《音频功率放大器》PPT课件.ppt

1,第3章 音频功率放大器,3.1 功放的电路组成 3.2 功放电路故障处理 3.3 故障检修及电路调整方法,2,3.1 音频功率放大器的电路组成,功率放大器是扩声和重放系统中的一个重要的单元。主要用来处理和放大音频信号，产生足够的功率去推动音响发声。,调音台输出信号,声音处理器,功率放大器,扬声器,压缩限幅，频率均衡，效果处理,3,几种功率放大器的图片,CROWN LPS 系列功率放大器,4,功率放大器的面板比较简单，通常只有电源开关和音量旋钮。由于音响系统一旦调试完毕后，功放的音量衰减器一般不需要再调整，有些功放就干脆把它安装在后面。在专业放大器的背面设有音频信号接口，包括有输入信号接口、输出信号接口，便于同各种音响设备相连。,几种功率放大器的图片,5,一、音频功率放大器的分类,按功放的功能与声道数量方式来分,Hi-Fi功率放大器,按功率放大器的核心放大元件来分,电子管功率放大器,晶体管功率放大器,集成电路功率放大器,AV功率放大器,卡拉OK功率放大器,6,3.1.2 音频功率放大器的分类,按功率放大器的工作状态来分,甲（A）类功率放大器,乙（B）类功率放大器,甲乙（AB）类功率放大器,按功率放大器的末级电路结构来分,OTL,OCL,BTL,7,1.按功放的功能和声道数量分,(1)Hi-Fi功率放大器（高保真功放）。 放大和处理双声道立体声信号或两个独立的单声道信号。,8,1.按功放的功能和声道数量分,(2)AV功率放大器（家庭影院放大器）。 立体声放大器 环绕声解码系统 中置声道 环绕声道放大器。,9,1.按功放的功能和声道数量分,(3)卡拉OK功率放大器（卡拉OK伴唱机）。 普通双声道立体声放大器 延时混响电路 消歌声电路 变调控制电路,10,2.按功率放大器的使用元件分 (1)电子管功率放大器。,优点：奇次谐波失真小，音色温暖醇厚，线性好，抗过载能力强，功率大。并且线路简单，线路干扰小，容易获得高保真的音响效果。,11,2.按功率放大器的使用元件分 (1)电子管功率放大器。,缺点：静态指标不高，耗电量大，使用寿命不长，价格不菲。目前电子管功率放大器多用在有线广播等大功率专业音响系统中。,12,(2)晶体管功率放大器。晶体管功率放大器具有体积小、功率大、耗能少等特点，技术参数指标很高，具有良好的瞬态特性等优点。它有分立式的电路结构，这种电路用在很多功率放大器中。,13,(3)VMOS功率放大器。,因为场效应管是电压控制的器件，它具有负温度特性，因此无需对输出管进行复杂的保护，而且它具有和电子管相似的音色。采用场效应管制作的功放具有噪声低、动态范围大、无需保护等特点。其电路简单，而性能却十分优越。,金属栅极采用V型槽结构 ；漏极是从芯片的背面引出 ，具有垂直导电性。由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层，因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管。,14,(3)VMOS功率放大器。,VMOS场效应管（V-MOSFET）简称VMOS管或功率场效应管，其全称为V型槽MOS场效应管。它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高、驱动电流小（0.1A左右），还具有耐压高（最高1200V）、工作电流大（1.5A100A）、输出功率高、低频跨导的线性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身，因此在电压放大器（电压放大倍数可达数千倍）、功率放大器、开关电源等电路中获得广泛应用。,15,集成功率放大器是将OTL和OCL等电路的主要元件集成在一块半导体芯片上封装而成，外接少量元件可构成高性能的功率放大器。 集成电路具有体积小，外接电路简单，内部元件对称性好，保护功能齐全等优点，加上价格低廉，因此广泛的应用于普及型音响器材中。