音频放大器简介

音频放大器简介
功率放大器（简称功放）的作用是给音响放大器的负载R L（扬声器）提供一定的输出功率，当负载一定时，输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率才会高。

音频放大器最早是由电子管放大器发展而来，为了满足需求，不断地加以改进。

效率越来越高，主要应用在TV、音响、笔记本电脑、PDA等便携式电子设备中。

音频功放的分类
A类放大器（也叫甲类放大器）
特点：
工作点Q设定在负载线的中心点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均可导通。

如图1
可单管工作，也可以推挽工作。

失真度小，信号越小传真度越高。

工作效率较低。

图 1
B类放大器（也称乙类放大器）
特点：
静态点在（VCC，0）处，即在截止区，没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率，在Vi 的正半周期内，Q1导通且Q2截止，所以，形成图2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2虚线部分所示。

B类放大器在两管推挽工作时，效率最高，可达到78%。

因为放大器有一段时间工作在非线性区域内，会产生较大的交越失真。

图 2
图 3 B类双端推挽放大器
AB类放大器（甲乙类放大器）
晶体管导通时间稍大于半周期，使用两管推挽工作，可以避免交越失真。

交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。

效率较高，晶体管功耗较小。

AB类放大器是为解决B类放大器在信号大小在-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的电池，使输入信号在±0.6V之间大小时，Q1、Q2也可以导通（彷佛一个A类放大器有加上VBB偏压一般），以降低失真，
图 4 AB类放大器
D类放大器（数字音频功率放大器）
将输入音频信号或PCM数字信息变换成PWM（脉冲宽带调制）或PDW（脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称开关放大器。

D类放大器有输入信号处理电路、开光信号形成电路、大功率开关电路（半桥或者全桥）、和低通滤波器（LC）等组成。

特点：
效率高。

发热少、功耗低
体积小
失真低、频率响应曲线好。

但存在EMI电磁干扰，可能会对手机RF部分或者天线部分产生干扰，降低手机灵敏度D放大器基本架构如图5所示，输入讯号经由脉波宽度调变器(Pulse Width Modulation)将音频信号调制成数字信号后，由功率晶体管(Q1,Q2)放大输出，再经由低通滤波器(Lf,Cf)取出原输入端的音频讯号送至喇叭输出。

图 5 D放大器基本架构
由于功率晶体管输入为一数字信号，Q1,Q2工作处于饱和与截止两个状态，因此Q1,Q2本身所消耗功率将非常小，提高整个放大器的效率，而使散热装置大幅减小进而在组件的设
计上可以大大缩小其体积。

各放大器的有点比较
D类放大器的EMI
EMI包括传导干扰CE和辐射干扰RE以及谐波。

来源：覆盖频段1MHz~1GHz 、250KHz-1.5MHz 高频开关信号、纳秒级边沿切换、过冲振荡。

EMS包括静电抗干扰ESD，射频抗扰度EFT、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度、电压暂降抗扰度。

EMI抑制措施：
1.扩展频谱调制技术，在更大的带宽内扩展开关PWM信号的频谱能量。

而不改变原始音频内容。

2.改变PWM开关信号的边沿速率。

信号以载波频率为中心，任何一个边缘都不是按周期重复，不仅维持了固定载波频率，边沿也不是以固定比率跳变，载波频率上的能量辐射得到极大的降低。

3.使用LC滤波器或者磁珠滤波器以过滤高频谐波。

中高功率由于EMI太强用LC滤波器，而小功率用磁珠处理即可。

4.PCB layout及器件摆放位置。

D类到扬声器线路不能太长，否则就是一天线。

音响放大器主要技术指标及测试方法
额定功率
音响放大器输出失真度小于某一数值时的最大功率成为额定功率。

P o=V o2/R L,R L为额定负载阻抗；V o为负载两端最大不失真电压。

V CC通常根据V O来选定V CC≥2√2V O.
测量P O的条件：
信号发生器的输出信号（音响放大器的输入信号）的频率f i=1KHz，电压V i=5mA,音调控制器的两个电位器RP1、RP2置于中间位置，音量控制电位器置于最大，用双踪示波器观测V i、V o的波形，失真度测量仪检测V o的波形失真。

注意：在最大输出电压测量完成后应迅速减小V i，否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。

测量P o的步骤：
功率放大器的P o端接负载电阻R L（代替扬声器），逐渐增大输入电压V i，直到V o的波形刚好出现削波失真（或小于3%），此时对应的输出电压为最大输出电压，即可以根据上式算出额定功率。

音调控制特性
输入信号V i（=100mV）从音调控制级输入端的耦合电容加入，输出信号V O从输入端的耦合电容引起。

先测1KHz处的电压增益A VO=0dB，再分别测试低频特性和高频特性。

同样，测高频特性是将RP2的滑臂分别置于最左端和最右端，频率从1kHz至50kHz变化，分别测量对应的电压增益。

最后绘制出音调控制特性曲线，并标注与f L1、f X、f L2、f0（1kHz）、f H1、f H2等频率对应的电压增益。

频率响应
放大器的电压增益相当于中音频率f0（1kHz）的电压增益下降3dB时对应低音频截止频率f L和高音频截止频率f H，称f L~f H为放大器的响应频率。

测量条件：调节RP3使输出电压为最大输出电压的50%。

测量步骤：音响放大器的输入端接V i（约5mV），RP1、RP2置于最左端，使信号发生器的输出频率f i从20Hz至50kHz变化（保持V i不变），测量负载电阻R L上对应的输出电压V O，用半对数坐标绘出频率响应曲线，并在曲线上标注f L和f H值。

输入灵敏度
使音响放大器输出额定功率时所需输入电压（有效值），称为输入灵敏度V S。

测量条件与额定功率测量相同。

测量方法：使V i从零开始逐渐增加，直到V o达到额定功率时所对应的电压值，此时对应的V i即为输入灵敏度。

噪声电压
音响放大器的输入为零时，输入负载R L上的电压称为噪声电压V N
测量条件同上
测量方法：输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观测输出负载R L两端的电压波形，用交流毫伏表测量其有效值。

整机效率
µ=P o/P C*100%
P o为输出额定功率；P C为输出额定功率时所消耗的电源功率。