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音頻放大器基礎知識

音頻放大器基礎知識

分類:
行業新聞
2016/05/07 20:10
【摘要】:
音頻放大器的目的是在產生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號,信號音量和功率級都要理想——如實、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz~ 20kHz,因此放大器在此范圍內必須有良好的頻率響應(驅動頻帶受限的揚聲器時要小一些,如低音喇叭或高音喇叭)。根據應用的不同,功率大小差異很大。
背景
 
    音頻放大器的目的是在產生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號,信號音量和功率級都要理想——如實、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz~ 20kHz,因此放大器在此范圍內必須有良好的頻率響應(驅動頻帶受限的揚聲器時要小一些,如低音喇叭或高音喇叭)。根據應用的不同,功率大小差異很大,從耳機的毫瓦級到TV或PC音頻的數瓦,再到“迷你”家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦,直到功率更大的家用和商用音響系統的數百瓦以上,大到能滿足整個電影院或禮堂的聲音要求。
 
    音頻放大器的一種簡單模擬實現方案是采用線性模式的晶體管,得到與輸入電壓成比例的輸出電壓。正向電壓增益通常很高(至少40dB)。如果反饋環包含正向增益,則整個環增益也很高。因為高環路增益能改善性能,即能抑制由正向路徑的非線性引起的失真,而且通過提高電源抑制能力(PSR)來降低電源噪聲,所以經常采用反饋。
 
音頻放大器類別
 
    長期以來,高品質音頻放大器的工作類別,只限于A類(甲類)和AB類 (甲乙類)。其原因在于過去只有電子管這樣的器件,B類(乙類)電子管放大器產生的失真使它們甚至在公共廣播用時都難于被人們所接受。所有的自稱為高保真放大器均工作于推挽式的A類(甲類)。
 
    隨著半導體器件的出現和發展,放大器的設計得到了更多的自由。就放大器的類別而言,已不限于A 類(甲類)和AB類(甲乙類),而出現了更多類別的放大器。為了使讀者對此有所了解,這里僅就筆者所知的各種類別的放大器簡介如下。不過需要指出,就目前來說用于音頻功率放大器的工作類別,A類(甲類)、AB類(甲乙類)和B類(乙類)這三類放大器仍覆蓋著半導體放大器的絕大多數。
 
一、A類(甲類)放大器 
 
    A類(甲類)放大器,是指電流連續地流過所有輸出器件的一種放大器。這種放大器,由于避免了器件開關所產生的非線性,只要偏置和動態范圍控制得當,僅從失真的角度來看,可認為它是一種良好的線性放大器。
 
    A類放大器在結構上,還有兩類不同的工作方式。其中一類是將兩個射極跟隨器相聯工作,其偏置電流要增加到在正常負載下有足夠的電流流過,而不使任一器件截止。這一措施的最大優點是它不會突然地耗盡輸出電流,如果負載阻抗低于標定值,放大器會短期出現截止現象,在失真上可能略有增加,但不致出現直感上的嚴重缺陷。另一類可稱作為控制電流源型(VCIS),它本質上是一個單獨的射極跟隨器,并帶有一個有源發射極負載,以達到合適的電流泄放。這一類作為輸出級時,需要在開始設計之前就把所要驅動的阻抗是多低搞清楚。
 
二、B類(乙類)放大器
 
    B類(乙類)放大器,是指器件導通時間為50%的一種工作類別。這類放大器可以說是最為流行的一種放大器,也許目前所生產的放大器有99%是屬于這一類。
 
三、AB類[甲乙類)放大器 
 
    AB類(甲乙類)放大器,實際上是A類(甲類)和B類(乙類)的結合,每個器件的導通時間在50—100%之間,依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類放大器的偏置按B類(乙類)設計,然后增加偏置電流,使放大器進入AB類(甲乙類)。
 
    AB類(甲乙類)放大器在輸出低于某一電平時,兩個輸出器件皆導通,其狀態工作于A類(甲類);當電平增高時,兩個器件將完全截止,而另一個器件將供給更多的電流。這樣在AB類(甲乙類)狀態開始時,失真將會突然上升,其線性劣于A類(甲類) 或B類(乙類)。不過筆者認為,它的正當使用在于它對A類(甲類)的補充,且當面向低負載阻抗時可繼續較好地工作。
 
四、C類(丙類)放大器 
 
    C類(丙類)放大器,是指器件導通時間小于50%的工作類別。這類放 大器,一般用于射頻放大,很難找到用于音頻放大的實例。
 
五、D類(丁類)放大器
 
    這類放大器,其特點是斷續地轉換器件的開通,其頻率超過音頻,可控制信號的占空比以使它的平均值能代表音頻信號的瞬時電平,這種情況被稱為脈寬調制(PWM),其效率在理論上來說是很高的。但是,實際困難還是非常大的,因為200kHz的高功率方波是不是好的出發點尚不清楚;從失真的角度來看,為保證采樣頻率的有效性,必須將一個陡峭截止頻率的低通濾波器插入放大器與揚聲器之間,以消除絕大部分的射頻成分,這至少需要4個電感(考慮立體聲),成本自然不會低。此外,表現在頻響方面,它只能對某一特定負載阻抗保證平坦的頻率響應。
 
六、E類(戊類)放大器 
 
    這類放大器,是一個極端聰明的半導體技術應用,它在幾乎所有工作時間內,通過的電壓或電流是較小的,亦即功率耗散很低。遺憾的是,它僅用于射頻技術,而不用于音頻。
 
七、F類(己類)放大器 
 
    這類放大器,就筆者目前所知并不存在,似乎是需要補充的空缺。
 
八、G類(庚類)放大器
 
    這類放大器,似乎與B類(乙類)或AB(甲乙類)的放大器有些類似。對于小的輸出信號,它的供電電流來自低電壓源;而對于‘大信號’,供電將轉換到較高的電壓源。這樣,一定比B類(乙類)的效率更高。但是,這種改進似乎不能超越多路輸出器件的成本以及使開關二極管在高頻時轉換干凈利落的技術難點,以致使其使用不適合某些高功率的專業設備。此外,G類(庚類)放大器所產生的失真,大概要比相應的B類(乙類)更大,但也有資料顯示,對轉換細節進行精心設計,將會使其差別較小。
 
九、H類[辛類)放大器
 
    這類放大器,也似乎與B類(乙類)相似,其特點在于動態地提升單供電電壓(不用轉換到另一個電壓源),以提高效率,所采用的電路結構是自舉電路。
 
十、S類放大器
 
     S類放大器,是由桑德曼博士命名的一種放大器。這類放大器,采用一個A類(甲類)放大電路,其電流能力非常有限,加上B類(乙類)放大電路作后備,在連接上使負載呈現為一較高的電阻。Tech-nicsSE-1000所采用的方法與此極為相似。
 
 
                                                           沃云開發部-引用撰寫

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