现代音响与调音技术课件第11次课.ppt

1 3 2功率放大器 晶体管功率放大器按照工作状态不同可分为甲类 乙类和甲乙类三种 它们的集电极电流波形图如图 a 甲类功放在一个周期内 三极管的导通角为360 在静态时也要消耗电源功率 这时电源功率全部消耗在管子和电阻上 并转化为热量的形式耗散出去 当有信号输入时 其中一部分转化为有用的输出功率 信号愈大 输送给负载的功率愈多 甲类放大电路效率低 电阻负载最高也只能达到25 变压器负载最多可以达到50 晶体管功率放大器 ui 2 b 为了提高效率 采用乙类推挽电路 有信号时工作 无信号时不工作 直流静态功率损耗为零 晶体管半个周期工作 导通角为180 这种工作方式称为乙类功放 乙类功放减少了静态功耗 效率较高 理论值可达78 5 但出现了严重的波形失真 ui 3 C 为了克服乙类功放的缺点 在乙类功放中设置开启偏置电压 使静态工作点设置在临界开启状态 只要有信号输入 三极管就开始工作 这种工作方式称甲乙类功放 在一个周期内 其导通角略大于180 小于360 因静态偏置电流很小 在输出功率 功耗和效率等性能上与乙类十分相近 故分析方法与乙类相同 4 d 丙类功率放大是指其三极管导通时间小于半个周期的放大状态 导通角小于900 丙类工作状态的输出功率和效率是甲 乙 丙三种工作状态中最高的 丙类放大多用于高频大功率发射电路中 ui 5 3 2功率放大器 晶体管功率放大器 1 变压器耦合甲类功率放大器 电路特征是在输入信号的整个周期内 晶体管均导通 有电流流过 与一般放大器所不同的是其负载不是直接接在晶体管的集电极上 而是通过变压器接入的 故称为变压器耦合的甲类功率放大器 6 Pomax 负载上得到的交流信号功率 PV 电源提供的直流功率 1 变压器耦合甲类功率放大器 单管甲类功率放大器电源供给的电流是以静态电流ICQ为中心上下变化的 其平均值为ICQ 电源电压为EC 所以电源提供的功率为EC ICQ 负载上得到的最大的正弦波功率则为ICQ EC 2 7 实际上 由于下列原因 其效率不可能这样高 1 变压器的损耗 变压器初 次级各有导线电阻 它们要损耗能量 变压器的初级磁力线也不可能完全耦合到次级 存在有一定的漏磁 因此也要产生一些损耗 2 晶体管饱和压降也不可能为零 多少都会有一定的功率损耗 3 为稳定工作点 发射极串联有负反馈电阻Re Re也要消耗一定的能量 同时晶体管集电极到发射极之间的电压也要降低 甲类功率放大器实际效率大约只能达到30 多一点 8 甲类功率放大器存在有各种失真 1 输出特性非线性引起的失真 放大器在小信号工作时 问题不大 但当大信号工作时 晶体管输出特性的非线性失真就不可忽视了 削波失真 当输出信号超出一定范围时 晶体管进入饱和区或截止区 晶体管失去放大作用而出现削波失真 所以在设计功率放大器时 必须留有充分的功率裕量 以减小削波失真 9 功率裕量即为功率储备量 是指功率放大器的最大不失真功率大于其平均工作功率的倍数 从高保真放音的要求来说 当然希望功率储备量越大越好 但是功率储备量太大 其所需功放板的体积或重量便会也大 造价也随之昂贵 因而 对于一般专业用或家用的高档次音响系统来说 其功放系统的功率储备量应大于20倍 对与一般的电脑音响系统其功率储备量有个2 20倍之间就够了 10 3 输出变压器引起的失真 这种失真主要是因变压器铁芯的非线性引起的 所以 现在人们更喜欢使用无输出变压器的OTL OCL放大器 甲类功放也有它的优点 它有比较好的表现力 音色细腻 平滑流畅 不存在交越失真 各项电声指标高 2 输入电阻和信号源内阻引起的失真 晶体管输入电阻随信号大小变化也略有变化 