功放的作用是什么及功放工作原理解析-电子常识

功放

功(gong)(gong)放(fang)的作用(yong)及(ji)工(gong)作原理介绍(shao)。功(gong)(gong)率放(fang)大(da)器简称功(gong)(gong)放(fang)，一般特指(zhi)音(yin)响(xiang)系(xi)统中一种最基本的设备(bei)，俗称“扩音(yin)机”，它的任务是把来自信号(hao)源(yuan)（专(zhuan)业音(yin)响(xiang)系(xi)统中则是来自调音(yin)台）的微弱电信号(hao)进行放(fang)大(da)以驱动(dong)扬声器发出声音(yin)。还可以指(zhi)其他(ta)进行功(gong)(gong)率放(fang)大(da)的设备(bei)。

功放的作用

功(gong)放(fang)的(de)作(zuo)(zuo)用(yong)就是把(ba)来(lai)自音源或前级放(fang)大器的(de)弱信号放(fang)大，推动音箱放(fang)声。一(yi)套(tao)良好的(de)音响系统功(gong)放(fang)的(de)作(zuo)(zuo)用(yong)功(gong)不(bu)可没。

功(gong)放(fang)，是各(ge)(ge)类音(yin)响器(qi)材中最大的(de)(de)(de)(de)一个家族，其功(gong)放(fang)的(de)(de)(de)(de)作用(yong)主要是将音(yin)源器(qi)材输(shu)入的(de)(de)(de)(de)较微弱(ruo)信(xin)号(hao)进行(xing)放(fang)大后，产(chan)生足够(gou)大的(de)(de)(de)(de)电流去推动扬声(sheng)器(qi)进行(xing)声(sheng)音(yin)的(de)(de)(de)(de)重放(fang)。由(you)于考虑功(gong)率、阻抗、失真、动态以及不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)使用(yong)范围和(he)控制调节(jie)功(gong)能，不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)功(gong)放(fang)在内部(bu)的(de)(de)(de)(de)信(xin)号(hao)处理、线(xian)路(lu)设计和(he)生产(chan)工艺上也(ye)各(ge)(ge)不(bu)相同(tong)。

功率放大器的作用

前级功(gong)放：前级功(gong)放(fang)(fang)(fang)的作用是对信号(hao)(hao)源传输(shu)过来的节(jie)目信号(hao)(hao)进(jin)行(xing)必要的处(chu)理和电压放(fang)(fang)(fang)大后，再输(shu)出到后级功(gong)放(fang)(fang)(fang)。它就(jiu)像铁路岔(cha)道一(yi)(yi)样(yang)，控(kong)制切换哪一(yi)(yi)路音(yin)(yin)源信号(hao)(hao)接入(ru)功(gong)放(fang)(fang)(fang)，哪一(yi)(yi)路音(yin)(yin)源信号(hao)(hao)与功(gong)放(fang)(fang)(fang)断开(kai)。

后(hou)级功放：后级(ji)(ji)功放的(de)(de)作用(yong)，是进行单纯功率放大(da)的(de)(de)部分(fen)，它的(de)(de)作用(yong)就是尽可(ke)能原原本本地放大(da)来自于前级(ji)(ji)的(de)(de)信号(hao)，我们对后级(ji)(ji)的(de)(de)要求是，放大(da)倍(bei)数尽可(ke)能高，而(er)放大(da)后信号(hao)的(de)(de)失真程(cheng)度(du)应尽可(ke)能低。除放大(da)电(dian)(dian)路外，还设计有各种保护电(dian)(dian)路，如短(duan)路保护、过压保护、过热保护、过流保护等。

放(fang)大音(yin)(yin)量(liang)：功(gong)率放(fang)大器(qi)最(zui)主要(yao)的(de)(de)作用(yong)就是(shi)(shi)用(yong)来放(fang)大音(yin)(yin)量(liang)的(de)(de)，一般就是(shi)(shi)使用(yong)在(zai)家(jia)用(yong) 音(yin)(yin)响 以及各种音(yin)(yin)响设备(bei)上的(de)(de)。功(gong)率放(fang)大器(qi)的(de)(de)安装也是(shi)(shi)比较(jiao)简单的(de)(de)，很(hen)多的(de)(de)音(yin)(yin)响设备(bei)都会(hui)自带一些功(gong)率放(fang)大器(qi)，但是(shi)(shi)由于不(bu)能满足需(xu)要(yao)所(suo)以一些人会(hui)自己安装一个功(gong)率放(fang)大器(qi)。

