各類(lèi)功放原理圖及原理介紹視頻(各類(lèi)功放原理圖及原理介紹大全)

在音頻領(lǐng)域，人們一直堅(jiān)持甲類(lèi)功放的立場(chǎng)。A類(lèi)放大器被認(rèn)為具有最新鮮、最透明的聲音，具有高保真度。然而甲類(lèi)功放的低效率、高損耗是其固有的無(wú)法克服的問(wèn)題。雖然B類(lèi)功放的效率有了很大的提高，但實(shí)際效率只有50%左右。在汽車(chē)功放、筆記本電腦音響系統(tǒng)和專(zhuān)業(yè)超高功率功放等小型便攜式音頻設(shè)備中，效率仍然較低且不理想。因此，效率極高的D類(lèi)功放因其順應(yīng)綠色革命的趨勢(shì)而受到各方面的關(guān)注。

由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，原來(lái)用分立元件制作的非常復(fù)雜的調(diào)制電路現(xiàn)在無(wú)論在技術(shù)上還是在價(jià)格上都不再是問(wèn)題。而且，隨著近年來(lái)數(shù)字音頻技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)D類(lèi)功放與數(shù)字音頻有很多相似之處，進(jìn)一步彰顯了D類(lèi)功放的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

D類(lèi)功率放大器是放大元件處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的放大方式。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不消耗功率。工作時(shí)，輸入信號(hào)使晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)。三極管相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)，直接連接電源和負(fù)載。理想的晶體管不消耗功率，因?yàn)樗鼪](méi)有飽和壓降。事實(shí)上，晶體管總是具有較小的飽和壓降并消耗一些功率。這個(gè)功耗只與管子的特性有關(guān)，與信號(hào)輸出的大小無(wú)關(guān)，因此對(duì)超高功率應(yīng)用特別有利。理想情況下，D類(lèi)功放的效率為100%，B類(lèi)功放的效率為78.5%，A類(lèi)功放的效率只有50%或25%（取決于負(fù)載模式）。

D類(lèi)功率放大器實(shí)際上只具有開(kāi)關(guān)功能，早期僅用于繼電器、電機(jī)等執(zhí)行器的開(kāi)關(guān)控制電路。但隨著數(shù)字音頻技術(shù)的不斷深入，對(duì)開(kāi)關(guān)功能（即產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的功能）的研究不斷深入，將其與Hi-Fi音頻放大結(jié)合使用的道路也越來(lái)越清晰。20世紀(jì)60年代，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始研究用于音頻放大的D類(lèi)放大器技術(shù)。20世紀(jì)70年代，Bose開(kāi)始生產(chǎn)D類(lèi)汽車(chē)放大器。一方面，汽車(chē)電池供電需要更高的效率，另一方面，空間太小，無(wú)法容納大散熱結(jié)構(gòu)的功率放大器。兩者都希望有一個(gè)高效的放大器，例如D類(lèi)放大器來(lái)放大音頻信號(hào)。關(guān)鍵步驟之一是音頻信號(hào)的調(diào)制。

圖1是D類(lèi)功率放大器的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個(gè)部分：

圖1D類(lèi)功率放大器的基本結(jié)構(gòu)

第一部分是調(diào)制器。最簡(jiǎn)單的只需要用運(yùn)放組成比較器即可。在原始音頻信號(hào)上添加一定的直流偏置，置于運(yùn)放的正輸入端。通過(guò)自振蕩產(chǎn)生三角波并加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端電位高于負(fù)端三角波電位時(shí)，比較器輸出高電平，否則輸出低電平。如果音頻輸入信號(hào)為零，直流偏置三角波峰值為1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)時(shí)間相同，輸出為占空比為1:1的方波。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí)，在正半周期間，比較器輸出高電平的時(shí)間長(zhǎng)于低電平的時(shí)間，且方波的占空比大于1：1；在負(fù)半周期期間，由于直流偏置，比較器正輸入端的電平仍然大于零，但音頻信號(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí)間大大減少，方波占空比小于1：1。這樣，比較器輸出的波形就是脈寬受到音頻信號(hào)幅度調(diào)制的波形，稱(chēng)為PWM（PulseWidthModulation）或PDM波形。音頻信息被調(diào)制成脈沖波形。

第二部分是D類(lèi)功率放大器，它是脈沖控制的大電流開(kāi)關(guān)放大器，將比較器輸出的PWM信號(hào)變成高電壓、大電流、大功率的PWM信號(hào)?？梢暂敵龅淖畲蠊β视韶?fù)載、電源電壓和晶體管允許流過(guò)的電流決定。

