第 6 章音频放大器

第6章音频放大器

6.1 音频放大器的组成 音频放大器又称声频放大器、低频放大器或扩音机，是放大音频电信号的装置。按音频放大器中各部分的功能不同，常常将其分为两部分：其一称为前置放大器（也称前级放大器）；其二称为功率放大器（也称后级放大器），如图6-1所示为模拟音频放大器的基本组成框图。前置放大器还可细分为信号源前置放大器和主控放大器。

6.2 前置放大器 图6-2 前置放大器示意图

6.2 前置放大器 1.信号源前置放大器的作用是： ①有选择地接收信号源的信号； ②对输入的信号进行频率均衡或阻抗变换； ③对各种信号进行相应的放大，使各种信号的输出电压基本相同，以利于其后的主控放大器的工作，并改善信噪比。

6.2 前置放大器 2.前置放大器中的主控放大器也称控制放大器或线路放大器，其主要作用是将前面送来的信号进行各种处理与再放大，使之能满足功率放大器对输入信号电平的要求，并达到人们对音响效果的某些主观要求，比如音量调节、响度控制、音调调节、噪声抑制、声道平衡、声像展宽等功能都在此环节完成。

6.2 前置放大器 前置放大器主要功能电路有以下几个部分。 6.2.1均衡放大电路均衡放大电路是校正输入信号的频率响应并进行放大而设置的专用电路。过去常见的有：电磁唱头均衡放大电路、磁头均衡放大电路。

6.2.2音调控制电路 音调控制电路通过对高、中、低音调的调节，以适应节目的特点并满足不同听音者的要求。音调控制的基本原理是调节衰减网络或者反馈网络的频率特性，使其对高、中、低不同频率的信号产生不同程度的衰减或反馈，达到调节输出频率响应的目的。

6.2.2音调控制电路 音调控制电路的幅频特性有四种情形：低音提升、低音衰减、高音提升及高音衰减。低音提升（或衰减）的转折频率f1一般为100Hz，高音提升（或衰减）的转折频率f3一般为10kHz，中频转折频率f2一般为lkHz， 6.2.3等响度控制电路 6.2.4前置放大器中的分频

6.3 功率放大器 功率放大器的作用是将来自主控放大器的信号放大到能足够推动相应扬声器所需的功率。功率放大的本质就是将电源电能“转化”为音频信号电能。图6-4功率放大器的组成方框图

6.4音频放大器的主要性能指标 1.谐波失真谐波失真是指功率放大器中非线性畸变的状况，它是由非线性元器件所引起的，它使输出信号中出现输入信号中没有的谐波成份，如图6-5所示是产生二次谐波失真的情况。图6-5 产生二次谐波失真示意图

6.4音频放大器的主要性能指标 2.频率响应频率响应又称频率特性，它又可细分为增益——频率响应和失真——频率响应。

6.4音频放大器的主要性能指标 3.输出功率功率放大器输出功率的表示方法有多种，其中最常用的是额定输出功率，是指在额定负载阻抗下，放大器不失真的输出功率，常常是由生产厂家来规定此值。

6.4音频放大器的主要性能指标 除额定输出功率外，功率放大器的输出功率，还有以下的种种表示方法：平均功率。它是瞬时功率在一周期内的平均值。有效值功率。它是瞬时功率的均方根值。音乐功率。它是指放大器工作于音乐信号时的输出功率，又称动态输出功率。功率放大器的实际输出功率与它所带负载的阻抗大小有着密切联系，在使用中需加注意。

6.4音频放大器的主要性能指标 4.信噪比功率放大器额定输出电压与无信号输入时输出的噪声电压之比，称为信噪比（S／N），常用dB来表示。即专业功放的信噪比通常要求大于100dB。

6.4音频放大器的主要性能指标 5.输入灵敏度功率放大器达到额定输出功率时，输入信号所需的电平值，称为输入灵敏度。功放的输入灵敏度约为+4dB（注：0dB为0.775V）。 6.输出阻抗普通功率放大器输出级的内阻一般都很低,而输出阻抗是指功率。放大器能长期工作，并能使负载获得最大输出功率的匹配阻抗。功率放大器的输出阻抗一般为2Ω、4Ω、8Ω和16Ω 等。

