功率放大器的阻抗匹配、防護措施、使用技巧及特點

　　對于主要作用是向負載提供功率的放大電路通常稱為功率放大電路，其主要特點如下：一是輸出功率是指交變電壓和交變電流的乘積，即交流功率；二是交流功率是在輸入為正弦波、輸出波形基本不失真時定義的；三是輸出功率大，因而消耗在電路內(nèi)的能量和電源提供的能量也大；四是晶體管常常工作在極限應(yīng)用狀態(tài)，由此要考慮必要的散熱措施和過電流、過電壓的保護措施。

　　功率放大器的阻抗匹配

　　在所有電子音像設(shè)備中，都有一個功率輸出的最佳方案問題，即為了獲得最大的功率輸出而又不增加電路的投資經(jīng)費，這就是功率放大器與揚聲器系統(tǒng)的最佳組合。

　　功率放大器組合的目的是為了達到最小的設(shè)備投資而獲得最大的功率輸出，以圖1互補型功率放大電路為例：和為功放朱級，工作于低偏置甲乙類互補狀態(tài)。它的輸出功率近似于乙類狀態(tài)。

　　為了達到最大輸出功率，所以負載的大小應(yīng)該使功率管的電流輸出和電壓輸出的乘積最大，這時的狀態(tài)稱為功率匹配狀態(tài)。在音響設(shè)備的揚聲器系統(tǒng)中音響的輸出阻抗應(yīng)為揚聲器組合狀態(tài)的總阻抗，這樣音響的輸出功率才是標明的額定標準功率，否則音響的輸出功率就達不到要求。

　　例如：音響標準接頭上標明是4Ω、100W，那么該接頭上的阻抗就是兩個8Q揚聲器的并聯(lián)，每個揚聲器可得到50W，這樣綜合揚聲器系統(tǒng)，就是4Ω、100W，否則不能實現(xiàn)100w的功率輸出。

　　功率放大器的防護

　　功率管是功率放大電路中最容易受到損壞的器件，損壞的大部分原因是由于管子的實際耗散功率超過了額定數(shù)值。另外，若功率放大器與揚聲器失配或揚聲器使用中長期過載，也極易損壞揚聲器（或音箱），因此，在音響設(shè)備中，防護的目的是保護昂貴的功放和揚聲器，所以對電源、功放、音箱的過載和短路保護是完全必要的。

　?。?）電源保護：圖2是分立元件穩(wěn)壓電路，電路中Ri的是過載電流取樣電阻，當其電壓大于0.7V時，V13導(dǎo)通，集電極電位下降，調(diào)整管V11斷開，限制電源輸出電流。

　　圖3是可調(diào)輸出電壓模塊，功耗達70W，電流可達10A，電壓調(diào)整率為20.8％，輸出電壓為1.25～15V，且有短路保護。

　　當使用開關(guān)電源時（例如芯片CWl225），則有專門的保護控制端第⑩腳，只要輸入過電流或過電壓信號，即可達到保護目的。

　?。?）功放級晶體管保護：功率放大晶體管除在使用中必須注意環(huán)境溫度及選用合適的散熱器外，主要是考慮過電流和過電壓保護問題，目前應(yīng)用的集成電路都設(shè)有限流保護和熱切斷保護功能（如HAl350、HA2211、LM2879等），所以在自制功放時須注意過壓保護，如圖4所示。依靠R內(nèi)（電源內(nèi)阻）和Vl、V2的擊穿，使過電壓不能升高而保護Vl、V2。

　?。?）音箱揚聲器系統(tǒng)保護：音響系統(tǒng)的保護有兩種意義：一種是音響揚聲器的過載；另一種不是音頻功率的過大、而是直流電位的偏移，導(dǎo)致無電容隔離的OCL或BTL電路揚聲器燒毀。過載時，功放電路已經(jīng)有保護無須另外考慮，這里僅介紹直流偏移組合音響保護電路。

　　圖5為組合音響保護電路。從圖中可以看出，當左、右聲道送入音箱的聲音信號，經(jīng)過R1、R2被電容C2、C3旁路而無直流偏移時，整流橋無直流輸出，V11截止，V12、V13導(dǎo)通，繼電器K吸合，左、右聲頻信號經(jīng)保險絲F輸出；當存在直流偏移時，整流橋輸出使V11導(dǎo)通，V12、V13截止，繼電器K釋放切斷了音頻信號，保護音箱。