第三部分需要恢復(fù)大功率PWM波形中的聲音信息。方法很簡(jiǎn)單，使用低通濾波器即可。但由于此時(shí)電流較大，RC結(jié)構(gòu)低通濾波電阻會(huì)消耗能量，無(wú)法使用。必須使用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1：1的脈沖到來(lái)時(shí)，C的充電時(shí)間大于放電時(shí)間，輸出電平上升；當(dāng)窄脈沖到來(lái)時(shí)，放電時(shí)間較長(zhǎng)，輸出電平下降，這與原始音頻信號(hào)的幅度變化一致。這樣就恢復(fù)了原來(lái)的音頻信號(hào)，見(jiàn)圖2。

圖2模擬D類(lèi)功放工作原理

D類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)考慮與AB類(lèi)功率放大器完全不同。此時(shí)，功放管的線性度意義不大，開(kāi)關(guān)響應(yīng)和飽和壓降更為重要。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號(hào)的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前緣和后緣，因此管子的開(kāi)關(guān)響應(yīng)必須良好。另外，整機(jī)的效率完全在于管道飽和壓降所造成的管道消耗。因此，飽和管壓降小不僅效率高，而且可以簡(jiǎn)化功放管的散熱結(jié)構(gòu)。幾年前，此類(lèi)高頻大功率管的高昂價(jià)格在一定程度上限制了D類(lèi)功放的發(fā)展。如今，以小電流控制大電流的MOSFET已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。特別是UHCMOSFET近年來(lái)已應(yīng)用于Hi-Fi功率放大器，器件障礙已被消除。

調(diào)制電路也是D類(lèi)功放的特殊部分。要將20KHz以下的音頻調(diào)制成PWM信號(hào)，三角波的頻率至少要達(dá)到200KHz。如果頻率太低，無(wú)法滿足同樣要求的THD標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)無(wú)源LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜。頻率高，輸出波形的鋸齒波小，更接近原始波形，THD小，濾波器可用阻值低、體積小、精度要求相對(duì)較差的電感和電容制作，成本高相應(yīng)減少。但此時(shí)晶體管的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨著頻率的升高而增大。無(wú)源元件中的高頻損耗和頻率偏移的集膚效應(yīng)會(huì)降低整體效率。較高的調(diào)制頻率也會(huì)造成射頻干擾，因此調(diào)制頻率不能高于1MHz。

同時(shí)，三角波的形狀、頻率的準(zhǔn)確性以及時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)都會(huì)影響后期恢復(fù)的信號(hào)和原始信號(hào)，造成失真。因此，為了實(shí)現(xiàn)高保真度，需要考慮許多與數(shù)字音頻保真度相同的考慮因素。

另一個(gè)與音質(zhì)有很大關(guān)系的因素是驅(qū)動(dòng)器輸出和負(fù)載之間的無(wú)源濾波器。該低通濾波器在大電流下工作，負(fù)載為揚(yáng)聲器。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮揚(yáng)聲器阻抗的變化，但將揚(yáng)聲器指定為功放產(chǎn)品是不可行的，因此D類(lèi)功放與揚(yáng)聲器的搭配對(duì)于發(fā)燒友來(lái)說(shuō)有更多的空間。實(shí)踐證明，當(dāng)失真度要求在0.5%以下時(shí)，二階巴特沃斯平坦響應(yīng)低通濾波器即可滿足要求。如果要求較高，則需要四階濾波器。這時(shí)就必須考慮成本、匹配等問(wèn)題。

近年來(lái)，集成電路芯片已集成到D類(lèi)功率放大器中用于一般應(yīng)用，用戶只需根據(jù)需要設(shè)計(jì)低通濾波器即可。

OTL是英文OutputTransformerLessAmplifier的縮寫(xiě)，是一種不帶輸出變壓器的功率放大器。

一、OTL管功放電路特點(diǎn)

普通電子管功放的輸出負(fù)載是動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，其阻抗很低，只有416。一般功放管的內(nèi)阻都比較高。普通推挽功放中，屏與屏之間的負(fù)載阻抗一般為510k，因此無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)低阻抗揚(yáng)聲器。必須使用輸出變壓器進(jìn)行阻抗變換。由于輸出變壓器是感性元件，因此電感線圈所呈現(xiàn)的阻抗也根據(jù)通過(guò)變壓器的信號(hào)的頻率而不同。為了擴(kuò)展低頻響應(yīng)，線圈的電感量應(yīng)足夠大，匝數(shù)也應(yīng)較多。因此，各層之間的分布電容也相應(yīng)增大，限制了高頻擴(kuò)展。此外，還會(huì)引起非線性失真和相位失真。

為了消除這些不良影響，各種形式的電子管OTL輸出變壓器功率放大器應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)外不斷設(shè)計(jì)制造出許多適合OTL功放的新型功率管。電子管OTL功放音質(zhì)清晰通透，保真度高，頻響寬。高頻段和低頻段的頻率延伸范圍一般可達(dá)到10HZ100kHz，其相位失真、非線性失真、瞬態(tài)響應(yīng)等技術(shù)性能優(yōu)良。有顯著的改善。