6.4音频放大器的主要性能指标 8.瞬态响应瞬态响应是表征放大器对信号（尤其是高频信号）的跟随能力。

6.4音频放大器的主要性能指标 9.交越失真与削波失真交越失真是由于乙类推挽放大器功放管的起始导通非线性造成的，波形如图6-6所示。图（a)为输入的无失真的正弦波信号，图（b）为放大器输出的交越失真信号。削波失真是功放管饱和时，放大器输出信号不随输入信号的增大而增大，输出波形尖峰被削平，称为削波失真，如图6-6（c）所示。图6-6 交越失真与削波失真

6.4音频放大器的主要性能指标 10.互调失真 11.相位失真相位失真也称相位畸变，功率放大器和其它声频系统，输出信号与输入信号之间一般是存在相位差的。 12.瞬态互调失真由于负反馈很深，这种过载电压值有时比额定值高几十倍甚至几百倍，因而输出信号被削顶，从而造成了失真，这就是瞬态互调（Transient Intermoduiation）失真，简写TIM失真。

6.4音频放大器的主要性能指标 怎样减小甚至消除瞬态互调失真是厂家和消费者都关心的事情。经过研究与实践发现了很多的具体措施，这里仅列几条如下。(1)采用20～25dB较小的大环路负反馈，辅之以每级的少量局部负反馈，使整个放大器的开环增益控制在50dB左右。 (2)选用特征频率高的晶体管，使放大器的频响较好，至少要达到100kHz。前级各管频率需达到40～200MHz，末级功放管应达到2－4MHz。 (3)放大器应尽量采用对称电路结构，各级均采用推挽电路并达到全互补对称方式。 (4)在保证一定信噪比前提下，输入级的静态电流适当取大一些，这样可减小晶体管发生过载现象的可能性。比如一些前级采用甲类方式静态电流高达50mA，可使后级在瞬态输出时得到充足的电流供给，提高整机瞬态特性。

6.4音频放大器的主要性能指标 (5) 采用高、低压双电源供电方式，前级放大由高压电源供电，以提高过载能力并扩展晶体管线性区域。 (6)在电压放大级的发射极反馈电阻上并联一个合适的小电容，将滞后补偿改为提前补偿，以提高放大器的开环频响，减小瞬态互调失真，并且能够增加频带宽度。 (7)在放大器输入端加接无源滤波器，以免超声频或射频信号串入，形成输入级瞬间过载。

6.4音频放大器的主要性能指标 13. 晶体管功放与电子管功放削波失真的比较图6-7 晶体管功放与电子管功放的过荷特性

6.5音频放大器的分类 1.按所用电子元器件，可分为晶体管放大器、电子管（真空管）放大器集成电路放大器、厚膜功放及混合式放大器等等。 2.按其结构类型，则可分为合并式放大器、前后级分体式放大器和AV功放。 3.若按电路工作状态，可分为超甲类、甲类、甲乙类及丙类等等。也有按功放电路输出形式，可分为变压器输出、OTL、OCL、直接耦合及BTL类等等 4.按与扬声器的连接方式，可分为定阻输出、定压输出功率放大器。

6.6功率放大器的电路形式 下面简述常用的几种晶体管功率放大器的电路形式 1.OTL功率放大器 (1)准互补型OTL功率放大器电路：图6-8为准互补型OTL功率放大器的实用电路。 (2)全互补对称OTL功率放大器电路：

6.6功率放大器的电路形式 图6-8准互补型OTL电路图6-9 全互补对称OTL电路

6.6功率放大器的电路形式 (1)准互补OCL功率放大器电路，准互补OCL功率放大器电路如图6-10所示，这种放大器的输出电路克服了OTL电路的缺陷。图6-10 准互补型OCL电路

6.6功率放大器的电路形式 (2)全互补对称0CL功率放大器电路，这种放大器的输出电路与全互补对称OTL电路一样，采用PNP大功率硅管与NPN大功率硅管组成全互补对称推挽输出电路。

这类功率放大器的特点是： （1）没有任何电容，改善了电路的瞬态特性，抑制了开机冲击声；（2）采用互补双差分输入电路，对输入的共模信号有较强的抑制能力，提高了中点电压稳定性。同时双差分电路比较容易实现对后级的平衡激励，使整个电路工作在更加对称的状态；（3）整机电路对称性好，晶体管高频特性好，特别是全对称直流耦合电路，上下两路完全对称，开环畸变极小，不需要引入深度大环路负馈，大大降低瞬态互调失真；（4）取消了大环路反馈电容，交、直流反馈系数相等，电路对交、直流信号具有相同放大倍数，利于提高放大器的低频响应；（5）整个电路对晶体管的性能及配对要求极为严格，而且电路的输入阻抗较低。

