功率放大器和OCL电路

功率放大器（英文名称：power amplifier），简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

一、功率放大器的原理

利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。

二、功率放大器的种类

传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：

1、数字语音数据到模拟语音信号的变换（利用高精度数模转换器DAC）实现；

2、利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。

A类放大器：

A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，效率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。因此效率比较低。

B类放大器：

B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是“交越失真”较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时，Q1、Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

AB类放大器：

AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

D类放大器：

D类（数字音频功率）放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路（半桥式和全桥式）和低通滤波器（LC）等四部分组成。D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

优点：

1）具有很高的效率，通常能够达到85%以上；

2）体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间；

3）无裂噪声接通；

4）低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。

A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是音频功率放大器的基本电路形式。

T类放大器：

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。但它和普通D类功率放大器不同的是：

首先，它不是使用脉冲调宽的方法，Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“Digital Power Processing （DPP）”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。从而使音质达到高保真线性放大。

其次，它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。

此外，T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。DDP的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。在高保真方面，线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。

三、功率放大器的技术指标

1、额定功率（rate power）：是指连续的正弦波功率，在1kHz正弦波输入及一定的负载下，谐波失真小于1%所输出的功率，表示成W/CH（瓦/声道）。一般来说，额定功率越大，造价越高。

2、总谐波失真（THD）：是指高次谐波占基波的百分比，总谐波失真越小越好，好的功率放大器的总谐波失真能达到0.02%

3、转换率（slew rate）：单位时间上升的电压幅度，单位为伏/微秒，它反映了功率放大器对瞬态声音信号的跟踪能力，是一种瞬态特性指标。

4、阻尼因子（damping factor）：其定义为功率放大器的负载阻抗（大功率管内部电阻加上音箱的接线线阻），例如8Ω：0.04Ω=200：1，一般要求比值比较大，但不能太大，太大会觉得扬声器发声单薄，太小则会使声音混浊，声音层次差，声像分布不佳。

5、输出阻抗（output impedance）（或称额定负载阻抗）：通常有8Ω、4Ω、2Ω等值，此值越小，说明功率放大器负载能力越强。就单路而言，额定负载为2Ω的功率放大器，可以带动4只阻抗为8Ω的音箱发声，并且失真很小。

性能指标

无论AV放大器和Hi-Fi功放对功率放大器要求十分严格，在输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数等方面都有明确要求。

输出功率：

输出功率是指功放电路输送给负载的功率。人们对输出功率的测量方法和

评价方法很不统一，使用时注意。

1、额定功率（RMS）：它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。

2、最大输出功率：当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率。

3、音乐输出功率（MPO）：音乐输出功率MPO是英文Music Power Outpur的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。

音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，

例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不完的劲；有的功放却显得力不从心底气不足。为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用音乐输出功率来量度。

4、峰值音乐输出功率（PMPO）：它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。

通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，经实践统计，峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-8倍。

频率响应：

频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不低于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20kHz。国际规定一般音频功放的频率范围是40-16kHz±1.5dB。

失真：

失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。

动态范围：

放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。实际运用时，该比值使用dB来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90dB。

自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真，而在输入弱信号时，有不应被自身产生的噪声所淹没，为此好的音响系统应当具有较大的动态范围，噪声只能尽量减少，但不可能不产生噪声。

信噪比：

信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。

输出阻抗和阻尼系数：

1、输出阻抗：功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗；

2、阻尼系数：阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。