1、 毕业设计文献综述 电子信息工程 高效率音频功率放大器设计文献综述 一、前言 为了节约电路的成本 ，提高放大器的效率，采用普通的电子元器件设计高效率音频功率放大器的方法，使用基本的运算放大器，构成 PWM 路，形成 D 类功率放大器，实现了高效率，低失真的设计要求。为了提高电路的抗干扰性能，在设计中使用了电压跟随器，差动放大器，有源带通滤波器等。使设计获得了良好的效果。 二、主题 在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。所以，就高保真度功放而言，应 该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。 音频功率放大器是一个技术已经相
2、当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。 （一）早期的晶体管功放 半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。 早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高，例如，共发射极截止频率 fh 的典型值为 4kHz，大电流管的耐压值一般在 30V 一 40V 左右。这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其 3dB 截止频率通常在 10kHz 左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。再加上功放管的耐压、电流和功
3、耗三个指标相互制约，制作较大功率的 OTL 或 OCL 放大器不易寻到三个指标都满足要求的管子，所以不得不采用变压器耦合输出。变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。“还是胆机规声”，这种看法的确事出有因。 （二）晶体管功放的发展和互调失真 随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日 益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的 OCL 电路或 OTL 电路。 最初的大功率 PNP 管是锗管，而 NPN 管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们更多采用的是图二所示的准互补电路，通过小功率硅管
4、 Q1 与一只大功率的 NPN 硅管 Q2 复合，得到一只极性与 PNP 管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。 到了六十年代末，大功率的 PNP 硅管商品化的时候，互补对称电路才得到广泛的应用。元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃，在主观音质评价方面，也改变了过去人 们对晶体管功放的看法，无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放，晶体管功放都被大量地采用，首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。在商品化的晶体管扩音机中，相继出现了一些摧琛夺目的名机，如 JBL 的 SA600， Marantz 互补对称电路 MOdel15 等等。 尽管电子管的拥护者仍大
5、量存在，人们毕竟能够比较公正地看待晶体管放大器了，认为晶体管机频响宽阔，层次细腻，与电子管机比较起来有一种独特的舱力，而不是简单的谁取代谁的问题。 瞬态互调失真的提出是认识上的一次飞跃七十年代，功率放大器的发展史 中出 现 了 一 件 最 引 人 注 目 的 事 情 ， 这 就 是 瞬 态 互 调 失 真 (Transient lntermodulation)及其测量方法的提出。 1963 年，芬兰 Helvar 工厂的一名工程师在制作一台晶体管扩音机时，由于接线失误，使电路的负反馈量减少了，后来却意外地发现负反馈量减少后的音质非常好，客观技术指标较差，而更正错误以后的线路尽管技术指标提高了，
