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一文看懂功放的工作原理與作用

時間:2020-05-09 10:59:53   作者:未知  

什么是功放

  功率放大器簡稱功放,俗稱“擴音機”,是音響系統中最基本的設備,它的任務是把來自信號源(專業音響系統中則是來自調音臺)的微弱電信號進行放大以驅動揚聲器發出聲音。

  一文看懂功放的工作原理與作用

  功放的性能指標

  輸出功率輸出功率:單位為W,由于各廠家的測量方法不一樣,所以出現了一些名目不同的叫法。例如額定輸出功率,最大輸出功率,音樂輸出功率,峰值音樂輸出功率。

  音樂功率音樂功率:是指輸出失真度不超過規定值的條件下,功放對音樂信號的瞬間最大輸出功率。

  峰值功率峰值功率:是指在不失真條件下,將功放音量調至最大時,功放所能輸出的最大音樂功率。

  額定輸出功率額定輸出功率:當諧波失真度為10%時的平均輸出功率。也稱做最大有用功率。通常來說,峰值功率大于音樂功率,音樂功率大于額定功率,一般的講峰值功率是額定功率的5--8倍。

  頻率響應頻率響應:表示功放的頻率范圍,和頻率范圍內的不均勻度。頻響曲線的平直與否一般用分貝(db)表示。家用HI-FI功放的頻響一般為20Hz--20KHZ正負1db.這個范圍越寬越好。一些極品功放的頻響已經做到0--100KHZ。

  失真度失真度:理想的功放應該是把輸入的訊號放大后,毫無改變的忠實還原出來。但是由于各種原因經功放放大后的信號與輸入信號相比較,往往產生了不同程度的畸變,這個畸變就是失真。用百分比表示,其數值越小越好。HI-FI功放的總失真在0.03%--0.05%之間。功放的失真有諧波失真,互調失真,交叉失真,削波失真,瞬態失真,瞬態互調失真等。

  信噪比信噪比:是指信號電平與功放輸出的各種噪聲電平之比,用db表示,這個數值越大越好。一般家用HI-FI功放的信噪比在60db以上。

  輸出阻抗輸出阻抗:對揚聲器所呈現的等效內阻,稱做輸出阻抗。

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  功放的工作原理

  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的一種放大模式。無信號輸入時放大器處于截止狀態,不耗電。工作時,靠輸入信號讓晶體管進入飽和狀態,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行元件的開關控制電路中。然而,開關功能(也就是產生數字信號的功能)隨著數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:

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  圖1 D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。

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  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類功放的發展?,F在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運用于工業領域,特別是近年來UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上應用,器件的障礙已經消除。

  調制電路也是D類功放的一個特殊環節。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生失真。所以要實現高保真,出現了很多與數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、動態以及不同的使用范圍和控制調節功能,不同的功放在內部的信號處理、線路設計和生產工藝上也各不相同。

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  功放的種類

  移頻功放,移頻功放除了普通功放的放大信號驅動揚聲器擴聲的功能外,還能有效的抑制現場嘯叫,保證語音的傳輸質量,即使在環境較差的場合,也能極大限度地抑制回嘯,保護音響設備不會因嘯叫而燒壞。

  按功能,按功能不同,可以前置放大器(又稱前級)、功率放大器(又稱后級)與合并式放大器。功率放大器簡稱功放,用于增強信號功率以驅動音箱發聲的一種電子裝置。不帶信號源選擇、音量控制功放。

  按功放中功放管的類型不同,可以分為膽機和石機。膽機是使用電子管的功放。石機是使用晶體管的功放。按用途不同,可以分為AV功放,Hi-Fi功放。AV功放是專門為家庭影院用途而設計的放大器,一般都具備4個以上的聲道數以及環繞聲解碼功能,且帶有一個顯示屏。該類功放以真實營造影片環境聲效讓觀眾體驗影院效果為主要目的。

  功放的保養

  1、用戶應將功放放置在干燥、通風的地方,避免在潮濕、高溫、油煙化學制劑有腐蝕性的環境中工作。

  2、用戶應將功放放置在安全、平穩、不易掉落的臺面或機柜中使用,以免碰損或跌落在地上,將機器損壞或引起更大的人為災害,如火災、觸電等。

  3、用戶應將功放避開電磁干擾嚴重的環境,如日光燈鎮流器老化等放射的電磁干擾將會引起機器CPU程序錯亂,導致機器不能正常工作。

  4、PCB布線時注意,電源腳與水溏不能太遠,太遠可加1000--470U放在它腳邊。

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  功放使用注意事項

  1、要確保在安全電壓內使用,最好用220V交流穩壓電源或直流高壓穩壓模組供電。

  2、V+、V-誤差不要大于1V,并且正負電源、地要焊接牢固,焊接完畢確認無誤才能通電。

  3、功放IC通電正常後的初始階段,其穩定性相對分立元件功放是較差的,因此,至少要“煲機”或小音量放送10分鐘以上,方能穩定且高效率地發揮其優異性能。

  4、在制作功放中要嚴格一點接地,地線用多股粗銅線效果較好甚至還可用雙橋整流配合浮地技術,最大限度提高其信噪比。

  5、如當地電網污染嚴重,低壓電網接有電焊機、矽整流器等電氣設備時,可使用電源濾波器,若還不能消除,則用電源隔離變壓器,但功率要有馀量。

  6、要嚴格注意音響設備的開關次序,對於用Hi-Fi功放IC制作的功放,要牢記最後開機,最先關機。

  7、新購來的功放IC上機前,最好采用插座,不要焊接,并固定好散熱器,通電后如發熱嚴重,并輸出直流,拆下可退回郵購單位。

  8、為了避免功放IC輸出直流損壞音箱,一定要安裝一個喇叭保護器。

  9、必須將系統設備良好接大地。因低壓配電線路三相負荷不對稱,會使中線帶電,而接大地後,電位為零,這樣對提高信噪比非常有利。方法是:用∮10mm長1.5m的圓鋼,用2.5mm2多股銅線焊接好(不能鉚接或纏上),插入戶外潮濕地中。[2]


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