由此会引起输出信号的失真 信号源内阻大也会引起失真 11 由于电源提供的功率不变 是一定的 因而输入电压为零时 效率也为零 输入电压越大 IC的幅值越大 那么负载上获得的功率就越大 消耗在三极管上的功耗就越小 因而转换效率就越高 但是 人们通常希望输入信号为零时电源不提供功率 输入信号越大 负载获得的功率也越大 电源提供的功率也随之增大 从而提高了效率 为了达到这个目的 在输入信号为零时 应使管子处于截止状态 而为了使负载上能获得正弦波 常常需要采用两只管子 在信号的正负半周交替导通 那么两只三极管都工作在乙类放大状态 由于负载仍是通过变压器耦合到放大电路中的 因此而产生了变压器耦合乙类推挽功率放大电路 2乙类推挽功率放大器 12 图3 7乙类推挽功率放大器 设晶体管b e间的开启电压忽略不计 V1和V2的特性完全相同 输入为正弦波 当输入电压为零时 由于V1和V2的发射结电压为零 均处于截止状态 因而电源提供的功率为零 负载上电压也为零 两只管子的管压降均为EC 当输入信号使变压器的副边电压极性为上 下 时 V1管导通 V2管截止 当输入信号使变压器副边极性变为上 下 时 V1截止 V2导通 13 当输入信号使变压器的副边电压极性为上 下 时 V1管导通 V2管截止 当输入信号使变压器副边极性变为上 下 时 V1截止 V2导通 图3 7乙类推挽功率放大器 信号通过输入变压器T1 转换成为两个幅度相等 极性相反的信号 两只晶体管分别将其放大 然后在T2上合成 因此负载上能获得正弦波电压 从而获得交流功率 同类型的管子 V1和V2 在电路中交替导通的方式称为 推挽 工作方式 14 信号通过输入变压器T1 转换成为两个幅度相等 极性相反的信号 两只晶体管分别将其放大 然后在T2上合成 这里信号的正负半周之间出现了无信号的过渡区 这样输出的合成信号就与原输入信号之间产生了失真 这种失真称为 交越失真 15 并且由于输入 输出都用了变压器耦合 这样会使放大器体积 重量都较大 而且其漏电感及分布电容 杂散磁场等 都会对信号产生干扰和影响 损耗增大 效率降低 所以 目前的功率放大器大都采用无输出变压器的电路 即OTL电路 3 OTL功率放大电路 交越失真是乙类推挽功率放大器较为明显的问题 16 3 OTL功率放大电路OTL功率放大电路属于互补推挽电路的一种 由NPN和PNP两个三极管构成 并且两个三极管的特性对称 设电容容量足够大 则可对交流信号短路 当输入电压为正弦波时 对于usr的正半周V1 NPN 管导通而V2管截止 产生电流iC1从左向右流经负载RL 电容充电 对于usr的负半周 V1截止而V2导通 电容放电产生电流iC2从右向左流经负载RL 从而在负载RL上得到一个完整的放大了的输出信号 17 3 OTL功率放大电路OTL功率放大电路属于互补推挽电路的一种 V1 V2分别在输入信号的作用下 轮流导通和截止 不同类型的两只晶体管交替工作 且均组成射极输出形式的电路称为 互补 电路 两只管子的这种交替工作方式称为 互补 工作方式 C0则分别工作在充电和放电的状态 由于这个充放电时间很短 且C0的容量很大 所以C0上的电压基本保持不变 18 C0的选择往往与扬声器RL的阻抗和放大器的工作下限频率fL有关 一般要求 当放大器的级数增多时 由于各级对低频的衰减会增加 C0的值还要取大一些 一般为470 2200 F 19 OTL电路比变压器耦合电路有了很大的改进 但从高保真的角度看 仍有许多不足之处 主要表现为瞬态互调失真大 开环增益指标差 稳定性不好 谐波失真大 有残留交流声等 这些缺点是由于电路中的电抗元件和电路的不对称引起的 