一、功率放大器概念、原理

1. 功率放大器概念

功率放大器(英文名稱：power amplifier)，簡(jiǎn)稱“功放”,是指在給定失真率條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動(dòng)某一負(fù)載(例如揚(yáng)聲器)的放大器。功率放大器在整個(gè)音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。功放，可以說(shuō)是各類音響器材中最大的一個(gè)家族了，其作用主要是將音源器材輸入的較微弱信號(hào)進(jìn)行放大后，產(chǎn)生足夠大的電流去推動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行聲音的重放。

2. 功率放大器工作原理

利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流.因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過(guò)的電流會(huì)等于基極電流的β倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容 隔離出來(lái)，就得到了電流(或電壓)是原先的β倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過(guò)不斷的電流放大，就完成了功率放大。

圖片說(shuō)明：功率放大器

二、功率放大電流的特點(diǎn)

對(duì)功放電路的了解或評(píng)價(jià)，主要從輸出功率、效率和失真這三方面考慮。

1、為得到需要的輸出功率，電路須選集電極功耗足夠大的三極管，功放管的工作電流和集電極電壓也較高。電路設(shè)計(jì)使用中首先要考慮怎樣充分地發(fā)揮三極管功能而又不損壞三極管。由于電路中功放管工作狀態(tài)常接近極限值，所以功放電流調(diào)整和使用時(shí)要小心，不宜超限使用。

2、從能耗方面考慮，功放輸出的功率最終是由電源提供的，例如收音機(jī)中功放耗電要占整機(jī)的2/3,因此要十分注意提高電路效率，即輸出功率與耗電功率的比值。

3、功放電路的輸入信號(hào)已經(jīng)幾級(jí)放大，有足夠強(qiáng)度，這會(huì)使功放管工作點(diǎn)大幅度移動(dòng)，所以要求功放電路有較大的動(dòng)態(tài)范圍。功放管的工作點(diǎn)選擇不當(dāng)，輸出會(huì)有嚴(yán)重失真。

二、常用功率放大電路的原理

單只三極管輸出的功放電路輸出小、效率低，日用電器中已很少見(jiàn)。目前常采用的是推挽電路形式。

圖1是用耦合變壓器的推挽電路原理圖。它的特點(diǎn)是三極管靜態(tài)工作電流接近于零，放大器耗電及少。有信輸入時(shí)，電路工作電流雖大，但大部分功率都輸出到負(fù)載上，本身?yè)p耗卻不大，所以電源利用率較高。這個(gè)電路中每只三極管只在信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通工作，為避免失真，所以采用兩只三極管協(xié)調(diào)工作的方式。圖中輸入變壓器B1的次級(jí)有一個(gè)接地的中心抽頭。在音頻信號(hào)輸入時(shí)，B1次級(jí)兩個(gè)大小相等、極性相反的信號(hào)分別送到BG1和BG2的發(fā)射結(jié)。在輸入信號(hào)的正半周時(shí)間里，BG1管因加的是反向偏壓而截止，只有BG2能將信號(hào)放大，從集電極輸出;而在信號(hào)負(fù)半周，BG1得到正高偏壓，能將這半個(gè)周期的信號(hào)放大輸出，而B(niǎo)G2卻截止。電路中的兩只三極管雖然各自放大了信號(hào)的半個(gè)同期，但它們的輸出電流是分先后通過(guò)輸出變壓器B2的，所以在B2的次級(jí)得到的感應(yīng)電流又能全成一個(gè)完整的輸出信號(hào)。

這個(gè)功放電路中，為了解決阻抗匝配和信號(hào)相位等問(wèn)題，輸入與輸出變壓器是不可少的。但是，優(yōu)質(zhì)變壓器的制作在材料和工藝上都比較困難，它本身總還要消耗一部分能量，降低電路的效率，而且變壓器的頻率特性不好，使電路對(duì)不同頻率信號(hào)輸出很不均勻，會(huì)造成失真，所以為了提高功放質(zhì)量，人們更多地使用無(wú)變壓器(OTL)功率放大電路。

三、元器件及功放電路的選擇

制作功率放大器時(shí)選擇元器件和功放電路無(wú)非是從以下幾個(gè)方面入手：

1.電源變壓器

電源變壓器應(yīng)根據(jù)機(jī)內(nèi)各部電路的總功耗作合理的選擇。為了使整機(jī)有足夠的功率儲(chǔ)備，電源變壓器的功率至少應(yīng)為機(jī)內(nèi)各部電路總耗散功率的兩倍以上，如果功放為甲類放大電路，那么電源變壓器的功率應(yīng)在此基礎(chǔ)上再增加一倍。無(wú)論E型、C型以及R型和環(huán)型電源變壓器，只要是質(zhì)量上乘且功率足夠者均可選擇。如果有條件的話，可用開(kāi)關(guān)電源一試，相信會(huì)得到意想不到的收獲，因?yàn)楣P者用開(kāi)關(guān)電源制作的幾臺(tái)功率放大器也均取得了較好的效果。

