
功率放大器
詞條創(chuàng)建時(shí)間:2023-10-08瀏覽次數(shù):1543
功率放大器(英文名稱:power amplifier),簡(jiǎn)稱“功放”,是指在給定失真率條件下,能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動(dòng)某一負(fù)載(例如揚(yáng)聲器)的放大器。 功率放大器是一種可放大交直流信號(hào),在給定失真率條件下,能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動(dòng)某一負(fù)載的實(shí)驗(yàn)室儀器。功率放大器的主要技術(shù)參數(shù)包括帶寬、電壓、功率、通道、壓擺率、阻抗、增益等。為具體應(yīng)用選擇合適的功率放大器時(shí),應(yīng)考慮電壓、功率、增益、帶寬和波形等特性。
功率放大器工作原理
利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波,即交流信號(hào)電流,三極管的集電極電流在放大區(qū)中恒為基極電流的β倍,β是三極管的電流放大系數(shù),應(yīng)用這一點(diǎn),若將小信號(hào)注入基極,則集電極流過(guò)的電流會(huì)等于基極電流的β倍,然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來(lái),就得到了電流(或電壓)是原先的β倍的大信號(hào),這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過(guò)不斷的電流放大,就完成了功率放大。
功率放大器主要應(yīng)用
無(wú)論在全球移動(dòng)通信系統(tǒng)、第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)等民用領(lǐng)域,還是在雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航等軍用領(lǐng)域,射頻功率放大器作為這些系統(tǒng)中的前端器件,對(duì)其低耗、高效、體積小的要求迅速增加。
眾所周知,功率放大器是射頻電路眾多模塊中功率損耗最大的,作為系統(tǒng)的核心和前端部分,它的效率將直接影響系統(tǒng)效率,因此效率問(wèn)題成為現(xiàn)代功率放大器的研究熱點(diǎn)。在大多數(shù)功率放大器中,功率損耗的主要是晶體管損耗,主要由電壓和電流產(chǎn)生的,從而提出開(kāi)關(guān)類功率放大器,主要有D類,E類和F類。其中F類功率放大器專門設(shè)計(jì)一個(gè)諧波網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)漏極電壓和電流波形控制。理論上,F(xiàn)類功率放大器的漏極效率為100%,被稱為新一代功率放大器。
傳統(tǒng)功率放大器由于輸出電路上的功率消耗,其工作效率很低。為增加傳統(tǒng)功率放大器的工作效率,理想的F類功率放大器使用輸出濾波器對(duì)晶體管輸出電壓或電流中的諧波成分進(jìn)行控制,歸整晶體管輸出的電壓和電流波形。從而實(shí)現(xiàn)集電極電流的角度參數(shù)為90°,即保持集電極波形為半個(gè)正弦波,集電極電壓波形為方波,并且兩者的相位差是λ/4,這樣集電極電壓和電流的波形就沒(méi)有交疊區(qū),從而達(dá)到100%的理想效率。
功率放大器適用范圍(功率放大器的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些方面)
功率放大器主要指標(biāo)
1、額定功率(rate power):是指連續(xù)的正弦波功率,在500Hz正弦波輸入及一定的負(fù)載下,諧波失真小于1%所輸出的功率,表示成W/CH(瓦/聲道)。一般來(lái)說(shuō),額定功率越大,造價(jià)越高。
2、總諧波失真(THD):是指高次諧波占基波的百分比,總諧波失真越小越好,好的功率放大器的總諧波失真能達(dá)到0.02%
3、轉(zhuǎn)換率(slew rate):?jiǎn)挝粫r(shí)間上升的電壓幅度,單位為伏/微秒,它反映了功率放大器對(duì)瞬態(tài)聲音信號(hào)的跟蹤能力,是一種瞬態(tài)特性指標(biāo)。
4、阻尼因子(damping factor):其定義為功率放大器的負(fù)載阻抗(大功率管內(nèi)部電阻加上音箱的接線線阻),例如8Ω:0.04Ω=200:1,一般要求比值比較大,但不能太大,太大會(huì)覺(jué)得揚(yáng)聲器發(fā)聲單薄,太小則會(huì)使聲音層次差,聲像分布不佳。
5、輸出阻抗(output impedance)(或稱額定負(fù)載阻抗):通常有8Ω、4Ω、2Ω等值,此值越小,說(shuō)明功率放大器負(fù)載能力越強(qiáng)。就單路而言,額定負(fù)載為2Ω的功率放大器,可以帶動(dòng)4只阻抗為8Ω的音箱發(fā)聲,并且失真很小。
功率放大器性能指標(biāo)
無(wú)論AV放大器和Hi-Fi功放對(duì)功率放大器要求十分嚴(yán)格,在輸出功率、頻率響應(yīng)、失真度、信噪比、輸出阻抗和阻尼系數(shù)等方面都有明確要求。
輸出功率:
輸出功率是指功放電路輸送給負(fù)載的功率。人們對(duì)輸出功率的測(cè)量方法和評(píng)價(jià)方法很不統(tǒng)一,使用時(shí)注意。
1、額定功率(RMS):它指在一定的諧波范圍內(nèi)功放長(zhǎng)期工作所能輸出的最大功率(嚴(yán)格說(shuō)是正弦波信號(hào))。經(jīng)常把諧波失真度為1%時(shí)的平均功率稱為額定輸出功率或最大有用功率、持續(xù)功率、不失真功率等。很顯然規(guī)定的失真度前提不同時(shí),額定功率數(shù)值將不相同。
