音響功放又稱音頻功率放大器，它主要由前置級、音調(diào)級、功率放大級這幾部分組成，如圖1所示。前置級的要求是輸人阻抗高、輸出阻抗小、頻帶寬、噪聲小;音調(diào)級的.作用是對輸人信號進行調(diào)節(jié)，使輸人信號提升和衰減;而功率放大級則是音頻放大器的主要部分，它決定了輸出功率的大小，要求具有輸出效率高，輸出功率大的特點。對于整個功率放大器而言，要求其失真小、噪聲低，有較好的擴音效果。

近幾十年來，A類B類AB類音頻功率放大器(額定輸出功率)-直占“統(tǒng)治”地位，所用器件從電子管、晶體管到集成電路;電路組成從***到推挽電路;電路形式從變壓器到OTL、OCL、BTL。這類功放的的最大缺點是效率低:A類音頻功率放大器的最高工作效率為50%，B類音頻功率放大器的最高工作效率為78.5%，AB類音頻功率放大器的工作效率則介于兩者之間。但是無論A類B類還是AB類音頻功率放大器，當它們的輸出功率小于額定值時，效率就會明顯降低，在播放動態(tài)的語言、音樂時，平均工作效率只有30%左右。
近年來，隨著數(shù)字音響技術的發(fā)展，效率極高(理論上可達到100%)的D類功放應運而生，并得到了廣泛的應用。

提示:BTL (Bridge-Tied-load)意為橋接式負載。負載的兩端分別接在兩個放大器的輸出端，一個放大器的輸出是另外一個放大器的鏡像輸出，也就是說，加在負載兩端的信號僅在相位上相差180°，負載上將得到原來單端輸出的2倍電壓，理論_上的輸出功率為雙通道輸出的4倍。

BTL形式不同于推挽形式，BTL的每一個放大器放大的信號都是完整的信號，只是兩個放大器的輸出信號反相而已。BTL形式能充分利用系統(tǒng)電壓，因此BTL形式多用于低電壓供電系統(tǒng)或電池供電系統(tǒng)中。
一、普通音頻放大器的種類
按照信號導通角的不同，普通音頻功率放大器可分為AB.C和AB類共四類，各類的具體特點如下：
1.A類放大器

A類放大器的晶體管輸人特性曲線如圖2所示，其靜態(tài)工作點為Q點。輸入正弦音頻信號，當其幅度未超出特性曲線的線性范圍時，集電極工作狀態(tài)處于截止區(qū)和飽和點之間，集電極電流為完整的全周導通的正弦波，此時導通角為180°(導通角是以最小值至最大值之間占全周的部分來計算，全周導通時為180°)，這種放大狀態(tài)失真度較小。當無交流信號輸人時，放大器中有約一半幅度(Q點)的直流電流流過，故效率最低，低于50%。
A類功率放大器主要用于小功率的收音機、助聽器中，也有部分高級的Hi-Fi功率放大器采用此方式。
2.B類放大器

B類放大器的晶體管輸人特性曲線如圖3所示，其靜態(tài)工作點為Q點，位于截止點上。功率管只在信號半周內(nèi)導通(導通角為90)，其集電極輸出半個正弦波。為了減少失真，B類放大器均用雙管做成推挽式，每只功率管工作一個半周，從而構(gòu)成完整的正弦波。
B類狀態(tài)的最大優(yōu)點是無信號時理論上沒有直流電流流過功率管，即沒有直流功率損耗，效率超過50%。由于三極管特性曲線起始端為非線性，為了減少失真，常在推挽放大器的兩只三極管的基極加上正向偏置電壓，如圖4所示，則每只功率管的導通角大于半周，其效率為60%~70%，工作狀態(tài)介于A、B類之間，故又稱之為AB類功率放大器。

3.C類放大器

C類放大器的晶體管輸入特性曲線如圖5所示，其靜態(tài)工作點為Q點，位于截止點之下，只有輸入信號中超過偏置點的部分，功率管才導通。這種方式雖效率更高，但由于失真過大，難用于音頻功放，一般多用于高頻功放電路中，作為倍頻器使用，因為在該類放大器的功率管的集電極諧波豐富，用高Q電路調(diào)諧于二次諧波，即可輸出完整波形的倍頻正弦波。
二、普通音頻放大器應用電路
普通音頻放大器的具體電路有很多種，現(xiàn)以在功放機中采用得最多的全直流全對稱互補功放電路為例進行簡要介紹。
該功放電路具有電路簡單、失真與噪聲低轉(zhuǎn)換速率高等優(yōu)點。如圖6所示。該功放可對5Ω負載提供100W的不失真功率，輸人靈敏度為300mV ，輸出噪聲電壓為1.2mV。

