功率放大器:原理与应用的深度剖析

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功率放大器,也称为“功放”,是一种能够在特定失真率条件下提供最大输出功率以驱动某一负载(如扬声器)的放大器。功率放大器在音响系统中具有关键的组织和协调作用,对整个系统的音质输出具有重要影响。
 
一、功率放大器的功能
 
前级功放:前级功放负责对传入的节目信号进行必要的处理和电压放大,然后将其输出到后级功放。它类似于铁路岔道,控制选择哪个音源信号接入功放,以及哪个音源信号与功放断开连接。
 
后级功放:后级功放主要负责纯粹的功率放大部分。其任务是尽可能原样放大来自前级的信号,同时要求放大倍数尽可能高,而放大后的信号失真程度应尽可能低。除了放大电路外,还包括各种保护电路,如短路保护、过压保护、过热保护、过流保护等。
 
音量放大:功率放大器的主要功能之一就是增加音量,通常用于家庭音响和其他音频设备。
 
提升音质:功率放大器不仅可以增加音量,还能改善音质。但需要注意的是,只有正确安装功率放大器,才能有效提升音响系统的音质。
 
二、功放的运作原理
 
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。
 
图1显示了D类功放的基本结构,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。
 
第三部分是将大功率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。

 

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