由于過去只有電子管這樣的器件,乙(B)類電子管功放產生的失真在公共廣播系統中都難于被人們接受,因而長時間以來,高保真功放工作類別僅限于甲(A)類和甲乙(AB)類兩種類型。隨著半導體器件的出現和電子技術的飛速發展,人們為適應各種不同的要求,設計出形形色色的音頻功放電路。在這里僅就筆者所知的各種類別的音頻功放簡述如下:
1、 超甲(Super A)類音頻功放
一般地,超甲類音頻功放的功率輸出管的靜態電流不大,通常控制在100~200mA之內,但它的工作電流可隨著輸入信號變化,故又稱為滑動甲類或動態甲類功放。采用這類電路的音頻功放,其功率輸出管的偏置電路中常帶有檢測輸入(或輸出)信號幅度的電路,并依據該信號的大小,自動調節輸出功率管的偏置電流,使其在一定范圍內保持輸出功率管始終處于良好的線性工作區而不進入截止區,確保音頻功放不會出現交越失真和開關失真。
可見,超甲類音頻功放電路是一種較實用的放大電路。
2、 甲類音頻功放
甲類音頻功放的靜態工作點一般選在負載線的中點,所有輸出器件在輸入信號的整個周期內均有電流流過,使其處于良好的線性工作狀態。這種放大電路,由于不會產生開關失真和交越失真,只要偏置和動態范圍控制得當,僅從失真的角度來看,它是一種優質的線性放大電路,其聲音表現是相當不錯的。但甲類放大電路的效率較低,尤其是擔當甲類功率放大的輸出管的發熱量很大,為確保安全性和可靠性,對它的穩定性和電路的設計等提出了較高要求。因而,甲類音頻功放一般都用在較高檔次的音響系統中。
從結構上看,甲類音頻功放有兩種不同的工作方式。其中一類是將兩個射極跟隨器相聯工作,其偏置電流不得低于在標稱負載下流過的電流值,使其所有器件均工作在線性區。它的優點是熱功耗較小,但若負載阻抗低于標稱阻抗,功放會出現瞬間截止現象。另一類則是控制電流源型(VCIS),它本質上是一個單獨的射極跟隨器,并帶有一個有源負載(電流源)或無源負載,以達到適量的電流泄放。不過,這類放大電路用作輸出級時,在設計之前應把所要驅動的阻抗大小弄清楚。
3、 甲乙類音頻功放
甲乙類音頻功放,可以認為是甲類音頻功放和乙類音頻功放的結合,其靜態工作電流介于甲類與乙類之間,具體取值取決于偏置電流的大小和輸出電平。它的偏置電路與乙類沒有太大的變化,甚至有的功放是完全相同的,但它的偏置電流要比乙類稍,以便功放進入甲乙類工作狀態。甲乙類功放在輸出電平低于設定電平(即設計時確定的值)時,輸出功率管均工作于微導通狀態,其交越失真遠小于乙類;當輸出電平超過設定值時,與相同狀態的乙類是一樣的,其則輸出功率管的一臂完全截止,另一臂則須提供全部的工作電流,雖然它此時的線性已不及甲類,但它可較好地驅動低阻抗負載,是甲類的補充。
4、高偏甲乙類音頻功放
一般地,高偏甲乙類音頻功放的靜態電流設計得較高,在小信號狀態時工作于甲類狀態。當輸出功率圈套時,工作于乙類狀態。這種高偏甲乙類音頻功放在小信號激勵時,具有與甲類功放相似的音色,聲音醇厚甜美;在較大音量狀態下,功放進入乙類狀態,顯然在這種狀態下會出現交越失真,但由于大信號的掩蓋,聆聽者幾乎不能分辨出音質的細微變化。
5、乙類音頻功放
一般地,乙類音頻功放的靜態工作電流選在晶體管基極電流接近零處,當有激勵信號輸入時,其輸出功率管僅有一臂導通而另一臂截止,如此往返地工作,輸出與輸入信號相近的信號波形。可見,乙類音頻功放在無信號輸入時的發熱量是很小的,此時散熱器是不會發熱或僅有一點溫升。與甲類音頻功放相比,效率就高多了。可以說,乙類音頻功放是目前較為流行的一種音頻功放,特別是簡潔的三級式晶體管音頻功放。一直以來,各國的音頻功放設計師們都嘗試著把乙類效率高的優點與甲類線性好的特點結合起來,汲取很多經驗和技巧作了一些改進,設計出了很多改進型的乙類音頻功放,諸如誤差修正音頻功放、電流驅動音頻功放、布羅姆雷(Blomley)音頻功放及幾何平均甲乙類音頻功放等。
目前國內部分家用音頻功放生產廠家為了減少小信號的失真度,通常給輸出功率管加入了一定的偏置電流,使其剛好進入線性區,其靜態電流少則數十mA,多則數百mA,所以,就某些家用乙類音頻功放而言,其靜態電流與甲乙類音頻功放已沒有明顯差別,從理論上講,它們已滲透到甲乙類領域。