　　電路中C2、C3是濾波電容，C4具有開關(guān)機時延時接通音箱功能，避免開機時的沖擊噪聲，V則具有短路K的斷電反電動勢作用，保護V12、V13晶體管。

　　對功放電路的了解或評價，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，例如收音機中功放耗電要占整機的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已經(jīng)幾級放大，有足夠強度，這會使功放管工作點大幅度移動，所以要求功放電路有較大的動態(tài)范圍。功放管的工作點選擇不當，輸出會有嚴重失真。

　　功率放大器的使用：

　　功率放大器在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。

　　對于很多人來說，對放大器并不是十分的了解，不清楚在功放音箱中，都需要哪些的配件進行配置，才能將功放的效果播放到一個最佳的狀態(tài)。第一種：就是在喇叭下面裝個電阻做電流取樣，實際上反饋回去的還是電壓信號，是模擬的電流反饋，做的人最多，但是這個電路有缺陷的，有2個方面的原因：

　　1、是他的輸出增益會隨著阻抗的變化而變化。結(jié)果使加在喇叭2端的不是恒壓了，好象這樣可以使加到喇叭上的功率恒定。由于揚聲器的聲壓特性曲線是在恒壓輸出下測試的，所以單純的這種電路并不好聲，聽感不佳，好玩而已，不過有改進型的電路，以電壓負反饋為主，加適量的這種類型的電流負反饋，倒是可以做出不錯的聲音，但此時電流負反饋的作用是改變功放的阻尼系數(shù)，對幅頻特性影響不大。

　　2、是取樣點在喇叭的下面，喇叭是個電感，電流流過電感其相位會變化，低頻還好，高頻可以移相90度，相位特性極差。第二種：負阻放大器，除了在一些特別的場合，第一個用于音響上并取得成功的是YAMAHA，其主要的作用是對低頻的延伸有很好的改善作用，但是對200Hz以上的頻率卻會起到劣化音質(zhì)的效果，所以一般是用在超低頻有源音箱上。實際上，這種電路是和音箱搭配使用的，單獨沒有什么實際使用的意義。其工作原理是：如果音箱是一個剛體，那么加上一個管子，就可以變成一個理想的霍爾莫滋共鳴箱，那么不管這箱子大小如何，管子的粗細怎樣，只要符合霍爾莫滋共振計算公式。哪怕20Hz的諧振點也可以做的到，箱子的大小，只是效率高低而已，由于音箱上有喇叭的存在，喇叭在發(fā)聲的時候是在運動的，音箱就不是一個剛體，那么箱子就不會產(chǎn)生霍爾莫滋共鳴。

　　因此，如果在發(fā)聲的時候喇叭的振膜是靜止不動的。那么，箱子就接近剛體，就可以滿足霍爾莫滋共振的條件，可以任意的設(shè)計這個箱子的諧振點。發(fā)聲的時候讓喇叭不動的工作就是負阻功放的任務(wù)了。負阻功放的工作原理是當喇叭在低頻段工作的時候，其阻抗特性急劇變化，放大電路通過電流取樣將這種變化取出來反饋給功放，使得功放以電流的形式進行控制喇叭，如果對放大電路進行等效分析，可以發(fā)現(xiàn)功放的內(nèi)阻在計算上成負阻特性。在動態(tài)放大的時候使得喇叭加放大器的內(nèi)阻接近于0。結(jié)果這種電路使得在喇叭不管朝哪個方向都受到很強的阻尼。只要發(fā)聲以結(jié)束，喇叭就不動了，箱子也就變剛體了。

　　第三種：電流模反饋放大電路，這個才是實用的電流放大電路，也是真正的電流型負反饋，其反饋的信號是電流，不是電壓，就是說在負反饋端不是加上，而是加入，有電流流入的。這種電路最早是在視頻傳輸，或則儀器設(shè)備象示波器什么的上用的很多。

　　由于是低阻負電流反饋輸入這種電路的高頻特性極佳，容性負載的驅(qū)動能力超強，只要進過改進，發(fā)現(xiàn)做功率放大器很是不錯，可以彌補電壓型放大器的一些先天不足，象開環(huán)頻響低，閉環(huán)的瞬態(tài)頻響失真，極弱的容性負載驅(qū)動能力。缺點是這種電路的開環(huán)增益比較低，閉環(huán)后的失真會比電壓型放大器高一個數(shù)量級。不過，做的好總失真也不會過0.01%。

　　功率放大器的主要特點：

　　功率放大器簡稱功放，以其主要用途來說，功放可以分做兩個主要類別，即專用功放與民用功放。在體育館場、影劇場、歌舞廳、會議廳、公共場所擴聲，以及錄音監(jiān)聽等處所使用的功放，一般說在其技術(shù)參數(shù)上往往會有一些獨特的要求，這類功放通常稱之為專用功放或是專業(yè)功放。