为了避免OTL电路中输出电容对电路造成的不良影响 现在 在音频功率放大器中普遍采用无输出电容电路 即OCL电路 又称直接耦合互补倒相功率放大器 4 OCL功率放大电路 20 图3 10OCL功放电路 4 OCL功率放大电路 摒弃了输出电容 如图所示 称为无输出电容的功率放大电路 V3和V2构成互补对称电路 推动功率放大输出 21 电路采用对称的正 负两组电源供电 使两只互补功放管能够轮流工作 其工作原理与OTL电路的相同 省去输出电容以后 OCL电路输出的中点电位是零电位 因为这时输出与扬声器是直接耦合 若输出级中点电位不为零的话 将有直流流入扬声器 使音圈偏离中点 产生额外的失真 严重者将烧坏扬声器 所以OCL电路的中心点必须确保直流零电位 22 由于OCL电路各级晶体管间均采用直接耦合 温度的变化 电源电压的波动 都会产生零点漂移现象 使OCL电路输出端中点产生偏离 使电路性能恶化 因此 OCL电路往往在前级采用温度稳定性较好的差动放大电路来克服零点漂移现象的产生 23 图3 11OCL功放电路 V1 V2作为差动输入放大 V23是激励级 V24V25V26V27组成了准互补对称输出 信号从V1的基极输入 经放大后从V1的集电极耦合到V23管的基极 再经V23放大到足够的幅度 去激励准互补对称的V24V25V26V27 作功率输出 级间负反馈从输出端通过R112反馈到差动输入级V2的基极 反馈量很大 再加上差动输入级具有的高稳定性 从而保证了OCL电路输出了稳定电平 V1 V2 由于OCL电路采用正负对称电源 差动输入放大等措施 使输出端的直流电位为0V 目前多数专业功率放大器采用OCL电路 24 OCL是从OTL电路的基础上发展起来的 它从以下几个方面对电路进行了改善 1 改善低频特性 由于OTL电路的输出电容在低频时的容抗很大 当它与低阻扬声器串联时 会使放大器的低频输出下降 去掉OTL电路的输出电容会改善低频特性 2 有利电路的稳定 OTL电路的级间反馈虽然能改善小功率输出时的低频效应 但不能解决功率带宽的问题 再加上OTL电路的输出电容会使输出低频信号时产生相当大的相移 使放大器的工作不稳定 甚至自激 去掉OTL的输出电容有利电路的稳定 25 3 克服失真 在频率很低时 由于扬声器对电源不对称 对应于信号的正负半周时 与扬声器串联的电容容量并不一致 这便使流过扬声器的输出电流正负幅度不同 产生失真 去掉OTL电路的输出电容有利于克服失真 4 避开浪涌电流 在开 关机的瞬间 由于输出电容的充放电 会使扬声器及输出晶体管受到相当大的浪涌电流冲击 去掉OTL电路的输出电容可避开浪涌电流 为防止此冲击电流烧坏扬声器 有的电路增加了延时通断继电器 26 5 DC功率放大电路 针对OTL和OCL电路的缺点 近年来在大功率放大器中较多采用全对称的OCL电路 亦称DC电路 DC电路是在OCL电路基础上改进而成的 DC是表示该电路的低频响应可以一直扩展到 直流 的意思 把OCL电路的输入放大级改成互补差分放大器 以实现全对称的平衡激励 输出电路仍用OCL的形式 就成了DC放大器 DC电路由于去掉了输出电容 反馈电容 使这些电容的不良影响随之消除 所以 瞬态指标比OCL电路高 27 6 BTL功率放大电路 在OCL电路中采用了双电源供电 虽然就功率放大器而言没有变压器和大电容 但在制作负电源仍需要使用变压器或带铁芯的电感和大电容等 所以就整个电路而言 不是最佳方案 BalanceTransformerlessLine 桥式推挽式放大电路 BTL电路是一种平衡式无变压器电路 该电路在电源电压 负载不变的情况下 使输出功率提高到OCL电路的4倍 而且由于良好的平衡性和对称性 