音頻放大器背景介紹及其分類等基礎(chǔ)知識(shí)

音頻放大器已經(jīng)有快要一個(gè)世紀(jì)的歷史了，最早的電子管放大器的第一個(gè)應(yīng)用就是音頻放大器。然而直到現(xiàn)在為止，它還在不斷地更新、發(fā)展、前進(jìn)。主要因?yàn)槿祟惖穆犛X(jué)是各種感覺(jué)中的相當(dāng)重要的一種，也是最基本的一種。為了滿足它的需要，有關(guān)的音頻放大器就要不斷地加以改進(jìn)。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，各種便攜式的電子設(shè)備成為了電子設(shè)備的一種重要的發(fā)展趨勢(shì)。從作為通信工具的手機(jī)，到作為娛樂(lè)設(shè)備的MP3播放器，已經(jīng)成為差不多人人具備的便攜式電子設(shè)備。陸續(xù)將要普及的還有便攜式電視機(jī)，便攜式DVD等等。所有這些便攜式的電子設(shè)備的一個(gè)共同點(diǎn)，就是都有音頻輸出，也就是都需要有一個(gè)音頻放大器；另一個(gè)特點(diǎn)就是它們都是電池供電的。都希望能夠有較長(zhǎng)的使用壽命。就是在這種需求的背景下，D類放大器被開發(fā)出來(lái)了。它的最大特點(diǎn)就是它能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。

高效率的音頻放大器不只是在便攜式的設(shè)備中需要，在大功率的電子設(shè)備中也需要。因?yàn)?，功率越大，效率也就越重要。而隨著人們的居住條件的改善，高保真音響設(shè)備和更高檔的家庭影院也逐漸開始興起。在這些設(shè)備中，往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率。這時(shí)，低失真、高效率的音頻放大器就成為其中的關(guān)鍵部件。

音頻放大器背景

音頻放大器的目的是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號(hào)，信號(hào)音量和功率級(jí)都要理想——如實(shí)、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz～ 20kHz，因此放大器在此范圍內(nèi)必須有良好的頻率響應(yīng)(驅(qū)動(dòng)頻帶受限的揚(yáng)聲器時(shí)要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根據(jù)應(yīng)用的不同，功率大小差異很大，從耳機(jī)的毫瓦級(jí)到TV或PC音頻的數(shù)瓦，再到“迷你”家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦，直到功率更大的家用和商用音響系統(tǒng)的數(shù)百瓦以上，大到能滿足整個(gè)電影院或禮堂的聲音要求。

音頻放大器的一種簡(jiǎn)單模擬實(shí)現(xiàn)方案是采用線性模式的晶體管，得到與輸入電壓成比例的輸出電壓。正向電壓增益通常很高(至少40dB)。如果反饋環(huán)包含正向增益，則整個(gè)環(huán)增益也很高。因?yàn)楦攮h(huán)路增益能改善性能，即能抑制由正向路徑的非線性引起的失真，而且通過(guò)提高電源抑制能力(PSR)來(lái)降低電源噪聲，所以經(jīng)常采用反饋。

音頻放大器類別

長(zhǎng)期以來(lái)，高品質(zhì)音頻放大器的工作類別，只限于A類(甲類)和AB類 (甲乙類)。其原因在于過(guò)去只有電子管這樣的器件，B類(乙類)電子管放大器產(chǎn)生的失真使它們甚至在公共廣播用時(shí)都難于被人們所接受。所有的自稱為高保真放大器均工作于推挽式的A類(甲類)。

隨著半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)和發(fā)展，放大器的設(shè)計(jì)得到了更多的自由。就放大器的類別而言，已不限于A 類(甲類)和AB類(甲乙類)，而出現(xiàn)了更多類別的放大器。為了使讀者對(duì)此有所了解，這里僅就筆者所知的各種類別的放大器簡(jiǎn)介如下。不過(guò)需要指出，就目前來(lái)說(shuō)用于音頻功率放大器的工作類別，A類(甲類)、AB類(甲乙類)和B類(乙類)這三類放大器仍覆蓋著半導(dǎo)體放大器的絕大多數(shù)。

一、A類(甲類)放大器　

A類(甲類)放大器，是指電流連續(xù)地流過(guò)所有輸出器件的一種放大器。這種放大器，由于避免了器件開關(guān)所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動(dòng)態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來(lái)看，可認(rèn)為它是一種良好的線性放大器。

A類放大器在結(jié)構(gòu)上，還有兩類不同的工作方式。其中一類是將兩個(gè)射極跟隨器相聯(lián)工作，其偏置電流要增加到在正常負(fù)載下有足夠的電流流過(guò)，而不使任一器件截止。這一措施的最大優(yōu)點(diǎn)是它不會(huì)突然地耗盡輸出電流，如果負(fù)載阻抗低于標(biāo)定值，放大器會(huì)短期出現(xiàn)截止現(xiàn)象，在失真上可能略有增加，但不致出現(xiàn)直感上的嚴(yán)重缺陷。另一類可稱作為控制電流源型(VCIS)，它本質(zhì)上是一個(gè)單獨(dú)的射極跟隨器，并帶有一個(gè)有源發(fā)射極負(fù)載，以達(dá)到合適的電流泄放。這一類作為輸出級(jí)時(shí)，需要在開始設(shè)計(jì)之前就把所要驅(qū)動(dòng)的阻抗是多低搞清楚。