2、電子管OTL功放電路形式

圖1(a)~圖1(f)是OTL無(wú)輸出功率放大器的基本電路。圖1(a)和圖1(b)示出了OTL功放的兩種供電結(jié)構(gòu)，即正負(fù)雙電源和單電源。在正負(fù)雙電源OTL功率放大器中，中心為地電位。這樣保證了推挽電路的對(duì)稱(chēng)性，因此可以省去輸出電容，使得功放的頻率響應(yīng)特性更好。為了使單電源OTL電路的兩個(gè)推挽管具有相同的工作電壓，中心點(diǎn)的工作電壓必須等于電源電壓的一半。同時(shí)，其輸出電容C1的容量必須足夠大，以免影響輸出阻抗和低頻響應(yīng)要求。

圖1(c)和圖1(d)所示為OTL功放管柵極偏壓的選擇方法。由于上管的陰極不接地，所以上管的推動(dòng)信號(hào)加在柵極和陰極之間，而下管的推動(dòng)信號(hào)可以加在柵極和地之間。其偏置方式是通過(guò)中心點(diǎn)對(duì)地電壓分壓后即可取出上管，而下管的偏置電壓必須由專(zhuān)門(mén)的負(fù)壓電源提供。

圖1(e)和圖1(f)所示為OTL逆變電路的應(yīng)用。圖1(e)所示為采用屏罩分體式逆變電路來(lái)激勵(lì)OTL功率放大器。只要逆變管的屏極負(fù)載電阻RL和陰極負(fù)載電阻RK的阻值相等，逆變管輸出的激勵(lì)電壓總能保持平衡。

圖1(f)所示為共陰極差分逆變器電路。由于共陰極電阻RK阻值較大，負(fù)反饋?zhàn)饔幂^深，因此電路穩(wěn)定可靠。同時(shí)，只要負(fù)責(zé)差分放大的上管和下管的屏電極的負(fù)載電阻值相等，則兩管的屏電極總能輸出一對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓，相反相位和相等幅度。

3、OTL功放電路的選擇

對(duì)于電子管OTL功放的輸出級(jí)來(lái)說(shuō)，并不是所有的功率管都適合。必須選擇滿足以下條件的功率管才能達(dá)到良好的效果。

1、低內(nèi)阻特性

一般功率管的屏內(nèi)阻在10k左右，不適合OTL功放。OTL功率放大器必須使用屏極內(nèi)阻在之間的功率管。這些低內(nèi)阻功率管包括6AS7、6N5P、6C33C-B、6080、6336等。

2、低屏電壓、大電流特性

一般功率管的屏壓在400V左右，高屏壓管可達(dá)800~1000V。但OTL功放必須采用具有低屏壓、大電流特性的功率管，屏壓在150~250V之間。以上列出的低內(nèi)阻功率管均具有低屏壓、大電流的工作特點(diǎn)。此外還有6C19、6KD6、421A、6146等功率管。這些管子本身具有低屏壓、大電流的特性，但其屏電極內(nèi)阻稍高，因此必須多管并聯(lián)才能適用于OTL功放。

3、采用全新OTL功放專(zhuān)用功率管

此類(lèi)管不僅內(nèi)阻低，而且具有低屏壓、大電流的特點(diǎn)，如6HB5、6LF6、17KV6、26LW6、30KD6、40KG6等。為了降低管燈絲的功耗，OTL功放中使用的許多功率管的燈絲電壓都提高到20-40V，以方便串聯(lián)使用。

4、OTL功放的幾種典型電路

1.新型三極功率管OTL放大器

圖2是6C33C-B雙三極管OTL功率放大器的電路圖。本電路采用國(guó)外新型低內(nèi)阻、大功率雙三極管6C33C-B作為OTL功率放大器。每個(gè)通道使用一對(duì)6C33C-B作為功率放大。輸出8負(fù)載時(shí)，每路輸出功率可達(dá)40W。

該OTL功放的輸入級(jí)采用高放大倍數(shù)雙三極管12AX7組成前級(jí)差分和反相電路。該電路具有輸入阻抗高、動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)。為了展寬頻率響應(yīng)并減少相位失真，在輸入級(jí)和驅(qū)動(dòng)級(jí)之間采用直接耦合。為了提高前級(jí)增益，在差分輸入管12AX7的負(fù)極施加-22V電壓，并串聯(lián)一個(gè)1.1mA恒流二極管，使前級(jí)工作更加穩(wěn)定可靠。

