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[资料分享] 功率放大器基本知识

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纯净的硅(初级)

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发表于 2018-7-27 20:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
功率放大器通常根据其工作状态分为五类。即甲类(A)、乙类(B)、甲乙(AB)类、数字(D)类


一、甲类(A类)功放:


输出功率较小,耗电量大,但失真小,比较少用。


A类放大器的输出晶体管(或电子管)的工作点在其线性部分中点,不论信号电平如何变化,它从电源取出的电流总是恒定不变,它是低效率的,用作声频放大时由于信号幅度不断变化,其实际效率不可能超过25%,可由单管或推挽工作。甲类放大器的优点是无交越失真和开关失真,而且谐波分量中主要是偶次谐波,在听感上低音厚实、中音柔顺温暖、高音清晰利落、层次感好,十分讨人喜欢。但一直因为耗电多,效率低,容易发热和对散热要求高而未能在大功率的放大器中得到广泛应用。由于器件长期工作于大电流高温下,容易引起可靠性和寿命方面的问题,而且整机成本高,所以制造甲类功率放大器出名的厂家,现在已大多停止生产晶体管甲类功率放大器。


二、乙类(B)放放:


乙类(B)放大器的偏置使推挽工作的晶体管(或电子管)在无驱动信号时,处于低电流状态,当加上驱动信号时,一对管子中的一只在半周期内电流上升,而另一只管子则趋向截止,到另一个半周时,情况相反,由于两管轮流工作,必须采用推挽电路才能放大完整的信号波形。乙类放大器的优点是效率较高,理论上可达78%,缺点是失真较大。


三、甲乙类(AB)AB类功放:


输出功率大,耗电量中等,但失真等比A类大,目前我们大量使用这类功放。


AB类功放放大器在低电平驱动时,放大器为甲类工作,当提高驱动电平时,转为乙类工作。甲乙类放大器的长处在于它比甲类提高了小信号输入时的效率,随着输出功率的增大,效率也增高,虽然失真比甲类大,然而至今仍是应用最广泛的晶体管功率放大器程式,趋向是越来越多的采用高偏流的甲乙类,以减少低电平信号的失真。现在汽车功放多数都是用这种方式。


四、数字(D)D类功放:


是近几年出现的一种新型功放(数字功放)。它最大优点是功耗极小。它通常采用耐二次击穿、开关转换效率极高的扬效应管。效率可达90%以上。(普通A类和AB类功放的最高效率不超过50%)这就音响着耗电小,散热要求低,易集成化大批量生产。另一优点是失真小,转换时间快,瞬态反应快、精确,特别适应于爆发力要求较高的重低单功放,在汽车音响里有取代其它功放的趋势。


D类功放放大器与传统的模拟功放是两种不同的工作原理,它属于开关型的音频功放,D类使用的是PWM技术,是一种开关频率随着时钟脉冲周期而变化的放大器。在大功率应用场合,数字功放同时具有频率响应宽,大动态范围和良好的瞬态响应。他的优点是失真小、抗干扰能力强、散热器面积小、体积小重量轻、电源功耗小、转换效率高、具有甲乙类的音质。目前主要是成本较贵,虽着现在软硬件技术的发展成本降低,数字功放的应用会越来越多


五、功放的主要性能指标:


功放的主要性能指标有输出功率,频率响应,失真度,信噪比,、输入灵敏度,输入阻抗,输出阻抗,阻尼系数,负载能力,工作电压等。


1.输出功率:单位为W,由于各厂家的测量方法不一样,所以出现了一些名目不同的叫法。例如额定输出功率,最大输出功率,音乐输出功率,峰值音乐输出功率。


音乐功率(PMPO):是指输出失真度不超过规定值的条件下,功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。音乐信号瞬间能达到的峰值电压来计算的输出功率,其商业意义大于实际作用。PMPO功率可以比国际公认的有效值额定输出功率(RMS)高出3至4倍,例如早期的手提式收录机每声道RMS功率仅4、5瓦,但采用PMPO来标示,数值一下就可以增大到20W左右。


