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一、概述
音频功放将小信号的幅值提高至有用电平#xff0c;同时保留小信号的细节#xff0c;这称为线性度。放大器的线性…本文章是笔者整理的备忘笔记。希望在帮助自己温习避免遗忘的同时也能帮助其他需要参考的朋友。如有谬误欢迎大家进行指正。
一、概述
音频功放将小信号的幅值提高至有用电平同时保留小信号的细节这称为线性度。放大器的线性度越好输出信号越能真实地表示输入信号。音频功放种类越来越丰富在选择适合具体应用的最佳音频放大器IC时设计者必须了解可选用的音频功放类型及其特点。这是确保选择最佳音频功放的唯一方法。下文将会介绍当今可用的各种音频功放的重要特点A类、B类、AB类、D类、G类、和DG类。
二、音频功放的种类
1. A类功放
1工作原理
A类功放在整个音频信号周期内都有电流流过输出器件这意味着晶体管始终处于导通状态不会完全关断。这种设计A类功放能够提供非常平滑的音质音色圆润温暖高频透明开扬中频饱满通透。 A类音频功放图片
2音质表现
A类功放以其卓越的音质和极低的失真度而著称适用于需要高保真音频系统和专业音频应用。由于在任何时候都能提供足够的功率驱动扬声器A类功放不存在交越失真Switching Distortion即使不使用负反馈其开环失真也非常低因此被认为是声音最理想的放大线路设计。
3效率和功耗
A类功放的效率较低最大效率只有25%左右。这意味着在没有输入信号时功放仍然消耗大量的电能这些能量主要转化为热量。由于效率低A类功放会产生较多的热量需要有效的散热措施如大型散热器。
4应用场景
尽管A类功放存在效率低和发热多的缺点但由于其高保真度部分高级音响器材仍然采用A类功放。
2. B类功放
1工作原理
B类功放采用推挽式放大器结构。其输出采用正向和反向晶体管。每个晶体管仅在信号波形的半周期期间导通如下图所示这允许放大器在空闲时为零电流因此比A类放大器的效率高。 B类音频功放图片 2音质表现
B类功放效率提高音频质量下降。是因为其存在一个较大的缺点是会产生“交越失真”即当正负半波切换时出现的失真。这会导致音质粗糙这种失真在大信号可能不太明显但是在小信号时会较为明显。
3效率和功耗
B类功放的效率较高可以达到75%左右这是因为每个功放管仅在信号的半个周期内工作。由于效率高B类功放浪费的能量较少因此可用来输出大功率。 4应用场景
B类功放适用于高效的音频放大尤其是在低失真要求不是特别高的场合如一些中低功率音响系统。由于效率较高B类功放在不需要高保真音质的应用中较为常见。 3. AB类放大器
1工作原理
AB类功放的工作方式介于A类和B类之间。在没有信号或信号非常小的时候晶体管的正负通道都保持导通类似于A类功放的工作模式以获得最佳的线性。当信号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。 AB类音频功放图片
2效率和失真
AB类功放有效解决了B类功放的交越失真问题同时效率又比A类功放高。在小信号时两个晶体管均保持有效工作类似于A类功放大信号时相应于波形的每半周只有一个晶体管保持有效状态类似于B类功放。AB类功放的效率通常高于A类但低于B类具体效率取决于偏置和工作点的设计。它提供了较高的效率和较低的失真和噪音。
3性能特点
AB类功放通常有两个偏压在无信号时也有少量电流通过输出晶体管这样可以在信号小时用A类工作模式获得最佳线性当信号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。AB类功放利用两种放大器的优点消除了效率低和失真的问题提供了更好的放大器设计。
4应用场景
AB类功放由于结合了A类和B类功放的优势适用于一般家用音响和汽车音响等应用。
4. D类功放
1工作原理
D类功放通过将音频模拟信号调制为PWM信号来工作。输入的模拟信号与一个N倍于输入信号频率的三角波通过比较器进行比较形成PWM波其频率与三角波频率相同。调制后的PWM波通过桥驱将信号幅值进行二倍放大然后通过低通滤波器后输出放大后的音频信号。 D类功放
2效率和功耗
D类功放的效率通常非常高可达到90%左右大约有10%的能量损失转换为热量。由于工作时输出级晶体管处于完全导通或完全关断状态不会进入晶体管的线性工作区这是导致其他类型放大器低效的原因因此D类放大器具有极高效率。
3性能特点
D类功放适合对功率要求较高的场合如便携式音频设备和车载音响等需要高效率和小体积的应用.D类功放的输出波形存在失真可能产生PWM噪音需要精确的滤波和抗干扰设计。信号处理复杂可能引入数字噪音对输入信号的要求较高可能需要使用低通滤波器。D类功放可能会产生一定的电磁干扰需要采取措施进行抑制。
4应用场景
不适用于要求高保真音质的专业音频应用可能会对无线电频谱产生干扰。常见应用在需要高效率和小体积的应用场合如智能手机、MP3播放器和便携式扩展坞等手持移动音频设备。
5. G类功放
1工作原理
G类放大器与AB类放大器类似但使用两路或多路供电电压。G类放大器工作在低信号电平时选择低电源电压。当信号电平升高时这些放大器自动选择相应的电源电压如下图所示。G类放大器仅在必要时使用最高电源电压而AB类放大器始终使用最高电源电压所以G类放大器的效率高于AB类放大器。 G类功放
2音质表现
G类功放的末级工作点一般选在AB类因为B类的效率已经很高A类则为了音质而宁可牺牲效率。在大功率输出状态由于耗散功率被电源部分的功率半导体器件分摊G类功放的失真度指标不降反升甚至比AB类更好。
3效率和功耗
G类功放在播放低噪声、高保真音频的同时最小化了功耗相比传统的AB类功放G类放大器拥有更高的效率。
4应用场景
G类功放通过智能调节电源电压来提高效率同时保持低失真和高音质使其在高保真音响系统中得到广泛应用。
6. DG类功放
1工作原理
DG类功放利用PWM脉宽调制产生满摆幅、占空比可变的数字输出信号这一点与D类功放相同。同时DG类功放也使用多电平输出级检测输出信号的幅值然后根据需要切换电源轨以更高效率提供要求的功率。 DG类功放
2效率和功耗
DG类功放继承了D类功放的高效率特点由于输出晶体管在工作期间要么完全导通要么完全关闭因此这些放大器的效率较高。通过多电平输出和电源轨切换DG类功放在宽输出范围内实现优化效率。
3应用场景
DG类功放适用于需要高效率和高功率的便携式音频解决方案例如智能扬声器、笔记本电脑、智能IoT设备和条形音箱等。
三、总结
本文简要介绍了当今设计中常用的多种音频功放。无论为何种类型的设备设计音频电路都应该严格确定最适合具体应用的音频放大器结构。充分了解不同类型的音频放大器将有助于选择最适合设计的音频放大器。
