音频放大器

基本参数

　　音响器材说明书上都列出技术规格，这些数据虽不能表示音质的好坏，但可作为估评性能的参考，因为规格低劣的产品肯定不会有高明的表现。

　　音频放大器的规格可分为前置放大器(Pre Amplifier)和功率放大器(Power Amplifier)两部分，下面择要介绍。

　　输入灵敏度/阻抗(Input Sensitivity/Impedance) 前置放大器是指在某一负载阻抗下的某电平输入可驱动至额定输出电平。例如，动磁唱头(MM)为4 mV/47kW ，高电平信号(AUX等)为150mV/47kW 。功率放大器是指在规定负载阻抗时，能驱动至满功率输出时的输入电压，一般为1~2V/20~50kW 。

　　输入电平(Maximum Input Level) 通常是指拾音器(唱头)输入过载电平(Phono Overload)，此值越大越好，因拾音器的输出电压，对音乐信号而言，应按20倍峰值电压考虑，输出4mV的拾音头应按80mV计，实用上应取150 mV。

　　额定输出电平/阻抗(Rated Output Level/Impedance) 一般前置放大器额定输出为1.5~2.0V/47kW ，录音输出为150mV/600W 。

　　输出电平(Maximum Output Level) 表示在一定条件下能提供的输出电压，高性能产品可达10V以上。

　　总谐波失真(THD,Total Harmonic Distortion)互调失真(IMD,Intermodulation Distortion) 谐波中的奇次(1、3、5……)谐波与基音不和谐，使人感觉刺耳，偶次(2、4、8……)谐波是基音的倍数，可增听感的甜美丰润，此种声染可取悦不少人，但过多会造成声音肥厚混浊。大部分放大器的总谐波失真都低于0.1[%] 。

　　谐波失真如只给出中频(如1kHz)一点的值，则实际意义不大，应标出整个有效频率范围内的失真。放大器的互调失真的值与总谐波失真接近，越低越好。互调失真和音质有较大关系，而且不易降低，测量又麻烦，所以不少厂家干脆不提供。

　　频率响应(Frequency Response) 前置放大器可能列出三个频率响应，动圈唱头和动磁唱头的频率响应，是经RIAA规定的均衡后产生的偏差，如20~20000Hz± 2dB，高电平信号频率响应有更宽阔的频率范围，如10~100 000Hz± 1dB。功率放大器的频率响应现在均非常平坦，变化都在1dB以内。

　　那种没有标明不平坦± dB值的频率响应是没有实际意义的。频率响应可用频率特性曲线表示，通常这曲线的水平轴用对数尺度表示频率高低，垂直轴表示放大器的输出电平或增益。

　　声道分离度(Channel Separation) 是相邻通道信号分离的程度，即左、右声道的信号不相互混合串扰的程度。对于高保真声频放大器要求声道分离度大于40dB(1kHz)。

　　信/噪比(Signal/Noise Ratio) 前置放大器大多采用IHF-A Weighted(美国Hi-Fi工业协会A计权)标准，也有采用额定输出电平下测得噪声低于信号若干dB的就易误导，信/噪比越大越好，但比较时应为相同测量标准，优良的前置放大器信噪比可达67dB(MC，250m V)，85dB(MM，5mV)，105dB(CD、TAPE、TUNER、AUX)。功率放大器是指在输入短路时测得的信噪比。

　　音调控制(Tone Controls ) 表示音调控制的范围及特性，如低音在100Hz高音在10kHz时可提升或衰减8dB(± 8dB)，该控制范围并非越大越好。

　　额定输出功率(Rated Output Power) 指在20~20000Hz频率范围内，总谐波失真在规定值时的连续正弦波输出能力，采用RMS(Root Mean Square,平方根)输出功率或连续输出功率，通常以8W 负载为标准。一台功率放大器从它在不同负载阻抗时的输出功率可大致看出它的供电能力,当供电裕量充足时，负载阻抗降低一半，输出功率增加一倍。当输出功率仅指1kHz 时的输出，数值将比全频带为高。

　　鉴于语言和音乐节目的瞬时功率与平均功率之比一般在10dB左右，为使功率放大器在重放节目动态范围内工作不致过载而失真，就要求功率放大器具有充分的功率储备量，对晶体管放大器可取10倍或更大，电子管放大器的失真机制不同，可取较小储备量。

　　连续输出电流(Continuous Output Current ) 指在规定负载阻抗时，能提供的连续输出电流能力，电流越大则驱动低阻抗扬声器的能力越强，该值亦可显示出放大器的电流容量大小。

　　阻尼系数(Damping Factor ) 放大器的内阻越小，阻尼系数越大，对扬声器锥盆运动的控制力越强。阻尼系数的表示可以是某一频率下的阻尼系数，中频范围内的阻尼系数以及全频带的阻尼系数，它们的含义就有差别,现在采用的大多是中频阻尼系数。阻尼系数不足时，低频拖尾发混，清晰度变差，没有层次和力度。阻尼过度则声音生硬干涩，缺乏泛音，少韵味没有音乐感。