6、音质反而比误接时明显下降。这一现象引起了当时同一工厂的 Mr.Otala 的重视，之后，他对此进行了悉心研究，于 1970 年首先发表了关于晶体管功率放大器瞬态互调失真 (TIM)的论 文。至 1971 年 ,Otala 博士及其研究小组就 TIM 失真理论发表的论文已经超过 20 篇，引起了电声界准互补电路人士的广泛反响。 瞬态互调失真的大意是这样的： 在直接耦合的晶体管放大电路中，为了得到很小的谐波失真度和宽阔平坦的频率响应，通常对整体电路施加深达 40dB 一 60dB 的负反馈，倘若在加负反馈前放大器的开环失真为 10，那么加上 40dB 的负反馈后，失真即可降低至 0 1，这是电子管
7、功效难以做到的。晶体管功放由于要施加 40dB。 60dB 的负反馈，所以对一台增益要求为 26dB 的放大器，它的开环增益就要达 到 66、 86dB。如此高的增益之下引入深度负反馈，电路势必会产生自激振荡，因而需要进行相位补偿，一般是在推动级晶体管的集电极 基极之间接接一个小电容 C，破坏自激振荡的相位条件，形成所谓“滞后补偿”， 当放大器输入端输入持续时间非常短的过渡性脉冲时，由于电容 C 需要充电 时间，所以推动管集电极电压要经过一段时间延迟方能达到最大值，见图四。显然，在电容 C 充、放电期间，输出电压 V。将达 不到应有的电压值，输入级也不可能得到应有的反馈电压 Vf，因而，在过渡
8、脉冲通过输入级的瞬间，输入级将处于负反馈失控状态，致使输入级严重过载，输出将严重削波 (图三 a 点 )，引起过渡脉冲瞬时失真 (图五 )。如果过渡脉冲波形上还叠加有正弦信号，输出端还会得到很多输入信号频谱不存在的互调频率成份，这就是 TIM 失真。 TIM 失真和音乐信号也有密切关系，音量大、频率高的节目信号容易诱发 TIM失真。严重的 TIM 失真反映在听感上类似高频交选失真，而较弱的 TIM 失真给人以“金属声”的不快感觉，导致音质劣化。至今，音 响界对于 TIM 失真都还有争议，但这毕竟是人们认识的深化，它使后来放大器的设计思想发生了根本性的变化，即更加注重放大器的动态性能而不是仅仅满
9、足于静态技术指标的提高。 （三）功放输入级 差动与共射 -共基 对称和平衡是电路发展的方向对称和平衡也许是世上事物完美的标志之一。音乐讲究各声部之间的乎衡与统一，美术以色彩搭配均衡、和谐为美，在服装设计中，常常采取看似不对称的设计，其实质也是为了取得视觉上的均衡。上面所说的都是艺术，对称和平衡给人一种安定、完美的感觉。有意思的是，在功率放大器中，对称和平衡也有类似的效 果。 最初采用对称设计的例子要算互补对称电路了，一上一下的两只异极性晶体管作推挽输出，不仅可以免除笨重的输出变压器，而且电路的偶次谐波失真在推挽的过程中被抵消了，保真度有了很大提高。稍后，人们从运算放大器的设计中得到启迪，将左右
10、对称的差动式电路用于功率放木器的输入级，电路的稳定性和线性都得到改善，这时的电路结构如图六所示，这一结构直至今天都还有人采用。如果以现代的眼光来审评，这一电路是显得过时了一点。电路的主要缺陷在于电压推动级，因为 Q1 承担了提供电压增益的主要任务，必然是开环失真很大，频带狭窄。此图 六典型的 OCL 放大器外，单管放大的过载能力也很差，这一系列的缺点是不利于电路的动态性能的。围绕着改进电压推动级的性能，人们相继提出了多种结构，共射 共基电路就是一个典型的例子。 共射 共基电路又叫“猩尔曼”电路，它原先是高频电路中广为采用的结 构，但用于音频电路中同样可以发挥出色的性能。首先是它的宽频响，由于共
11、基放大管 Qs 非常低的输入阻抗，使 Q，丧失了电压增益，弥勒效应的影响就 非常微弱。宽频响的推动级拉开了与输入级极点的距离，相位补偿变得很容易，而且电容 C 的容量可以大大减小，这对于改善 TIM 失真是很有利的。 第二个优点是电路的高度线性：共基极电路的输出特性也可以清楚地显示出这一点，有人作过测试，共射一共基电路的失真度比单管共射电路要低一个数量级。 依然是一种不平衡的设计，这一限制来源于输入级。如果把输入级变动一下，从互补推挽的 Q：和 Qg 的集电极输出信号，那么电压推动级就可以在图 7 的基础上再增加一组 NPN管构成的共射一共基电路，做到推挽输出，这时电路也就非常对称平衡了，几