提(ti)高(gao)(gao)(gao)音(yin)(yin)质：功率放(fang)大器除了放(fang)大音(yin)(yin)量之外，还具有(you)提(ti)高(gao)(gao)(gao)音(yin)(yin)质的(de)作(zuo)用。但是需要(yao)注意的(de)是只有(you)正确的(de)安装了功率放(fang)大器，它才能够(gou)有(you)效的(de)提(ti)高(gao)(gao)(gao)我们的(de)音(yin)(yin)响(xiang)系(xi)统的(de)音(yin)(yin)质。

功放的工作原理

功放(fang)的工作原(yuan)理(li)其实很简(jian)单，就(jiu)是将音源播放(fang)的各(ge)种声(sheng)音信号(hao)进行放(fang)大，以推动音箱发(fa)出声(sheng)音。我们(men)以常见的D类功放(fang)工作原(yuan)理(li)来详细(xi)解说(shuo)：

D类(lei)功(gong)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)是放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)大元(yuan)件处于(yu)(yu)开关(guan)工作(zuo)状态的(de)(de)(de)一(yi)种放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)大模式(shi)。无(wu)信号输(shu)入时(shi)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)大器处于(yu)(yu)截止状态，不(bu)(bu)耗(hao)电(dian)。工作(zuo)时(shi)，靠输(shu)入信号让晶(jing)体管进入饱和状态，晶(jing)体管相(xiang)当于(yu)(yu)一(yi)个接通的(de)(de)(de)开关(guan)，把(ba)电(dian)源(yuan)与(yu)负载直接接通。理想(xiang)晶(jing)体管因为没(mei)有(you)饱和压降而(er)不(bu)(bu)耗(hao)电(dian)，实(shi)际上(shang)晶(jing)体管总会有(you)很小的(de)(de)(de)饱和压降而(er)消耗(hao)部分电(dian)能(neng)。这种耗(hao)电(dian)只与(yu)管子的(de)(de)(de)特性(xing)有(you)关(guan)，而(er)与(yu)信号输(shu)出的(de)(de)(de)大小无(wu)关(guan)，所以特别(bie)有(you)利于(yu)(yu)超大功(gong)率的(de)(de)(de)场(chang)合。在理想(xiang)情况下，D类(lei)功(gong)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)的(de)(de)(de)效(xiao)率为100％，B类(lei)功(gong)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)的(de)(de)(de)效(xiao)率为78．5％，A类(lei)功(gong)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)的(de)(de)(de)效(xiao)率才50％或25％（按负载方式(shi)而(er)定）。

D类(lei)(lei)功(gong)放(fang)实际上只具有开关功(gong)能，早期仅用于继电器(qi)和电机等执行元件的开关控制(zhi)电路中。然而(er)，开关功(gong)能（也就(jiu)(jiu)是产生(sheng)(sheng)数字(zi)信(xin)号(hao)的功(gong)能）随着数字(zi)音(yin)(yin)频(pin)技术研(yan)究的不(bu)断深入，用与Hi－Fi音(yin)(yin)频(pin)放(fang)大(da)(da)(da)的道(dao)路却日(ri)益畅通。20世纪60年(nian)代，设计人员开始研(yan)究D类(lei)(lei)功(gong)放(fang)用于音(yin)(yin)频(pin)的放(fang)大(da)(da)(da)技术，70年(nian)代Bose公(gong)司就(jiu)(jiu)开始生(sheng)(sheng)产D类(lei)(lei)汽车功(gong)放(fang)。一(yi)(yi)方(fang)面汽车用蓄电池供电需(xu)要更高(gao)的效率，另一(yi)(yi)方(fang)面空(kong)间(jian)小(xiao)无法(fa)放(fang)入有大(da)(da)(da)散热板结构(gou)的功(gong)放(fang)，两者都(dou)希(xi)望(wang)有D类(lei)(lei)这样高(gao)效的放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)来放(fang)大(da)(da)(da)音(yin)(yin)频(pin)信(xin)号(hao)。其中关键的一(yi)(yi)步就(jiu)(jiu)是对音(yin)(yin)频(pin)信(xin)号(hao)的调制(zhi)。