2、最大輸出功率:當(dāng)不考慮失真大小時(shí),功放電路的輸出功率可遠(yuǎn)高于額定功率,還可輸出更大數(shù)值的功率,它能輸出的最大功率稱為最大輸出功率,前述額定功率與最大輸出功率是兩種不同前提條件的輸出功率。
功率放大器P1dB、P3dB和PSat、功率附加效率(PAE)指標(biāo)參數(shù)介紹
功率放大器使用技巧
功率放大器在某種程度上主宰著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。
對(duì)于很多人來(lái)說(shuō),對(duì)放大器并不是十分的了解,不清楚在功放音箱中,都需要哪些的配件進(jìn)行配置,才能將功放的效果播放到一個(gè)最佳的狀態(tài)。
第一種:就是在喇叭下面裝個(gè)電阻做電流取樣,實(shí)際上反饋回去的還是電壓信號(hào),是模擬的電流反饋,做的人最多,但是這個(gè)電路有缺陷的,有2個(gè)方面的原因:
1、是他的輸出增益會(huì)隨著阻抗的變化而變化。結(jié)果使加在喇叭2端的不是恒壓了,好象這樣可以使加到喇叭上的功率恒定。
由于揚(yáng)聲器的聲壓特性曲線是在恒壓輸出下測(cè)試的,所以單純的這種電路并不好聲,聽(tīng)感不佳,好玩而已,不過(guò)有改進(jìn)型的電路,以電壓負(fù)反饋為主,加適量的這種類型的電流負(fù)反饋,倒是可以做出不錯(cuò)的聲音,但此時(shí)電流負(fù)反饋的作用是改變功放的阻尼系數(shù),對(duì)幅頻特性影響不大。
2、是取樣點(diǎn)在喇叭的下面,喇叭是個(gè)電感,電流流過(guò)電感其相位會(huì)變化,低頻還好,高頻可以移相90度,相位特性極差。
第二種:負(fù)阻放大器,其主要的作用是對(duì)低頻的延伸有很好的改善作用,但是對(duì)200Hz以上的頻率卻會(huì)起到劣化音質(zhì)的效果,所以一般是用在超低頻有源音箱上。
實(shí)際上,這種電路是和音箱搭配使用的,單獨(dú)沒(méi)有什么實(shí)際使用的意義。其工作原理是:如果音箱是一個(gè)剛體,那么加上一個(gè)管子,就可以變成一個(gè)理想的霍爾莫滋共鳴箱,那么不管這箱子大小如何,管子的粗細(xì)怎樣,只要符合霍爾莫滋共振計(jì)算公式。哪怕20Hz的諧振點(diǎn)也可以做的到,箱子的大小,只是效率高低而已,由于音箱上有喇叭的存在,喇叭在發(fā)聲的時(shí)候是在運(yùn)動(dòng)的,音箱就不是一個(gè)剛體,那么箱子就不會(huì)產(chǎn)生霍爾莫滋共鳴。
因此,如果在發(fā)聲的時(shí)候喇叭的振膜是靜止不動(dòng)的。那么,箱子就接近剛體,就可以滿足霍爾莫滋共振的條件,可以任意的設(shè)計(jì)這個(gè)箱子的諧振點(diǎn)。發(fā)聲的時(shí)候讓喇叭不動(dòng)的工作就是負(fù)阻功放的任務(wù)了。負(fù)阻功放的工作原理是當(dāng)喇叭在低頻段工作的時(shí)候,其阻抗特性急劇變化,放大電路通過(guò)電流取樣將這種變化取出來(lái)反饋給功放,使得功放以電流的形式進(jìn)行控制喇叭,如果對(duì)放大電路進(jìn)行等效分析,可以發(fā)現(xiàn)功放的內(nèi)阻在計(jì)算上成負(fù)阻特性。
在動(dòng)態(tài)放大的時(shí)候使得喇叭加放大器的內(nèi)阻接近于0。結(jié)果這種電路使得在喇叭不管朝哪個(gè)方向都受到很強(qiáng)的阻尼。只要發(fā)聲以結(jié)束,喇叭就不動(dòng)了,箱子也就變剛體了。
第三種:電流模反饋放大電路,這個(gè)才是實(shí)用的電流放大電路,也是真正的電流型負(fù)反饋,其反饋的信號(hào)是電流,不是電壓,就是說(shuō)在負(fù)反饋端不是加上,而是加入,有電流流入的。這種電路最早是在視頻傳輸,或則儀器設(shè)備象示波器什么的上用的很多。
由于是低阻負(fù)電流反饋輸入這種電路的高頻特性極佳,容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力超強(qiáng),只要進(jìn)過(guò)改進(jìn),發(fā)現(xiàn)做功率放大器很是不錯(cuò),可以彌補(bǔ)電壓型放大器的一些先天不足,象開(kāi)環(huán)頻響低,閉環(huán)的瞬態(tài)頻響失真,極弱的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。缺點(diǎn)是這種電路的開(kāi)環(huán)增益比較低,閉環(huán)后的失真會(huì)比電壓型放大器高一個(gè)數(shù)量級(jí)。不過(guò),做的好總失真也不會(huì)過(guò)0.01%。
如何使用功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)高容性壓電器件
功率放大器注意事項(xiàng)
對(duì)于主要作用是向負(fù)載提供功率的放大電路通常稱為功率放大電路,其主要特點(diǎn)如下:
1、輸出功率是指交變電壓和交變電流的乘積,即交流功率;
2、交流功率是在輸入為正弦波、輸出波形基本不失真時(shí)定義的;
3、輸出功率大,因而消耗在電路內(nèi)的能量和電源提供的能量也大;
4、晶體管常常工作在極限應(yīng)用狀態(tài),由此要考慮必要的散熱措施和過(guò)電流、過(guò)電壓的保護(hù)措施。
功率放大器阻抗匹配
在所有電子音像設(shè)備中,都有一個(gè)功率輸出的最佳方案問(wèn)題,即為了獲得最大的功率輸出而又不增加電路的投資經(jīng)費(fèi),這就是功率放大器與揚(yáng)聲器系統(tǒng)的最佳組合。