峰值功率:是指在不失真条件下,将功放音量调至最大时,功放所能输出的最大音乐功率。


额定输出功率:当谐波失真度为10%时的平均输出功率。也称做最大有用功率。额定功率对功放来说,额定功率一般指能够连续输出的有效值(RMS)功率;对音箱来说,额定功率通称指音箱能够长期承受这一数值的功率而不致损坏,这不意味着一定需要这么大功率的功放才推得动,音箱的驱动难易主要由其灵敏度和阻抗特性来决定。也不意味着不能配输出功率大于音箱额定功率的功放。正如开汽车一样,驾驶300公里时速的跑车不等于就会发生车祸,你可以不开那么快。同样,只要音量不盲目加大,大功率功放一样可以配小功率音箱通常来说,峰值功率大于音乐功率,音乐功率大于额定功率,一般的讲峰值功率是额定功率的5--8倍。


2.频率响应:表示功放的频率范围,和频率范围内的不均匀度。频响曲线的平直与否一般用分贝[db]表示。家用HI-FI功放的频响一般为20HZ--20KHZ正负1db.这个范围越宽越好。一些极品功放的频响已经做到0--100KHZ。


失真度:理想的功放应该是把输入的讯号放大后,毫无改变的忠实还原出来。但是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较,往往产生了不同程度的畸变,这个畸变就是失真。用百分比表示,其数值越小越好。HI-FI功放的总失真在0。03%--0。05%之间。功放的失真有谐波失真,互调失真,交叉失真,削波失真,瞬态失真,瞬态互调失真等。


3.信噪比:是指功放输出的各种噪声电平与信号电平之比,用db表示,这个数值越大越好。一般家用HI-FI功放的信噪比在60db以上。


输入灵敏度:这是针对不同厂家,不同品牌的主机、前级音源而设置的调校电平,范围由100mv ~4V甚至更高,调音时须与音源匹配。


输入阻抗:一般要求功放输入阻抗要高,输出阻抗要低,输入阻抗越高,能更有效地阻隔各类杂讯,常见值为10KΩ或更高。


4.输出阻抗:对扬声器所呈现的等效内阻,称做输出阻抗。


阻尼系数:该系数由额定负载(4Ω)输出阻抗计算出来,普遍认为:输出阻抗越小,阻尼系数越高,则该功放越好。事实上高素质的功放,比值大多在50以上,个别甚至超过500,虽然有专家认为50左右的阻尼系数已经足够,但以我个人经验判断,系数高,则线材要求可放宽。相对地,系数过高会影响音色,但对低音表现有帮助。


负载能力:家用功放一般是8Ω/4Ω两种;车用功放在立体声时为2Ω至8Ω;桥接时为4Ω至8Ω。但个别特别设计的功放,阻抗可以低至0.1Ω,能力不凡。这个时候,一台功放,则可以并接几十个低音单元,营造理想的声压级(声压指声音对人耳产生的压强,它是衡量音响系统能力的标准,因为声压越高对系统的要求越高,国内最高记录越为141.5dB、国外为176.5dB)。就如那些车内几十个低音喇叭,能把玻璃都震烂的面包车,不过这个场境,恐怕要在音响比赛时才能见到。


五、汽车功放


一般在10V ~ 15 V范围内正常工作。


①功放的基本设置功能:


从功能上看,现时的功放产品大多数都已具备下列功能。


电子分音(Crossover)。此项功能设置分三种选择:FULL—全音;HP:高通—只让分频点(如80Hz)以上的频率通过,此设置主要用于中、高音扬声器;LP:低通—只让分频点(如80Hz)以下的频率通过,此设置主要用于低音扬声器。其中有一些还设置为分频点可调式,可因应不同的系统设计进行设定分频点,有些则固定在80Hz、100Hz、120Hz这几个频率上。


②信号输入(lineinput)选择:有RCA信号(低电压)和主机喇叭线(高电平)两种输入方式。其中要获得良好的音质可选择RCA信号输入(理想的频响以及优异的信噪比,但前提是主机有RCA输出),若主机无RCA输出或保留原车主机的情况下,就只有选用带高电平输入的功放。另外,很多功放产品都带一组或两组的信号输出(lineouput),将信号传送到另一台功放,这不仅可以节省分音器的费用,更可以保证有出色的音质,因为不同的商家在信号输出不够分配时所采用的做法各异,有的处理手法会令音质变差。


