，也可以组装在一台机器内。组装在一起的称为综合功率放大器或综合放大器港台或市场上则称为合并式功放，而把分开做成两台机器的有时又称为前级和后级功放。①对各种节目源信号(如激光唱机、电唱机、调谐器、录音机或传声器)进行选择与处理；②将微弱的输入信号放大到0.5-1V，以推动后续的功率放大器；③进行各种音质控制、以美化音色。因此它的控制旋钮多、性能高，对改善整个音响系统的性能，提高音质、音色，以高保真的指标对音频信号进行切换、放大、处理并传递到功放级，具有极为重要的作用。它的地位和重要性相当于调音台，因为它的输入接自各种节目源信号，它的输出传输给功放和扬声器放大器也可以说是整个音响系统的控制中心。显然，在设计和选用音响系统设备时，采用前置放大器就不必再用调音台，或者反之，采用了调音台就不必选用前置放大器。从结构、能以及功能来说，前置放大器要比调音台简单些。2.前置放大器的主要性能前置放大器的主要性能指标有：失真度、信噪比、频率响应、转换速率(SR)、输入阻抗和动态范围等。①失真度。失真包括谐波失真和互调失真等，当然其值越小越好。作为高保真前置放大的最低要求，其谐波失真应≤0.5%。目前，前置放大器的指标可做得很高。谐波失真一般能做到小于0.01%，瞬态互调失真大多在0.05%以下。②信噪比。其值越大越好。作为高保真前置放大器对宽带信噪比的最低要求为≥50dB，现在做到90dB以上也不难了。③频率响应。作为高保真前置放大器对频响的最低要求为40-

1600Hz，允差≤±1.5dB，现在一般能做到20-20000Hz、通带内平直、正负不超过0,1%。④其他要求。除了以上三个最主要指标外，还有许多

指标，如要求转换速率(SR)快、动态范围大、各控制电路特性好、整机对电源和温度的变化影响小、工作稳定等。对于输入阻抗，目前国内外都有规定，以实现输入阻抗的匹配。二、功率放大器种类功率放大器的作用是将前置放大器输出的音频电压信号进行功率放大，以推动后接的扬声器发声。功率放大器的分类方法很多，常见的分类有：1.按其输出级与扬声器的连接方式分为：①变压器耦合输出电路：这种力式由于效率低、失真大等，在高保真功放中已极少使用，大都使用如下的几种无输出变压器方式。②0TL电路：0TL是英文Output Transf0mer Less的缩写，它是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合的无输出变压器方式。③OCL电路：OCL是英文Output Capacitor Less的缩写，是一种输出级与扬声器之间不用电容而直接耦合的方式。④BTL电路：BTL是英文Balancel Transf0mer Less的缩写，称为平衡式无输出变压器电路，或称为桥式推挽功率放大电器，其输出级与扬声器之间以电桥方式连接。2.按功率管的偏置或工作状态分①甲类：又称A类，是在输入正弦波电压信号的整个周期中，功率管都导通的一种工作状其特点是失真小，但效率低、耗电。②乙类：又称B类，管子只导通半个周期，另一半周期截止。其特点是输出功率大，效率高但，失真较大，故不大适合对失真要求高的场合。③甲乙类：又称AB类，即管子导通时间大于半个周期但不足一个周期，有一小段时间截对于乙类或甲乙类功率放大器，为取得不失真的信号输出，必须采用由两只管子组成的推大电路形式。④丙类和丁类，丙类是管子导通时间小于半个周期，大部分时间截止的工作状态；丁类又称开关式工作状态，即管子工作饱和导通和完全截止的两种开关状态。⑤其他新方式：为了让功率放大器兼有甲类放大的低失真和乙类放大的高效率，除了甲乙类外，近来还出现一些新型功率放大电路。例如："甲"类"(A+类)电路、"新甲类"(新A类)电路、"超甲类"(超

A类)电路等。这些电路的称呼不同，但所采取措施的目的，一是设法使晶体管不工作在截止状态(即没有开关过程)以减小失真，二是设法使晶体管的工作点随信号大小滑动(即动态偏置)以提高效率。3.按所用的放大器件可分①电子管功率放大器。②晶体管功率放大器(包括场效应管功率放大器)。③集成电路功率放大器(包括厚膜集成功率放大器)。现在，晶体管或集成电路的功率放大器占有主导地位，但在高保真放声系统中，电子管功率功放仍存有一席一地。电子管功放的缺点是功耗大，体积及重量大，效率低，但其动态范围大，对信号过荷承受能力明显优于晶体管功放，而且其负反馈不深，因此一般不存在瞬态互调失真。而晶