BTL功率放大器 图6-12 BTL电路原理图

6.6功率放大器的电路形式 利用两组完全对称的OCL功率放大器可以组成BTL功率放大器，图6-13为一典型的平衡输入式BTL功率放大器电路框图，电路中两组OCL电路交、直流多数完全对称，电路增益取决于R1与R2的比值。图6-13 平衡输入式BTL功率放大器

6.7功率放大器的电源及保护电路 1.对功放电源的一般要求图6-14 高频开关电源与环型变压器大动态信号时的电压波动比较

6.7功率放大器的电源及保护电路 2.功放的保护电路图6-15 常用保护电路框图

6.7功率放大器的电源及保护电路 （1）切断负载式保护电路（3）输入端保护电路（2）分流式保护电路图6-16 分流保护电路和扬声器保护电路图6-17 放大器输入端保护

6.8放大器的额定功率与功率储备 事实上，最大均方根功率也是随节目的性质的不同而不同，通过大量设计实验，我们可得出以下一些结论：l．统计实验表明，绝大多数节目（占88％）的最大均方根功率与平均均方根功率之比，在3～10倍的范围内。 2．因为平均均方根功率取决于节目放声的响度，所以应该把额定功率定在相当于平均均方根功率的水平上。这时最大均方根功率为平均均方根功率的3～10倍。由于高保真度放声要求最大均方根功率必须低于功放的削波功率，因此削波功率应该大于额定功率的3～10倍。 3．对高保真度专业放声用功放的额定功率至多应该是削波功率的10％，即使如此，尚有8％的少量节目在10倍功率储备情况下，仍有巅峰被削波的情况出现。 4．对专业放声用功放，削波功率与平均功率之比，只能取大于10:1的比例。若降低要求，比如此比例取（6～7）:l，那么将有44％的节目的部分巅峰有被削波的危险。可见，民用高质量功放最少也应按此比例取值。

6.8放大器的额定功率与功率储备 5．由分析可见，把额定功率定得和削波功率一样高或稍低于削波功率都是不正确的。 6．因为晶体管（含集成电路）功放在过载后产生明显的削波，而电子管功放过载后，谐波畸变与互调畸变并不迅速增加，所以电子管功放的功率储备量可以明显低于上述比例。这也是为什么有时晶体管功放（特别是大功率的功放）测得的指标尚好，但放音质量较差的主要原因。当然，普通存在于功放电路中的瞬态互调畸变，则是另一个原因。 7．分析一下通常收音机、电视机音质差的原因何在。15～20m2的居室，有1/20W的声功率响度就够了。收音机和电视机用的小功率扬声器，其效率一般不到5％，这就需要输入1W以上的平均电功率。即使取上述储备量比例为5:1，也需要有5W以上的最大电功率。而一般晶体管收音机或电视机的功放，削波功率往往远低于此值，这就严重地影响了它们的音质。 8．从上述结果发现：一台削波功率为80W的晶体管放大器，其平均功率只能用到4～5W左右。若削波功率为50W，则平均功率只能用到3～4W左右。使用时，如果平均功率分别大于这两数值，功放的音质就会明显的下降，这两个比例均大于10，这个结果与国外资料所介绍的分析结果相近。

6.8放大器的额定功率与功率储备 现将以上的讨论，归纳为以下初步结论：专业用高质量晶体管功率放大器，最大均方根功率10倍的额定功率；民用高质量晶体管功率放大器，最大均方根功率（6～7）倍额定功率；一般晶体管功率放大器，最大均方根功率（3～4）倍额定功率；电子管功率放大器，功率储备可减半。为形象起见，我们将以上讨论的结果示于图6-18中。图6-18 各种音频放大器的功率储备比较示意图

6.9功率放大器的发展趋势 1.高速功率放大器 2.直流放大器 3.场效应管功率放大器 4.电子管、晶体管混合式放大器 5.电子分频电子管放大器 6.电子分频晶体管放大器

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