功率放大器組合的目的是為了達(dá)到最小的設(shè)備投資而獲得最大的功率輸出。
功率放大器防護(hù)措施
功率管是功率放大電路中最容易受到損壞的器件,損壞的大部分原因是由于管子的實(shí)際耗散功率超過(guò)了額定數(shù)值。
1、電源保護(hù):當(dāng)使用開(kāi)關(guān)電源時(shí),則有專門的保護(hù)控制端,只要輸入過(guò)電流或過(guò)電壓信號(hào),即可達(dá)到保護(hù)目的。
2、功放級(jí)晶體管保護(hù):功率放大晶體管除在使用中必須注意環(huán)境溫度及選用合適的散熱器外,主要是考慮過(guò)電流和過(guò)電壓保護(hù)問(wèn)題,應(yīng)用的集成電路都設(shè)有限流保護(hù)和熱切斷保護(hù)功能,所以在自制功放時(shí)須注意過(guò)壓保護(hù)。
功率放大器驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載、感性負(fù)載,有哪些注意事項(xiàng)?
功率放大器使用及保養(yǎng)注意事項(xiàng)有哪些?
功率放大器常見(jiàn)種類
射頻功率放大器:
射頻功率放大器(RF PA)是各種無(wú)線發(fā)射機(jī)的重要組成部分。在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中,調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小,需要經(jīng)過(guò)一系列的放大一緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí),獲得足夠的射頻功率以后,才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率,必須采用射頻功率放大器。
射頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分。射頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率。除此之外,輸出中的諧波分量還應(yīng)該盡可能的小,以避免對(duì)其他頻道產(chǎn)生干擾。
高頻功率放大器:
高頻功率放大器用于發(fā)射級(jí)的末級(jí),作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大,以滿足發(fā)送功率的要求,然后經(jīng)過(guò)天線將其輻射到空間,保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收級(jí)可以接收到滿意的信號(hào)電平,并且不干擾相鄰信道的通信。
功率放大器
高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種,窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路,故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器;寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路,因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件,它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。在“低頻電子線路”課程中已知,放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同,將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為360o,適用于小信號(hào)低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于180o;丙類放大器電流的流通角則小于180o。乙類和丙類都適用于大功率工作。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大,因而不能用于低頻功率放大,只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然極近于正弦波形,失真很小。除了以上幾種按電流流通角來(lái)分類的工作狀態(tài)外,又有使電子器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的丁類放大和戊類放大。丁類放大器的效率比丙類放大器的還高,理論上可達(dá)100%,但它的最高工作頻率受到開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間所產(chǎn)生的器件功耗(集電極耗散功率或陽(yáng)極耗散功率)的限制。