12、乎达到了完美的程度。 当今许多最先进的功率放大器采用的也是这种电路结构。 图八是 另一种电压推动级的形式，其输入信号来自图六中的 Ql 和 Qs，当然此时 Qz 必须加上集电极负载电阻。电压推动级也采用对称的差动放大，这不仅可以改善输入级的平衡性，提高放大能力和共模抑制比，而且同样可以降低推动级的失真，因为差动式放大电路当输入在一定的范围内时具有线性的传输特性，有的电路还在 Qn、 Qz的发射极串人负反馈反阻，更加扩大了线性范围。 Q2 和 Qd 构成镜像电流源，把 Q，的集电极电流转移到 Qz 上，所以尽管是单端输出，电 流推动能力却比原来增大了一倍。 PIONEER 的 M22K 功率放大
13、器就是采用的这种电路结构，取得了非常好的效果。对称和平衡不仅体现在电路的结构上，还表现于元器件的参数上。差动电路是集成运放中广泛采用的结构，其性能是建立在两只差分管 Hrs 和 Vss 精确匹配的基础之上。同样，推挽电路中，如果两只异极性的晶体管特性不一致时，对波形的两个半周就不能做到一视同仁地放大，这将增力 D 电路的失真度 10。 随着节目源的变化，音乐中包含大量瞬变、高能量的成份，要完美地重现这些细节，就要求放大器具有良好的动态响应，对晶 体管配对的要求就不仅是静态的 HrR 和 VBE 匹配，而且在动态时也要高度匹配，这无疑对元器件参数的平衡提出了更苛刻的要求。幸运的是，半导体技术的进
14、步为我们提供了这种可能，各种各样的差分对管、晶体管阵列陈出不穷，单个的晶体管一致性也得到较大提高。 正是这些优质的元器件，让对称电路设计的优点得以充分体现，今天看到一台全无负反馈的电路也不会觉得惊讶，因为已经有足够好的开环性能了，又何必为了几个仪 器上的数据去牺牲放大电路的动态响应。 （四）放大器的电源与甲类放大器 极端重视电源的现代放大器“放大器不过是电源的调制器”，这句话道出了放大的实质。 既然如此，又有什么理由不引起对电源的高度重视呢。电源部份作为推动扬声器发声的源泉，再也不应象过去那样随便找个整流电源接上了事。对电源的要求有两个方面，即纹波噪声小，输出能力强。噪声小比较容易办到，只要加
15、大滤波电容器的容量就可以，但是要做到输出能力强却不简单。 首先要加大电源变压器的容量，这是过去一些放大器生产厂所不乐意的，因为加大电源变压器容量会使成 本大量增加，整机的重量和体积也会加大；但现在听小喇叭的人越来越多，这些小喇叭大多效率很低，有些名牌音箱如 Celestion SI一 6O0 或 Ro3ers LS3 5a，十分大食难推，再加上现代节目信号中常常出现一些炮弹爆炸，锣鼓敲击的声音，对放大器是一个极为严峻的考验，同样两台 100W 的放大器，一台可能让你感觉到大炮地动山摇的震撼力，而另一台可能象是破鼓在“咐咐”作响。所以现代优质的功率放大器的电源储备量十分惊人，往往采用巨大的环形变
16、压器，再配合容量达数万甚至数十万徽法的电容器，以提高电源的瞬时供应能力。 KRELI 的功率放大器号称“功率发动机”，如 KSA 一 250 功效，在 8时输出功率为 250W每声道， 4时为 5O0W， 2时为 1000W， l时为 2000W，而且任何状态下失真均小于 0.1，真是惊人 ！ MarkLevi2zson 的产品也是极端重视电源的典范。提高电源的质量，不仅是量的加大，还有质的提高。滤波电容是一个关键，它除了起平滑滤波和储能的作用以外，还是音频信号的通路，因此优质放大器中常常采用专门为音响用途而生产的电容器，以求获得更好的音质。 KRELLKAS放大器中，电源部份竟然采用稳压电
