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2023/8/7第6章音頻放大器
2023/8/4第6章音頻放大器2023/8/76.1音頻放大器的組成
音頻放大器又稱(chēng)聲頻放大器、低頻放大器或擴(kuò)音機(jī),是放大音頻電信號(hào)的裝置。按音頻放大器中各部分的功能不同,常常將其分為兩部分:其一稱(chēng)為前置放大器(也稱(chēng)前級(jí)放大器);其二稱(chēng)為功率放大器(也稱(chēng)后級(jí)放大器),如圖6-1所示為模擬音頻放大器的基本組成框圖。前置放大器還可細(xì)分為信號(hào)源前置放大器和主控放大器。2023/8/46.1音頻放大器的組成音頻放大器又稱(chēng)聲頻2023/8/76.2前置放大器
圖6-2前置放大器示意圖
2023/8/46.2前置放大器圖6-2前置放大2023/8/71.信號(hào)源前置放大器的作用是:
①有選擇地接收信號(hào)源的信號(hào);②對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行頻率均衡或阻抗變換;③對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大,使各種信號(hào)的輸出電壓基本相同,以利于其后的主控放大器的工作,并改善信噪比。6.2前置放大器
2023/8/41.信號(hào)源前置放大器的作用是:
6.22023/8/72.前置放大器中的主控放大器也稱(chēng)控制放大器或線路放大器,其主要作用是將前面送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行各種處理與再放大,使之能滿(mǎn)足功率放大器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求,并達(dá)到人們對(duì)音響效果的某些主觀要求,比如音量調(diào)節(jié)、響度控制、音調(diào)調(diào)節(jié)、噪聲抑制、聲道平衡、聲像展寬等功能都在此環(huán)節(jié)完成。6.2前置放大器
2023/8/42.前置放大器中的主控放大器也稱(chēng)控制放大器或2023/8/7前置放大器主要功能電路有以下幾個(gè)部分。6.2.1均衡放大電路
均衡放大電路是校正輸入信號(hào)的頻率響應(yīng)并進(jìn)行放大而設(shè)置的專(zhuān)用電路。過(guò)去常見(jiàn)的有:電磁唱頭均衡放大電路、磁頭均衡放大電路。6.2前置放大器
2023/8/4前置放大器主要功能電路有以下幾個(gè)部分。6.2023/8/7音調(diào)控制電路通過(guò)對(duì)高、中、低音調(diào)的調(diào)節(jié),以適應(yīng)節(jié)目的特點(diǎn)并滿(mǎn)足不同聽(tīng)音者的要求。音調(diào)控制的基本原理是調(diào)節(jié)衰減網(wǎng)絡(luò)或者反饋網(wǎng)絡(luò)的頻率特性,使其對(duì)高、中、低不同頻率的信號(hào)產(chǎn)生不同程度的衰減或反饋,達(dá)到調(diào)節(jié)輸出頻率響應(yīng)的目的。6.2.2音調(diào)控制電路
2023/8/4音調(diào)控制電路通過(guò)對(duì)高、中、低音調(diào)的調(diào)節(jié),以適2023/8/7音調(diào)控制電路的幅頻特性有四種情形:低音提升、低音衰減、高音提升及高音衰減。低音提升(或衰減)的轉(zhuǎn)折頻率f1一般為100Hz,高音提升(或衰減)的轉(zhuǎn)折頻率f3一般為10kHz,中頻轉(zhuǎn)折頻率f2一般為lkHz,6.2.3等響度控制電路6.2.4前置放大器中的分頻6.2.2音調(diào)控制電路
2023/8/4音調(diào)控制電路的幅頻特性有四種情形:低音提升、2023/8/76.3功率放大器
功率放大器的作用是將來(lái)自主控放大器的信號(hào)放大到能足夠推動(dòng)相應(yīng)揚(yáng)聲器所需的功率。功率放大的本質(zhì)就是將電源電能“轉(zhuǎn)化”為音頻信號(hào)電能。圖6-4功率放大器的組成方框圖
2023/8/46.3功率放大器功率2023/8/71.諧波失真
諧波失真是指功率放大器中非線性畸變的狀況,它是由非線性元器件所引起的,它使輸出信號(hào)中出現(xiàn)輸入信號(hào)中沒(méi)有的諧波成份,如圖6-5所示是產(chǎn)生二次諧波失真的情況。圖6-5產(chǎn)生二次諧波失真示意圖6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/41.諧波失真
