一、功率放大器概念、原理

1. 功率放大器概念

功率放大器(英文名稱：power amplifier)，簡稱“功放”,是指在給定失真率條件下，能產生最大功率輸出以驅動某一負載(例如揚聲器)的放大器。功率放大器在整個音響系統中起到了“組織、協調”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統能否提供良好的音質輸出。功放，可以說是各類音響器材中最大的一個家族了，其作用主要是將音源器材輸入的較微弱信號進行放大后，產生足夠大的電流去推動揚聲器進行聲音的重放。

2. 功率放大器工作原理

利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉換為按照輸入信號變化的電流.因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數，應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的β倍，然后將這個信號用隔直電容 隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的β倍的大信號，這現象成為三極管的放大作用。經過不斷的電流放大，就完成了功率放大。

圖片說明：功率放大器

二、功率放大電流的特點

對功放電路的了解或評價，主要從輸出功率、效率和失真這三方面考慮。

1、為得到需要的輸出功率，電路須選集電極功耗足夠大的三極管，功放管的工作電流和集電極電壓也較高。電路設計使用中首先要考慮怎樣充分地發(fā)揮三極管功能而又不損壞三極管。由于電路中功放管工作狀態(tài)常接近極限值，所以功放電流調整和使用時要小心，不宜超限使用。

2、從能耗方面考慮，功放輸出的功率最終是由電源提供的，例如收音機中功放耗電要占整機的2/3,因此要十分注意提高電路效率，即輸出功率與耗電功率的比值。

3、功放電路的輸入信號已經幾級放大，有足夠強度，這會使功放管工作點大幅度移動，所以要求功放電路有較大的動態(tài)范圍。功放管的工作點選擇不當，輸出會有嚴重失真。

二、常用功率放大電路的原理

單只三極管輸出的功放電路輸出小、效率低，日用電器中已很少見。目前常采用的是推挽電路形式。

圖1是用耦合變壓器的推挽電路原理圖。它的特點是三極管靜態(tài)工作電流接近于零，放大器耗電及少。有信輸入時，電路工作電流雖大，但大部分功率都輸出到負載上，本身損耗卻不大，所以電源利用率較高。這個電路中每只三極管只在信號的半個周期內導通工作，為避免失真，所以采用兩只三極管協調工作的方式。圖中輸入變壓器B1的次級有一個接地的中心抽頭。在音頻信號輸入時，B1次級兩個大小相等、極性相反的信號分別送到BG1和BG2的發(fā)射結。在輸入信號的正半周時間里，BG1管因加的是反向偏壓而截止，只有BG2能將信號放大，從集電極輸出;而在信號負半周，BG1得到正高偏壓，能將這半個周期的信號放大輸出，而BG2卻截止。電路中的兩只三極管雖然各自放大了信號的半個同期，但它們的輸出電流是分先后通過輸出變壓器B2的，所以在B2的次級得到的感應電流又能全成一個完整的輸出信號。

這個功放電路中，為了解決阻抗匝配和信號相位等問題，輸入與輸出變壓器是不可少的。但是，優(yōu)質變壓器的制作在材料和工藝上都比較困難，它本身總還要消耗一部分能量，降低電路的效率，而且變壓器的頻率特性不好，使電路對不同頻率信號輸出很不均勻，會造成失真，所以為了提高功放質量，人們更多地使用無變壓器(OTL)功率放大電路。

三、元器件及功放電路的選擇

制作功率放大器時選擇元器件和功放電路無非是從以下幾個方面入手：

1.電源變壓器

電源變壓器應根據機內各部電路的總功耗作合理的選擇。為了使整機有足夠的功率儲備，電源變壓器的功率至少應為機內各部電路總耗散功率的兩倍以上，如果功放為甲類放大電路，那么電源變壓器的功率應在此基礎上再增加一倍。無論E型、C型以及R型和環(huán)型電源變壓器，只要是質量上乘且功率足夠者均可選擇。如果有條件的話，可用開關電源一試，相信會得到意想不到的收獲，因為筆者用開關電源制作的幾臺功率放大器也均取得了較好的效果。

2.電阻、電容、連接導線

1)電阻

電阻應盡量選擇精密五色環(huán)金屬膜電阻，誤差應控制在1%以下，其設計功率余量應盡可能的大，一般功率應在1/4W以上，其中一些特殊部位(如功率管的射極電阻或電流負反饋電路的取樣電阻)的電阻功率應在1/2W~5W之間，以提高整個電路工作時的穩(wěn)定性。

2)電容

電容應盡量選擇音響專用型的品種，其中以進口優(yōu)質電容為首選。大容量(如電源濾波及退耦電容)應使用耐壓高于電源電壓且容量盡可能大的音響專用電解電容,以提高濾波效果。小容量的電容，如電源高頻退耦、信號耦合、負反饋網絡中的隔直電容等，應盡量使用高品質、介質損耗小的CBB電容或鉭電容,此舉可使音頻信號高低端的衰減量降至最低，以使音樂的高低頻段信息得到充分的延伸。

3)連接導線

在制作功放時連接導線的選擇往往被人們所忽視。大電流(如電源線、功率輸出線及地線)的連接導線應盡可能選擇絕緣性能好、線徑粗且芯線為多股細導線經絞合而成的銅質導線，以盡量克服電流通過導線時的趨膚效應。小電流的連接導線可以使用線徑細一些的導線。各部連線應使用不同顏色的導線加以區(qū)分，一般情況下，正電源用紅色導線，負電源用綠色或藍色導線，地線為黑色導線。放大器中的信號通路應使用優(yōu)質的雙芯屏蔽線，絕對不允許用單股導線或排線代替，以杜絕外部干擾噪聲的侵入。