2.電阻、電容、連接導(dǎo)線

1)電阻

電阻應(yīng)盡量選擇精密五色環(huán)金屬膜電阻，誤差應(yīng)控制在1%以下，其設(shè)計(jì)功率余量應(yīng)盡可能的大，一般功率應(yīng)在1/4W以上，其中一些特殊部位(如功率管的射極電阻或電流負(fù)反饋電路的取樣電阻)的電阻功率應(yīng)在1/2W~5W之間，以提高整個(gè)電路工作時(shí)的穩(wěn)定性。

2)電容

電容應(yīng)盡量選擇音響專用型的品種，其中以進(jìn)口優(yōu)質(zhì)電容為首選。大容量(如電源濾波及退耦電容)應(yīng)使用耐壓高于電源電壓且容量盡可能大的音響專用電解電容,以提高濾波效果。小容量的電容，如電源高頻退耦、信號(hào)耦合、負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)中的隔直電容等，應(yīng)盡量使用高品質(zhì)、介質(zhì)損耗小的CBB電容或鉭電容,此舉可使音頻信號(hào)高低端的衰減量降至最低，以使音樂(lè)的高低頻段信息得到充分的延伸。

3)連接導(dǎo)線

在制作功放時(shí)連接導(dǎo)線的選擇往往被人們所忽視。大電流(如電源線、功率輸出線及地線)的連接導(dǎo)線應(yīng)盡可能選擇絕緣性能好、線徑粗且芯線為多股細(xì)導(dǎo)線經(jīng)絞合而成的銅質(zhì)導(dǎo)線，以盡量克服電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)的趨膚效應(yīng)。小電流的連接導(dǎo)線可以使用線徑細(xì)一些的導(dǎo)線。各部連線應(yīng)使用不同顏色的導(dǎo)線加以區(qū)分，一般情況下，正電源用紅色導(dǎo)線，負(fù)電源用綠色或藍(lán)色導(dǎo)線，地線為黑色導(dǎo)線。放大器中的信號(hào)通路應(yīng)使用優(yōu)質(zhì)的雙芯屏蔽線，絕對(duì)不允許用單股導(dǎo)線或排線代替，以杜絕外部干擾噪聲的侵入。

3.功放電路

相對(duì)來(lái)說(shuō)，在制作功率放大器時(shí)，功放電路的選擇應(yīng)該說(shuō)是比較重要的。首先應(yīng)根據(jù)自己的聽(tīng)音環(huán)境和對(duì)重放音色偏好(冷艷、溫暖或冷暖兼顧)來(lái)決定所選功放電路的結(jié)構(gòu)(甲類、甲乙類或其他類型)和電路中各器件或元件(電容、電阻、放大管等)的型號(hào)。

再根據(jù)自己對(duì)功率放大器的結(jié)構(gòu)和原理等知識(shí)的掌握情況來(lái)決定是自制功放電路還是購(gòu)買(mǎi)成品電路板。如果你對(duì)功放電路的結(jié)構(gòu)有深刻的了解并有一定的摩機(jī)功底，那么你應(yīng)該選擇自己信任或適合口味的優(yōu)質(zhì)元器件自制或購(gòu)買(mǎi)成品的功放電路。如果你對(duì)音樂(lè)的音色要求不太苛刻，有一定的動(dòng)手能力且不太知道功放電路的結(jié)構(gòu)和原理，那么我勸你還是購(gòu)買(mǎi)電路結(jié)構(gòu)成熟、由分立元件組裝的功放板或以集成電路為核心構(gòu)成的功放電路板為好?，F(xiàn)在以集成電路如LM3886、LM4766和TDA7294等為核心構(gòu)成的功放電路不論在輸出功率、還音質(zhì)量以及工作穩(wěn)定性方面均能令人滿意，與由分立元件組裝的功放板相比，具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)試容易和造價(jià)低廉的特點(diǎn)。

四。制作功率放大器的基本要求

在制作功率放大器時(shí)，基于功率放大器的一些特點(diǎn)，也有一些基本的要求：

(1)有足夠大的輸出功率：

a.3 dB通頻帶為300~3400Hz,輸出正弦信號(hào)無(wú)明顯失真;

b.最大不失真輸出功率≥1W;

c.輸入阻抗>10kΩ，電壓放大倍數(shù)1~20連續(xù)可調(diào);

d.低頻噪聲電壓(20kHz以下)≤10mV,在電壓放大倍數(shù)為10、輸入端對(duì)地交流短路時(shí)測(cè)量;

e.在輸出功率500mW時(shí)測(cè)量的功率放大器效率(輸出功率/放大器總功耗)≥50%.