目前专业音频功率放大器几乎都采用集成功率放大模块作功放的输出级。,(4)集成电路功率放大器。,16,3. 按功率放大器的工作状态来分,甲类功率放大器,乙类功率放大器,甲乙类功率放大器,功率放大电路,17,根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情况，可将功率放大器分为几个工作状态：,甲类功率放大器：,功率放大电路,随着声波信号的输入，这类功率放大器的晶体管将声波的正负半波完整地进行放大。输出不失真，正弦波形非常完整。,电路特征是这类功率放大器的晶体管工作在输出特性曲线的放大区。在输入信号的整个周期内，晶体管均导通，有电流流过。,18,甲类功率放大器：,甲类功率放大器的优点是失真极小，各项电声指标高。在Hi-Fi音响领域里很多厂家选用此种功放，如英国罗特功放、音乐传真功放和日本的金嗓子功放都是甲类功率放大器。,缺点在于：功耗大。在甲类工作状态下，不论有无输入信号，电源的输出功率PE总是不变。在无信号输入时，电源的输出功率全部消耗在电路中的晶体管和电阻上；在有信号输入时，电源输出功率中的一部分要转换为有用的输出功率。也就是说即使没有输入信号，放大器也照常耗能，电源效率不高。甲类功率放大器在理想情况下的效率最高只能达到50%。,目前，甲类放大器多用于前置放大级。若用于功率放大器中，则需要大容量的电源，放大器的体积也会增加。由于甲类放大器的低失真特点是其他几种功率放大器不易得到的，所以一些高档的音响中还是采用。这也是一些名贵的放大器输出效率并不很高，但体积却很大的原因。,19,功率放大电路,乙类功率放大器,根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情况，可将功率放大器分为几个工作状态：,它一般是用两只晶体管共同完成声波的能量放大。一只管子担任正半波的放大工作，另一个管子完成负半波的放大工作。最后合成为一完整的正弦波。用这种方式对音频信号进行放大的功放称为乙类功放。,电路特征是在输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通，有电流流过。,20,乙类功率放大器,由于两只功放管共同完成了声波的放大，所以，其输出功率较大，但存在着交越失真。之所以有交越失真，是因为晶体管存在门限电压（死区电压），在输入电压较低时，输入基极电流很小，从而输出电流也很小。因此输出电压在输入电压较小时，存在一小段死区，产生了失真。由于这种失真出现在通过正负半周的波形连接处的地方，波形在合成时存在着一些不够平滑的现象。这种由于两个电路合成时所产生的波形失真称为交越失真。,21,乙类功率放大电路中，输入信号为零时功率放大管的静态电流几乎为零，此时直流电源功率为零。当输入信号逐渐增大时，电源提供的直流功率也逐渐增加，输出信号功率也随之增大，所以乙类的功率放大效率比甲类的要高。,乙类功率放大器,22,功率放大电路,甲乙类功率放大器,根据晶体管在正弦信号整个周期内的导通情况，可将功率放大器分为几个工作状态：,甲乙类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期内，管子的导通时间大于半周而小于全周。,介于甲类和乙类之间的功率放大器。它能在较小失真的情况下，获得较高的功率输出。这是一种被广泛应用的功率放大器。,存在交越失真,23,传统的功率放大电路为提高晶体管等换能器件的转换效率，通常采用输入及输出变压器结构的推挽电路。其优点是可以实现阻抗变换，缺点是体积庞大，笨重，消耗有色金属，且效率低，变压器的低频特性不好会使低频段的下限频率受到限制。因此现代专业功率放大器采用OTL(无输出变压器的功率放大电路)，OCL（无输出电容的功率放大电路）及BTL（桥式功放）。