如果在電路上加以改進(jìn),使電子器件在通斷轉(zhuǎn)換瞬間的功耗盡量減小,則工作頻率可以提高。這就是戊類放大器。在低頻放大電路中為了獲得足夠大的低頻輸出功率,必須采用低頻功率放大器,而且低頻功率放大器也是一種將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為交流輸出的能量轉(zhuǎn)換器。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高,但二者的工作頻率和相對(duì)頻帶寬度卻相差很大,決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低,但相對(duì)頻帶寬度卻很寬。例如,自20至20000 Hz,高低頻率之比達(dá)1000倍。因此它們都是采用無(wú)調(diào)諧負(fù)載,如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高(由幾百kHz一直到幾百、幾千甚至幾萬(wàn)MHz),但相對(duì)頻帶很窄。例如,調(diào)幅廣播電臺(tái)(535-1605 kHz的頻段范圍)的頻帶寬度為10 kHz,如中心頻率取為1000 kHz,則相對(duì)頻寬只相當(dāng)于中心頻率的百分之一。中心頻率越高,則相對(duì)頻寬越小。因此,高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。由于這后一特點(diǎn),使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同:低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類(限于推挽電路)狀態(tài);高頻功率放大器則一般都工作于丙類(某些特殊情況可工作于乙類)。
寬頻帶發(fā)射機(jī)的各中間級(jí)還廣泛采用一種新型的寬帶高頻功率放大器,它不采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路,而是以頻率響應(yīng)很寬的傳輸線作負(fù)載。這樣,它可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率,而不必重新調(diào)諧。綜上所述可見(jiàn),高頻功率放大器與低頻功率放大器的共同之點(diǎn)是要求輸出功率大,效率高;它們的不同之點(diǎn)則是二者的工作頻率與相對(duì)頻寬不同,因而負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和工作狀態(tài)也不同。
高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有:輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度(或信號(hào)失真度)等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的,在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求,突出一些指標(biāo),兼顧其他一些指標(biāo)。例如實(shí)際中有些電路,防止干擾是主要矛盾,對(duì)諧波抑制度要求較高,而對(duì)帶寬要求可適當(dāng)降低等。功率放大器的效率是一個(gè)突出的問(wèn)題,其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類和丙類等。為了提高放大器的工作效率,它通常工作在乙類、丙類,即晶體管工作延伸到非線性區(qū)域。但這些工作狀態(tài)下的放大器的輸出電流與輸出電壓間存在很嚴(yán)重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)大,不能采用諧振回路作負(fù)載,因此一般工作在甲類狀態(tài);采用推挽電路時(shí)可以工作在乙類。高頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)小,可以采用諧振回路作負(fù)載,故通常工作在丙類,通過(guò)諧振回路的選頻功能,可以濾除放大器集電極電流中的諧波成分,選出基波分量從而基本消除了非線性失真。
所以,高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。高頻功率放大器因工作于大信號(hào)的非線性狀態(tài),不能用線性等效電路分析,工程上普遍采用解析近似分析方法——折線法來(lái)分析其工作原理和工作狀態(tài)。這種分析方法的物理概念清楚,分析工作狀態(tài)方便,但計(jì)算準(zhǔn)確度較低。以上討論的各類高頻功率放大器中,窄帶高頻功率放大器:用于提供足夠強(qiáng)的以載頻為中心的窄帶信號(hào)功率,或放大窄帶已調(diào)信號(hào)或?qū)崿F(xiàn)倍頻的功能,通常工作于乙類、丙類狀態(tài)。寬帶高頻功率放大器:用于對(duì)某些載波信號(hào)頻率變化范圍大得短波,超短波電臺(tái)的中間各級(jí)放大級(jí),以免對(duì)不同fc的繁瑣調(diào)諧。通常工作于甲類狀態(tài)。
功率放大器主要特點(diǎn)
功率放大器簡(jiǎn)稱功放,以其主要用途來(lái)說(shuō),功放可以分做兩個(gè)主要類別,即專用功放與民用功放。在體育館場(chǎng)、影劇場(chǎng)、歌舞廳、會(huì)議廳、公共場(chǎng)所擴(kuò)聲,以及錄音監(jiān)聽(tīng)等處所使用的功放,一般說(shuō)在其技術(shù)參數(shù)上往往會(huì)有一些獨(dú)特的要求,這類功放通常稱之為專用功放或是專業(yè)功放。
而用于家庭的Hi-Fi音樂(lè)欣賞,AV系統(tǒng)放音,以及卡拉OK娛樂(lè)的功放,通常稱為民用功放或是家用功放。
專用功放與民用功放盡管在一些特性參數(shù)上有所差別,但也很難說(shuō)有一條涇渭分明的界線,比如用于音樂(lè)錄音監(jiān)聽(tīng)的功放很可能就是一臺(tái)可用于家庭Hi-Fi甚至是Hi-end功放。
Hi-Fi功放與AV功放:
Hi-Fi功放與AV功放是家用功放中的兩個(gè)主要類別。這兩類功放用于不同的用途,設(shè)計(jì)的側(cè)重也不相同。Hi-Fi功放用于欣賞音樂(lè),使用者追求的是盡可能的"原汁原味".而AV功放的使用者追求的是與畫面相配合的“現(xiàn)場(chǎng)”效果,甚至是夸張了的“現(xiàn)場(chǎng)”效果。這兩類功放不太好直接比較孰優(yōu)孰劣,比如價(jià)位同為三千多元的Hi-Fi功放與AV功放,Hi-Fi功放的成本投入只在兩個(gè)聲道上,而AV功放的成本投入則要兼顧5-6個(gè)聲道,還要具有一定的效果處理功能。如果僅看其兩個(gè)主聲道的投入,肯定低于Hi-Fi功放兩個(gè)聲道的投入。其放音效果的差異是顯而易見(jiàn)的。但是無(wú)論是Hi-Fi功放還是AV功放,都有高檔精品型與超值普及型之分。
一般來(lái)說(shuō),很難能有一臺(tái)可以對(duì)Hi-Fi、AV全兼容的AV功放,AV功放兼顧Hi-Fi音樂(lè)欣賞是有條件的,這一條件就是使用者欣賞音樂(lè)時(shí)的要求與標(biāo)準(zhǔn),如果使用者僅是用來(lái)欣賞一些休閑音樂(lè),或是只要求能夠聽(tīng)到樂(lè)曲的旋律,AV功放是比較容易滿足的,但是要是對(duì)音樂(lè)欣賞有較高的要求,一般的AV功放就難于滿足了。
晶體管功放與電子管功放:
用于Hi-Fi欣賞的功放可以分作晶體管功放和電子管功放兩大類,以前還有用集成電路或是模塊電路的Hi-Fi功放,但現(xiàn)已經(jīng)不多見(jiàn)。
甲類功放與乙類功放:
晶體管功放輸出級(jí)晶體管的工作狀態(tài),可以分做甲類與乙類。所謂甲類,簡(jiǎn)單地說(shuō)就是使輸出級(jí)晶體管在正弦交流信號(hào)的正負(fù)半周時(shí)均工作在線性區(qū),而乙類則是僅使輸出級(jí)的晶體管在正弦交流信號(hào)的正半周(或是負(fù)半周)工作在線性區(qū)。由于輸出級(jí)晶體管的工作狀態(tài)不同,使得輸出級(jí)的電源利用效率(即輸出功放與耗電功率之比)也不同。在實(shí)用的輸出電路中,乙類的效率要比甲類的效率高2-3倍。
甲類功放不存在交越失真,而且不論實(shí)際輸出功率大小,輸出級(jí)晶體的內(nèi)阻均為恒定。而乙類功放總會(huì)有一定的交越失真(盡管這種失真可能極小),另外,在大輸出時(shí)輸出級(jí)晶體管的內(nèi)阻較小,但在小輸出時(shí)輸出級(jí)晶體管的內(nèi)阻卻比較大。這些不同,造成聽(tīng)感上也有不同,甲類功放的聲音相對(duì)乙類功放而言比較柔和,另外對(duì)音箱的低頻控制力也比乙類功放強(qiáng),尤其是在小音量時(shí)低音的質(zhì)感要好一些。甲類功放的這些特點(diǎn),使得甲類功放在實(shí)際應(yīng)用中不需要很大的輸出功率余量,一臺(tái)20W-30W的甲類功放已經(jīng)能夠把大多數(shù)的音箱推動(dòng)得很不錯(cuò)了。
前面提到了甲類功放的電源效率低,這一原因造成甲類功放工作時(shí)要散發(fā)大量的熱量。為了使晶體管的工作溫度不超過(guò)一定限度,需要較大體積和面積的散熱器,這使得甲類功放的體積、重量都比較大。
純后級(jí)功放與單聲道功放:
常見(jiàn)的功放都是把放大小信號(hào)的前置放大器(前級(jí))與功率放大器(后 級(jí))做在一個(gè)機(jī)殼中,這種功放常被稱為“合并功放”,合并功放使用方便,又有比較好的性能價(jià)格比。但這種合并功放有它一些固有的缺點(diǎn),其中最不好克服的就是前級(jí)與后級(jí)之間的相互干擾問(wèn)題了。為了解決這一問(wèn)題,于是便把前級(jí)與后級(jí)分別做在兩個(gè)機(jī)殼中,這樣就有了純后級(jí)功放。大多的純后級(jí)功放都是雙聲道的結(jié)構(gòu)形式,但這種結(jié)構(gòu)形式使得兩個(gè)聲道相互干擾問(wèn)題又不太好解決,為了解決兩個(gè)聲道相互間的干擾便又出現(xiàn)了把兩個(gè)聲道分開(kāi)的單聲道純后級(jí)功放。
把功率放大器這樣一塊塊地分割開(kāi),最主要的意義是要提高功放的素質(zhì),而不是追求這種形式。如果僅僅在形式上實(shí)現(xiàn)了相互分開(kāi),盡管可以解決相互干擾問(wèn)題,但其它參數(shù)并未明顯改善,那么這種分開(kāi)對(duì)功放提高整體素質(zhì)來(lái)說(shuō)還是有限的。
功率放大器有晶體管與電子管之分,前級(jí)同樣也有晶體管和電子管之分。
功放自身的素質(zhì),與功放應(yīng)有的輸出功率關(guān)系較大。功放的參數(shù)中有一項(xiàng)稱為阻尼系數(shù),這是表示對(duì)音箱控制能力的一項(xiàng)參數(shù),但這一參數(shù)有一個(gè)適度范圍,而且又和具體的音箱有直接關(guān)系。一般說(shuō)來(lái),如果一臺(tái)功放的素質(zhì)很好,在30 W輸出時(shí)仍能保持其性能參數(shù)在一定的水準(zhǔn)。那么就沒(méi)有必要去要求功放有更大的功率輸出??墒侨绻Ψ诺乃刭|(zhì)不很理想,當(dāng)輸出功率增加時(shí)會(huì)引起其性能參數(shù)的劣化,那么就應(yīng)當(dāng)使功放的輸出功率有一定的余量,以保證在實(shí)用的輸出功率下仍有一定的良好參數(shù)。通常情況下,當(dāng)功放為甲類輸出或是電子管功放,則不需要有過(guò)多的輸出功率余量,20W-30W的輸出功率已經(jīng)夠用了。但如果是乙類功放或是素質(zhì)較差的功放,這時(shí)應(yīng)使功放的輸出功率有較大的余量。另外,如果配接的音箱是大型倒相式,也應(yīng)使功放有較大的輸出功率余量。在從功放自身的素質(zhì)考慮功放應(yīng)有的輸出功率時(shí),將功率余量選得大些確實(shí)能改善功放與音箱的適配情況。
