前置放大电路

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+Y CC经VT1和C流过R L，在负载R L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R L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E C=E e=1/2V cc 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

V CC供电的OTL电路，还是使用负两组电源E C和E e（E C=E e=1/2V cc）供电的ocl电路，在负载（扬声器）R L上的最大输出电压的半日峰值（不考虑管压降）均为1/2V cc，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R L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R L上获得一个完整的正弦波。而且，输出电I cm比OTL大一倍，即I cm=V cc/R L，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

R L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 的小提琴信号合在一起，就会产生400Hz（差信号）和800Hz（和信号）这两个微弱的互调失真信号。由于互调失真信号与自然乐器信号没有相似之处，因此容易使人察觉，在比较小的互调失真度时就可以听出来，令人生厌。因此，降低互调失真是提高音响音质的关键之一。

(3)交叉失真和削波失真。交叉失真又称交越失真，是由于功率放。

功放管的起始导通非线性造成的，它也是造成互调失真的原因之一。削波失真是功放管饱和时，信号被削波，输出信号幅度不能进一步增大而引起的一种非线性失真。削波失真会使声音变得模糊而且抖动。削波失真是无法消除的，只有在聆听音乐时注意不要使放大器达到满功率极限。

(4)瞬态失真和瞬态互调失真。瞬态失真又称瞬态响应，它是指功放对瞬态信号的跟随能力。打击乐器（如鼓、钹、铃等）、敲击乐器（如木琴、扬琴等）、弹奏乐器（如钢琴、琵琶等），都能产生猝发声脉冲，即瞬态信号。当瞬态信号加到放大器时，若放大器的的瞬态响

应差，放大器的输出就跟不上瞬态信号的变化，从而产生瞬态失真。功放的瞬态响应主要决定于放大器的频率范围，这就是高保真放大器将工作频率范围做得很宽的主要原因之一。

瞬态互调失真是现代声频领域里的一个重要技术指标。由于功率放大器往往加入大环路深度负反馈，而且在其中一般都加入相位滞后补偿电容，因此在输入瞬态信号时，造成输出端不能立即达到最大值，使输入级得不到应有的负反馈电压而出现瞬态过载，产生很多新的互调失真量。由于这些失真量是在瞬态产生的，所以叫做瞬态互调失真。瞬态互调失真是晶体管功放电路和集成功放电路产生所谓“晶体管声”、使其音质不及电子管功放的重要原因。

4.信噪比

信噪比是指功放输出的各种噪声（如交流声、白噪声）电平与输出信号电平的比值的分贝数。信噪比的分贝值越高，说明功放的噪声越小，性能越好。一般要求在50dB以上，优质功放在放唱片时的信噪比大于72dB。

5.输出阻抗和阻尼系数

功放输出端对负载（扬声器）所呈现的等效内阻抗，称为输出阻抗，阻尼系数则是指功放给扬声器的电阻尼的大小。由于功放电路的输出阻抗是与扬声器并联的，相当于在扬声器音圈两端并联一个很小的电阻，它会使扬声器纸盆的惯性振荡受到阻尼。功放的输出阻抗越小，对扬声器的阻尼越大，因此常用阻尼系数来描述功放电路对扬声器的阻尼程度。阻尼系数定义为扬声器阻抗与功放输出阻抗（合音箱线电阻）之比，即

扬声器阻抗（R L）

阻尼系数DF =

功放输出阻抗Z0+音箱线电阻r 可见功放的输出阻抗越小，阻尼系数DF越大，表示功放使扬声器不能作自由振荡的制动能力（即阻尼能力）越强。但是阻尼系数也不是越大越好，对于一种音箱通常有其最佳值（厂家可提供此值）。从所感上说，阻尼系数太大（称为过阻尼），会使声音发于；而阻尼系数太小（称为欠阻尼或阻尼不足），因振荡拖尾较长，会使低音变得混浊不清，失真增大。

一般地说，对于家用高保真晶体管功放，阻尼系数取15-100为宜。对于专业用功放，阻尼系数直在200-400或更高。

四、功率放大器的使用

1.一般注意事项

①在系统连接时和在电源插头插上之前，应使电源开关关掉。开机时宜将音量旋钮调到员小，以防输入信号过大造成扬声器损坏。

②应选用足够粗的多股线作音箱线，以保证功放的线路损耗尽可能小，阻尼系数足够大。

③功放的输出端与音箱连接时应注意极性。通常功放输出的“+”端（或红色）接场场的“+”端，“-”端（或黑色）接扬声器“-”端。必须注意，功放的“+”输出端不能接地，也不能与另一功放的“+”输出端直接相连（功放输出端之间不能并联或串联）。

④功放的风扇进风口和排风口不要堵塞，为此不要将功放放在床上、沙发、地毯等上面以免阻碍正常空气流通。也不要放置在炉子、空调等发热装置的周围。

⑤专业用功放很多做成双声道（双功放）。为此，有几种工作方式。其一为立体声（双声道）工作方式，此时机上方式选择开关置“STEREO”位置，于是两个声道功放分别独立工作，其二为并接（即两功放相同输入）工作方式，此时机上方式选择开关置于PARALLEL 位置；其三为桥接单声道工作方式。此时方式选择开关置于BRIDCE位置，于是功放两个声道可以桥接，构成功率更为强大的单声道功放。