体管功放的开环增益大，其优良的电声指标是依靠深度负反馈来达到，致使容易生瞬态互调失真。因此，电子管功放的音色比较纯美，而晶体管功放存在一种所谓"晶体管声或"金属声"，使声音有些发硬，发刺。为此晶体管功放作了不少改进，如出现无负反馈电路、纯DC(直耦)电路等，以改善音质。集成电路功率放大器与晶体管功放的工作原理基本相似，下面介绍一下常见的功率放)电路。常用的OTL电路、OCL电路和BTL电路的简化电路原理图它们的主要区别在输出电路上。OTL电路是对早期的变压器输出推挽功率放大器的改进而发展来的，它不用输出变压器，而采用电容耦合与扬声器相连，VT1和VT2为特性相近的NPN管和PNP管。VT3为推动放大级，R为其集电极负载电阻。当输入处于信号负半周时，VT3集电极电位(即VT1，VT2的基极电位)升高，于是VT1导通，VT2截止。电流由电源+YCC经VT1和C流过RL，在负载RL上输出正半周电压。这时电容C充电。当输入信号处于正半周时，VT3集电极电位降低，于是VT1截止，VT2导通，电容C通过VT2对RL放电，提供负半周输出电压；结果在负载上得到一个与输入反相的输出正弦波信号。在C容量足够大时，C上的充放电电压的变化很小。显然，上述的VT1、VT2作在工类状态，如需工作在甲类或甲乙类，可通过改变VT1、VT2基极偏置实现。电路采用正、负两组电源，通常取EC=Ee=1/2Vcc OCL电路本质上与OTL电路相同，只是它少了一个输出电容C，因此使其低频率响应和失真度有所改进。无论是使用单电源VCC供电的OTL电路，还是使用负两组电源EC和Ee(EC=Ee=1/2Vcc)供电的ocl电路，在负载(扬声器)RL上的最大输出电压的半日峰值(不考虑管压降)均为

1/2Vcc，因此它们的最大可能输出功率为：为了在较低电源电压下获得较大的输出功率，可以采用BTL电路。它由两对互补对称电路组成，负载RL接在两个互补对称电路的输出端之间，与OCL电路一样呈直接耦合，故频响较好、保真度高。而且与OTL电路一样可在单电源下工作。在OTL或OCL电路中，两个输出管都是轮流工作的。当VT1在"推"时，VT2在休息；而T2在"挽"时，VT2在休息。亦即"推"和"换"不是同时工作的，它们只是在不同的半周里补信号。在BTL电路中，VT3在扬声器一端"推"时，VT4则在扬声器另一端"挽"；在VT2对扬声器一端"挽"时、VT3则在扬声器另一端"推"。也就是说，如果在两个输人端加人反相的正弦信号，由于VT1、VT4和VT2、VT3轮流导通，则在负载RL上获得一个完整的正弦波。而且，输出电Icm比OTL大一倍，即

