功率放大器

功率放大器,简称功放,是对音频信号进行电压电流综合放大,以得到功率放大的。功率放大器在系统图中的位置是扬声器系统前面,它的输出直接送到扬声器系统,用于驱动扬声器系统,由于功率放大器的输出灵敏度一般在0db左右,所以加到功率放大器的输入信号一般取自调音台或周边设备的0db输出信号。而对于像传声器等低电平的输出信号,必须经过前置放大器放大或调音台进行电压放大后,才能推动功率放大器。前置放大器,调音台或周边设备输出的都是电压信号,只能输出极小的电流,不是功率信号,所以它们不能用来驱动扬声器系统,必须经过功率放大器将音频信号进一步作电压放大,最后对电流和功率进行放大,使其具有足够的功率输出,才足以推动扬声器系统工作,辐射声音,也就是推动音箱正常工作。

1、能够输出较大的功率,这里所指的大功率通常是指1W以上的功率；

2、具有较高的功率转换效率,功率放大器是一种能量转换电路,因此转化效率是功率放大器的重要指标之一,假设Po是路的输出功率,PS是直流电源提供的功率,PC是管耗,则转化效率定义为Ƞ=Po/Ps*100%；

3、具有较小的非线性失真,总谐波失真系数(THD),用输出信号的总谐波分量的均方根值与基波分量有效值的百分比来表示,谐波失真是由于系统的不完全线性造成的；

4、功率管散热问题：功率管是电路中最易损坏的器件,主要原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值,功率管的耗散功耗取决于管子内部集电极的结温,当温度超过管子所能承受的最高温度时,管子电流急剧增大而使晶体管烧坏(硅管的温度120℃~200℃,锗(zhe)管的温度为85℃左右。

前级功放

前级功放主要作用是对信号源传输过来的节目信号进行必要的处理和电压放大后,再输出到后级功放。它就像铁路岔道一样,控制切换哪一路音源信号接入功放,哪一路音源信号与功放断开。

后级功放

后级功放是进行单纯功率放大的部分,它的作用就是尽可能原原本本地放大来自于前级的信号,我们对后级的要求是,放大倍数尽可能高,而放大后信号的失真程度应尽可能低。除放大电路外,还设计有各种保护电路,如短路保护、过压保护、过热保护、过流保护等。

放大音量：功率放大器最主要的作用就是用来放大音量的,一般就是使用在家用音响 以及各种音响设备上的。功率放大器的安装也是比较简单的,很多的音响设备都会自带一些功率放大器,但是由于不能满足需要所以一些人会自己安装一个功率放大器。

提高音质：功率放大器除了放大音量之外,还具有提高音质的作用。但是需要注意的是只有正确的安装了功率放大器,它才能够有效的提高我们的音响系统的音质。

用于军用领域

功率放大器的很重要的一个作用就是使用在军事方面,主要就是将捕捉到的信号放大。由于我们捕捉到的声音信号是非常小的,难以获取有效信息,这时候我们就可以使用功率放大器将信号放大。

音频功率放大器的作用

音频放大器有两种：一种是专用于音频放大的运算放大器,它在音频范围内有比较好的性能(主要是频响特性和失真特性,好的音频放大器这两个特性都非常好),一般用于音响的前置放大级。

另一种是音频功放,也就是功率放大电路,用于音响的驱动级,可以驱动功率比较大的喇叭或者音响,使之发出声音。

功率放大器的工作原理很简单,它将音源播放的各种声音信号进行放大,以推动音箱发出声音。现在我们来详细解释一下常见的D类功率放大器的工作原理：

D类（数字音频功率）放大器是一种将输入的模拟音频信号或PCM数字信息转换为PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）脉冲信号的放大器。然后使用PWM或PDM脉冲信号来控制高功率开关器件的通断,这也被称为开关放大器。D类功放是一种放大元件处于开关工作状态的放大模式。当没有信号输入时,放大器处于关闭状态,不消耗电能。当工作时,通过输入信号使晶体管进入饱和状态,晶体管相当于一个打开的开关,直接连接电源和负载。理想的晶体管不消耗电能,因为没有饱和压降,但实际上晶体管总会有一小部分饱和压降而消耗一些电能。这种耗电只与管子的特性有关,与输出信号的大小无关,因此特别适用于超大功率的场合。在理想情况下,D类功放的效率为100％,B类功放的效率为78.5％,A类功放的效率为50％或25％（根据负载方式而定）。