在該電路中，二極管D1、D2起隔離供電作用，以提高在大動態(tài)突發(fā)信號輸人時前級電路的驅(qū)動能力。當大動態(tài)突發(fā)信號到來時，末級輸出管的電流劇增，迫使電源電壓瞬間下降，這時由于D1、D2的反向隔離作用，濾波電容C5、C7上的電壓不能突變，仍可基本保持原電壓，故推動級仍能繼續(xù)提供較高的信號電壓和較大的驅(qū)動電流，使聲音聽起來更加強勁有力。由于大動態(tài)的突發(fā)信號常出現(xiàn)于低頻段，因而該技術的采用對于超低頻功放來說尤具有重要意義，實際聽感也證實了這一點。
本電路的直流工作點已由設計確定，其中輸人級差分對管的工作電流為0.9mA，輸出管的靜態(tài)電流為80mA，工作于AB類狀態(tài)。為提高輸出級靜態(tài)工作點的熱穩(wěn)定性，在其偏置電路中采用二極管D3~D5和負溫度系數(shù)熱敏電阻R10進行溫度補償，其中R10貼裝于功放管散熱器上，此舉對提高功放的熱穩(wěn)定性很有效，末級管的冷、熱態(tài)靜態(tài)電流可控制在30mA~80mA內(nèi)，無須“熱身”，一開機便可進人較佳的工作狀態(tài)。如不采用R10，冷熱狀態(tài)靜態(tài)電流變化范圍為0~100mA。若將R10的值改為200Ω，熱穩(wěn)定性還能進一步提高。
三、D類功率放大器
從以上介紹可知，影響放大器效率的主要因素是無信號時的工作電流大小，即該電流所形成的直流功率損耗。無信號時，電流愈大則直流損耗越大，效率越低。為此，要提高效率則應降低工作點，使無信號輸人時，也沒有直流損耗。但是，信號導通角越小，波形失真就越大，輸出信號中的諧波成分就增加，這兩個要求是相互矛盾的。
如果輸人波形的邊沿很陡峭，即使降低工作點，對導通角的影響也很小，失真劣化不大，而效率又可以得到提高。波形陡峭的極限狀態(tài)是輸人信號為矩形波，這種波形，無論偏置如何變化，由于前后邊沿是垂直升降的，導通狀態(tài)都不會發(fā)生變化，這樣就誕生了工作于脈沖放大狀態(tài)的D類功率放大器。
D類放大器工作于開關狀態(tài)，無信號輸人時無電流;導通時，沒有直流損耗。事實上，由于關斷時器件中尚有微小的漏電流，而導通時器件又沒有完全短路，尚有一定的管壓降，故存在較少的直流損耗，因此其實際效率為80%~90%，這仍是現(xiàn)有放大器中效率最高的。
正是由于D類放大器的效率高，功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱器的尺寸，連續(xù)輸出功率很容易達到數(shù)百瓦。另外，由于D類功放工作在頻率比音頻頻率高10多倍的脈沖狀態(tài)，故電源整流紋波對電路工作影響很小。
1.電路組成
D類功率放大器工作于開關狀態(tài)，基本結(jié)構(gòu)主要由調(diào)制器D類功放和低通濾波器組成，如圖7所示。

靠前部分為調(diào)制器，最簡單的只需用一，只運放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號加上一定直流偏置后送到運放的正輸人端，另通過自激振蕩生成-一個三角形波加到運放的負輸人端，如圖8所示。