,4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分,（1）OTL电路（无输出变压器的功率放大电路),24,特点：OTL电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路，通常采用单电源供电，从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号。与采用输出变压器的功放电路相比，具有体积小、重量轻、制作方便等优点，性能也较好。,OTL: Output TransformerLess,（1）OTL电路（无输出变压器的功率放大电路),25,OCL电路的最大特点是电路全部采用直接耦合方式，中间既不要输入、输出变压器，也不要输出电容，通常采用正、负对称电源供电。该电路克服了OTL电路中输出电容的不良影响，如低频性能不好、放大器工作不稳定，以及输出晶体管和扬声器受浪涌电流的冲击等。,（2）OCL电路（无输出电容的功率放大电路）,OCL: Output CapacitorLess,4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分,26,放大器,前级放大(前置放大),安排在调音台部分,将音频信号进行初步的电压放大，以便其它电路对音频信号进行处理.,后级放大(音频功率放大),经过调音台处理后的信号进行功率放大，以提供足够大的功率去推动音箱工作。,3.1 音频功率放大器基础,从功能上比较，功放比前置放大电路简单，但消耗的功率比前置放大器大。功率放大器的实质是将直流电能转化为音频信号的交流电能。,27,3.1.1 功率放大器的基本组成及作用,输入级:缓冲作用，其输入阻抗较高以减小本级电路对前级电路的影响。引入一定的负反馈以增加整个功放电路的稳定性并减小噪声。,28,预激励级：控制激励级和功率输出级两推挽管的直流平衡，并提供足够的电压增益，以推动激励级和功放级正常工作。,激励级：给功率输出级提供足够大的激励电流及稳定的静态偏压。,29,3.1.1 功率放大器的基本组成及作用,功率输出级：提供保护电路、功率指示电路控制信号，以及提供负反馈信号。,激励级和功率输出级则向扬声器提供足够的激励电流，以保证扬声器正常工作。,30,电源电路：为放大器提供动力。电源电路要有充足的能量储备，可以提供放大器所需要的大电流和直流电压，抗过载能力强。,保护电路：如负载短路保护，负载过荷保护，过压保护，过流保护和过温保护等。当功放过载或负载端短路时，放大器的保护电路会自动动作，并将其输出端断开。,31,保护电路：保护电路还具有开机延时功能。即放大器开机时，为了防止对扬声器的冲击，由保护电路进行控制，延时数秒钟，待放大器稳定后，再与负载接通。,32,AV放大器,AV放大器以最简单易懂的方式来说就是带视频转换功能的多声道环绕声功放，分为DSP功放与杜比解码功放两种。主要用于家庭影院的多声道功率放大， 用于营造电影院的包围感和现场气氛。 AV放大器音质强劲，动态敏捷，可以充分表现出电影中惊天动地的音响效果。,从字面意思来讲，AV的意思就是是英文单词AUDIO（音频信号）和VIDEO（视频信号）头一个字母的合写。,家庭影院的播放系统的三个重要组成部分: 音视频播放机、AV放大器、音箱系统。三者缺一不可。,33,什么是Hi-Fi？,Hi-Fi（全称HighFidelity）则是英文“高保真”的缩写，高保真的要求是：“在高声压和大动态时，出现最小的失真”，在播放的各个环节上，影响声音失真的因素比较多，比如解码的素质、功放的素质、信号线的素质、扬声器的素质等等。,AV放大器最主要的要求是其总的音响性能，它应该有足够大的输出功率和动态范围，频响要宽，失真要小，效率要高，且能与负载很好地配合。,34,一个好的放大器，要求能准确地放大来自各声源的声音信号，并能反映出该声音信号的音量、音调和音色，力图恢复该声源音质状况的本来面貌。,3.1.4 功率放大器的技术指标,静态技术指标,动态技术指标,35,静态技术指标,输出功率,最大不失真连续功率：功率放大器在配接8欧姆的负载RL时，在20HZ20KHZ范围内，输出信号总谐波失真小于1%条件下，所能输出的最大功率。