(2)效率要高：

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)放大倍數(shù)為1的信號(hào)變換電路，將功率放大器雙端輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出，經(jīng)RC濾波供外接測(cè)試儀表用。

(3)非線性失真小：

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測(cè)量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5%.最大不失真輸出功率≥1W.

五、電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)功放電路時(shí)，電路應(yīng)設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)潔一些。如追求音樂(lè)的原汁原味，則盡量減少或摒棄信號(hào)輸入電路與功放電路之間的環(huán)節(jié)，如音調(diào)、平衡或其他功能電路。如喜歡對(duì)音樂(lè)進(jìn)行修飾，那么除加入上述電路外，還可以再加入如BBE、3D以及SRS等能對(duì)音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行大幅度修飾的電路。在安排電路板上各元器件的位置及布線方面，請(qǐng)遵循以下幾個(gè)原則：

1.按照信號(hào)傳輸路徑以由小到大的順序在電路板上合理地布置各元器件的位置，盡量縮短各元器件之間的距離(距離過(guò)大或遇到障礙時(shí)可使用跳線)，以減少外部干擾的引入。

2.在供電線路中，不可以將大電流的印刷電路或?qū)Ь€交*布置在小電流通路的中間或附近，以免造成對(duì)小電流線路的干擾。

3.電路板上大電流通過(guò)的路徑(印刷線路或?qū)Ь€)應(yīng)設(shè)計(jì)得寬(粗)一些，以使電流能順利通過(guò)。

六、制作工藝

制作功率放大器，不僅要求電路合理，制作工藝也應(yīng)講究，否則揚(yáng)聲器會(huì)出現(xiàn)較大的干擾噪聲或由自激振蕩引起的嘯叫聲。本人在指導(dǎo)學(xué)生制作較大功率的分立元件和集成功率放大器時(shí)，針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了分析和總結(jié)，從電路結(jié)構(gòu)、布局方面著手改進(jìn)，取得了良好的效果。 一般說(shuō)來(lái)，制作功率放大器時(shí)應(yīng)注意以下幾方面：

1.選擇一臺(tái)沉穩(wěn)而又扎實(shí)的機(jī)箱且最好為金屬結(jié)構(gòu)的，以避免因機(jī)箱變形造成內(nèi)部電路短路或外部干擾噪聲的侵入。

2.合理布置各單元在機(jī)箱內(nèi)的位置并注意整機(jī)重心。電源部分應(yīng)遠(yuǎn)離小信號(hào)放大電路，最好把電源部分與放大電路隔離，做法是把電源部分放在一個(gè)由金屬構(gòu)成的獨(dú)立小室內(nèi)，以此降低電源對(duì)放大電路的影響。

3.各元器件在上板之前應(yīng)用工具將引線上的氧化層刮除，并用數(shù)字表測(cè)量其實(shí)際數(shù)值是否與標(biāo)稱值相符，誤差是否在允許范圍內(nèi)。元件上板之后，應(yīng)仔細(xì)檢查有無(wú)錯(cuò)焊、漏焊或搭錫之處，若有則應(yīng)及時(shí)排除之。

4.在焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)元器件的大小而選擇功率合適的電烙鐵并使用優(yōu)質(zhì)的焊錫和腐蝕性小的助焊劑，以保證焊點(diǎn)大小合適、光滑明亮且無(wú)假焊、虛焊現(xiàn)象。

5.機(jī)內(nèi)各板塊(包括信號(hào)輸入、輸出插座在內(nèi))不可以單獨(dú)接地，而是應(yīng)采取整機(jī)一點(diǎn)接地的方式，即在機(jī)殼上找到接地點(diǎn)后，用粗壯的黑色導(dǎo)線從各板地線上引出并匯集于此點(diǎn)。當(dāng)此接地點(diǎn)與機(jī)殼脫離后，以萬(wàn)用表測(cè)量電路板上任意一點(diǎn)與機(jī)殼間的阻值均應(yīng)呈無(wú)限大狀態(tài)。

6.各單元在機(jī)箱內(nèi)固定好后，應(yīng)用尼龍扣把各連接線束扣緊并做相應(yīng)固定。

整機(jī)制作完畢后，應(yīng)用萬(wàn)用表測(cè)量各關(guān)鍵點(diǎn)與地之間的阻值，各聲道的對(duì)應(yīng)點(diǎn)與地之間的阻值應(yīng)相同或非常接近，如發(fā)現(xiàn)有異常之處，一般是電路中有錯(cuò)焊、漏焊或所用元件數(shù)值不對(duì)所致，經(jīng)仔細(xì)檢查或測(cè)量，一般不難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。如上述檢查沒(méi)發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，則可給整機(jī)通電(此時(shí)不可接入音箱)并觀察有無(wú)異常情況(如元器件過(guò)熱、冒煙、保護(hù)繼電器能否正常吸合等)。