　　而用于家庭的Hi-Fi音樂欣賞，AV系統(tǒng)放音，以及卡拉OK娛樂的功放，通常稱為民用功放或是家用功放。專用功放與民用功放盡管在一些特性參數(shù)上有所差別，但也很難說有一條涇渭分明的界線，比如用于音樂錄音監(jiān)聽的功放很可能就是一臺可用于家庭Hi-Fi甚至是Hi-end功放。

　　Hi-Fi功放與AV功放：

　　Hi-Fi功放與AV功放是家用功放中的兩個主要類別。這兩類功放用于不同的用途，設(shè)計的側(cè)重也不相同。Hi-Fi功放用于欣賞音樂，使用者追求的是盡可能的“原汁原味”。而AV功放的使用者追求的是與畫面相配合的“現(xiàn)場”效果，甚至是夸張了的“現(xiàn)場”效果。這兩類功放不太好直接比較孰優(yōu)孰劣，比如價位同為三千多元的Hi-Fi功放與AV功放，Hi-Fi功放的成本投入只在兩個聲道上，而AV功放的成本投入則要兼顧5-6個聲道，還要具有一定的效果處理功能。如果僅看其兩個主聲道的投入，肯定低于Hi-Fi功放兩個聲道的投入。其放音效果的差異是顯而易見的。但是無論是Hi-Fi功放還是AV功放，都有高檔精品型與超值普及型之分。

　　一般來說，很難能有一臺可以對Hi-Fi、AV全兼容的AV功放，AV功放兼顧Hi-Fi音樂欣賞是有條件的，這一條件就是使用者欣賞音樂時的要求與標準，如果使用者僅是用來欣賞一些休閑音樂，或是只要求能夠聽到樂曲的旋律，AV功放是比較容易滿足的，但是要是對音樂欣賞有較高的要求，一般的AV功放就難于滿足了。

　　晶體管功放與電子管功放：

　　用于Hi-Fi欣賞的功放可以分作晶體管功放和電子管功放兩大類，以前還有用集成電路或是模塊電路的Hi-Fi功放，但現(xiàn)已經(jīng)不多見。音響技術(shù)超級論壇 晶體管功放和電子管功放并不存在著優(yōu)劣的差異，只不過應(yīng)用的器件不同（一是晶體管，一是電子管），由于兩類器件不同，其物理基理與電路特點也不相同。

　　電子管的電流是電子在真空中受電場力的吸引，運動形成的。而晶體管的電流是半導(dǎo)體元素的外層電子在電場力的作用下轉(zhuǎn)移位置形成的。這種物理基理的不同，造成在實際應(yīng)用中電路特點也不同。相對來說，電子管功放的工作電壓較高，但工作電流比較小，而晶體管功放的工作電壓較低，工作電流都比較大。 電子管功放與晶體管功放的音色確是有一定的差異，兩者對瞬態(tài)信號的響應(yīng)也不相同。這種不同都又分別適應(yīng)了不同類別的音樂和不同的音樂欣賞者，所以Hi-Fi功放中形成了晶體管功放和電子管功放并存的情況。不過，若是以品牌、型號、數(shù)量而言，晶體管功放所占的份額仍是絕對大于電子管功放。

　　甲類功放與乙類功放：

　　晶體管功放輸出級晶體管的工作狀態(tài)，可以分做甲類與乙類。所謂甲類，簡單地說就是使輸出級晶體管在正弦交流信號的正負半周時均工作在線性區(qū)，而乙類則是僅使輸出級的晶體管在正弦交流信號的正半周（或是負半周）工作在線性區(qū)。由于輸出級晶體管的工作狀態(tài)不同，使得輸出級的電源利用效率（即輸出功放與耗電功率之比）也不同。在實用的輸出電路中，乙類的效率要比甲類的效率高2-3倍。

　　甲類功放不存在交越失真，而且不論實際輸出功率大小，輸出級晶體的內(nèi)阻均為恒定。而乙類功放總會有一定的交越失真（盡管這種失真可能極?。?，另外，在大輸出時輸出級晶體管的內(nèi)阻較小，但在小輸出時輸出級晶體管的內(nèi)阻卻比較大。這些不同，造成聽感上也有不同，甲類功放的聲音相對乙類功放而言比較柔和，另外對音箱的低頻控制力也比乙類功放強，尤其是在小音量時低音的質(zhì)感要好一些。甲類功放的這些特點，使得甲類功放在實際應(yīng)用中不需要很大的輸出功率余量，一臺20W-30W的甲類功放已經(jīng)能夠把大多數(shù)的音箱推動得很不錯了。