二、B類(乙類)放大器

B類(乙類)放大器，是指器件導(dǎo)通時(shí)間為50％的一種工作類別。這類放大器可以說(shuō)是最為流行的一種放大器，也許目前所生產(chǎn)的放大器有99％是屬于這一類。

三、AB類[甲乙類)放大器　

AB類(甲乙類)放大器，實(shí)際上是A類(甲類)和B類(乙類)的結(jié)合，每個(gè)器件的導(dǎo)通時(shí)間在50—100％之間，依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類放大器的偏置按B類(乙類)設(shè)計(jì)，然后增加偏置電流，使放大器進(jìn)入AB類(甲乙類)。

AB類(甲乙類)放大器在輸出低于某一電平時(shí)，兩個(gè)輸出器件皆導(dǎo)通，其狀態(tài)工作于A類(甲類)；當(dāng)電平增高時(shí)，兩個(gè)器件將完全截止，而另一個(gè)器件將供給更多的電流。這樣在AB類(甲乙類)狀態(tài)開始時(shí)，失真將會(huì)突然上升，其線性劣于A類(甲類) 或B類(乙類)。不過(guò)筆者認(rèn)為，它的正當(dāng)使用在于它對(duì)A類(甲類)的補(bǔ)充，且當(dāng)面向低負(fù)載阻抗時(shí)可繼續(xù)較好地工作。

四、C類(丙類)放大器　

C類(丙類)放大器，是指器件導(dǎo)通時(shí)間小于50％的工作類別。這類放 大器，一般用于射頻放大，很難找到用于音頻放大的實(shí)例。

五、D類(丁類)放大器

這類放大器，其特點(diǎn)是斷續(xù)地轉(zhuǎn)換器件的開通，其頻率超過(guò)音頻，可控制信號(hào)的占空比以使它的平均值能代表音頻信號(hào)的瞬時(shí)電平，這種情況被稱為脈寬調(diào)制(PWM)，其效率在理論上來(lái)說(shuō)是很高的。但是，實(shí)際困難還是非常大的，因?yàn)?00kHz的高功率方波是不是好的出發(fā)點(diǎn)尚不清楚；從失真的角度來(lái)看，為保證采樣頻率的有效性，必須將一個(gè)陡峭截止頻率的低通濾波器插入放大器與揚(yáng)聲器之間，以消除絕大部分的射頻成分，這至少需要4個(gè)電感(考慮立體聲)，成本自然不會(huì)低。此外，表現(xiàn)在頻響方面，它只能對(duì)某一特定負(fù)載阻抗保證平坦的頻率響應(yīng)。

六、E類(戊類)放大器　

這類放大器，是一個(gè)極端聰明的半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用，它在幾乎所有工作時(shí)間內(nèi)，通過(guò)的電壓或電流是較小的，亦即功率耗散很低。遺憾的是，它僅用于射頻技術(shù)，而不用于音頻。

七、F類(己類)放大器　

這類放大器，就筆者目前所知并不存在，似乎是需要補(bǔ)充的空缺。

八、G類(庚類)放大器

這類放大器，似乎與B類(乙類)或AB(甲乙類)的放大器有些類似。對(duì)于小的輸出信號(hào)，它的供電電流來(lái)自低電壓源；而對(duì)于‘大信號(hào)’，供電將轉(zhuǎn)換到較高的電壓源。這樣，一定比B類(乙類)的效率更高。但是，這種改進(jìn)似乎不能超越多路輸出器件的成本以及使開關(guān)二極管在高頻時(shí)轉(zhuǎn)換干凈利落的技術(shù)難點(diǎn)，以致使其使用不適合某些高功率的專業(yè)設(shè)備。此外，G類(庚類)放大器所產(chǎn)生的失真，大概要比相應(yīng)的B類(乙類)更大，但也有資料顯示，對(duì)轉(zhuǎn)換細(xì)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，將會(huì)使其差別較小。

九、H類[辛類)放大器

這類放大器，也似乎與B類(乙類)相似，其特點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)地提升單供電電壓(不用轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電壓源)，以提高效率，所采用的電路結(jié)構(gòu)是自舉電路。

十、S類放大器

S類放大器，是由桑德曼博士命名的一種放大器。這類放大器，采用一個(gè)A類(甲類)放大電路，其電流能力非常有限，加上B類(乙類)放大電路作后備，在連接上使負(fù)載呈現(xiàn)為一較高的電阻。Tech-nicsSE-1000所采用的方法與此極為相似。