,衡量输出功率的指标有最大不失真连续功率、音乐功率和峰值功率等。,U1:负载两端测出的1KHz的正弦波电压,36,静态技术指标,频率响应,频率响应即有效频率范围，它是用来反映放大器对不同频率信号的放大能力。放大器的输入信号是由许多频率成分组成的复杂信号，由于放大器存在着阻抗与频率有关的电抗元件及放大器本身的结电容等，使放大器对不同频率信号的放大能力也不相同，从而引起输出信号的失真。,频率响应通常用增益下降3dB以内的频率范围来表示。一般的高保真放大器为了能真实地反映各种信号，其频率响应通常应达到几Hz到几十kHz宽度，如图32所示。,37,理想的频率响应在通频带内是平直的，即放大器的输出电平沿频率坐标的分布近似于一条直线。直线平直，说明放大器对各频率分量的放大能力是均匀的。,但为了改善瞬态响应和如实地反映各种声频信号的特点，对放大器往往要求有更宽的频率带宽，例如，从10Hz100kHz频带内不均匀度应小于10dB。总之，功率放大器频带越宽越好。,38,静态技术指标,信噪比,信噪比是指放大器输出的有用信号与输出噪声的比值，常用符号S/N来表示，它等于输出信号电压与噪声电压之比，用dB表示，即,一般来说，前置放大器的信噪比要大于100dB，功率放大器的信噪比应大于90dB，而专业功率放大器的信噪比要大于100dB。,39,静态技术指标,动态范围,放大器的动态范围通常是指它的最高不失真输出电压与无信号时的输出噪声电压之比，用dB来表示。,放大器的动态范围是指不失真放大最小信号和最大信号的能力。,动态范围越大，放大器的失真越小。,40,静态技术指标,放大器的失真谐波失真,音频信号经过放大器之后，不可能完全保持原来的面貌，这就称为失真。,谐波失真,谐波失真是指信号经放大器放大后输出的信号比原有声源信号多出了额外的谐波成分。它是由放大器的非线性引起的。谐波失真又称为谐波畸变。,41,U1f0 输出信号基波电压的有效值； U2f0、U3f0 输出信号的二、三次谐波电压的有效值； HD 总的谐波失真系数。,一般要求放大器的谐波失真越小越好，对于专业放大器来说，它的总谐波失真应小于1%的。,42,静态技术指标,阻尼特性（阻尼参数）,阻尼特性表征功率放大器输出级内阻对扬声器所起的阻尼作用，是一项较复杂的技术指标。,在音频电信号推动扬声器振动发音的过程中，当扬声器工作在低频大振幅状态时（尤其是谐振频率附近），扬声器本身的机械阻尼已无法消除音箱所产生的共振，从而使扬声器的纸盆瞬态特性变坏。当其输入信号中止之后，扬声器的纸盆并不能立即刹住，而是须过渡一段时间之后才能逐渐停止；然而，当此过渡时间较长时，前面的信号就会产生较长的拖尾，并与后面的信号混杂在一起，从而造成扬声器的发音混浊不清，脱泥带水。,43,我们把表现这个过渡时间的特性参数称为功率放大系统的阻尼参数（Fd），Fd的值越大，信号拖尾就越短，还音效果就越干脆。,为了消除这种现象，可以减小放大器的内阻，使扬声器共振时音圈所产生的感应电动势短路，由此产生的短路电流能抑制扬声器的自由振动，从而起到阻尼作用。,44,我们把功率放大器的额定负载阻抗Ri与输出内阻Ro之比称为阻尼系数,阻尼系数的大小会影响扩音设备重放的音质。阻尼系数越大，对扬声器的抑制能力就越强。高保真扩音机的阻尼系数应在10以上。但Fd值也不是越大越好，过大的Fd值会产生类似“紧急刹车”的效果，使音响效果变得生硬。不同的扬声器有着不同的Fd最佳值。一般都在15100之间。对于专业放大器来说，其阻尼系数不低于30，有的专业放大器更可高达300.,45,动态技术指标,瞬态互调失真,瞬态互调失真是指晶体管放大器由于采用了深度大回环负反馈而带来的一种失真。由于深反馈信号跨越了两级以上的放大电路，而两级间存在着电容C，当放大器输入一个持续时间非常短的瞬态脉冲信号时，由于电容C充电带来的滞后作用，使输出端不能及时得到应有的输出电压，输入端也不能及时得到应有的负反馈。在此瞬间，输出级瞬时严重过载，输出信号的波峰将被消去，从而引起失真。