　　转换速率(SR，Slew Rate ) 这是表征放大器对瞬间变化信号跟随能力的参数，通常仅在Hi-Fi放大器才给出该指标，单位V/m s。放大器的SR越大，它的高频响应越好，对音色的保真度越高，一般要求功率放大器的SR≥20V/m s为好。放大器的转换速率高时清晰度和层次感好，重现细节多，音色纤细透明，转换速率低时声音虽较甜润，但会缺乏应有的细节和层次。

类别

　　长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于A类(甲类)和AB类 (甲乙类)。其原因在于过去只有电子管这样的器件，B类(乙类)电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的A类(甲类)。

　　随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。就放大器的类别而言，已不限于A类(甲类)和AB类(甲乙类)，而出现了更多类别的放大器。为了使读者对此有所了解，这里仅就笔者所知的各种类别 的放大器简介如下。不过需要指出，就目前来说用于音频功率放大器的工作类别，A类(甲类)、AB类(甲乙类)和B类(乙类)这三类放大器仍覆盖着 半导体放大器的绝大多数。

　　一、A类(甲类)放大器

　　A类(甲类)放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。 这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。 A类放大器在结构上，还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作，其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过，而不使任一器件截止。这一措施的优点是它不会突然地耗尽输出电流，如果负载阻抗低于标定值，放大器会短期出现截止现象，在失真上可能略有增加，但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流源型(VCIS)，它本质上是一个单独的射极跟随器，并带有一个有源发射极负载，以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时，需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。

　　二、B类(乙类)放大器

　　B类(乙类)放大器，是指器件导通时间为50％的一种工作类别。这类放大器可以说是最为流行的一种放大器，也许目前所生产的放大器有99％ 是属于这一类。由于大家比较熟悉，这里不作详细介绍。

　　三、AB类[甲乙类)放大器

　　AB类(甲乙类)放大器，实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合，每个器件的导通时间在50—100％之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按B类(乙类)设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类(甲乙类)。

　　AB类(甲乙类)放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类(甲类)；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。这样在AB类(甲乙类)状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类(甲类)或B类(乙类)。不过笔者认为，它的正当使用在于它对A类(甲类)的补充，且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。

　　四、C类(丙类)放大器

　　C类(丙类)放大器，是指器件导通时间小于50％的工作类别。这类放 大器，一般用于射频放大，很难找到用于音频放大的实例。

　　五、D类(丁类)放大器

　　这类放大器，其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制(PWM)，其效率在理论上来说是很高的。但是，实际困难还是非常大的，因为200kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚；从失真的角度来看，为保证采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声 器之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要4个电感(考虑立体声)， 成本自然不会低。此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。

　　六、E类(戊类)放大器

　　这类放大器，是一个极端聪明的半导体技术应用，它在几乎所有工作时间内，通过的电压或电流是较小的，亦即功率耗散很低。遗憾的是，它仅用于射频技术，而不用于音频。

　　七、F类(己类)放大器

　　这类放大器，就笔者目前所知并不存在，似乎是需要补充的空缺。

　　八、G类(庚类)放大器

　　这类放大器，似乎与B类(乙类)或AB(甲乙类)的放大器有些类似。 对于小的输出信号，它的供电电流来自低电压源；而对于‘大信号’，供电将转换到较高的电压源。这样，一定比B类(乙类)的效率更高。但是，这种改进似乎不能超越多路输出器件的成本以及使开关二极管在高频时转换干净利落的技术难点，以致使其使用不适合某些高功率的设备。此外，G类(庚类)放大器所产生的失真，大概要比相应的B类(乙类)更大，但也有资料显示，对转换细节进行精心设计，将会使其差别较小。 　　九、H类[辛类)放大器

　　这类放大器，也似乎与B类(乙类)相似，其特点在于动态地提升单供 电电压(不用转换到另一个电压源)，以提高效率，所采用的电路结构是自举电路。

　　十、S类放大器

　　S类放大器，是由桑德曼博士命名的一种放大器。这类放大器，采用一个A类(甲类)放大电路，其电流能力非常有限，加上B类(乙类)放大电路作后备，在连接上使负载呈现为一较高的电阻。Tech-nicsSE-1000所采用的方法与此极为相似。

电路图

　　这是音频功率放大器的典型应用电路，它受设计的限制，无法在高电路噪音环境中工作。提高旁路电容值便可改善电源抑制比。但旁路电容值高，开启时间可能会延长，且电容体积增大，这样做并不切实际。

　　图二:

　　这是设有“渐强渐弱”功能的音频功率放大器应用电路。它添加“渐强渐弱”功能，当LM4897放大器获得停机管脚的供电并重新启动之后，输出电平会慢慢上升。每当收到停机信号之后，输出电平便会逐渐下降至零，启动/关闭时间可以通过输入电阻及电容器加以设定。

　　图三:

　　这是采用无需旁路电容的音频放大器。没有旁路电容器，启动时间便可缩短，而且仍可在217Hz与1kHz的噪音下分别维持高达62dB与66dB的电源抑制比。该音频放大器内置输入及反馈电阻，工程师可以利用外接的控制逻辑管脚选择2倍(6dB)或4倍(12dB)的可编程增益，外接元件数目可大幅减少至两颗。

背景

　　音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz～ 20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。

　　音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高(至少40dB)。如果反馈环包含正向增益，则整个环增益也很高。因为高环路增益能改善性能，即能抑制由正向路径的非线性引起的失真，而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪声，所以经常采用反馈。