驅(qū)動(dòng)放大級(jí)由中等放大倍數(shù)雙三極管12BH7擔(dān)當(dāng)。該管的性能與l2AU7、12JD8、5687等雙三極管相似。為了增大屏電流，提高推動(dòng)級(jí)的輸出能力，采用了兩個(gè)晶體管并聯(lián)。各管屏電壓高達(dá)265V，組成共陰極推放電路。為了改善推動(dòng)級(jí)的各種電性能，減少失真，展寬頻率響應(yīng)，在兩管陰極加入更深的電流負(fù)反饋。

OTL功放輸出級(jí)各通道采用一對(duì)新型雙三極功率管6C33C-B。前級(jí)一對(duì)幅度相等、相位相反的推送信號(hào)通過(guò)兩個(gè)0.47F電容耦合到功放管。

該OTL功放級(jí)采用正負(fù)雙電源形式，功放級(jí)工作電壓為182V。功放管6C33C-B柵極與陰極之間最大負(fù)電壓值為-60V。上管的柵極負(fù)電壓由單獨(dú)的負(fù)電壓電源提供，下管的柵極負(fù)電壓由另一組負(fù)電壓提供。

為了提高OTL功放的電氣性能，在OTL中點(diǎn)輸出端與輸入端之間通過(guò)1.8k電阻加入適當(dāng)?shù)碾妷贺?fù)反饋，使整機(jī)電氣性能穩(wěn)定可靠。本機(jī)的頻率響應(yīng)為10Hz~200kHz(0.1dB)。

OTL功放的供電方面，功放級(jí)的正負(fù)高壓由電源變壓器內(nèi)的135V/1.3A繞組經(jīng)正反向整流和二極管濾波得到182V高壓。輸入級(jí)和推動(dòng)級(jí)的屏高壓由300V/0.1A電源變壓器繞組經(jīng)二極管橋整流濾波后輸出+395V高壓。經(jīng)去耦電阻降壓后，得到+265V和+140V電壓，分別供給12AX7和12BH7。電網(wǎng)負(fù)壓電源分為兩組。電源變壓器中兩個(gè)獨(dú)立的60V/50mA繞組經(jīng)過(guò)整流濾波后提供給OTL功放管的柵極作為柵極負(fù)偏置電壓，并由兩個(gè)20k可變電位器控制。調(diào)整。燈絲電源分為3組，前置放大器每個(gè)通道分為2組。功放管6C33C-B燈絲有兩種使用方式。串聯(lián)使用時(shí)為12.6V/3.3A，并聯(lián)使用時(shí)為6.3V/6.6A。本機(jī)采用串聯(lián)方式。

2、普通晶體管OTL功放

圖3是6KD6五極管OTL功放電路圖。它是將普通束流四極管或五極管功率管改為三極管接法的OTL功率放大器。它利用了管簾柵極在相同柵極電壓下可以輸出較大電流的特點(diǎn)。本來(lái)，由于屏電極內(nèi)阻較大，工作電流受到限制。但改成三極管連接方式后，簾柵電壓與屏電極電壓同電位，屏電極內(nèi)阻大大降低，加強(qiáng)了屏電極承受更大電流的能力能力，因此可以在低阻抗負(fù)載下輸出更高的功率。

對(duì)于普通功率管改為三極管接法的OTL功放，并不是所有功率管都可以使用。必須選用屏壓范圍較大的束四極管或五極管功率管，如6KD6、6L6、6P3P、6146等。同時(shí)功放級(jí)也必須采用多只功率管并聯(lián)。使用8低阻抗負(fù)載時(shí)，每路必須使用6只功率管并聯(lián)才能滿足低阻抗負(fù)載的要求，輸出功率只有30W左右。

該OTL功放的輸入級(jí)采用高放大倍數(shù)管6J2，對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行比較。

顯著提高，單級(jí)電壓增益可達(dá)30dB以上。放大后的信號(hào)電壓通過(guò)直接耦合傳輸至反相級(jí)。逆變級(jí)由高屏壓雙管6SN7擔(dān)當(dāng)，屏壓值為340V。該管組成屏極分體逆變電路，屏極負(fù)載電阻均為33k。這樣，在輸出端就可以得到一對(duì)幅值相等、相位相反的推送信號(hào)電壓。

OTL功放級(jí)采用SEPP并聯(lián)推挽電路，可選用6KD6、6L6、6P3P等寬屏電壓范圍的功放管，改為三極管連接。采用6只功放管并聯(lián)的輸出方式，輸出阻抗達(dá)到8~16。

功放級(jí)電源為正負(fù)雙電源，值為230V。功放管柵極的負(fù)電壓應(yīng)根據(jù)不同功率管的特性來(lái)確定。上下管通過(guò)各自的分壓網(wǎng)絡(luò)并通過(guò)調(diào)節(jié)電位器得到。

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