? 音頻功放，顧名思義，是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大的放大器。從早期簡(jiǎn)單的A類(lèi)、B類(lèi)已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的G類(lèi)，甚至還有W類(lèi)。音頻的輸入輸出也從早期的純模擬信號(hào)，演化到現(xiàn)在的數(shù)字/模擬并存。效率越來(lái)越高，諧波失真越來(lái)越小，保真度越來(lái)越高。本文把功放的發(fā)展從結(jié)構(gòu)和基本特征做了分析。
功放的定義
? ? ? 功率放大器簡(jiǎn)稱功放，俗稱“擴(kuò)音機(jī)”，是音響系統(tǒng)中最基本的設(shè)備，它的任務(wù)是把來(lái)自信號(hào)源的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。
其作用主要是將音源器材輸入的較微弱信號(hào)進(jìn)行放大后，產(chǎn)生足夠大的電流去推動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行聲音的重放。由于考慮功率、阻抗、失真、動(dòng)態(tài)以及不同的使用范圍和控制調(diào)節(jié)功能，不同的功放在內(nèi)部的信號(hào)處理、線路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝上也各不相同。
功放的分類(lèi)
功放的分類(lèi)方式有很多種，一般會(huì)按照功放管的導(dǎo)電方式不同進(jìn)行劃分。通常分為A類(lèi)（甲類(lèi)）、B類(lèi)（乙類(lèi)）、AB類(lèi)（甲乙類(lèi)）、D類(lèi)（丁類(lèi)），以及后來(lái)發(fā)展的G類(lèi)、H類(lèi)等類(lèi)型。
A類(lèi)功放
A類(lèi)放大器的特點(diǎn)是不論是否輸入信號(hào)，其輸出電路恒有電流流通，而且這種放大器通常是在特性曲線的線性范圍內(nèi)操作，以求放大后的信號(hào)不失真。
所以它的優(yōu)點(diǎn)是：失真度小，信號(hào)越小傳真度越高。最大的缺點(diǎn)是效率低，最大只有25%，不輸入信號(hào)時(shí)絲毫不降低消耗功率，極不適合做功率放大。但因其高傳真度，部分高級(jí)音響器材仍采用A類(lèi)放大器。
由于無(wú)論有沒(méi)有信號(hào)輸入，A類(lèi)功放的電流損耗都一直很大，會(huì)產(chǎn)生很大的熱量。所以當(dāng)使用A功放的時(shí)候，需要有很好的散熱環(huán)境。下圖是A類(lèi)功放的工作區(qū)間的示意波形，以及A類(lèi)功放的一般實(shí)現(xiàn)方式，分別為“共集電極”、“共發(fā)射極”。
A類(lèi)功放工作區(qū)間
A類(lèi)功放的輸出幅度為Vp，輸出負(fù)載平均功率PL，電源輸入功率為Ps，工作效率為η，則可以得到以下表達(dá)式：
PL=Vp*Vp/（2*Rl）；Ps=2*Vcc*Iq；η=Pl/Ps，所以，可以推算出來(lái)，當(dāng)Vp=VCC，而且Vp=IQ*RL時(shí)，A類(lèi)功放有最大的工作效率，為25%。
B類(lèi)功放
B類(lèi)功率放大器是工作點(diǎn)在特性線極端處的一種放大器。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。根據(jù)定義，靜態(tài)工作點(diǎn)為0，信號(hào)以一PNP型BJT與原射級(jí)跟隨器相接，形成所謂的“互補(bǔ)式射級(jí)跟隨器”又稱為“B類(lèi)推挽式放大器”。
其動(dòng)作原理，在Vi的正半周其間，Q1導(dǎo)通且Q2截止，所以，形成圖4的輸出端正半周正弦波；同理，當(dāng)Vi為負(fù)半周時(shí)，Q1截止而Q2導(dǎo)通，結(jié)果形成輸出端負(fù)半周正弦波，如圖4虛線部分所示。
由于B類(lèi)推挽式放大器在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)不消耗功率，因此它較A類(lèi)放大器有更高的最大效率可達(dá)78%。然而，由于推挽式放大器的信號(hào)振幅范圍有一段是在特性線的非線性區(qū)域上，因此導(dǎo)致嚴(yán)重的失真，如下所示，這種失真我們稱它做“交越失真”（Cross-Over Distortion）。
B類(lèi)功放實(shí)現(xiàn)
B類(lèi)功放工作區(qū)間
設(shè)輸出信號(hào)為Vp*sinωt，輸出負(fù)載平均功率PL，電源輸入功率為Ps，工作效率為η，則可以得到：
PL=Vp*Vp/（2*Rl）；Ps=2*Vcc*Vp/（π*Rl）；η=Pl/Ps，當(dāng)Vp=VCC時(shí)，B類(lèi)功放有最大的工作效率，78.5%。
AB類(lèi)功放
前面提到的B類(lèi)推挽式放大器的交越失真，是由于信號(hào)大小在-0.6V《Vi《0.6V之間時(shí)，Q1、Q2皆無(wú)法導(dǎo)通所引起的。因此，如果我們?cè)赒1及Q2的Vbe之間加上兩個(gè)0.6V的電壓，使輸入信號(hào)在±0.6V之間大小時(shí)，Q1、Q2也可以導(dǎo)通，以降低失真，這種情形，就是AB類(lèi)放大器，如上圖所示。
AB類(lèi)放大器所產(chǎn)生的失真雖然比B類(lèi)放大器小，但這項(xiàng)改進(jìn)所付出的代價(jià)是靜態(tài)功耗的浪費(fèi)及效率的損失。所以，AB類(lèi)功放的效率會(huì)處于A類(lèi)和B類(lèi)之間。