其失真度和稳定性都获得进一步的改善 28 6 BTL功率放大电路 缺点 但要多用一组放大电路 与其他功率放大电路相比 所用晶体管数量最多 并且难以做到四只晶体管特性理想对称 且晶体管总损耗大 转换效率低 也不太经济 优点 能在较低的电源电压下得到较大的输出功率 并且由于采用差动输入 共模抑制比很高而扬声器的输出直流电位为零电位 在出现电冲击时不易损坏输出管 应用十分广泛 用OCL和OTL都可以搭接成BTL放大器 理论上其输出功率为同等电压下OTL和OCL放大器功率4倍 实际中为2 8 29 功率放大器的电源电路 电源电路为放大器提供动力 主要采用交流稳压电源供电 稳压电路可使输出电压在电网波动 负载变化时基本稳定在某一数值 由于放大器应有足够的功率 能长时间连续工作 因此对放大器中的电源电路有很高的要求 电源电路要有足够的能量储备 抗过载能力要强 电源性能的优劣对高保真立体声放大器的放音质量好坏有极大影响 对于稳压电路 主要指标是指稳压系数小和输出电阻小 所以音响系统对电源的要求是 输出电压稳定 波纹系数小 输出足够的功率 内阻小 50Hz杂散磁场干扰小 放大器的电源电路和保护电路 30 1 稳压电源中的关键部件 稳压电源最关键的部件是变压器和滤波电容 为了使功放尽量工作在线性区 电源容量取值很大 总容量通常选在几百VA 甚至上千VA 电源变压器通常采用环形变压器 为了保证输出波纹系数小 并满足大动态的要求 滤波电容通常选在几万微法 甚至到十几万微法 31 1 稳压电源中的关键部件 对电源变压器除了容量上的要求以外 其它方面的要求也较高 早期的电源变压器多采用传统的方形变压器 因其漏磁大而且易产生干扰 近年逐步被环形变压器所取代 环形变压器具有用料少 重量轻 磁阻小 外界干扰小 空载电流小 自身杂散磁场低等特点 因此在稳压电源中应用十分广泛 32 在使用方式上 早期的功率放大器多采用一只变压器供电 其最明显的弱点是左 右声道容易发生串扰 影响声像定位与清晰度 而近年制造的放大器 大多采用左 右声道分别由独立的变压器供电 由此获得的音质改善的效果 不是用更换晶体管 电阻 电容 以及改变电路等其它方法所能得到的 电源变压器采取独立分离方式 功放音质会得到明显改善 效果特别好 33 由于电源性能的好坏对音质的影响非常突出 电源的成分越纯净 内阻越小 音质就越好 因此近年来功放专用开关电源在国内逐渐受到重视 由于开关稳压电源具有输出电压稳定 体积小 重量轻 功率大 效率高 功放瞬态响应速度快 能输出多种不同的直流电压等等多种优点 因此广泛应用到各种较高档的电器设备当中 用在功放中 给电路设计和布局带来了方便并极大的提高了功放的音质 但由于开关电源电路的结构复杂 工作原理难于理解 同时它的故障率也较高 因此一直困扰着大多数的电子维修人员 2 功放专用开关电源 34 用高频开关电源供电的功放对音乐的表现所体现的优点在于 功放音质将有明显的提高 功放的音域更加宽广 高音清晰 细腻 中音娇嫩甜润 低音更具有震撼力 一些很一般的功放 一旦换用开关电源 高低音将有明显的提升 音色变得亲切柔和 同时 由于高频开关电源的高频特性好 使功放的声场宽阔 定位准确 特别是由于该种电源的稳定性好 功放的工作点不会随输出功率的变化而变化 在大音量时 声场照样稳定 乐器聚焦准确 35 功率放大器工作在高电压 大电流 重负荷的条件下 当强信号输入或输出负载短路时 输出管会因流过的电流过大而被烧坏 另外 在强信号输入或开机 关机时 扬声器也会经不起大电流的冲击而损坏 因此 必须对大功率音响设备的功率放大器设置保护电路 功率放大器的保护电路 包括 负载短路保护 