諧波失真是指功率放大器中非線性2023/8/72.頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)又稱(chēng)頻率特性,它又可細(xì)分為增益——頻率響應(yīng)和失真——頻率響應(yīng)。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/42.頻率響應(yīng)6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/73.輸出功率功率放大器輸出功率的表示方法有多種,其中最常用的是額定輸出功率,是指在額定負(fù)載阻抗下,放大器不失真的輸出功率,常常是由生產(chǎn)廠家來(lái)規(guī)定此值。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/43.輸出功率6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/7除額定輸出功率外,功率放大器的輸出功率,還有以下的種種表示方法:平均功率。它是瞬時(shí)功率在一周期內(nèi)的平均值。
有效值功率。它是瞬時(shí)功率的均方根值。
音樂(lè)功率。它是指放大器工作于音樂(lè)信號(hào)時(shí)的輸出功率,又稱(chēng)動(dòng)態(tài)輸出功率。
功率放大器的實(shí)際輸出功率與它所帶負(fù)載的阻抗大小有著密切聯(lián)系,在使用中需加注意。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/4除額定輸出功率外,功率放大器的輸出功率,還有2023/8/74.信噪比功率放大器額定輸出電壓與無(wú)信號(hào)輸入時(shí)輸出的噪聲電壓之比,稱(chēng)為信噪比(S/N),常用dB來(lái)表示。即專(zhuān)業(yè)功放的信噪比通常要求大于100dB。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/44.信噪比功率放大器額定輸出電壓與無(wú)信號(hào)輸2023/8/75.輸入靈敏度
功率放大器達(dá)到額定輸出功率時(shí),輸入信號(hào)所需的電平值,稱(chēng)為輸入靈敏度。功放的輸入靈敏度約為+4dB(注:0dB為0.775V)。6.輸出阻抗
普通功率放大器輸出級(jí)的內(nèi)阻一般都很低,而輸出阻抗是指功率。
放大器能長(zhǎng)期工作,并能使負(fù)載獲得最大輸出功率的匹配阻抗。功率放大器的輸出阻抗一般為2Ω、4Ω、8Ω和16Ω等。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/45.輸入靈敏度
2023/8/78.瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)是表征放大器對(duì)信號(hào)(尤其是高頻信號(hào))的跟隨能力。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/48.瞬態(tài)響應(yīng)6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/79.交越失真與削波失真交越失真是由于乙類(lèi)推挽放大器功放管的起始導(dǎo)通非線性造成的,波形如圖6-6所示。圖(a)為輸入的無(wú)失真的正弦波信號(hào),圖(b)為放大器輸出的交越失真信號(hào)。削波失真是功放管飽和時(shí),放大器輸出信號(hào)不隨輸入信號(hào)的增大而增大,輸出波形尖峰被削平,稱(chēng)為削波失真,如圖6-6(c)所示。圖6-6交越失真與削波失真
6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/49.交越失真與削波失真交2023/8/710.互調(diào)失真11.相位失真相位失真也稱(chēng)相位畸變,功率放大器和其它聲頻系統(tǒng),輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間一般是存在相位差的。12.瞬態(tài)互調(diào)失真由于負(fù)反饋很深,這種過(guò)載電壓值有時(shí)比額定值高幾十倍甚至幾百倍,因而輸出信號(hào)被削頂,從而造成了失真,這就是瞬態(tài)互調(diào)(TransientIntermoduiation)失真,簡(jiǎn)寫(xiě)TIM失真。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/410.互調(diào)失真11.相位失真12.瞬態(tài)互調(diào)2023/8/7怎樣減小甚至消除瞬態(tài)互調(diào)失真是廠家和消費(fèi)者都關(guān)心的事情。經(jīng)過(guò)研究與實(shí)踐發(fā)現(xiàn)了很多的具體措施,這里僅列幾條如下。