3.功放電路

相對來說，在制作功率放大器時，功放電路的選擇應該說是比較重要的。首先應根據自己的聽音環(huán)境和對重放音色偏好(冷艷、溫暖或冷暖兼顧)來決定所選功放電路的結構(甲類、甲乙類或其他類型)和電路中各器件或元件(電容、電阻、放大管等)的型號。

再根據自己對功率放大器的結構和原理等知識的掌握情況來決定是自制功放電路還是購買成品電路板。如果你對功放電路的結構有深刻的了解并有一定的摩機功底，那么你應該選擇自己信任或適合口味的優(yōu)質元器件自制或購買成品的功放電路。如果你對音樂的音色要求不太苛刻，有一定的動手能力且不太知道功放電路的結構和原理，那么我勸你還是購買電路結構成熟、由分立元件組裝的功放板或以集成電路為核心構成的功放電路板為好?，F在以集成電路如LM3886、LM4766和TDA7294等為核心構成的功放電路不論在輸出功率、還音質量以及工作穩(wěn)定性方面均能令人滿意，與由分立元件組裝的功放板相比，具有電路簡單、調試容易和造價低廉的特點。

四。制作功率放大器的基本要求

在制作功率放大器時，基于功率放大器的一些特點，也有一些基本的要求：

(1)有足夠大的輸出功率：

a.3 dB通頻帶為300~3400Hz,輸出正弦信號無明顯失真;

b.最大不失真輸出功率≥1W;

c.輸入阻抗>10kΩ，電壓放大倍數1~20連續(xù)可調;

d.低頻噪聲電壓(20kHz以下)≤10mV,在電壓放大倍數為10、輸入端對地交流短路時測量;

e.在輸出功率500mW時測量的功率放大器效率(輸出功率/放大器總功耗)≥50%.

(2)效率要高：

設計并制作一個放大倍數為1的信號變換電路，將功率放大器雙端輸出的信號轉換為單端輸出，經RC濾波供外接測試儀表用。

(3)非線性失真?。?/p>

設計并制作一個測量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數字顯示，精度優(yōu)于5%.最大不失真輸出功率≥1W.

五、電路設計

在設計功放電路時，電路應設計得簡潔一些。如追求音樂的原汁原味，則盡量減少或摒棄信號輸入電路與功放電路之間的環(huán)節(jié)，如音調、平衡或其他功能電路。如喜歡對音樂進行修飾，那么除加入上述電路外，還可以再加入如BBE、3D以及SRS等能對音樂信號進行大幅度修飾的電路。在安排電路板上各元器件的位置及布線方面，請遵循以下幾個原則：

1.按照信號傳輸路徑以由小到大的順序在電路板上合理地布置各元器件的位置，盡量縮短各元器件之間的距離(距離過大或遇到障礙時可使用跳線)，以減少外部干擾的引入。

2.在供電線路中，不可以將大電流的印刷電路或導線交*布置在小電流通路的中間或附近，以免造成對小電流線路的干擾。

3.電路板上大電流通過的路徑(印刷線路或導線)應設計得寬(粗)一些，以使電流能順利通過。

六、制作工藝

制作功率放大器，不僅要求電路合理，制作工藝也應講究，否則揚聲器會出現較大的干擾噪聲或由自激振蕩引起的嘯叫聲。本人在指導學生制作較大功率的分立元件和集成功率放大器時，針對上述兩個問題進行了分析和總結，從電路結構、布局方面著手改進，取得了良好的效果。 一般說來，制作功率放大器時應注意以下幾方面：

1.選擇一臺沉穩(wěn)而又扎實的機箱且最好為金屬結構的，以避免因機箱變形造成內部電路短路或外部干擾噪聲的侵入。

2.合理布置各單元在機箱內的位置并注意整機重心。電源部分應遠離小信號放大電路，最好把電源部分與放大電路隔離，做法是把電源部分放在一個由金屬構成的獨立小室內，以此降低電源對放大電路的影響。

3.各元器件在上板之前應用工具將引線上的氧化層刮除，并用數字表測量其實際數值是否與標稱值相符，誤差是否在允許范圍內。元件上板之后，應仔細檢查有無錯焊、漏焊或搭錫之處，若有則應及時排除之。

4.在焊接時，應根據元器件的大小而選擇功率合適的電烙鐵并使用優(yōu)質的焊錫和腐蝕性小的助焊劑，以保證焊點大小合適、光滑明亮且無假焊、虛焊現象。

5.機內各板塊(包括信號輸入、輸出插座在內)不可以單獨接地，而是應采取整機一點接地的方式，即在機殼上找到接地點后，用粗壯的黑色導線從各板地線上引出并匯集于此點。當此接地點與機殼脫離后，以萬用表測量電路板上任意一點與機殼間的阻值均應呈無限大狀態(tài)。

6.各單元在機箱內固定好后，應用尼龍扣把各連接線束扣緊并做相應固定。

整機制作完畢后，應用萬用表測量各關鍵點與地之間的阻值，各聲道的對應點與地之間的阻值應相同或非常接近，如發(fā)現有異常之處，一般是電路中有錯焊、漏焊或所用元件數值不對所致，經仔細檢查或測量，一般不難發(fā)現問題所在。如上述檢查沒發(fā)現任何問題，則可給整機通電(此時不可接入音箱)并觀察有無異常情況(如元器件過熱、冒煙、保護繼電器能否正常吸合等)。