图1是D类功(gong)放的基本结(jie)构，可分为三个(ge)部分：

图1 D类功(gong)放(fang)基本(ben)结(jie)构

第一(yi)部分为调制器，最简单的(de)只需(xu)用一(yi)只运放(fang)构成比(bi)较器即(ji)可(ke)完(wan)成。把原始音(yin)频信号加(jia)上一(yi)定直(zhi)流偏置(zhi)后放(fang)在运放(fang)的(de)正(zheng)(zheng)输(shu)(shu)入端，另(ling)通过自激振荡生成一(yi)个三(san)角形波(bo)(bo)(bo)加(jia)到运放(fang)的(de)负输(shu)(shu)入端。当(dang)正(zheng)(zheng)端上的(de)电(dian)(dian)位高于负端三(san)角波(bo)(bo)(bo)电(dian)(dian)位时，比(bi)较器输(shu)(shu)出为高电(dian)(dian)平，反之则(ze)输(shu)(shu)出低(di)电(dian)(dian)平。若音(yin)频输(shu)(shu)入信号为零、直(zhi)流偏置(zhi)三(san)角波(bo)(bo)(bo)峰值的(de)1／2，则(ze)比(bi)较器输(shu)(shu)出的(de)高低(di)电(dian)(dian)平持续的(de)时间一(yi)样(yang)，输(shu)(shu)出就是一(yi)个占空(kong)比(bi)为1：1的(de)方波(bo)(bo)(bo)。

当(dang)有(you)音(yin)频(pin)(pin)信号输入时，正(zheng)半(ban)周期间(jian)，比较器(qi)(qi)输出高电(dian)平(ping)的(de)时间(jian)比低电(dian)平(ping)长，方波(bo)的(de)占空比大(da)(da)于(yu)(yu)1：1；负半(ban)周期间(jian)，由于(yu)(yu)还有(you)直(zhi)流偏置，所(suo)以比较器(qi)(qi)正(zheng)输入端(duan)的(de)电(dian)平(ping)还是(shi)大(da)(da)于(yu)(yu)零，但音(yin)频(pin)(pin)信号幅(fu)度高于(yu)(yu)三角(jiao)波(bo)幅(fu)度的(de)时间(jian)却大(da)(da)为(wei)(wei)减少，方波(bo)占空比小(xiao)于(yu)(yu)1：1。这样，比较器(qi)(qi)输出的(de)波(bo)形就是(shi)一个脉冲(chong)宽度被音(yin)频(pin)(pin)信号幅(fu)度调制(zhi)后的(de)波(bo)形，称为(wei)(wei)PWM（PulseWidthModulaTIon脉宽调制(zhi)）或PDM波(bo)形。音(yin)频(pin)(pin)信息被调制(zhi)到(dao)脉冲(chong)波(bo)形中。

第二部分就(jiu)是D类功(gong)放(fang)，这是一个(ge)脉(mai)冲控制的(de)(de)大(da)(da)电(dian)(dian)流(liu)开关放(fang)大(da)(da)器，把比较器输出的(de)(de)PWM信号(hao)变成高(gao)电(dian)(dian)压、大(da)(da)电(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)大(da)(da)功(gong)率(lv)PWM信号(hao)。能够输出的(de)(de)最大(da)(da)功(gong)率(lv)有负载、电(dian)(dian)源电(dian)(dian)压和晶(jing)体(ti)管(guan)允许流(liu)过的(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)来决定(ding)。

第三(san)部分需(xu)把大功率PWM波(bo)(bo)形中的(de)声(sheng)音信息还(hai)原(yuan)(yuan)出(chu)来(lai)。方法(fa)很(hen)简(jian)单，只需(xu)要用(yong)(yong)一个低(di)通滤波(bo)(bo)器。但由于(yu)此时电(dian)(dian)流很(hen)大，RC结构的(de)低(di)通滤波(bo)(bo)器电(dian)(dian)阻会耗能，不能采(cai)用(yong)(yong)，必须使(shi)用(yong)(yong)LC低(di)通滤波(bo)(bo)器。当占空比大于(yu)1：1的(de)脉冲到(dao)来(lai)时，C的(de)充电(dian)(dian)时间(jian)(jian)大于(yu)放电(dian)(dian)时间(jian)(jian)，输出(chu)电(dian)(dian)平(ping)上升(sheng)；窄脉冲到(dao)来(lai)时，放电(dian)(dian)时间(jian)(jian)长，输出(chu)电(dian)(dian)平(ping)下降，正好与原(yuan)(yuan)音频信号的(de)幅度变化相一致，所以原(yuan)(yuan)音频信号被恢复出(chu)来(lai)，见图2。

图2 模拟D类功(gong)放(fang)工(gong)作原理

D类功(gong)放设计考虑的角度(du)与(yu)AB类功(gong)放完全不同。此时功(gong)放管的线性已没有太大意义(yi)，更重要的开关响应和(he)饱(bao)和(he)压降(jiang)。由于(yu)功(gong)放管处(chu)理(li)的脉冲(chong)频率是音频信号的几十倍，且(qie)要求(qiu)保持良好(hao)的脉冲(chong)前后沿，所以管子(zi)的开关响应要好(hao)。

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