[科普中国]-音频放大器

音频放大器是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号的设备，其重建的信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz～20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应（驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭）。根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。

简介音频放大器是多媒体产品的重要组件之一，广泛应用于消费类电子领域。线性音频功放因失真小、音质好，在传统的音频放大器市场上一直占主导地位。近年来，随着MP3、PDA、手机、笔记本电脑等便携式多媒体设备的普及，线性功放的效率和体积已不能满足市场的要求，而D类功放以效率高、体积小等优点越来越受到人们的青睐。因此，高性能的D类功放具有十分重要的应用价值及市场前景。

音频放大器的发展先后经历了电子管（真空管）、双极型晶体管、场效应管三个时代。电子管音频放大器音色圆润、甜美，然而它体积庞大、功耗高、工作极不稳定，且高频响应不佳；双极晶体管音频放大器频带宽、动态范围大、可靠性高、寿命长，且高频响应好，然而它的静态功耗、导通电阻都很大，效率难以提高；场效应管音频放大器具有与电子管同样圆润、甜美的音色，同时它的动态范围宽，更重要的是它的导通电阻小，可以达到很高的效率。1

分类音频功率放大器种类繁多，常用的有A类、B类、AB类、C类、D类、E类、F类、G类、H类、S类等十余种，但适合于音频应用的只有A类、B类、AB类和D类等四种。

A类放大器A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。A类功放只需一只晶体管给负载提供电流，在完整的信号周期内，导通角为360℃。这种功放失真小，但往往需要很大的静态电流，效率低。理论上，A类功放最大工作效率为25%，因此工作时需要散热片。

B类放大器B类功放由两只互补的晶体管组成，在完整的信号周期里，每只放大管都会在半个周期内导通而在另半个周期内截止，即导通角只有180℃。由于它没有静态电流，因此效率较高，理论上，B类功放的最大效率可达78%。然而，当输入信号接近零时，放大管存在临界导通状态，产生交越失真。

AB类放大器AB类功放是在B类功放的输入端插入两个二极管，当输入接近零时，放大管已经微导通，从而使每个放大管导通角大于180℃而小于360℃。AB类功放克服了B类功放的交越失真，效率处在A类、B类功放之间，是传统线性功放常采用的结构。然而，中等输出的电压通常远离电源电压，有很大的功耗消耗在晶体管上，所以，即使是精心设计的AB类功放，其效率还不是很高。

D类放大器D类（数字音频功率）放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM（脉冲亮度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PWM或 PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。

D类功放的输出级由两个互补的功率管组成，在高频控制脉冲信号的推动下，功率管工作在开关状态，一个导通则另一个截止，因此，D类功放无需静态功耗，具有很高的效率。理论上D类功放效率可达到100%，实际上也高于80%，是传统线性功放的2～3倍。

数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路（半桥式和全桥式）和低通滤波器（LC）等四部分组成.D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号。

D类（数字音频功率）放大器有以下优点：

1）具有很高的效率，通常能够达到85%以上；

2）体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间；

3）无裂噪声接通；

4）低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。

对比A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。

结构组成音频放大的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上高效率、低失真地重现音频输入信号。音频信号的频率范围为20Hz～20KHz，因此音频放大器必须具有良好的频率响应。音频放大器通常由前置放大器和功率放大器组成。1

前置放大器音频信号源信号的幅度一般很小，不能直接驱动功率放大器，因此必须先将它们放大到一定幅度，这就需要用到前置放大器。除了信号放大功能，前置放大器还可以同时具有音量调节、音调控制、响度控制和声道均衡等功能。

功率放大器功率放大器简称为功放，它的目的是给负载提供足够大的电流驱动能力，实现功率放大。D类功放工作在开关状态，理论上它无需静态电流，具有很高的效率。

典型的D类功放拓扑结构如图3所示：它由三角波发生器、比较器、功率输出级以及LC低通滤波器组成。

图3为D类功放的工作原理示意图。正弦波音频输入信号与频率比它高得多的三角波信号通过比较器进行调制，得到占空比与输入信号幅度成正比的PWM调制信号，PWM调制信号推动输出功率管工作在开关状态，在功率管的输出端获得占空比不变的输出信号，该输出信号的幅度为电源电压，且具有很强的电流驱动能力。经过信号调制，输出信号既包含输入信号和调制三角波的基波成分，同时也包含了它们的高次谐波及其组合。经过LC低通滤波后，输出信号中的高频成分被滤除，在负载上得到与原音频信号频率相同、幅度被放大了的低频信号。1

典型电路如下是AN7115音频功率放大电路的一个简单介绍。

AN7115在V=9.0V，THD=10%，RL=8Ω条件下，输出功率可达2.1W，噪声输出3mV。

极限参数：Vcc=13V，耗散功率（不带散热器）为1.2W，带散热器的条件下为2.25W。工作温度-20—70℃，适合于小型便携式收录音机及音响设备作功率放大器。

TDA2030采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。如图3所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。

电路特点：

1）外接元件非常少。

2）输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。

3）采用超小型封装（TO-220），可提高组装密度。

4）开机冲击极小。

5）内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学