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。前置級的要求是輸入阻抗高、輸出阻抗小、頻帶寬、噪聲小；音調(diào)級的作用是對輸入信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸入信號提升和衰減；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(diǎn)。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(kuò)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）一直占“統(tǒng)治”地位，所用器件從電子管、晶體管到集成電路；電路組成從單管到推挽電路；電路形式從變壓器到OTL、OCL、BTL。這類功放的的最大缺點(diǎn)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(dāng)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(shù)的發(fā)展，效率極高（理論上可達(dá)到100%）的D類功放應(yīng)運(yùn)而生，并得到了廣泛的應(yīng)用。
    提示：BTL （Bridge-Tied-load）意為橋接式負(fù)載。負(fù)載的兩端分別接在兩個放大器的輸出端，一個放大器的新出是另外一個放大器的鏡像輸出，也就是說，加在負(fù)載兩端的信號僅在相位上相差180°，負(fù)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(dǎo)通角的不同，普通音頻功率放大器可分為A、B、C和AB類共四類，各類的具體特點(diǎn)如一下：
    1.A類放大器
    A類放大器的晶體管輸入特性曲線如圖2所示，其靜態(tài)工作點(diǎn)為Q點(diǎn)。輸入正弦音頻信號，當(dāng)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(diǎn)之間，集電極電流為完整的全周導(dǎo)通的正弦波，此時導(dǎo)通角為180°（導(dǎo)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(dǎo)通時為180°），這種放大狀態(tài)失真度較小。當(dāng)無交流信號輸入時，放大器中有約一半幅度（Q點(diǎn)）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(jī)、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入特性曲線如圖3所示，其靜態(tài)工作點(diǎn)為Q點(diǎn)，位于截止點(diǎn)上。功率管只在信號半周內(nèi)導(dǎo)通（導(dǎo)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(diǎn)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(dǎo)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(diǎn)為Q點(diǎn)，位于截止點(diǎn)之下，只有輸入信號中超過偏置點(diǎn)的部分，功率管才導(dǎo)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?yàn)樵谠擃惙糯笃鞯墓β使艿募姌O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(yīng)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(jī)中采用得最多的全直流全對稱互補(bǔ)功放電路為例進(jìn)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(diǎn)。如圖6所示。該功放可對5Ω負(fù)載提供100w的不失真功率，輸入靈敏度為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)信號輸入時前級電路的驅(qū)動能力。當(dāng)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(qiáng)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(shù)的采用對于超低頻功放來說尤其具有重要意義，實(shí)際聽感也證實(shí)了這一點(diǎn)。
    本電路的直流工作點(diǎn)已由設(shè)計確定，其中輸入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(diǎn)的熱穩(wěn)定性，在其偏置電路中采用二極管D3-D5和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻R10進(jìn)行溫度補(bǔ)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(jī)便可進(jìn)入較佳的工作狀態(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(jìn)一步提高。

    三、D類功率放大品
    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(yīng)降低工作點(diǎn)，使無信號輸入時，也沒有直流損耗。但是，信號導(dǎo)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。
    如果輸入波形的邊沿很陡峭，即使降低工作點(diǎn)，對導(dǎo)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)是輸入信號為矩形波，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(dǎo)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(guān)狀態(tài)，無信號輸入時無電流；導(dǎo)通時，沒有直流損耗。事實(shí)上，由于關(guān)斷時器件中尚有微小的漏電流，而導(dǎo)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(shí)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(dá)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(guān)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。

    第一部分為調(diào)制器，最簡單的只需用一只運(yùn)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(yùn)放的正輸入端，另通過自激振蕩生成一個三角形波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端，如圖8所示。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)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(dāng)有音頻信號輸入時，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(fù)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(guān)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(fù)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(dāng)占空比大于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(dāng)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(fù)出來。
    2．工作原理簡述
    在D類功率放大器中，先是將輸入的信號轉(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(dāng)于同相比較器。當(dāng)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”；這樣就可將輸入的正弦信號變?yōu)閷挾入S正弦信號波幅度變化的PWM波。

    當(dāng)輸入模擬音頻信號時，模擬音頻信號經(jīng)過PWM調(diào)制器變成與其幅度相對應(yīng)脈寬的高頻率PWM脈沖信號，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(yáng)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(jìn)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(guān)管采用功率型MOSFET，即大功率場效應(yīng)管，并為保證有足夠的激勵電壓，還設(shè)有驅(qū)動電路，使MOSFET能充分地開啟和關(guān)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(guān)，實(shí)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(yīng)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(jī)、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(jìn)行介紹。
    TPA3123D2由TI德州儀器生產(chǎn)，典型應(yīng)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。在輸入電壓為20V條件下，可提供25W（4Ω） X2的額定功率，且效率高于90%，
    TPA3123D2內(nèi)置短路保護(hù)電路，當(dāng)檢測到輸出端或負(fù)載短路時，立即停止輸出。同時，該芯片還內(nèi)置有過熱保護(hù)電路，當(dāng)芯片內(nèi)部溫度超過150℃時，IC內(nèi)部進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，只有當(dāng)芯片內(nèi)部溫度降至30℃時，內(nèi)部電路才重新啟動。

    TPA3123D2的17、18腳為兩通道的增益設(shè)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，所以輸入耦合電容的容量需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。若將17、18腳通過一只20kΩ的電阻與供電VCC相連，此時該IC的輸入阻抗約9kΩ，若選取1μF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，外圍電路完全丁樣，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入端輸入的是反相信號，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(yùn)放OPA2353為中心的電路，從而實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分功能。OPA2353內(nèi)部的一個運(yùn)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。