负载过载保护 过压保护 过流保护以及过温保护等 在一些专业放大器上一般备有过载削波指示灯 peak 有些放大器还备有指针式或LED的音量表 可指示出额定负载阻抗时的输出功率 非常直观 36 切断负载式 过载保护 继电器 保护扬声器的 防止开关机电流冲击 当放大器输出过载或中点电位偏离零点较大时 过载检测电路输出过载信号 经放大后启动继电器动作 使扬声器断开 从而保护了扬声器 常用的电子保护电路有切断负载式 分流式 切断信号式和切断电源式等几种 37 分流式保护电路 过载保护 当输出过载时 过载检测电路输出过载信号 控制并联在两只功率管基极之间的分流电路 使其内阻减小 分流增加 减小了大功率管输出电流 保护功率管和扬声器 38 切断信号式和切断电源式保护电路的工作原理与前两种方式基本相同 不同的是 仅用过载信号去控制输入信号控制电路或电源控制电路 切断输入信号或电源 这两种保护电路对其它原因导致的过载不具备保护能力 且切断电源式保护电路对电源的冲击较大 因此 实际中使用得较少 切断信号式 切断电源式 39 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 40 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 41 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致使功放过载而引起严重的非线性失真 烧毁功放 另一方面由于音箱可承受越3倍其额定功率的信号冲击而不损坏 所以客观上要求功放的功率要大一些 但如果功率过大 会导致音箱过载 严重的还会烧毁音箱 42 2阻抗匹配 在HI FI音响器材中 比如晶体管功率放大器的输出阻抗为低阻抗 而电子管功率放大器等器材的输出阻抗为高阻抗 如果它们与扬声器连接时阻抗不匹配 会使放大器的输出功率分配不均 或因阻尼过大使扬声器的瞬态特性变差 43 如果功放的额定负载阻抗大于以音箱为负载的阻抗 不但不能增加放大器的不失真功率 反而会加重放大器的工作量 这主要原因是因为负载的减小 输出的电流会增大 那么在放大器内阻上的压降也会增大 从而增大了放大器的工作量 那么在这种情况下 会导致放大器瞬态失真 如果功放的额定负载阻抗小于以音箱为负载的阻抗 要是放大器的电源电压不够大 则会引起电压过载而产生失真 44 3音色匹配 放大器与音箱匹配中 还有音色匹配的问题 有两种匹配方式 一种是选择音色表现相同的放大器和音箱匹配 这样使音色相得益彰 韵味更浓 另一种就是选用不同音色的放大器和音箱 使不同的音色互相融合 互相弥补 以求得到更佳的音质 45 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致使功放过载而引起严重的非线性失真 烧毁功放 另一方面由于音箱可承受越3倍其额定功率的信号冲击而不损坏 所以客观上要求功放的功率要大一些 但如果功率过大 会导致音箱过载 严重的还会烧毁音箱 46 2阻抗匹配 对于阻抗匹配 由于功放的额定负载阻抗与音箱的标称阻抗实际上不可能完全相等 所以要尽量使它们接近符合 如果放大器的额定负载阻抗大于以音箱为负载的阻抗 不但不能增加放大器的不失真功率 反而会加重放大器的工作量 这主要原因是因为负载的减小 输出的电流会增大 那么在放大器内阻上的压降也会增大 从而增大了放大器的工作量 那么在这种情况下 会导致放大器瞬态失真 如果功放的额定负载阻抗小于以音箱为负载的阻抗 要是放大器的电源电压不够大 则会引起电压过载而产生失真 47 3音色匹配 放大器与音箱匹配中 还有音色匹配的问题 有两