(1)采用20~25dB較小的大環(huán)路負(fù)反饋,輔之以每級(jí)的少量局部負(fù)反饋,使整個(gè)放大器的開(kāi)環(huán)增益控制在50dB左右。(2)選用特征頻率高的晶體管,使放大器的頻響較好,至少要達(dá)到100kHz。前級(jí)各管頻率需達(dá)到40~200MHz,末級(jí)功放管應(yīng)達(dá)到2-4MHz。(3)放大器應(yīng)盡量采用對(duì)稱(chēng)電路結(jié)構(gòu),各級(jí)均采用推挽電路并達(dá)到全互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)方式。(4)在保證一定信噪比前提下,輸入級(jí)的靜態(tài)電流適當(dāng)取大一些,這樣可減小晶體管發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象的可能性。比如一些前級(jí)采用甲類(lèi)方式靜態(tài)電流高達(dá)50mA,可使后級(jí)在瞬態(tài)輸出時(shí)得到充足的電流供給,提高整機(jī)瞬態(tài)特性。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/4怎樣減小甚至消除瞬態(tài)互調(diào)失真是廠家和消費(fèi)者都2023/8/7(5)采用高、低壓雙電源供電方式,前級(jí)放大由高壓電源供電,以提高過(guò)載能力并擴(kuò)展晶體管線性區(qū)域。(6)在電壓放大級(jí)的發(fā)射極反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)合適的小電容,將滯后補(bǔ)償改為提前補(bǔ)償,以提高放大器的開(kāi)環(huán)頻響,減小瞬態(tài)互調(diào)失真,并且能夠增加頻帶寬度。(7)在放大器輸入端加接無(wú)源濾波器,以免超聲頻或射頻信號(hào)串入,形成輸入級(jí)瞬間過(guò)載。6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/4(5)采用高、低壓雙電源供電方式,前級(jí)放大2023/8/713.晶體管功放與電子管功放削波失真的比較圖6-7晶體管功放與電子管功放的過(guò)荷特性
6.4音頻放大器的主要性能指標(biāo)2023/8/413.晶體管功放與電子管功放削波失真的比較2023/8/76.5音頻放大器的分類(lèi)1.按所用電子元器件,可分為晶體管放大器、電子管(真空管)放大器集成電路放大器、厚膜功放及混合式放大器等等。2.按其結(jié)構(gòu)類(lèi)型,則可分為合并式放大器、前后級(jí)分體式放大器和AV功放。3.若按電路工作狀態(tài),可分為超甲類(lèi)、甲類(lèi)、甲乙類(lèi)及丙類(lèi)等等。也有按功放電路輸出形式,可分為變壓器輸出、OTL、OCL、直接耦合及BTL類(lèi)等等4.按與揚(yáng)聲器的連接方式,可分為定阻輸出、定壓輸出功率放大器。2023/8/46.5音頻放大器的分類(lèi)1.按所用電子元器件,2023/8/76.6功率放大器的電路形式
下面簡(jiǎn)述常用的幾種晶體管功率放大器的電路形式1.OTL功率放大器(1)準(zhǔn)互補(bǔ)型OTL功率放大器電路:圖6-8為準(zhǔn)互補(bǔ)型OTL功率放大器的實(shí)用電路。(2)全互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)OTL功率放大器電路:2023/8/46.6功率放大器的電路形式2023/8/7圖6-8準(zhǔn)互補(bǔ)型OTL電路圖6-9全互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)OTL電路6.6功率放大器的電路形式
2023/8/4圖6-8準(zhǔn)互補(bǔ)型OTL電路2023/8/7(1)準(zhǔn)互補(bǔ)OCL功率放大器電路,準(zhǔn)互補(bǔ)OCL功率放大器電路如圖6-10所示,這種放大器的輸出電路克服了OTL電路的缺陷。圖6-10準(zhǔn)互補(bǔ)型OCL電路
6.6功率放大器的電路形式
2023/8/4(1)準(zhǔn)互補(bǔ)OCL功率放大器電路,準(zhǔn)互補(bǔ)OC2023/8/7(2)全互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)0CL功率放大器電路,這種放大器的輸出電路與全互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)OTL電路一樣,采用PNP大功率硅管與NPN大功率硅管組成全互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)推挽輸出電路。6.6功率放大器的電路形式
