一文看懂功放的工作原理與作用

　　什么是功放

　　功率放大器簡稱功放，俗稱“擴音機”，是音響系統(tǒng)中最基本的設(shè)備，它的任務(wù)是把來自信號源（專業(yè)音響系統(tǒng)中則是來自調(diào)音臺）的微弱電信號進(jìn)行放大以驅(qū)動揚聲器發(fā)出聲音。

　　功放的性能指標(biāo)

　　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(xiàn)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(guī)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(diào)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(dāng)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(yīng)頻率響應(yīng)：表示功放的頻率范圍，和頻率范圍內(nèi)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(fù)1db.這個范圍越寬越好。一些極品功放的頻響已經(jīng)做到0--100KHZ。

　　失真度失真度：理想的功放應(yīng)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(jīng)功放放大后的信號與輸入信號相比較，往往產(chǎn)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(shù)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(diào)失真，交叉失真，削波失真，瞬態(tài)失真，瞬態(tài)互調(diào)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(shù)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(xiàn)的等效內(nèi)阻，稱做輸出阻抗。

　　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(jìn)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(xì)解說：

　　D類功放是放大元件處于開關(guān)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?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個接通的開關(guān)，把電源與負(fù)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(guān)，而與信號輸出的大小無關(guān)，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(fù)載方式而定）。

　　D類功放實際上只具有開關(guān)功能，早期僅用于繼電器和電機等執(zhí)行元件的開關(guān)控制電路中。然而，開關(guān)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(shù)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(jì)60年代，設(shè)計人員開始研究D類功放用于音頻的放大技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(guān)鍵的一步就是對音頻信號的調(diào)制。

　　圖1是D類功放的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個部分：

　　圖1 D類功放基本結(jié)構(gòu)

　　第一部分為調(diào)制器，最簡單的只需用一只運放構(gòu)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(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)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(dāng)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(fù)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(diào)制后的波形，稱為PWM（PulseWidthModulation脈寬調(diào)制）或PDM波形。音頻信息被調(diào)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(guān)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(fù)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(fù)出來，見圖2。

　　圖２模擬D類功放工作原理

　　D類功放設(shè)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(guān)響應(yīng)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(guān)響應(yīng)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域，特別是近年來UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上應(yīng)用，器件的障礙已經(jīng)消除。

　　調(diào)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(diào)制成PWM信號，三角波的頻率至少要達(dá)到200KHz。頻率過低達(dá)到同樣要求的THD標(biāo)準(zhǔn)，對無源LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)降低。但此時晶體管的開關(guān)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(yīng)都會使整機效率下降。更高的調(diào)制頻率還會出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于1MHz。

　　同時，三角波形的形狀、頻率的準(zhǔn)確性和時鐘信號的抖晃都會影響到以后復(fù)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(zhì)有很大關(guān)系的因數(shù)就是位于驅(qū)動輸出與負(fù)載之間的無源濾波器。該低通濾波器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。嚴(yán)格地講，設(shè)計時應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)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(jìn)行放大后，產(chǎn)生足夠大的電流去推動揚聲器進(jìn)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(diào)節(jié)功能，不同的功放在內(nèi)部的信號處理、線路設(shè)計和生產(chǎn)工藝上也各不相同。

　　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(qū)動揚聲器擴聲的功能外，還能有效的抑制現(xiàn)場嘯叫，保證語音的傳輸質(zhì)量，即使在環(huán)境較差的場合，也能極大限度地抑制回嘯，保護(hù)音響設(shè)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(qū)動音箱發(fā)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(shè)計的放大器，一般都具備4個以上的聲道數(shù)以及環(huán)繞聲解碼功能，且?guī)в幸粋€顯示屏。該類功放以真實營造影片環(huán)境聲效讓觀眾體驗影院效果為主要目的。

　　功放的保養(yǎng)

　　1、用戶應(yīng)將功放放置在干燥、通風(fēng)的地方，避免在潮濕、高溫、油煙化學(xué)制劑有腐蝕性的環(huán)境中工作。

　　2、用戶應(yīng)將功放放置在安全、平穩(wěn)、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(zāi)害，如火災(zāi)、觸電等。

　　3、用戶應(yīng)將功放避開電磁干擾嚴(yán)重的環(huán)境，如日光燈鎮(zhèn)流器老化等放射的電磁干擾將會引起機器CPU程序錯亂，導(dǎo)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(yuǎn)，太遠(yuǎn)可加1000--470U放在它腳邊。

　　功放使用注意事項

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

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

　　3、功放IC通電正常後的初始階段，其穩(wěn)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(wěn)定且高效率地發(fā)揮其優(yōu)異性能。

　　4、在制作功放中要嚴(yán)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(shù)，最大限度提高其信噪比。

　　5、如當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)污染嚴(yán)重，低壓電網(wǎng)接有電焊機、矽整流器等電氣設(shè)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(yán)格注意音響設(shè)備的開關(guān)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(guān)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(fā)熱嚴(yán)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(hù)器。

　　9、必須將系統(tǒng)設(shè)備良好接大地。因低壓配電線路三相負(fù)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］