選擇輸出功率較大的功放主要的意義,不是因?yàn)樾枰菢哟蟮穆晧海且纳乒Ψ艑?duì)音箱的適配狀態(tài)。如果一臺(tái)輸出功率適度的功放已經(jīng)能夠把音箱控制的得心應(yīng)手,那么就沒(méi)有必要對(duì)這臺(tái)功放提出更高的輸出功率要求。
使用環(huán)境,也就是房間的空間體積與功放應(yīng)輸出的功率也有一定的關(guān)系,以上所談及的輸出功率大小,是以房間的空間體積在40以下而言,如果房間的空間體積較大,那么功放的輸出功率則應(yīng)加大一些。
電子管功放輸出級(jí)的特點(diǎn):
電子管功放的功率輸出級(jí)有三種電路類型,一類是有輸出變壓器的推挽輸出電路。這類輸出電路類型在電子管功放中占了絕大多數(shù)。在推挽電路中的輸出變壓器中直流成分很少,二次諧波失真也很小,這類電路的輸出功率可以做得比較大,所以適用范圍也比較大。
另一類功率輸出級(jí)的電路類型是單端甲類電路。這類電路也有變壓器,但這類電路的輸出變壓器中有很大的直流成分,對(duì)輸出變壓器的要求比推挽輸出電路中輸出變壓的要求要高。另外對(duì)供電電源的要求也比較高。這類輸出電路的特點(diǎn)是二次諧波成分比較多,盡管這是一種諧波失真,但對(duì)音樂(lè)信號(hào)來(lái)說(shuō),二次諧波是高度的諧合音,所以聽(tīng)起來(lái)很入耳。這一特點(diǎn)使得這種輸出電路的功放在聲音的音色上很有特點(diǎn),尤其是當(dāng)功放級(jí)采用三極管時(shí),人聲聽(tīng)起來(lái)很甜美,室內(nèi)樂(lè)中的弦樂(lè)聽(tīng)起來(lái)也很細(xì)膩,或者說(shuō),這類功放的聲音很有味道。但是這類功放的輸出功率不容易做得大,所以如果配用的音箱靈敏度較低,在放送大型管弦樂(lè)曲時(shí)就比較勉強(qiáng)了。
還有一類電子管功放的輸出級(jí)電路是OTL電路,所謂OTL電路就是無(wú)輸出變壓器電路?,F(xiàn)代的晶體管功放輸出級(jí)幾乎全是OTL電路或是OTL電路的改進(jìn)型。電子管和晶體管的特性參數(shù)與工作狀態(tài)不同,晶體管功放很容易適合配阻抗為4- 8的音箱,而電子管功放要想不需要輸出變壓器去適配4-8的音箱就要費(fèi)些周折了。電子管OTL功放由于去掉了輸出變壓器,所以在技術(shù)參數(shù)上比前面提到的那兩類電路有很大的提高,這類輸出電路的功放聲音極有特色,和前面兩類輸出電路相比,它有宏偉的氣勢(shì)和寬闊的聲場(chǎng),和晶體管功放相比它的音色又溫暖、細(xì)膩。這類功放由于沒(méi)有輸出變壓器,所以能夠適應(yīng)較寬范圍的音箱阻抗。但是這類輸出級(jí)的功放電源效率低,設(shè)計(jì)、工藝、調(diào)試都比較復(fù)雜,這類輸出電路的功放僅見(jiàn)于一些高檔機(jī)種中,很難見(jiàn)到低價(jià)位的普及型機(jī)種。
電流特點(diǎn):
對(duì)功放電路的了解或評(píng)價(jià),主要從輸出功率、效率和失真這三方面考慮。
1、為得到需要的輸出功率,電路須選集電極功耗足夠大的三極管,功放管的工作電流和集電極電壓也較高。電路設(shè)計(jì)使用中首先要考慮怎樣充分地發(fā)揮三極管功能而又不損壞三極管。由于電路中功放管工作狀態(tài)常接近極限值,所以功放電流調(diào)整和使用時(shí)要小心,不宜超限使用。
2、從能耗方面考慮,功放輸出的功率最終是由電源提供的,例如收音機(jī)中功放耗電要占整機(jī)的2/3,因此要十分注意提高電路效率,即輸出功率與耗電功率的比值。
3、功放電路的輸入信號(hào)已經(jīng)幾級(jí)放大,有足夠強(qiáng)度,這會(huì)使功放管工作點(diǎn)大幅度移動(dòng),所以要求功放電路有較大的動(dòng)態(tài)范圍。功放管的工作點(diǎn)選擇不當(dāng),輸出會(huì)有嚴(yán)重失真。
功率放大器選購(gòu)技巧
選擇功率放大器的時(shí)候,首先要注意它的一些技術(shù)指標(biāo):
1、輸入阻抗:通常表示功率放大器的抗干擾能力的大小,一般會(huì)在5000-15000Ω,數(shù)值越大表示抗干擾能力越強(qiáng);
2、失真度:指輸出信號(hào)同輸入信號(hào)相比的失真程度,數(shù)值越小質(zhì)量越好,一般在0.05%以下;
3、信噪比:是指輸出信號(hào)當(dāng)中音樂(lè)信號(hào)和噪音信號(hào)之間的比例,數(shù)值越大代表聲音越干凈。
另外,在選購(gòu)功率放大器的時(shí)候還要明確購(gòu)買意愿,如果希望加裝低音炮,最好購(gòu)買5聲道的功放,通常2聲道和4聲道揚(yáng)聲器只能推動(dòng)前后揚(yáng)聲器,而低音炮只能再另配功放,5聲道功放就可以解決這個(gè)問(wèn)題,功率放大器的輸出功率也要盡量大于揚(yáng)聲器的額定功率。
功率放大器基本組成
功率放大器通常由3部分組成:前置放大器、驅(qū)動(dòng)放大器、末級(jí)功率放大器。
1、前置放大器起匹配作用,其輸入阻抗高(不小于10kΩ),可以將前面的信號(hào)大部分吸收過(guò)去,輸出阻抗低(幾十Ω以下),可以將信號(hào)大部分傳送出去。同時(shí),它本身又是一種電流放大器,將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào),并給予適當(dāng)?shù)姆糯蟆?/p>
2、 驅(qū)動(dòng)放大器起橋梁作用,它將前置放大器送來(lái)的電流信號(hào)作進(jìn)一步放大,將其放大成中等功率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)末級(jí)功率放大器正常工作。如果沒(méi)有驅(qū)動(dòng)放大器,末級(jí)功率放大器不可能送出大功率的聲音信號(hào)。