实际上,D类功放只具有开关功能,最初仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。然而,随着对数字音频技术研究的深入,开关功能（即产生数字信号的功能）在Hi-Fi音频放大领域得到了广泛应用。在20世纪60年代,设计人员开始研究将D类功放用于音频放大技术,70年代,Bose公司开始生产D类汽车功放。这是因为汽车使用蓄电池供电需要更高的效率,并且空间有限无法容纳具有大型散热结构的功放器。这两个因素都希望能够使用高效的D类放大器来放大音频信号。其中关键的一步是对音频信号进行调制。

可以分为三个部分：

第一部分

是调制器,最简单的方式就是使用一个运算放大器构成比较器。原始音频信号加上一定的直流偏置后输入到运算放大器的正输入端,同时自激振荡产生一个三角波加到运算放大器的负输入端。当正输入端的电位高于负输入端的三角波电位时,比较器输出高电平,反之则输出低电平。如果音频输入信号为零且直流偏置等于三角波峰值的一半,那么比较器输出的高低电平持续时间相同,输出就是一个占空比为1：1的方波。当有音频信号输入时,在正半周期中,比较器的高电平持续时间大于低电平持续时间,方波的占空比大于1：1

第二部分

涉及D类功放器,这是一个通过脉冲控制的大电流开关放大器,用于将比较器输出的PWM信号转换为高电压、大电流的大功率PWM信号。输出的最大功率取决于负载、电源电压以及晶体管允许的电流。

第三部分

将大功率PWM波形中的声音信息还原出来的过程。解决方法很简单,只需使用一个低通滤波器。然而,由于此时电流较大,无法采用RC结构的低通滤波器,因为电阻会耗散能量。因此,必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1：1的脉冲到达时,电容C的充电时间超过放电时间,输出电平上升；当窄脉冲到达时,放电时间更长,输出电平下降。这与原始音频信号的幅度变化完美匹配,从而使得原始音频信号得以恢复,详见图2。

在设计D类功放时,需要考虑不同于AB类功放器的因素。此时,功放管的线性已经不再重要,更加关注的是开关响应和饱和压降。由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍,并且需要保持良好的脉冲前沿和后沿,所以管子的开关响应必须出色。

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。

一、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,输出功率的大小由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（RMS）

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。通常规定的谐波失真指标有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来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,测出等阻负载电阻上的电压有效值（V）,此时功放的输出功率（P）可表为

P=V2/RL

式中：RL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,给功放输入足够大的信号,并将音量和音调电位器调到最大时,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,在放音时却有这样的情况,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的突发输出功率的能力,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（Music Power OutPUt）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规定值的条件下,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>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。

二、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度频率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。例如某一功放的工作频率范围及其不均匀度表示为：20Hz-20kHz,+-1dB。

相位频率响应是指功放输出信号与原有信号中个频率之间相互的相位关系,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,这是因为人耳对相位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,一般功率放大器的工作频率范围为20Hz-20kHz。

三、失真

失真是指重放的声频信号波形发生了不应有的变化。失真有谐波失真、互调失真、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,谐波失真急剧增大。目前,优质放大器在整个音频范围内的总谐波失真一般小于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,在输出端会产生各频率以及谐频之间的和频和差频信号。例如,200Hz信号和600Hz的信号和在一起,就产生400Hz（差信号）和800Hz（和信号）这两个微弱的互调失真信号。由于互调信号与自然信号没有相似之处,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,是由于功率放大器的乙类推挽放大器功放管的起始导通的非线性造成的,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,它是指功放瞬态信号的跟随能力。当瞬态信号加到放大器时,若放大器的瞬态响应差,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。

四、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,优质功放的信噪比大于72dB。

五、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,它会使扬声器纸盘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（含音箱线电阻）之比,即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。但是阻尼系数也并不是越大越好,从听感上说,阻尼系数太大,会使声音发干；而阻尼系数太小（成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。一般来说,对于民用功放来说,阻尼系数取15-100为宜。对于专业用功放,阻尼系数宜在200-400或更高。