主要區(qū)分點(diǎn)A類(lèi)放大器B類(lèi)放大器AB類(lèi)放大器
工作點(diǎn)位置負(fù)載線中點(diǎn)負(fù)載線截止點(diǎn)負(fù)載線中點(diǎn)與截止點(diǎn)之間
失真度失真最小失真度略高于AB類(lèi)，有交叉失真可消除交叉失真
功率轉(zhuǎn)移效率效率最低，在50%以下效率約為50%至78.5%效率略低于B類(lèi)
主要用途失真度低的小功率放大器大功率放大器一般的音響擴(kuò)大機(jī)
D類(lèi)功放
前面提到的A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)功放，都可以看做是模擬功放。因?yàn)樗鼈兊妮斎牒洼敵龆际悄M態(tài)的聲音電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬功放進(jìn)行放大，不涉及調(diào)制、濾波、編解碼等處理過(guò)程。而D類(lèi)功放則可以稱為是最簡(jiǎn)單的數(shù)字功放（也有人把它叫做PWM功放，不算是嚴(yán)格的數(shù)字功放）。
D類(lèi)功放接收模擬音頻信號(hào)，用內(nèi)部三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波和它進(jìn)行比較，其結(jié)果就是一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM），然后將PWM信號(hào)放大并還原成模擬音頻信號(hào)。因此，D類(lèi)功放是用脈沖寬度對(duì)模擬音頻幅度進(jìn)行模擬的，其信息的傳遞過(guò)程是模擬的、非量化的、非代碼性的。并且由于目前器件性能的限制，PWM功放不可能采用太高的采樣頻率，在性能指標(biāo)上尚達(dá)不到Hi-Fi（高保真）級(jí)的水平。D類(lèi)功放效率一般可以達(dá)到80%~90%以上。由于其較高的效率，大幅度降低了對(duì)于環(huán)境散熱性能的要求，所以目前便攜式的產(chǎn)品中，D類(lèi)功放成為主流。
D類(lèi)功放實(shí)現(xiàn)和PWM波形
對(duì)D類(lèi)功放來(lái)說(shuō)，比較器和三角波信號(hào)組成了固定頻率的PWM電路，用三角波信號(hào)對(duì)音頻輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制（三角波頻率遠(yuǎn)高于音頻輸入信號(hào)，一般三角波的頻率在25KHz~1.5MHz
之間）。輸入信號(hào)幅度越大，產(chǎn)生的PWM波脈沖寬度就越寬。
D類(lèi)放大器在工作時(shí)，輸出P型、N型功率開(kāi)關(guān)管均處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。理想狀態(tài)下，功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻為0Ω，沒(méi)有電壓損耗。關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管電阻為無(wú)窮大，沒(méi)有電流流過(guò)。因此，D類(lèi)功放的效率在理論上可以達(dá)到100%。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于受器件特性限制（如開(kāi)關(guān)速度、漏電流、導(dǎo)通電阻不為零等），實(shí)際的工作效率可以達(dá)到90%以上。D類(lèi)功放的一般設(shè)計(jì)架構(gòu)如下圖所示，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還會(huì)加入過(guò)溫保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等保護(hù)電路。
G類(lèi)功放
為了提高功放的效率，發(fā)展了G類(lèi)功放，G類(lèi)功放于1976 年由日立公司提出，它的主要原理是為功放提供多個(gè)電源電壓，根據(jù)輸入音頻信號(hào)的大小來(lái)選擇所需要的電源電壓。當(dāng)輸入信號(hào)較低時(shí)，提供小的電源電壓，反之，則提供高的電源電壓。由于音頻信號(hào)有非常高的峰值率（Peak-to-Mean Ratio）的特點(diǎn)，G 類(lèi)功放這一靈活選定電源電壓的工作方式可以有效地降低功耗，提高效率。因此G 類(lèi)功放最近幾年正在越來(lái)越廣泛應(yīng)用于高功率音頻功放系統(tǒng)當(dāng)中。
主要的特點(diǎn)是：功放按照信號(hào)的要求，由高電壓電源或者低電壓電源供給。由于音樂(lè)的峰值與有效值的比值很大，所以，可以借助G類(lèi)功放來(lái)改善效率狀況。
在絕大部分時(shí)間內(nèi)，G類(lèi)功放的功率輸出大大低于峰值功率電平。當(dāng)偶爾有大功率峰值出現(xiàn)的時(shí)候，放大器必須借助某種機(jī)制，能立即提供大功率輸出，內(nèi)部能耗也同時(shí)增大，這種大功率輸出僅發(fā)生在很短的時(shí)間內(nèi)。
G類(lèi)功放的定義，和目前的帶電荷泵+AGC的處理方式比較類(lèi)似，所以業(yè)內(nèi)很多廠家都把升壓（ChargePump或者Boost）+AGC控制的特性的功放定義為G類(lèi)功放。