⑥在音响系统中，应先开调音台及其他设备的电源，最后开功放的电源；关机则按相反顾序操作，先关功放电源，后关其他设备电源。

2.保护电路

专业用功放往往具有多种保护电路。常见的保护电路有：

①过热保护。在正常情况下，机内风扇将保持功放在设定的温度范围内工作。如果某一道的散热器温度达到80℃（例如进气受阻或空气过滤网被堵），此时功放过热保护电路动，自动切断所接负载，同时面板上温度（T emp）指示灯（红色）点亮。当温度下降到70-75℃时，电路会H动恢复正常运行。

②短路保护。如果输出短路，即使有信号输入，仍无输出信号，此时短路保护电路会比正常输出电流过大时更为灵敏地进行保护，以保护功放输出管。在短路保护时，面板上的削波（Clip）指示灯点亮（在工作中，如果削波指示灯闪烁，表明处于削波临界状态，应减小增益）。

③直流（DC）保护。如果功放输出端检测到直流电压，则在其输出的直流保护用继电器立即断开，以保护后接的音箱，同时“DC”红色指示灯点亮。

④开机/关机保护。开机时扬声器并不立即接通，而是延迟约而3-5s，电路在进入稳定工作状态后扬声器才接通。关机时。扬声器与关机信号同步断开，故开/ 关机都不会听到冲击声或爆破声。

五、功率放大器的选购

功率放大器的选购，除了应依照选购录间卡座、CD唱机等音响设备的一般原则之外（如

使用目的和要求、与现有组合音响其他部相配合、经济实力、外观、功能等），还可着重从下述的三个方面进行挑选。

首先，较为简便快捷的方法，莫过于从其说明书上去分析比较，其中尤以输出功率、总谐失真和频率响应这三项技术指标为重点。

当然，如前面所述，输出功率有音乐功率和连续功率（或额定功率）之不同。现在市面上述少功率放大器乃至录音机、为了招人注意，常以数百瓦甚至上千瓦标榜，因此不能看重这大了的数字，在选购时应以连续功率（RMS）或额定输出功率为依据。显然，功率放大器的功率越大，它的频响越宽以及总谐波失真越小，说明这台功率放大器的品质越好。

功率放大器的频率响应也与动态范围有关。一般来说，功率放大器的频响宽度越大范围就越宽。频率范围的低频端数字越小，表示低音音响效果越丰满；高频端数值越大，表高音效果越理想。通常，功率放大器的频响宽度能做到30-20000Hz，如能做到30-25000Hz示。已是颇佳的产品了。

其次，是通过观察线路对功放的性能进行分析。在观察线路时，首先看电源供电部分的造。前置放大器的供电电源若经过精密的电子稳压，表示它的信噪比较高，供电的电源电压越高，则象征输入过荷特性越好。左、右声道分别独立供电要胜于单一供电。

在功率放大电路方面，通常电源变压器的体积越大越好（以同样的变压器而言），而电源滤波器的数值越大越好。与前置放大器电路一样，左、右声道独立供电比单一组供电好。较高级的设计、甚至连推动级与输出级也是独立的。

在整机电路结构形式方面，目前大多数功率放大器采用全部直接耦合、全对称式的电路形式。一般来说，OCL电路要比OTL好；同是OCL电路，则全对称式要比半对称式的好，至于相类似的线路，虽然不能一下子分出它们的高低，但可以从补偿电容数值的大小以及数量的多少去推测其相位特性是否良好，以及稳定性的忧劣。如果补偿电容既大又多，即使它有很胝的失真率，但放音效果必然缺乏生动感，因为这种补偿电容的副作用起到“相位延迟”，故该电容的容量越小越妙。

功率放大器的保护电路并非越复杂越好，如果只串接一只保险丝便足以令该机不致在意外时受到损坏，就是上佳的设计。因为不论电压或电流感应或保护电路，都会对放音质量构成不良影响。

最后，凭耳朵试听。一部谐波失真只有0.05%的功放，并不一定会有良好的音质。因为谐波失真是对正弦波而言，但音乐信号要比正弦波复杂得多，这就是为什么谐波失真极低的功放，不一定悦耳的缘故，更不用说与扬声器的配合了。因此，耳朵试听是最后的、也是决

定性的环节。

生产专业功放比较有名的厂家有EAW、CROWN（皇冠）、CREST（高峰）、QSC等，都是美国的品牌，还有百威、JBL、EV、YAMAHA、MASTER（玛斯特）、MONTARBO(（蒙特宝）等品牌，质量也不错。国内功放也有不错的产品，可用来与国外的中、高档音箱相配合。获得比较好的效果，而价格比进口同类功放低得多。应该指出，由于专业音响设备与家用音响设备在设计思想上较大的不同，因此家用功放（包括Hi-Fi功放）是不能用于专业音响系统的。