　　前面提到了甲類功放的電源效率低，這一原因造成甲類功放工作時要散發(fā)大量的熱量。為了使晶體管的工作溫度不超過一定限度，需要較大體積和面積的散熱器，這使得甲類功放的體積、重量都比較大。

　　純后級功放與單聲道功放：

　　常見的功放都是把放大小信號的前置放大器（前級）與功率放大器（后 級）做在一個機殼中，這種功放常被稱為“合并功放”，合并功放使用方便，又有比較好的性能價格比。但這種合并功放有它一些固有的缺點，其中最不好克服的就是前級與后級之間的相互干擾問題了。為了解決這一問題，于是便把前級與后級分別做在兩個機殼中，這樣就有了純后級功放。大多的純后級功放都是雙聲道的結(jié)構(gòu)形式，但這種結(jié)構(gòu)形式使得兩個聲道相互干擾問題又不太好解決，為了解決兩個聲道相互間的干擾便又出現(xiàn)了把兩個聲道分開的單聲道純后級功放。

　　把功率放大器這樣一塊塊地分割開，最主要的意義是要提高功放的素質(zhì)，而不是追求這種形式。如果僅僅在形式上實現(xiàn)了相互分開，盡管可以解決相互干擾問題，但其它參數(shù)并未明顯改善，那么這種分開對功放提高整體素質(zhì)來說還是有限的。功率放大器有晶體管與電子管之分，前級同樣也有晶體管和電子管之分。對于音響愛好者與音樂愛好者而言，在選用前級與后級上有多種的組合形式，而不同的組合形式又有不同的音效特點，這使得使用者又多了一些選擇的空間。

　　與純后級功放配接的前級對整個音響系統(tǒng)的優(yōu)劣影響比較大。首先它必須具有一定的素質(zhì)，否則，純后級或是單聲道的優(yōu)點便發(fā)揮不出來，甚至有可能把一臺劣質(zhì)前級的“毛病”突出出來，整體音效反而更差了。再有，不同的前級后級配合其音色特點不同，使用者可以根據(jù)個人的偏愛選擇不同的組合形式。比如，很多音響與音樂愛好者就喜歡用“膽前、石后”（即電子管前級，晶體管后級）的組合方式，覺得這樣組合既發(fā)揮了晶體管后級功率輸出大，瞬態(tài)響應(yīng)好的特點，又領(lǐng)略了電子管前級音色甜美、醇厚的“韻味”，不過這種搭配也并不是“金科玉律”，因為具體的前級與后級都有各自的特點，而對音色的偏愛又因人而異，使用者可以依據(jù)具體的情況找出自己所喜愛的組合方式。

　　Hi-Fi功放應(yīng)有多大的輸出功率：

　　Hi-Fi功放應(yīng)有的輸出功率受很多因素影響，首先這一輸出功率與所配接的音箱關(guān)系較大，其次還與功放的自身素質(zhì)有關(guān)，再有就是與所使用的環(huán)境，也就是房間的空間體積有關(guān)。

　　音箱有一項參數(shù)叫作靈敏度，它的單位是dB/m？W，所代表的意義是當音箱得到1W的電功率時距離音箱1m處產(chǎn)生的聲壓（dB）。如果某款音箱的靈敏度是90dB，那么在1m處得到90dB的聲壓需有1W的功率來推動。要得到100dB的聲壓， 那就需要10W的功率來推動了。但如果音箱的靈敏度是80dB（如ATC的SCM-10）要想達到100dB的聲壓則需要100W的功率來推動了。大多數(shù)音箱的靈敏度約為85dB-90dB，對這些音箱來說，有10W-30W的不失真功率已經(jīng)能夠有足夠的聲壓了。

　　功放自身的素質(zhì)，與功放應(yīng)有的輸出功率關(guān)系較大。功放的參數(shù)中有一項稱為阻尼系數(shù)，這是表示對音箱控制能力的一項參數(shù)，但這一參數(shù)有一個適度范圍，而且又和具體的音箱有直接關(guān)系。一般說來，如果一臺功放的素質(zhì)很好，在30 W輸出時仍能保持其性能參數(shù)在一定的水準。那么就沒有必要去要求功放有更大的功率輸出?？墒侨绻Ψ诺乃刭|(zhì)不很理想，當輸出功率增加時會引起其性能參數(shù)的劣化，那么就應(yīng)當使功放的輸出功率有一定的余量，以保證在實用的輸出功率下仍有一定的良好參數(shù)。通常情況下，當功放為甲類輸出或是電子管功放，則不需要有過多的輸出功率余量，20W-30W的輸出功率已經(jīng)夠用了。但如果是乙類功放或是素質(zhì)較差的功放，這時應(yīng)使功放的輸出功率有較大的余量。另外，如果配接的音箱是大型倒相式，也應(yīng)使功放有較大的輸出功率余量。在從功放自身的素質(zhì)考慮功放應(yīng)有的輸出功率時，將功率余量選得大些確實能改善功放與音箱的適配情況。