2023/8/4(2)全互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)0CL功率放大器電路,這種放2023/8/7這類(lèi)功率放大器的特點(diǎn)是:(1)沒(méi)有任何電容,改善了電路的瞬態(tài)特性,抑制了開(kāi)機(jī)沖擊聲;(2)采用互補(bǔ)雙差分輸入電路,對(duì)輸入的共模信號(hào)有較強(qiáng)的抑制能力,提高了中點(diǎn)電壓穩(wěn)定性。同時(shí)雙差分電路比較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)的平衡激勵(lì),使整個(gè)電路工作在更加對(duì)稱(chēng)的狀態(tài);(3)整機(jī)電路對(duì)稱(chēng)性好,晶體管高頻特性好,特別是全對(duì)稱(chēng)直流耦合電路,上下兩路完全對(duì)稱(chēng),開(kāi)環(huán)畸變極小,不需要引入深度大環(huán)路負(fù)饋,大大降低瞬態(tài)互調(diào)失真;(4)取消了大環(huán)路反饋電容,交、直流反饋系數(shù)相等,電路對(duì)交、直流信號(hào)具有相同放大倍數(shù),利于提高放大器的低頻響應(yīng);(5)整個(gè)電路對(duì)晶體管的性能及配對(duì)要求極為嚴(yán)格,而且電路的輸入阻抗較低。2023/8/4這類(lèi)功率放大器的特點(diǎn)是:2023/8/7BTL功率放大器圖6-12BTL電路原理圖
2023/8/4BTL功率放大器圖6-12BTL電2023/8/7利用兩組完全對(duì)稱(chēng)的OCL功率放大器可以組成BTL功率放大器,圖6-13為一典型的平衡輸入式BTL功率放大器電路框圖,電路中兩組OCL電路交、直流多數(shù)完全對(duì)稱(chēng),電路增益取決于R1與R2的比值。圖6-13平衡輸入式BTL功率放大器
6.6功率放大器的電路形式
2023/8/4利用兩組完全對(duì)稱(chēng)的OCL功率放大器可以組成B2023/8/76.7功率放大器的電源及保護(hù)電路
1.對(duì)功放電源的一般要求
圖6-14高頻開(kāi)關(guān)電源與環(huán)型變壓器大動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)的電壓波動(dòng)比較
2023/8/46.7功率放大器的電源及保護(hù)電路1.對(duì)功放2023/8/72.功放的保護(hù)電路
圖6-15常用保護(hù)電路框圖
6.7功率放大器的電源及保護(hù)電路
2023/8/42.功放的保護(hù)電路圖6-15常用保護(hù)電路2023/8/7(1)切斷負(fù)載式保護(hù)電路(2)分流式保護(hù)電路(3)輸入端保護(hù)電路圖6-16分流保護(hù)電路和揚(yáng)聲器保護(hù)電路圖6-17放大器輸入端保護(hù)6.7功率放大器的電源及保護(hù)電路
2023/8/4(1)切斷負(fù)載式保護(hù)電路(2)分流式保護(hù)電2023/8/7事實(shí)上,最大均方根功率也是隨節(jié)目的性質(zhì)的不同而不同,通過(guò)大量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),我們可得出以下一些結(jié)論:
l.統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)表明,絕大多數(shù)節(jié)目(占88%)的最大均方根功率與平均均方根功率之比,在3~10倍的范圍內(nèi)。2.因?yàn)槠骄礁β嗜Q于節(jié)目放聲的響度,所以應(yīng)該把額定功率定在相當(dāng)于平均均方根功率的水平上。這時(shí)最大均方根功率為平均均方根功率的3~10倍。由于高保真度放聲要求最大均方根功率必須低于功放的削波功率,因此削波功率應(yīng)該大于額定功率的3~10倍。3.對(duì)高保真度專(zhuān)業(yè)放聲用功放的額定功率至多應(yīng)該是削波功率的10%,即使如此,尚有8%的少量節(jié)目在10倍功率儲(chǔ)備情況下,仍有巔峰被削波的情況出現(xiàn)。4.對(duì)專(zhuān)業(yè)放聲用功放,削波功率與平均功率之比,只能取大于10:1的比例。若降低要求,比如此比例?。?~7):l,那么將有44%的節(jié)目的部分巔峰有被削波的危險(xiǎn)。可見(jiàn),民用高質(zhì)量功放最少也應(yīng)按此比例取值。6.8放大器的額定功率與功率儲(chǔ)備
2023/8/4事實(shí)上,最大均方根功率也是隨節(jié)目的性質(zhì)的不同2023/8/75.由分析可見(jiàn),把額定功率定得和削波功率一樣高或稍低于削波功率都是不正確的。6.因?yàn)榫w管(含集成電路)功放在過(guò)載后產(chǎn)生明顯的削波,而電子管功放過(guò)載后,諧波畸變與互調(diào)畸變并不迅速增加,所以電子管功放的功率儲(chǔ)備量可以明顯低于上述比例。這也是為什么有時(shí)晶體管功放(特別是大功率的功放)測(cè)得的指標(biāo)尚好,但放音質(zhì)量較差的主要原因。當(dāng)然,普通存在于功放電路中的瞬態(tài)互調(diào)畸變,則是另一個(gè)原因。7.分析一下通常收音機(jī)、電視機(jī)音質(zhì)差的原因何在。15~20m2的居室,有1/20W的聲功率響度就夠了。收音機(jī)和電視機(jī)用的小功率揚(yáng)聲器,其效率一般不到5
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