功放機的原理及構造

　　功放機的原理及構造

　　功放俗稱“擴音機”他的作用就是把來自音源或前級放大器的弱信號放大，推動音箱放聲。一套良好的音響系統(tǒng)功放的作用功不可沒。功放大體上可分為三大類“專業(yè)功放”“民用功放”“特殊功放”。

　　功放的工作原理其實很簡單，就是將音源播放的各種聲音信號進行放大，以推動音箱發(fā)出聲音。我們以常見的D類功放工作原理來詳細解說：

　　D類功放是放大元件處于開關工作狀態(tài)的一種放大模式。無信號輸入時放大器處于截止狀態(tài)，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進入飽和狀態(tài)，晶體管相當于一個接通的開關，把電源與負載直接接通。理想晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上晶體管總會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，而與信號輸出的大小無關，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％（按負載方式而定）。

　　D類功放實際上只具有開關功能，早期僅用于繼電器和電機等執(zhí)行元件的開關控制電路中。然而，開關功能（也就是產(chǎn)生數(shù)字信號的功能）隨著數(shù)字音頻技術研究的不斷深入，用與Hi－Fi音頻放大的道路卻日益暢通。20世紀60年代，設計人員開始研究D類功放用于音頻的放大技術，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構的功放，兩者都希望有D類這樣高效的放大器來放大音頻信號。其中關鍵的一步就是對音頻信號的調制。

　　圖1是D類功放的基本結構，可分為三個部分：

　　圖1D類功放基本結構

　　第一部分為調制器，最簡單的只需用一只運放構成比較器即可完成。把原始音頻信號加上一定直流偏置后放在運放的正輸入端，另通過自激振蕩生成一個三角形波加到運放的負輸入端。當正端上的電位高于負端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零、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)的時間一樣，輸出就是一個占空比為1：1的方波。當有音頻信號輸入時，正半周期間，比較器輸出高電平的時間比低電平長，方波的占空比大于1：1；負半周期間，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，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少，方波占空比小于1：1。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調制后的波形，稱為PWM（PulseWidthModulaTIon脈寬調制）或PDM波形。音頻信息被調制到脈沖波形中。

　　第二部分就是D類功放，這是一個脈沖控制的大電流開關放大器，把比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號。能夠輸出的最大功率有負載、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，只需要用一個低通濾波器。但由于此時電流很大，RC結構的低通濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。當占空比大于1：1的脈沖到來時，C的充電時間大于放電時間，輸出電平上升；窄脈沖到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相一致，所以原音頻信號被恢復出來，見圖2。

　　圖２模擬D類功放工作原理

　　D類功放設計考慮的角度與AB類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太大意義，更重要的開關響應和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關響應要好。另外，整機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，功放管的散熱結構也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價格昂貴，在一定程度上限制了D類功放的發(fā)展?，F(xiàn)在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運用于工業(yè)領域，特別是近年來UHCMOSFET已在Hi－Fi功放上應用，器件的障礙已經(jīng)消除。

　　調制電路也是D類功放的一個特殊環(huán)節(jié)。要把20KHz以下的音頻調制成PWM信號，三角波的頻率至少要達到200KHz。頻率過低達到同樣要求的THD標準，對無源LC低通濾波器的元件要求就高，結構復雜。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差一些的電感和電容來制成濾波器，造價相應降低。但此時晶體管的開關損耗會隨頻率上升而上升，無源器件中的高頻損耗、謝頻的取膚效應都會使整機效率下降。更高的調制頻率還會出現(xiàn)射頻干擾，所以調制頻率也不能高于1MHz。

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

　　還有一個與音質有很大關系的因數(shù)就是位于驅動輸出與負載之間的無源濾波器。該低通濾波器工作在大電流下，負載就是音箱。嚴格地講，設計時應把音箱阻抗的變化一起考慮進去，但作為一個功放產(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。

　　功放的作用

　　功放的作用就是把來自音源或前級放大器的弱信號放大，推動音箱放聲。一套良好的音響系統(tǒng)功放的作用功不可沒。

　　功放，是各類音響器材中最大的一個家族，其作用主要是將音源器材輸入的較微弱信號進行放大后，產(chǎn)生足夠大的電流去推動揚聲器進行聲音的重放。由于考慮功率、阻抗、失真、動態(tài)以及不同的使用范圍和控制調節(jié)功能，不同的功放在內部的信號處理、線路設計和生產(chǎn)工藝上也各不相同。

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