6、丁(D)類音頻功放
丁類音頻功放,實際上是一種開關型音頻功放,它的輸出功率管工作于開關狀態:有激勵信號輸入時,功率管飽和導通,其內阻接近于零;沒有輸入信號時,輸出功率管的工作電流幾乎為零,其內阻很大,接近于無窮大。這樣,就可以使功率輸出管的功耗大為減小,效率大幅度提高,在理想的情況下,可達100%。
圖1為丁類音頻功放的基本組成框圖。它的前級有別于傳統音頻功放,其工作頻率超過音頻,可控制信號的占空比,用平均值代表音頻信號的瞬變電平,形成脈沖寬度調制(PWM)信號,這種電路稱為脈沖寬度調制電路。這種電路的電路形式很多,在丁類音頻功放中常采用一個電壓比較器電路來完成脈沖寬調制,即比較器的正相端輸入三角波作為基準信號,反相端輸入音頻信號,經比較器處理后,即可在比較器的輸出端輸出一系列與輸入信號相對應的、不同寬度的脈沖信號(PWM)。該脈沖調制信號經緩沖放大后,再由輸出功率管(Q1和Q2)進行脈沖功率放大,輸出的大功率脈沖調制信號經一個截止頻率很陡峭的LC低通濾波器,消除絕大部分的非音頻信號,得到與輸入音頻信號極相似的信號去驅動揚聲器發聲。不過,為了將失真度控制在人耳不易覺察的程度,目前丁類音頻功放的采樣頻率一般取得較高(約200kHz),這樣勢必會有一定量的電磁輻射,會干擾其他電子器材。若充分考慮保真度,其LC濾波器中至少需用4個電感,這樣成本會增加,而且它僅對某些特定負載阻抗保持平坦的頻率響應。從而導致主觀聽感達不到Hi-Fi水平。
7、庚(G)類音頻功放
這類音頻功放電路與甲乙類、乙類音頻功放十分類似。只不過,它采用了動態電源,輸出功率低時用低電壓供電,輸出功率高時就自動切換到較高的電壓源上,因而輸出功率管的工作管壓降較低,這樣既可滿足實際要求,又可節省能源,提高效率。但這種改進很難超越多路輸出功率管的成本,不能解決開關二極管轉換時帶來的附加失真,致使其不能用于某些高功率的專業器材。此外,庚類音頻功放所產生的失真,要比乙類音頻功放大。
8、辛(H)類音頻功放
這類音頻功放與庚類音頻功放極為相似,只不過它是利用自舉電路,動態地提升單供電電壓而不用轉換到另一個電壓源上,達到提高效率、減小失真的目的。
9、S類音頻功放
S類音頻功放是由奧布里.桑德曼(Aubrey Sandman)博士設計并命名的一種音頻功放。它采用一個帶負載能力非常有限的甲類放大電路做電壓放大器,后接一個乙類放大器做電流放大,使其負載阻抗較高,大大地減小了交越失真和其他失真,且無需對輸出功率管進行偏置。可見,S類音頻功放既有乙類音頻功放的低功耗、高效率,又有甲類音頻功放低失真的特點。
圖2(a)為S類音頻功放的原理圖,它是利用惠斯通電橋固有的特性,使電壓放大器工作于等效無負載的理想甲類狀態,而且此等效無負載特性與實際負載的種類和大小無關。另有一種稱為AA類的音頻功放與S類音頻功放極為相似,原理圖見圖2(b)所示,它是日本松下的音響子公司Technics的專利技術,其實它與S類音頻功放僅有一處不同,即AA類音頻功放的Rf是從輸出端反饋到前級構成大環路負反饋,而S類音頻功放的Rf僅是電壓放大器的局部反饋。經主觀測試發現,S類音頻功放是更合理流動。因為揚聲器、分頻器及喇叭線等構成復雜的復合變化負載,就是一些名牌發燒揚聲器在標稱頻帶內阻抗變化也達1倍以上,這正好發揮S類音頻功放的優勢,使其重放頻率特性非常優秀,但它的輸出功率有待提高。
10、T類音頻功放
從某種意義上講,T類音頻功放是丁類音頻功放的延伸,它的輸出功率管也只工作在飽和導通和截止兩種狀態,故輸出功率的功耗很小,效率極高,可達90%以上(理想場合可達100%)。隨著T類音頻功放的不斷發展和完善,目前它已能很好地克服小信號交越失真,且整個音頻范圍內的失真度已非常小了。與甲乙類音頻功放相比,T類音頻功放的電路結構較簡潔,且不需采用笨重的巨型散熱器,整機更輕便小巧,符合現代音響的發展方向。但這并不是說T類音頻功放比傳統音頻功放簡單,因它不同于一般模擬音頻功放,而是一種全新概念的音頻功放,基本條例綠色革命的潮流和順應電子技術的飛速發展,人們把它稱為數碼音頻功放。它的整機電路是極其復雜的,只不過其復雜的信號處理電路已做成超大規模集成電路,故實際的電路很簡潔。 |