各類功放原理圖及原理介紹

在音響領(lǐng)域里人們一直堅(jiān)守著A類功放的陣地。認(rèn)為A類功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。但是，A類功放的低效率和高損耗卻是它無法克服的先天頑疾。B類功放雖然效率提高很多，但實(shí)際效率僅為50%左右，在小型便攜式音響設(shè)備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大功率功放場合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，效率極高的D類功放，因其符合綠色革命的潮流正受著各方面的重視。

由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，原來用分立元件制作的很復(fù)雜的調(diào)制電路，現(xiàn)在無論在技術(shù)上還是在價(jià)格上均已不成問題。而且近年來數(shù)字音響技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)D類功放與數(shù)字音響有很多相通之處，進(jìn)一步顯示出D類功放的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

D類功放是放大元件處于開關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無信號(hào)輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想晶體管因?yàn)闆]有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會(huì)有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號(hào)輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場合。在理想情況下，D類功放的效率為100%，B類功放的效率為78.5%，A類功放的效率才50%或25%(按負(fù)載方式而定)。

D類功放實(shí)際上只具有開關(guān)功能，早期僅用于繼電器和電機(jī)等執(zhí)行元件的開關(guān)控制電路中。然而，開關(guān)功能(也就是產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的功能)隨著數(shù)字音頻技術(shù)研究的不斷深入，用與Hi-Fi音頻放大的道路卻日益暢通。20世紀(jì)60年代，設(shè)計(jì)人員開始研究D類功放用于音頻的放大技術(shù)，70年代Bose公司就開始生產(chǎn)D類汽車功放。一方面汽車用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無法放入有大散熱板結(jié)構(gòu)的功放，兩者都希望有D類這樣高效的放大器來放大音頻信號(hào)。其中關(guān)鍵的一步就是對(duì)音頻信號(hào)的調(diào)制。

圖1是D類功放的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個(gè)部分：

圖1 D類功放基本結(jié)構(gòu)

第一部分為調(diào)制器，最簡單的只需用一只運(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號(hào)加上一定直流偏置后放在運(yùn)放的正輸入端，另通過自激振蕩生成一個(gè)三角形波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時(shí)，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號(hào)為零、直流偏置三角波峰值的1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時(shí)間一樣，輸出就是一個(gè)占空比為1：1的方波。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí)，正半周期間，比較器輸出高電平的時(shí)間比低電平長，方波的占空比大于1：1;負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí)間卻大為減少，方波占空比小于1：1。這樣，比較器輸出的波形就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)幅度調(diào)制后的波形，稱為PWM(PulseWidthModulation脈寬調(diào)制)或PDM波形。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。

第二部分就是D類功放，這是一個(gè)脈沖控制的大電流開關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率PWM信號(hào)。能夠輸出的最大功率有負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。

第三部分需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。方法很簡單，只需要用一個(gè)低通濾波器。但由于此時(shí)電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1：1的脈沖到來時(shí)，C的充電時(shí)間大于放電時(shí)間，輸出電平上升;窄脈沖到來時(shí)，放電時(shí)間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相一致，所以原音頻信號(hào)被恢復(fù)出來，見圖2。

圖2模擬D類功放工作原理

D類功放設(shè)計(jì)考慮的角度與AB類功放完全不同。此時(shí)功放管的線性已沒有太大意義，更重要的開關(guān)響應(yīng)和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號(hào)的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關(guān)響應(yīng)要好。另外，整機(jī)的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所以，飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結(jié)構(gòu)也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價(jià)格昂貴，在一定程度上限制了D類功放的發(fā)展。現(xiàn)在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是近年來UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上應(yīng)用，器件的障礙已經(jīng)消除。

調(diào)制電路也是D類功放的一個(gè)特殊環(huán)節(jié)。要把20KHz以下的音頻調(diào)制成PWM信號(hào)，三角波的頻率至少要達(dá)到200KHz。頻率過低達(dá)到同樣要求的THD標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)無源LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加接近原波形，THD小，而且可以用低數(shù)值、小體積和精度要求相對(duì)差一些的電感和電容來制成濾波器，造價(jià)相應(yīng)降低。但此時(shí)晶體管的開關(guān)損耗會(huì)隨頻率上升而上升，無源器件中的高頻損耗、謝頻的取膚效應(yīng)都會(huì)使整機(jī)效率下降。更高的調(diào)制頻率還會(huì)出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于1MHz。

同時(shí)，三角波形的形狀、頻率的準(zhǔn)確性和時(shí)鐘信號(hào)的抖晃都會(huì)影響到以后復(fù)原的信號(hào)與原信號(hào)不同而產(chǎn)生失真。所以要實(shí)現(xiàn)高保真，出現(xiàn)了很多與數(shù)字音響保真相同的考慮。

