音频功率放大器IC原理及各分类优缺点

音频功率放大器IC是用于推动扬声器发声从而重现声音的最基本功放装置，它的任务是把来自信号源(专业音响系统中则是来自调音台)或前级放大器的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发声，俗称“扩音机”，简称音频功放IC。音频功放IC，是各类音响器材中不可缺少的部分，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同 .

基本原理简述如下：音频功放实际上就是对比较小的音频信号进行放大以增加其输出功率。前置放大主要是完成对小信号的放大，使用一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要的输入。后一级的主要对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻而得到需要的音频。音频功放的主要性能指标有输出功率，频率响应，失真度，信噪比，输出阻抗，阻尼系数等。

音频放大器是多媒体产品的重要组件之一，广泛应用于追求轻、薄、短、小、高效省电的手持电子装置等消费类电子领域。音频功放按近二十年来电子学课本上所讨论的放大器偏压(Bias)分类不外乎A类、B类、C类等放大电路，而讨论音频功率放大器仅强调A类、B类、AB类而却把D类放大器给忘掉了，事实上D类放大器早在1958年已被提出，甚至还有E类、F类、G类、H类及S类等十余种，只是这些类型的电路与D类很接近，运用机会低，所以也就很少被提及。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类功放以高达90%以上之效率、体积小等优点越来越受到人们的青睐。因此，高性能的D类音频功放的晶体管散热可大大缩小，很适合应用于小型化的电子产品，具有十分重要的应用价值及市场前景。各类功放的效率(输出功率与输入功率之比)如表一所示：

                表一 各类功率放大器的效率比

一.各分类优缺点

1.A类放大器

A类放大器(又称甲类)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，不论是否输入信号，其输出电路恒有电流流通，而且这种放大器通常是在特性曲线的线性范围内操作，如图1所示，以求放大后的信号不失真。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小，信号越小传真度越高，电路简单，调试方便。A类放大器可单管工作，也可以推挽工作。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℃。最大的缺点是往往需要很大的静态电流，“功率效益”（Power Efficiency）低，最大只有25%，不输入信号时丝毫不降低消耗功率，工作时需要散热片，极不适合做功率放大。但因其高传真度，部分高级音响器材仍采用A类放大器。A类放大器内部电路图如图2所示。

图1. A类放大器特性图

图2. A类放大器电路图

2. B类放大器

    B类放大器(又称乙类)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℃，其工作点在特性线极端处，如图3所示。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78.5%。然而，由于它的静态点在（V_CC，0）处，因此，对于一个正弦波输入信号，它的输出端波形只剩半个周期是可以预期的。当没有输入信号或有但接近零时，输出端几乎不消耗功率，放大管存在临界导通状态，产生交越失真。

图3. B类功率放大器电路图

由于B类推挽式放大器在无输入信号时不消耗功率，因此它较A类放大器有更高的最大功率效益。然而，由于推挽式放大器的信号振幅范围有一段是在特性线的非线性区域上，因此导致严重的失真，如图4所示，这种失真我们称它做“交越失真”（Cross-Over Distortion）。为了改善这种情形，所以有了AB类放大器，见下篇。

图4. B类功率放大器特性图

3. AB类功率放大器(又称甲乙类) （Class AB Amplifier）

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℃。前面提到的B类推挽式放大器的交越失真，是由于信号大小在-0.6V<V_i<0.6V之间时，Q1、Q2皆无法导通所引起的，因此，如果我们在Q1及Q2的V_BE之间加上两个0.6V的电池（可理解成偏置二极管或补偿二极管），使输入信号在±0.6V之间大小时，Q1、Q2也可以微导通（彷佛一个A类放大器有加上V_BB偏压一般），以降低失真，这种情形，就是AB类放大器，如图5所示。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。

图5. AB类放大器电路图

AB类放大器所产生的失真虽然比B类放大器小，但这项改进所付出的代价是待命功率的浪费及功率效率的损失。其对交越失真的改善情形如图6所示。

图6. AB类放大器对于交越失真的改善情形

4.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通常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。

各类音频功放优缺点比较：

二. 总结

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，体积小省电等优点。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。