③输入增益调整(Gain):此旋钮是用于调整功放的输入电压与主机传输过来的信号电压达到最理想的匹配状态,以保证声音不会有任何的失真。


④桥接输出(bridged):当功放采用桥式接法后,输出功率一般可以提高2倍,从而使它在需要的时候又多了一种用途(如用来推超低音扬声器)。


⑤音调调节:有相当部分产品设置有低音(Bass)、高音(Tweeter)调节,可分别在45Hz、10KHz两个频率进行提升或衰减,调整范围在0dB-12dB之间,能令重播的低音更加丰满、深沉,高音更加清晰、透明。


功放与扬声器的搭配


  ⑥功放与扬声器的搭配主要是功率搭配、阻抗匹配、频率匹配以及风格搭配。


功率匹配:


通常人们把可能导致扬声器线圈烧毁的主要因素归结为功率放大器的功率比扬声器大所造成的。所以进行搭配时,扬声器的功率比功放大,这就是一个常见的误区。其实这样的搭配才容易烧毁。原因是:如功放的额定功率为100W,扬声器的额定功率为200W,当连成系统后,一旦提高音量使功放输出功率达到100W左右时,功放已处在满负荷状态。扬声器负荷才一半。如果继续提高音量,功放就进入超负荷状态。也就是说功放开始进入“削波失真”。这种失真信号能产生类似直流的电信号,很轻易就能烧毁扬声器的音圈。这是因为音圈在直流时阻抗很小电流会很大,对于输入功率为200W的扬声器来说,失真率为50%的150W电信号比无失真的300W电信号更加容易烧毁扬声器的音圈。所以保持功放的余量是系统搭配的重要条件。一般习惯选用功放功率略大于或等于扬声器的额定功率。


阻抗匹配反应了输入电路与输出电路之间的效率传输关系。当电路实现阻抗匹配时,将获得最大功率输出。反之得不到最大功率输出,还可能对电路产生损害。如扬声器的阻抗远小于功放的输出阻抗,会使功放处于过载状态,而损坏功放。如扬声器的阻抗远高于功放的输出阻抗,会使输出电压升高,不利于功放工作,产生失真,还将使功放过电压而损坏。


在什么情况下才能输出最大功率呢?根据欧姆定律I=E/(r+R)和电功率定律P=I R,可以推导出P=I R=【E/(r+R)】R。整理后得P=E R/(R-r),因为E和R都为常量。要得到P最大,只能分母最小,即(R-r)=0,也就是R=r这样才能得到最大功率。这就是要求功放的输出阻抗要与音箱输入阻抗相匹配的道理。


功放的双路输出和桥接的单路输出


当功放双路输出用桥接时,如果阻抗不变,输出电流增大一倍。根据电功定律P=I ×V。当电流大一倍时,功率增大四倍,将烧坏功放。所以桥接时,音箱阻抗要加大一倍。如双路输出负载4欧姆,桥接时要8欧姆(功放有特别表明除外)。


频率匹配


由于高、中、低音扬声器的工作频率不同,根据这特点功放通常分为全频段功放和低音专用功放。低频专用功放250HZ以下才能保证失真小于1%。当频率超过250HZ以上失真度急剧增加。所以不要试图用低音专用功放推动中高音扬声器。全频段功放通常采用AB类功放,功率损耗较大。所以滤除低频段的信号,把它设置在高通状态,只推动中高音扬声器,节省功率,保证中高音音质的最佳选择,如后声场。所以要求功放的工作频率与扬声器的工作频率相匹配。功放和扬声器只有做到二者之间阻抗匹配、功率匹配、频率匹配才能发挥最大作用。


⑦风格的搭配:日本、美国的器材,都有意识地对低频、高频进行补偿,声音往往不及欧洲的产品平衡。口味各异,诸君自己体味吧。


  ⑧功放在车上的安装:


   诸多介绍想必已令各位认识到功放对整个音响系统的重要性。由于功放在音响中“劳苦功高”,要保证功放的正常发挥安装工作非常重要。


  首先在车上安装功放,除了要考虑与喇叭的匹配之外,电力的供给,包括线材的考量,合理布线,都应事先注意。安装时,各类线材要避免短路,最好绝缘安装,如加密度板(此种为特制的木板、常用做音箱制作,又称木糠板),避免直接钉在车身铁皮上面,并发噪音。


  目前的汽车音响安装工艺,特别是Hi-end 级的设计,往往非常注重安装工艺,车尾箱的系统布局美轮美奂。功放的魅力通过精湛的工艺被艺术地展现出来。这可不仅仅是一件赏心悦目的快事,个中的技术要求非常严谨。



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