音頻放大器

音頻放大器是多媒體產品的重要組件之一，廣泛應用於消費類電子領域。線性音頻功放因失真小、音質好，在傳統的音頻放大器市場上一直占主導地位。近年來，隨着MP3、PDA、手機、筆記本電腦等便攜式多媒體設備的普及，線性功放的效率和體積已不能滿足市場的要求，而D類功放以效率高、體積小等優點越來越受到人們的青睞。因此，高性能的D類功放具有十分重要的應用價值及市場前景。

音頻放大器的發展先後經歷了電子管（真空管）、雙極型晶體管、場效應管三個時代。電子管音頻放大器音色圓潤，然而它體積龐大、功耗高、工作極不穩定，且高頻響應不佳；雙極晶體管音頻放大器頻帶寬、動態範圍大、可靠性高、壽命長，且高頻響應好，然而它的靜態功耗、導通電阻都很大，效率難以提高；場效應管音頻放大器具有與電子管同樣圓潤的音色，同時它的動態範圍寬，更重要的是它的導通電阻小，可以達到很高的效率。 ^[1] 

音頻功率放大器種類繁多，常用的有A類、B類、AB類、C類、D類、E類、F類、G類、H類、S類等十餘種，但適合於音頻應用的只有A類、B類、AB類和D類等四種。

A類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q設定在負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個週期內均導通。放大器可單管工作，也可以推輓工作。由於放大器工作在特性曲線的線性範圍內，所以瞬態失真和交替失真較小。電路簡單，調試方便。A類功放只需一隻晶體管給負載提供電流，在完整的信號週期內，導通角為360℃。這種功放失真小，但往往需要很大的靜態電流，效率低。理論上，A類功放最大工作效率為25%，因此工作時需要散熱片。

B類功放由兩隻互補的晶體管組成，在完整的信號週期裏，每隻放大管都會在半個週期內導通而在另半個週期內截止，即導通角只有180℃。由於它沒有靜態電流，因此效率較高，理論上，B類功放的最大效率可達78%。然而，當輸入信號接近零時，放大管存在臨界導通狀態，產生交越失真。

AB類功放是在B類功放的輸入端插入兩個二極管，當輸入接近零時，放大管已經微導通，從而使每個放大管導通角大於180℃而小於360℃。AB類功放克服了B類功放的交越失真，效率處在A類、B類功放之間，是傳統線性功放常採用的結構。然而，中等輸出的電壓通常遠離電源電壓，有很大的功耗消耗在晶體管上，所以，即使是精心設計的AB類功放，其效率還不是很高。

D類（數字音頻功率）放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數字信息變換成PWM（脈衝亮度調製）或PDM（脈衝密度調製）的脈衝信號，然後用PWM或 PDM的脈衝信號去控制大功率開關器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關放大器。具有效率高的突出優點。

D類功放的輸出級由兩個互補的功率管組成，在高頻控制脈衝信號的推動下，功率管工作在開關狀態，一個導通則另一個截止，因此，D類功放無需靜態功耗，具有很高的效率。理論上D類功放效率可達到100%，實際上也高於80%，是傳統線性功放的2～3倍。

數字音頻功率放大器也看上去成是一個一比特的功率數模變換器。放大器由輸入信號處理電路、開關信號形成電路、大功率開關電路（半橋式和全橋式）和低通濾波器（LC）等四部分組成.D類放大或數字式放大器。系利用極高頻率的轉換開關電路來放大音頻信號。

D類（數字音頻功率）放大器有以下優點：

1）具有很高的效率，通常能夠達到85%以上；

2）體積小，可以比模擬的放大電路節省很大的空間；

3）無裂噪聲接通；

4）低失真，頻率響應曲線好。外圍元器件少，便於設計調試。

A類、B類和AB類放大器是模擬放大器，D類放大器是數字放大器。B類和AB類推輓放大器比A類放大器效率高、失真較小，功放晶體管功耗較小，散熱好，但B類放大器在晶體管導通與截止狀態的轉換過程中會因其開關特性不佳或因電路參數選擇不當而產生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真，頻率響應曲線好。外圍元器件少優點。AB類放大器和D類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式。

音頻放大的目的是以要求的音量和功率水平在發聲輸出元件上高效率、低失真地重現音頻輸入信號。音頻信號的頻率範圍為20Hz～20000Hz，因此音頻放大器必須具有良好的頻率響應。音頻放大器通常由前置放大器和功率放大器組成。 ^[1] 

音頻信號源信號的幅度一般很小，不能直接驅動功率放大器，因此必須先將它們放大到一定幅度，這就需要用到前置放大器。除了信號放大功能，前置放大器還可以同時具有音量調節、音調控制、響度控制和聲道均衡等功能。

功率放大器簡稱為功放，它的目的是給負載提供足夠大的電流驅動能力，實現功率放大。D類功放工作在開關狀態，理論上它無需靜態電流，具有很高的效率。

典型的D類功放拓撲結構如圖3所示：它由三角波發生器、比較器、功率輸出級以及LC低通濾波器組成。

圖3為D類功放的工作原理示意圖。正弦波音頻輸入信號與頻率比它高得多的三角波信號通過比較器進行調製，得到佔空比與輸入信號幅度成正比的PWM調製信號，PWM調製信號推動輸出功率管工作在開關狀態，在功率管的輸出端獲得佔空比不變的輸出信號，該輸出信號的幅度為電源電壓，且具有很強的電流驅動能力。經過信號調製，輸出信號既包含輸入信號和調製三角波的基波成分，同時也包含了它們的高次諧波及其組合。經過LC低通濾波後，輸出信號中的高頻成分被濾除，在負載上得到與原音頻信號頻率相同、幅度被放大了的低頻信號。 ^[1] 

如下是AN7115音頻功率放大電路的一個簡單介紹。

AN7115在V=9.0V，THD=10%，RL=8Ω條件下，輸出功率可達2.1W，噪聲輸出3mV。

極限參數：Vcc=13V，耗散功率（不帶散熱器）為1.2W，帶散熱器的條件下為2.25W。工作温度-20—70℃，適合於小型便攜式收錄音機及音響設備作功率放大器。

TDA2030採用V型5腳單列直插式塑料封裝結構。如圖3所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應用於汽車立體聲收錄音機、中功率音響設備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。並具有內部保護電路。意大利SGS公司、美國RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類產品生產，雖然其內部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。

電路特點：

1）外接元件非常少。

2）輸出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。

3）採用超小型封裝（TO-220），可提高組裝密度。

4）開機衝擊極小。

5）內含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反衝等。