Icm=Vcc/RL，故BTL电路最大输出功率为：可见，BTL电路的最大输出

功率为OTL电路的4倍。三、功率放大器的性能指标功率放大器的性能指标很多，有输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗、阻尼系数等，其中以输出功率、频率响应、失真度三项指标为主。1.输出功率输出功率是指功放输送给负载的功率，以瓦(W)为基本单位。功放在放大量和负载一定的情况下，输出功率的大小山输入信号的大小决定。过去，人们用额定输出功率来衡量输出功率，现在由于高保真度的追求和对音质的评价不一样，采用的测量方法不同，因此形成了许多名目的功率称呼，应当注意。(1)额定输出功率(RNS)。额定输出功率是指在一定的谐波失真指标内，功放输出的最大功率。应该注意，功放的负载和谐波失真指标不同，额定输出功率也随之不同。通常规定的谐效失真指标有1%和10%。由于输出功率的大小与输入信号有关，为了测量方便，一般采用连续正弦波作为测量信号的测量音响设备的输出功率。通常测量时给功放输入频率为1000Hz的正弦信号，测出等阻负电阻上的电压有效值V有效，此时功放的输出功率P可表为RL为扬声器的阻抗。这样得到的输出功率，实际上为平均功率。当音量逐渐开大时，功放开始过载，波形削顶，谐波失真加大。谐波失真度为10%时的平均功率，称为额定输出功率，亦称最大有用功率或不失真功率。(2)最大输出功率。在上述情况下不考虑失真的大小，给功放输人足够大的信号，并将音量和音调电位器调至最大时，功放所能输出的最大功率称为最大输出功率。额定输出功率(即最大有用功率)和最大输出功率是我国早期音响产品说明书上常用的两种功率。通常最大输出功率是额定功率的2倍。但是，在放音时却有这样情况，两台最大有用功率及扬声器灵敏度都差不多的功放，在试听交响乐节目时，当一段音乐从低潮过去以后突然来一突发性的打击乐器声，可能一台功放能在瞬间给出相当大的功率，给人以力度感，另一台功放却显得底气不足。为了标志功放这种瞬间间的突发性输出功率的能力，除了测量上述的最大有用功率和最大输出功率之外，有必要测量功放的音乐输出功率和峰值音乐输出功率。才能全面地反映功放的输出能力。(3)音乐输出功率(MPO)。音乐输出功率是指功放工作于音乐信号时的输出功率，亦即在输出失真度不超过现定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。国际上还没有统一的音乐输出功率(MPO)和峰值音乐输出功率(PMPO)的测量标准，国外各厂家一般都有各自的测量方法。通常用模拟音乐、语言的信号输入功率放大器来进行测量，这种测量称为"动态"测量，因此音乐输出功率是一种"动态指标"。一般认为，这种动态指标能较好地说明听音评价结果。通常音乐输出功

率为额定功率的4倍。(4)峰值音乐输出功率(PMPO)。它通常是指在不计失真的条件下，将功放的音量和音调电位器调至最大时，功放所能输出的最大音乐功率。峰值音乐功率不仅反映了功放的性能，而且能反映功放直流电源的供电能力。一般来说，某一功放的上述几个输出功率有如下关系：峰值音乐输出功率>音乐输出功率>最大输出功率>最大有用功率(额定输出功率)。通常，峰值音乐输出功率是额定输出功率的8-10倍，但无统一定论。由于音乐输出功率和峰值音乐输出功率尚无统一国际标准，而且各厂家的测量方法不尽相同，这给各种功放的比较和选配带来一定困难。而且，有的厂家为了销售目的还有夸大数值之歉。2.频率响应频率响应是指功率放大器对声频信号各频率分量的均匀放大能力。频率响应一般可分为幅度频率响应和相位频率响应。幅度频率响应表征了功放的工作频率范围，以及在工作频率范围内的幅度是否均匀和不均匀的程度。所谓工作频率范围是指幅频响应的输出信号电平相对于1000Hz 信号电平下降3dB处的上限频率与下限频率之间的频率范围。在工作频率范围内，衡量频率响应曲线是否平坦，或者称不均匀度一般用dB表示。例如某一高保真功放的工作频率范围及其不均匀度表示为：20Hz-

50kHz,±1dB。相位频率响应是指功放输出信号与原有信号中各频率之间相互的相应关系，也就是说有没有产生相位畸变。通常，相位畸变对功放来说并不很重要，这是因为人耳对相让失真反应不很灵敏的缘故。所以，一般功放所说的频率响应就是指幅度频率响应。目前，一般家用功率放大器的工作频率范围为20Hz-20kHz；专业用功率放大器的工作率范围为0-40kHz；现代高级功率放大器的频响范围甚至达到了0-800kHz。3.失真失真是指重放的声频信号波形发生不应有的变化。失真有谐波失真、交叉失真、削波失真、相位失真和瞬态失真等。(1)谐波失真。谐波失真是由功率放大器中的非线性元件引起的，这种非线性会使声频信号产生许多新的谐波成分。其失真大小是以输出信号中所有谐波的有效值与基波电压的有效值之比的百分数来表示。谐波失真度越小越好。谐波失真与频率有关。通常在1000Hz附近，谐波失真量较小，在频响的高、低端，谐波失真量较大。谐波失真还与功放的输出功率有关，当接近于额定最大输出功率时，谐波失真剧增大。目前，优质功率放大器在整个音频范围内的总谐波失真一般小0.1%；优秀功放谐波失真值大多在

0.03%-0.05%之间。(2)互调失真。当功放同时输入两种或两种以上频率的信号时，由于放大器的非线性，在输出端端会产生各频率以及谐频之间的和频和差频信号。例如，200Hz低音管信号和,600Hz的小提琴信号