當正端上的電位高于負端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零、直流偏置電壓為三角波峰值的1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時間一樣，輸出就是一個占空比為1:1的方波。當有音頻信號輸人時，在正半周期間，比較器輸出高電平的時間比低電平長，方波的占空比大于1:1;在負半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少，方波占空比小于1:1。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形，稱為PWM(Pulse Width Modulation脈寬調(diào)制)或PDM ( Pulse Duration Modulation脈沖持續(xù)時間調(diào)制)波形。
第二部分就是D類功放，這是一個脈沖控制的大電流開關放大器，把比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM 信號。能夠輸出的最大功率由負載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。
第三部分是低通濾波器，其作用是把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。由于此時電流很大，若采用RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器，電阻會消耗大量電能，這顯然是不允許的，所以此處采用LC低通濾波器。當空比大于1:1的脈沖到來時，C的充電時間大于放電時間，輸出電平上升;當窄脈沖到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相一致，所以原音頻信號被恢復出來。
2.工作原理簡述
在D類功率放大器中，先是將輸人的信號轉(zhuǎn)化為PWM信號，即脈寬調(diào)制信號。在一般的D類功放電路中，沒有采用A/D(模/數(shù))變換電路得到PWM信號，而是用一個幅度與放大的正弦波信號近似的三角波，作為變換器輸入，如圖9所示，這個變換器相當于同相比較器。當正弦波幅度大于三角波幅度時，變換電路輸出“1”; 正弦波幅度小于三角波幅度時，變換電路輸出“0”;這樣就可將輸人的正弦信號變?yōu)閷挾入S正弦信號波幅度變化的PWM波。

當輸人模擬音頻信號時，模擬音頻信號經(jīng)過PWM調(diào)制器變成與其幅度相對應脈寬的高頻率PWM脈沖號，經(jīng)脈沖推動器驅(qū)動功率放大器工作，然后經(jīng)過低通濾波器推動揚聲器發(fā)聲。值得一提的是，音頻PWM編碼也可以通過以下兩種途徑獲得:一 是對模擬音頻信號進行A/D變換，直接生成PWM數(shù)字音頻信號;二是對其他編碼的數(shù)字音頻，如CD的PCM數(shù)字信號，數(shù)字信號需先經(jīng)PCM-PWM轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成為PWM脈沖信號，再送往后級。
D類功率放大器中的開關管采用功率型MOSFET，即大功率場效應管，并為保證有足夠的激勵電壓，還設有驅(qū)動電路，使MOSFET能充分地開啟和關斷。
提示:D類音頻功率放大器的工作基于PWM模式，即將音頻信號與采樣頻率比較，經(jīng)過自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號幅度成正比例變化的pWM波，然后經(jīng)過驅(qū)動電路，加到功率MOS管的柵極，控制功率器件的開/關，實現(xiàn)放大。放大的PWM信號經(jīng)過低通濾波器后，還原為音頻信號。
四、D類功率放大器應用電路分析
D類音頻功率放大器又常稱為數(shù)字功放，具體型號很多，現(xiàn)已大量用于手機、數(shù)碼產(chǎn)品、平板彩電等電器中，下面以常見的數(shù)字功放芯片TPA3123D2為例進行介紹。
TPA3123D2由TI德州儀器生產(chǎn)，典型應用電路如圖10所示。該芯片電壓適用范圍廣，在12V~25V電壓下均可正常工作。在輸人電壓為20V條件下，可提供25W(4oumu5)x2的額定功率，且效率高于90%。

TPA3123D2內(nèi)置短路保護電路，當檢測到輸出端或負載短路時，立即停止輸出。同時，該芯片還內(nèi)置有過熱保護電路，當芯片內(nèi)部溫度超過150°C時，IC內(nèi)部進人關斷狀態(tài)，只有當芯片內(nèi)部溫度降至309C時，內(nèi)部電路才重新啟動。
TPA3123D2的17、18腳為兩通道的增益設置端，若上拉到高電平，每通道電壓增益為36dB。須注意的是，TPA3123D2的輸入阻抗隨增益的不同有很大變化，所以輸人耦合電容的容量需要根據(jù)實際情況進行選取。若將17、18腳通過一只20k的電阻與供電vCC相連，此時該IC的輸入阻抗約9k，若選取1uF的輸入耦合電容，可得到的下限頻率約為18Hz。
提示:TPA3123與TPA31234均是雙通道D類音頻功率放大器，外圍電路完全一樣，但TPA3123電源范圍與輸出功率比TPA3124大。用于雙通道放大時，TPA3123每聲道最大輸出功率為25W，而TPA3124為15W。
一款采用TPA3123D2的單聲道音箱電路如圖11所示。

該電路采用BTL形式。由于BTL形式的放大器的兩個輸人端輸人的是反相信號，而一般的音頻信號為單端共地信號。因此，在該電路中增加了一塊以雙運放OPA2353為中心的電路，從而實現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分功能。OPA2353內(nèi)部的一個運放用作跟隨器，另一個用作反相放大器，這樣既輸出一對反相的信號，又具有很好的對稱性。