音頻放大器分類

手機(jī)或者其他時(shí)尚的便攜式多媒體播放器配上優(yōu)美的旋律，走到哪里都能引來(lái)艷羨的目光，特別是在消費(fèi)者對(duì)于音效要求越來(lái)越高的今天，好的音效設(shè)計(jì)就意味著產(chǎn)品成功與否，大紅大紫的iPod、iPhone就是對(duì)音效重要性的最好證明。而在音效設(shè)計(jì)過(guò)程中，放大器設(shè)備又至關(guān)重要，無(wú)論是傳統(tǒng)的A類還是目前炙手可熱的D類，不同的選擇就意味著產(chǎn)品不同的特性?？墒悄阒廊绾螢樽约旱脑O(shè)計(jì)選擇合適的放大器嗎？你知道根據(jù)選擇放大器種類的不同如何進(jìn)行五花八門的設(shè)計(jì)嗎？

音頻放大器將小信號(hào)的幅值提高至有用電平，同時(shí)保留小信號(hào)的細(xì)節(jié)，這稱為線性度。放大器的線性度越好，輸出信號(hào)越能真實(shí)地表示輸入信號(hào)。

音頻放大器的目的是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號(hào)，信號(hào)音量和功率級(jí)都要理想——如實(shí)、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz～20kHz，因此放大器在此范圍內(nèi)必須有良好的頻率響應(yīng)（驅(qū)動(dòng)頻帶受限的揚(yáng)聲器時(shí)要小一些，如低音喇叭或高音喇叭）。根據(jù)應(yīng)用的不同，功率大小差異很大，從耳機(jī)的毫瓦級(jí)到TV或PC音頻的數(shù)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(tǒng)的數(shù)百瓦以上，大到能滿足整個(gè)電影院或禮堂的聲音要求。

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，功率的理論最大值僅有25％，且有較大的非線性失真。由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。

圖一 A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（如圖虛線部分所示），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。

圖二 B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?？梢员苊饨辉绞д妗＝惶媸д孑^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)。當(dāng)信號(hào)在-0.6V《+0.6V 之間時(shí)，為使Q1，Q2導(dǎo)通，在Q1，Q2的VBE之間增加兩個(gè)偏置電壓，使輸入信號(hào)在+ - 0.6V之間大小的時(shí)候，Q1，Q2也可以線性的放大。這樣既可以獲得較高的功率效率，又能很好的改善B類推挽式放大器的交越失真。理論上也可達(dá)到 78.5％的功率最大值，但實(shí)際上功率的最大值在70％左右可能受到輸出級(jí)拓?fù)浜洼敵黾?jí)斜線的影響，在典型的聽(tīng)音條件下（全功率的30％左右），功放的效率為35％左右。

圖三 AB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（脈沖亮度調(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。

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。

如圖4所示，PDM信號(hào)與PWM信號(hào)相比，沒(méi)有固定的工作頻率，其將輸入的音頻信號(hào)調(diào)制成一組脈沖寬度相同但是頻率不同的PDM信號(hào)，有效的改善了PWM帶來(lái)的EMI問(wèn)題。目前市場(chǎng)上產(chǎn)品還不是很多。

圖四 該簡(jiǎn)化功能框圖展示了一個(gè)基本的半橋式D類放大器的結(jié)構(gòu)。

圖五 輸出信號(hào)脈寬與輸入信號(hào)幅值成正比。

PWM（Pulse Width Modulation）中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類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式。