3、末級(jí)功率放大器起關(guān)鍵作用。它將驅(qū)動(dòng)放大器送來(lái)的電流信號(hào)形成大功率信號(hào),帶動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲,它的技術(shù)指標(biāo)決定了整個(gè)功率放大器的技術(shù)指標(biāo)。
功率放大器主要種類
傳統(tǒng)的數(shù)字語(yǔ)音回放系統(tǒng)包含兩個(gè)主要過(guò)程:
1、數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)到模擬語(yǔ)音信號(hào)的變換(利用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC)實(shí)現(xiàn);
2、利用模擬功率放大器進(jìn)行模擬信號(hào)放大,如A類、B類和AB類放大器。從1980年代早期,許多研究者致力于開(kāi)發(fā)不同類型的數(shù)字放大器,這種放大器直接從數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)功率放大而不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換,這樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或者D類放大器。
A類放大器:
A類放大器的主要特點(diǎn)是:放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近,晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作,也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi),所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡(jiǎn)單,調(diào)試方便。但效率較低,晶體管功耗大,效率的理論最大值僅有25%,且有較大的非線性失真。因此效率比較低。
B類放大器:
B類放大器的主要特點(diǎn)是:放大器的靜態(tài)點(diǎn)在(VCC,0)處,當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí),輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi),Q1導(dǎo)通Q2截止,輸出端正半周正弦波;同理,當(dāng)Vi為負(fù)半波正弦波,所以必須用兩管推挽工作。其特點(diǎn)是效率較高(78%),但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi),故其缺點(diǎn)是“交越失真”較大。即當(dāng)信號(hào)在-0.6V~ 0.6V之間時(shí),Q1、Q2都無(wú)法導(dǎo)通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。
AB類放大器:
AB類放大器的主要特點(diǎn)是:晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半周期,必須用兩管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真較大,可以抵消偶次諧波失真。有效率較高,晶體管功耗較小的特點(diǎn)。
C類放大器:
C類放大器主要特點(diǎn)是:晶體管僅在輸入信號(hào)每個(gè)周期的很短時(shí)間內(nèi)工作。電路工作時(shí)通常會(huì)給放大管提供一個(gè)負(fù)偏壓,以確保晶體管不會(huì)工作在乙類狀態(tài)。它的集電極負(fù)載不是電阻而是一個(gè)LC并聯(lián)諧振回路,所以C類放大器也叫諧振放大電路。通過(guò)調(diào)節(jié)電容器的容值或電感器的感值從而達(dá)到選頻功能。C類放大器的轉(zhuǎn)換效率極高,可以達(dá)到98%。但是因?yàn)樨?fù)載是諧振電路,電路經(jīng)常工作在高頻狀態(tài)所以失真很大,因此C類放大器并不適合作為音頻功率放大器,反而因?yàn)樗目蛇x頻率特性而被無(wú)線電界廣泛采用,所以通常作為射頻放大器、調(diào)諧放大器和倍頻器。
D類放大器:
D類(數(shù)字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM或PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放大器,也稱為開(kāi)關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字音頻功率放大器也看上去成是一個(gè)一比特的功率數(shù)模變換器.放大器由輸入信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開(kāi)關(guān)電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成。D類放大或數(shù)字式放大器。系利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路來(lái)放大音頻信號(hào)的。
優(yōu)點(diǎn):
1)具有很高的效率,通常能夠達(dá)到85%以上;
2)體積小,可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間;
3)無(wú)裂噪聲接通;