　　選擇輸出功率較大的功放主要的意義，不是因為需要那樣大的聲壓，而是要改善功放對音箱的適配狀態(tài)。如果一臺輸出功率適度的功放已經(jīng)能夠把音箱控制的得心應(yīng)手，那么就沒有必要對這臺功放提出更高的輸出功率要求。使用環(huán)境，也就是房間的空間體積與功放應(yīng)輸出的功率也有一定的關(guān)系，以上所談及的輸出功率大小，是以房間的空間體積在40以下而言，如果房間的空間體積較大，那么功放的輸出功率則應(yīng)加大一些。

　　電子管功放輸出級的特點：

　　電子管功放的功率輸出級有三種電路類型，一類是有輸出變壓器的推挽輸出電路。這類輸出電路類型在電子管功放中占了絕大多數(shù)。在推挽電路中的輸出變壓器中直流成分很少，二次諧波失真也很小，這類電路的輸出功率可以做得比較大，所以適用范圍也比較大。一般說對膽機音色有興趣的音響愛好者來說，這類輸出級的膽機很合適。不過這類功放的，輸出變壓器的設(shè)計與工藝至關(guān)重要，如果輸出變壓器的設(shè)計與工藝上有不足之處，往往這類功放的頻率響應(yīng)，瞬態(tài)響應(yīng)就不太理想。另外由于輸出變壓器的制約，所以配接音箱的適應(yīng)范圍較小。

　　另一類功率輸出級的電路類型是單端甲類電路。這類電路也有變壓器，但這類電路的輸出變壓器中有很大的直流成分，對輸出變壓器的要求比推挽輸出電路中輸出變壓的要求要高。另外對供電電源的要求也比較高。這類輸出電路的特點是二次諧波成分比較多，盡管這是一種諧波失真，但對音樂信號來說，二次諧波是高度的諧合音，所以聽起來很入耳。這一特點使得這種輸出電路的功放在聲音的音色上很有特點，尤其是當功放級采用三極管時，人聲聽起來很甜美，室內(nèi)樂中的弦樂聽起來也很細膩，或者說，這類功放的聲音很有味道。但是這類功放的輸出功率不容易做得大，所以如果配用的音箱靈敏度較低，在放送大型管弦樂曲時就比較勉強了。這類電子管功放都很受一些音響玩家的歡迎，往往在備有一臺大功率晶體管功放之外，又備有一臺此類功放，想來是在音色上互有所補，不過，這也說明此類功放的音色特點確有動人之處。

　　還有一類電子管功放的輸出級電路是OTL電路，所謂OTL電路就是無輸出變壓器電路。現(xiàn)代的晶體管功放輸出級幾乎全是OTL電路或是OTL電路的改進型。電子管和晶體管的特性參數(shù)與工作狀態(tài)不同，晶體管功放很容易適合配阻抗為4- 8的音箱，而電子管功放要想不需要輸出變壓器去適配4-8的音箱就要費些周折了。電子管OTL功放由于去掉了輸出變壓器，所以在技術(shù)參數(shù)上比前面提到的那兩類電路有很大的提高，這類輸出電路的功放聲音極有特色，和前面兩類輸出電路相比，它有宏偉的氣勢和寬闊的聲場，和晶體管功放相比它的音色又溫暖、細膩。這類功放由于沒有輸出變壓器，所以能夠適應(yīng)較寬范圍的音箱阻抗。但是這類輸出級的功放電源效率低，設(shè)計、工藝、調(diào)試都比較復(fù)雜，這類輸出電路的功放僅見于一些高檔機種中，很難見到低價位的普及型機種。

　　電流特點：

　　對功放電路的了解或評價，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，例如收音機中功放耗電要占整機的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已經(jīng)幾級放大，有足夠強度，這會使功放管工作點大幅度移動，所以要求功放電路有較大的動態(tài)范圍。功放管的工作點選擇不當，輸出會有嚴重失真。