17、源供电，这台机器可以在纯甲类状态下输出400W 的功率，为此，其电源部份也付出了采用 60 只大功率晶体管的代价。 重视电源的一个副产物就是甲类放大器再度成为时尚 (这并不是贬意 )。甲类放大器一直因为耗电多，效率低而未能在大功率的放大器中得到应用，但它天然的优点是无交越失真，无开关失真，并且谐波分量中主要是偶次谐波，在听感上十分讨好听众，故而一些极度发烧的爱好者和厂家仍不惜代价地制作甲类放大器，电源 储备量的提高更是为制作甲类放大器提供了有利的条 件 2 。 （五）其他类型的放大器 最好的功率放大器还没有出现人们对功率放大器的研究一刻也没有停止过，新的元器件、新的电路形式、新的理论不断出现，
18、放大器的研究也针对这三个方面全面地铺开。不器件上， VMOS 管的使用是八十年代以来的一个新动向。 VMOS 管频响宽、线性好、无二次击穿以及电压推动等一系列优点吸引了越来越多的使用者，它的音色也与电子管很接近，投合了胆机迷的口味。 现在主要是缺乏品种众多的 P 沟道互补管，这 个问题相信很快就能解决。 IGBT 也是值得注意的一种新器件，它由 MOS 管与双极晶体管复合构成，兼有 VMOS 管的电压激励和双极晶体管压降低的优点，很有发展前途。电路的研究以日本的各家公司最为活跃，近年来，一些公司从全新的角度提出了一系列电路，如YAMAHA 的 ALA， SONY 的电流传输， technice
19、 的 CLASS AA， DENON 的双超线性，还有英国 Quad 的电流倾注，都试图消除失真的产生，可是人们更欣赏的却是以精良元件和精湛工艺制作的不带这些附加措施的放大器。 此外，对电路的客观技术指标与 主观音质之间的精确关系还有待弄清，这需要有新的理论作为指导。国内外的学者们从不同的角度提出了全新的理论，有的认为人耳的动态听觉上限超过了 20kHz，有的提出了计权失真度的概念，认为人耳对不同频率的失真具有不同的感知阂值，从 10到 0 01，并给出了实验得出的阂值曲线。在上述的观点指导下，必然要制作频带更宽，全频带失真都极低的功率放大器，而且节目源也有待改进，当然这些理论的正确性需要通过
20、实践的检验。 新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法的出现之后产生的，音频放大器同样也不会例外。在科技日新月异的时代 ，我们有理由期待更完美的功率放大器的出现 3 。 三、小结 随着科技水平的提高，功率集成电路发展迅速。功率集成电路 (Plc)是指将高压功率器件与信号处理系统及外围驱动电路、接口电路、保护电路、检测电路等集成在同一芯片上的集成电路。音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分，并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地，音频功放的需求日益倍增，因此研究音频功率放大器具有非常实际的意义。 参考文献 1 曾广兴 : 现代音响技术应用 M，广东
21、科技出版社， 1997 年 3 月。 2 张 平 :关于音频功率放大器的应用 J，安阳大学学报， 2002 年 02期。 3 吴振平 :实用声电技术 M，中国铁道出版社， 1984 年 11 月。 4 龚 伟 :音频放大器控制方式综述 J，重庆大学报， 2003 年 02 期。 5 黎 明 :电子质量 J， 2002 年 02 期。 6 华成英 :模拟电子技术基础 M，北京高等教育出版社， 2001。 7 姚福安 :音频功率放大器设计 J，山东大学学报， 2003 年 06 期。 8 牟小令 :高效率音频功率放大器 J，西南师范大学学报， 2003 年 01 期。 9 马建国 :电子系统设计 M，高等教育出版社。 11 曲 荣 :收音机电平指示电路锦集 M,高等教育出版社。 12 方佩敏 :音频功率放大器，电子世界 J， 2003 年 08 期。 13 何希才 :实用电子电路 400 例 M,电子工业出版社 14 陈伟鑫 :新型实用电路精选指南 M, 电子工业出版社 15 谢自美 :电子线路设计 实验 测试 M, 华中科技大学出版社 16 康华光 :模拟电子技术基础 M,高等教育出版社 . 17 牟小令 :高效率音频功率放大器 J，西南师范大学学报， 2003 年 01 期。