4)低失真,頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少,便于設(shè)計(jì)調(diào)試。
A類、B類和AB類放大器是模擬放大器,D類放大器是數(shù)字放大器。B類和AB類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小,功放晶體管功耗較小,散熱好,但B類放大器在晶體管導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)因其開(kāi)關(guān)特性不佳或因電路參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真,頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少優(yōu)點(diǎn)。AB類放大器和D類放大器是音頻功率放大器的基本電路形式。
T類放大器:
T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制D類功率放大器相同,功率晶體管也是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),效率和D類功率放大器相當(dāng)。但它和普通D類功率放大器不同的是:
首先,它不是使用脈沖調(diào)寬的方法,Tripath公司發(fā)明了一種稱作數(shù)碼功率放大器處理器“Digital Power Processing (DPP)”的數(shù)字功率技術(shù),它是T類功率放大器的核心。它把通信技術(shù)中處理小信號(hào)的適應(yīng)算法及預(yù)測(cè)算法用到這里。輸入的音頻信號(hào)和進(jìn)入揚(yáng)聲器的電流經(jīng)過(guò)DPP數(shù)字處理后,用于控制功率晶體管的導(dǎo)通關(guān)閉。從而使音質(zhì)達(dá)到高保真線性放大。
其次,它的功率晶體管的切換頻率不是固定的,無(wú)用分量的功率譜并不是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi),而是散布在很寬的頻帶上。使聲音的細(xì)節(jié)在整個(gè)頻帶上都可“聞”。
此外,T類功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍更寬,頻率響應(yīng)平坦。DDP的出現(xiàn),把數(shù)字時(shí)代的功率放大器推到一個(gè)新的高度。在高保真方面,線性度與傳統(tǒng)AB類功放相比有過(guò)之而無(wú)不及。
功率放大器功放所用的有源器件組成
功放所用的有源器件主要是晶體管(雙極型或場(chǎng)效應(yīng)晶體管),在工作頻率很高或要求輸出功率很大等場(chǎng)合,也使用電子管(包括大功率發(fā)射電子管);在微波段使用行波管。功放按其有源器件的工作點(diǎn)不同可分為甲(A)類、甲乙(AB)類、乙(B)類、丙(C)類和?。―)類等。表內(nèi)列出不同工作類型的功率放大器對(duì)正弦波所能達(dá)到的最高效率。
功放常應(yīng)用于廣播、通信發(fā)射機(jī)的輸出級(jí)、音響系統(tǒng)的輸出級(jí)以及控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的放大器等。應(yīng)用場(chǎng)合不同,性能要求不同,電路的構(gòu)成與工作類型也不同。常用的有線性功放、諧振功放、寬帶功放電路等。為提高輸出功率,可采用功率合成技術(shù)。
線性功放 用于要求非線性失真小的場(chǎng)合。常用電路形式有單管放大電路和推挽放大電路。單管放大電路的電路形式與電壓放大器類似,必須是甲類工作,效率最低,多用于小功率放大器。推挽放大電路由兩個(gè)有源器件構(gòu)成,分別用相位差180°的輸入信號(hào)激勵(lì),然后將它們的輸出信號(hào)反相疊加供給負(fù)載。圖1所示的是用變壓器實(shí)現(xiàn)反相疊加的推挽放大器原理電路。這種電路理論上兩個(gè)器件可工作在乙類,而輸出無(wú)失真。但實(shí)際的有源器件特性不是完全理想的,需工作在甲乙類。推挽放大電路也可由極性相反的晶體管互補(bǔ)對(duì)CPNP型和NPN型雙極晶體管對(duì)或N型溝道和P型溝道的場(chǎng)效應(yīng)管對(duì))構(gòu)成。利用它們的互補(bǔ)特性構(gòu)成的電路,不需相位相差180°的兩個(gè)輸入信號(hào),輸出信號(hào)也不需反相疊加。這種電路可全部由晶體管和電阻構(gòu)成,便于集成化,多用于集成功放中。
諧振功放 以諧振回路作為有源器件的負(fù)載,專門放大窄頻帶信號(hào)的放大器。這種放大器允許電流波形有很大失真,然后利用諧振回路將諧波濾除;可以使有源器件工作在丙類,以獲得高效率;多用于大功率發(fā)射機(jī)中的末級(jí)。若將諧振回路調(diào)諧在輸入信號(hào)的諧波上并選擇合適的工作點(diǎn),可構(gòu)成倍頻器。
寬帶功放 以傳輸線變壓器作為有源器件的負(fù)載。這種功放的上限頻率可達(dá)幾百兆赫,波段覆蓋范圍寬。傳輸線變壓器按照傳輸線和變壓器的工作原理構(gòu)成。
功率合成技術(shù) 多個(gè)放大器對(duì)同一輸入信號(hào)放大,然后用合成的方法,將各放大器的輸出功率相加。圖2是功率合成原理電路,它由放大器、功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)組成。合成與分配網(wǎng)絡(luò)常用傳輸線變壓器構(gòu)成。這種合成技術(shù)的特點(diǎn)是其中某一放大器工作狀態(tài)發(fā)生變化,其余放大器的工作不受影響。