還有一個(gè)與音質(zhì)有很大關(guān)系的因數(shù)就是位于驅(qū)動(dòng)輸出與負(fù)載之間的無源濾波器。該低通濾波器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。嚴(yán)格地講，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)去，但作為一個(gè)功放產(chǎn)品指定音箱是行不通的，所以D類功放與音箱的搭配中更有發(fā)燒友馳騁的天地。實(shí)際證明，當(dāng)失真要求在0.5%以下時(shí)，用二階Butterworth最平坦響應(yīng)低通濾波器就能達(dá)到要求。如要求更高則需用四階濾波器，這時(shí)成本和匹配等問題都必須加以考慮。

近年來，一般應(yīng)用的D類功放已有集成電路芯片，用戶只需按要求設(shè)計(jì)低通濾波器即可。

OTL是英文OutputTransformerLessAmplifier的簡稱，是一種無輸出變壓器的功率放大器。

一、OTL電子管功放電路的特點(diǎn)

普通電子管功率放大器的輸出負(fù)載為動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，其阻抗非常低，僅為4～16Ω。而一般功放電子管的內(nèi)阻均比較高，在普通推挽功放中屏極至屏極的負(fù)載阻抗一般為5～10kΩ，故不能直接驅(qū)動(dòng)低阻抗的揚(yáng)聲器，必須采用輸出變壓器來進(jìn)行阻抗變換。由于輸出變壓器是一種電感元件，通過變壓器的信號(hào)頻率不同，其電感線圈所呈現(xiàn)的阻抗也不同。為了延伸低頻響應(yīng)，線圈的電感量應(yīng)足夠大，圈數(shù)也就越多，因此在每層之間的分布電容也相應(yīng)增大，使高頻擴(kuò)展受到限制，此外還會(huì)造成非線性失真與相位失真。

為了消除這些不良影響，各種不同形式的電子管OTL無輸出變壓器功率放大器應(yīng)運(yùn)而生，許多適用于OTL功放的新型功率電子管在國外也不斷被設(shè)計(jì)制造出來。電子管OTL功率放大器的音質(zhì)清澄透明，保真度高，頻率響應(yīng)寬闊，高頻段與低頻段的頻率延伸范圍一般可達(dá)10HZ～100kHz，而且其相位失真、非線性失真、瞬態(tài)響應(yīng)等技術(shù)性能均有明顯提高。

二、電子管OTL功放電路的形式

圖1(a)～圖1(f)是OTL無輸出功放基本電路。圖1(a)和圖1(b)為OTL功放兩種供電結(jié)構(gòu)的方式，即正負(fù)雙電源式和單電源供電方式。在正負(fù)雙電源式OTL功放中，中心為地電位。這樣可保證推挽電路的對(duì)稱性，因此可以省略輸出電容，使功放的頻率響應(yīng)特性更佳。單電源式OTL電路為了使兩只推挽管具有相同的工作電壓，必須使中心點(diǎn)的工作電壓等于電源電壓的一半。同時(shí)，其輸出電容C1的容量必須足夠大，不影響輸出阻抗與低頻響應(yīng)的要求。

圖1(c)和圖1(d)為OTL功放電子管柵極偏置的取法。由于上邊管陰極不接地，因此上邊管的推動(dòng)信號(hào)由柵極與陰極之間加入，而下邊管的推動(dòng)信號(hào)可由柵極與地之間加入。至于其偏置方式，上邊管可通過中心點(diǎn)對(duì)地分壓后取出，而下邊管的偏置電壓必須另設(shè)專門的負(fù)壓電源來供給。

圖1(e)和圖1(f)為OTL倒相電路的應(yīng)用。圖1(e)為采用屏陰分割式倒相電路對(duì)OTL功放進(jìn)行激勵(lì)。只要倒相管的屏極負(fù)載電阻RL與陰極負(fù)載電阻RK的阻值相等，其輸出的激勵(lì)電壓總能獲得平衡。

圖1(f)為采用共陰極差分式倒相電路。由于共陰極電阻RK，的阻值較大，具有深度負(fù)反饋?zhàn)饔?，故電路穩(wěn)定可靠。同時(shí)，只要擔(dān)任差分放大的上管與下管的屏極負(fù)載電阻取值相等，其兩管的屏極總能輸出一對(duì)相位相反、幅值相等的推動(dòng)信號(hào)電壓。

三、OTL功放電路的選管

對(duì)于電子管OTL功放的輸出級(jí)，不是所有功率電子管均能適用，必須選用符合如下條件的功率電子管才能取得良好的效果。

1、低內(nèi)阻特性

一般功率電子管的屏極內(nèi)阻為10kΩ左右，不適用于OTL功放。OTL功放必須選用屏極內(nèi)阻在200～800Ω的功率電子管。這些低內(nèi)阻功率電子管有6AS7、6N5P、6C33C-B、6080、6336等。