,46,动态技术指标,瞬态互调失真,瞬态互调失真是造成晶体管功率放大器音质不好的重要原因。在晶体管和集成电路功率放大器中，瞬态互调失真比较严重。,瞬态互调失真对音质的影响是明显的，在听觉上给人以不愉快的“金属声”，高频显得刺耳而不清晰。特别是对连续的突发信号，如语言，打击乐等，使放声高音层次变差，声音定位模糊，声音不够圆润，如钢琴有“吱吱”的声音。由于人耳恰恰对这种非线性失真十分敏感，因此，瞬态互调失真是对音质影响较大的技术指标。,47,动态技术指标,互调失真,实际音响信号几乎都是由多频率信号复合而成的，这种多频率信号通过非线性的放大器时，各个频率信号之间便会相互调制，产生新的频率分量，形成互调失真。互调失真也是非线性失真中的一种。互调失真的耳感是声音尖刺，有附加音，失去层次，听的时间长了会使人产生疲劳和不舒服的感觉。放大器的互调失真越小越好，专业放大器的互调失真应小于0.5.,48,动态技术指标,削波失真,放大器因输入信号过强造成输出信号削波而引起的失真。克服削波失真的方法是让放大器在有足够的储备功率下放音。,动态技术指标,相位失真,相位失真是指音频信号经过放大器以后，对不同频率信号产生的相移的不均匀性，以其在工作频段内的最大相移和最小相移之差来表示。,49,动态技术指标,转换速率,一台放大器能够不失真的重现正弦波，不等于能完整地放大前沿陡峭的矩形信号。放大器在通过矩形波时引起前沿上升时间延迟，使输出信号产生失真的程度，通常用放大器的转换速率来描述。转换速率越高越好。,转换速率表示给放大器一个输入电压后，在1us的时间内，其输出电压的变化。一般要求放大器的转换速率大于10V/us.,50,动态技术指标,转换速率,音乐重放中有许多猝发性的脉冲信号，如钢琴及许多打击乐器和弹拨乐器都具有很陡的上升沿，放大器应把这些乐器特性如实放大。当如果转换速率不够，这些乐器特有的音色就会丧失。目前，集成电路的转换速率没有分立元件构成的功率放大电路的转换速率高。,转换速率低，是功率放大器产生瞬态互调失真的重要原因。为了提高信号波形的再现性和减轻瞬态互调失真，放大器的高速化是完全必要的。高保真放大器的转换速率要求在20V/us以上。,51,动态技术指标,增益,放大器的增益是放大器放大能力的重要指标，也称为放大倍数。其定义为放大器的输出量与输入量之比。,电压增益： 电流增益： 功率增益：,52,由于人耳对音量大小的感觉并不和声音功率的变化成正比，而是近似成对数关系，所以，放大器的增益也常用分贝(dB)来表示。,53,动态技术指标,分离度,立体声的分离度即左右声道串通衰减，是指放大器中左、右两个声道信号相互串扰的程度，单位为dB。如果串扰量大，亦即分离度低，则会出现声场不饱满，立体感将被减弱等现象，重放音乐的效果差。,54,2. 厅堂、剧场组合扬声器单元的选择,厅堂、剧场组合扬声器单元属于专业用的扬声器单元。这种用途的组合扬声器的特点是：功率一般为200400W，有的甚至达600800W；频率范围宽，一般在3620000Hz；失真小；方向性好。,高音扬声器一般都使用大功率号筒扬声器，而且要根据指向性的要求，选择不同型号的大功率号筒扬声器。中音扬声器可以用纸盆扬声器，对要求指向性严格的产品应选用中音号筒扬声器。,对低音扬声器单元来说，要求功率一般在200400W；灵敏度一般在97101dB；失真小于5%；谐振频率为2060Hz；口径一般在300500mm。,55,专业音频功率放大器,在音乐厅、歌舞厅等专业扩声系统中，所用的功率放大器称为专业音频功率放大器，它是一种功率较大的纯功率放大器，为其提供信号的前级设备是调音台。,在扩声系统中，功放的下一级就是音箱，因此要按照所配的音箱的额定阻抗和功率来选择功放，从而达到功率匹配、阻抗匹配，除此之外，有时还需考虑到音色匹配。,56,1 功率匹配,对于功率匹配来讲，实现的配接原则是大马拉小车，即要求功率放大器的额定功率大于音箱的额定功率。,采用这样的方式配接的主要原因是考虑到功率放大器应具有一定的功率储备，一方面以适应较大动态范围的节目信号不