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[分享] 功率放大器的作用及工作原理

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发表于 2020-7-6 23:45:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
功率放大器(英文名称:power amplifier),简称“功放”,是指在给定失真率条件下,能产生最大功率输出以驱动某一负载(例如扬声器)的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用,在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

一、功率放大器的作用
前级功放:前级功放的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:后级功放的作用,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。

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。

二、功放的工作原理
功放的工作原理其实很简单,就是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。我们以常见的D类功放工作原理来详细解说:

D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器,也称为开关放大器。D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态,不耗电。工作时,靠输入信号让晶体管进入饱和状态,晶体管相当于一个接通的开关,把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电,实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关,而与信号输出的大小无关,所以特别有利于超大功率的场合。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类功放的效率才50%或25%(按负载方式而定)。

D类功放实际上只具有开关功能,早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。然而,开关功能(也就是产生数字信号的功能)随着数字音频技术研究的不断深入,用与Hi-Fi音频放大的道路却日益畅通。20世纪60年代,设计人员开始研究D类功放用于音频的放大技术,70年代Bose公司就开始生产D类汽车功放。一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效率,另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功放,两者都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。其中关键的一步就是对音频信号的调制。

图1是D类功放的基本结构,可分为三个部分:                                 
TU1.jpg
图1 D类功放基本结构

第一部分为调制器,最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端,另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时,比较器输出为高电平,反之则输出低电平。若音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的1/2,则比较器输出的高低电平持续的时间一样,输出就是一个占空比为1:1的方波。当有音频信号输入时,正半周期间,比较器输出高电平的时间比低电平长,方波的占空比大于1:1;负半周期间,由于还有直流偏置,所以比较器正输入端的电平还是大于零,但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少,方波占空比小于1:1。这样,比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形,称为PWM(PulseWidthModulaTIon脉宽调制)或PDM波形。音频信息被调制到脉冲波形中。

第二部分就是D类功放,这是一个脉冲控制的大电流开关放大器,把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。能够输出的最大功率有负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。

第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单,只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大,RC结构的低通滤波器电阻会耗能,不能采用,必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1:1的脉冲到来时,C的充电时间大于放电时间,输出电平上升;窄脉冲到来时,放电时间长,输出电平下降,正好与原音频信号的幅度变化相一致,所以原音频信号被恢复出来,见图2。
TU2.jpg
图2 模拟D类功放工作原理

D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。此时功放管的线性已没有太大意义,更重要的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,且要求保持良好的脉冲前后沿,所以管子的开关响应要好。

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