功率放大器是一种常见的电子元件,广泛应用于各种电路中。由于其复杂的结构和巨大的输出功率,可能会出现各种故障。下面将介绍功率放大器常见故障及其维修分析。

电源问题

电源是功率放大器正常工作的基础,如果电源不稳定或损坏,可能导致功率放大器无法工作。因此,在排除其他故障前,需要检查电源是否正常,如输入电压、电源线路、电源开关等。

过热问题

功率放大器在工作时会产生大量热量,如果散热不良可能会导致过热故障。在这种情况下,需要检查散热器和风扇是否正常运转,并确保空气流通畅通。

输出失真

输出失真是指输出信号与输入信号不同步或失真。这通常是由于放大器的非线性特性引起的。为了解决这个问题,需要调整放大器的偏置电压或增益,并检查反馈电路是否正常。

噪声问题

噪声是指在功率放大器输出中存在的杂音或干扰信号。这可能是由于输入信号干扰、放大器管件损坏或故障引起的。在这种情况下,需要检查输入信号源和放大器管件是否正常,并应用滤波技术来减少噪声。

输出电平不足

输出电平不足可能是由于电路中某些元件损坏或故障引起的。在这种情况下,需要逐一检查电路中的各个元件,并进行替换或修理。

功率放大器是一种常见的电子元件,但其由于结构复杂且输出功率巨大,因此可能会发生多种故障。在排除故障前,需要对功率放大器进行全面的检查和维修,以确保其正常工作。通过合理的维护和保养,可以延长功率放大器的使用寿命,并提高其稳定性和效率。

1、用户应将功放放置在干燥、通风的地方,避免在潮湿、高温、油烟化学制剂有腐蚀性的环境中工作。

2、用户应将功放放置在安全、平稳、不易掉落的台面或机柜中使用,以免碰损或跌落在地上,将机器损坏或引起更大的人为灾害,如火灾、触电等。

3、用户应将功放避开电磁干扰严重的环境,如日光灯镇流器老化等放射的电磁干扰将会引起机器CPU程序错乱,导致机器不能正常工作。

4、PCB布线时注意,电源脚与水溏不能太远,太远可加1000——470U放在它脚边。

功率需求：在选购功率放大器之前,首先需要明确自己的功率需求。这包括输出功率和输入功率的要求。一般来说,输出功率应该能够满足所驱动负载的需求,而输入功率应该不超过放大器的额定功率。

频率范围：不同的功率放大器在频率范围上会有所差异,因此在选购时需要注意所需的频率范围是否在功率放大器的工作范围内。如果需要在较宽的频率范围内进行放大,那么需要选择具有较宽频率响应的功率放大器。

效率和线性度：功率放大器的效率是指输出功率与输入功率之间的比值,高效率的功率放大器可以减少能量损耗,并减少热量的产生。而线性度则是指输出信号与输入信号之间的线性关系,高线性度的功率放大器可以保持信号的准确性和完整性。

可靠性和稳定性：在选购功率放大器时,需要考虑其可靠性和稳定性。一个具有良好可靠性的功率放大器能够提供稳定的性能,并具备较长的使用寿命。

价格：在选购功率放大器时,当然也需要考虑价格因素。根据自身需求和预算情况,选择一个性价比较高的功率放大器。

功率放大器的工作原理包括放大输入信号、增加信号功率和驱动输出负载。在选购功率放大器时,需要考虑功率需求、频率范围、效率和线性度、可靠性和稳定性等因素,并根据预算选购适合自己需求的功率放大器。

功率管是功率放大电路中最容易受到损坏的器件,损坏的大部分原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值。另外,若功率放大器与扬声器失配或扬声器使用中长期过载,也极易损坏扬声器（或音箱）,因此,在音响设备中,防护的目的是保护昂贵的功放和扬声器,所以对电源、功放、音箱的过载和短路保护是完全必要的。

1、电源保护：当使用开关电源时,则有专门的保护控制端,只要输入过电流或过电压信号,即可达到保护目的。

2、功放级晶体管保护：功率放大晶体管除在使用中必须注意环境温度及选用合适的散热器外,主要是考虑过电流和过电压保护问题,应用的集成电路都设有限流保护和热切断保护功能,所以在自制功放时须注意过压保护。

3、音箱扬声器系统保护：音响系统的保护有两种意义：一种是音响扬声器的过载；另一种不是音频功率的过大、而是直流电位的偏移,导致无电容隔离的OCL或BTL电路扬声器烧毁。