音频功率放大器是一个技术已經相当成熟的领域几十年来，人们为之付出了不懈的 努力无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步囙顾一下 功率放大器的发展历程，对我们广大音响爱好者来说也许是一件饶有趣味的事情 二、晶体管功放的发展和互调失真 三、功放输叺级——差动与共射-共基 四、放大器的电源与甲类放大器 　 半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。自从有了晶体管人们僦开始用 　 早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因使得放大器中所用 的晶体管，尤其是功放管性能指标不易莋得很高例如，共发射极截止频率fh的典型值为 4kHz大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。这样放大器的频率响应也就很狭窄，其 3dB截止频率通瑺在10kHz左右大大影响了音乐中高频信号的重现。再加上功放管的耐压、 电流和功耗三个指标相互制约制作较大功率的 OTL或OCL放大器不易寻到彡个指标都满足 要求的管于，所以不得不采用变压器耦合输出变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得 很困难，谐波失真得不到充分嘚抑制因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。“还是 胆机规声”这种看法的确事出有因。 二、晶体管功放的发展和互调失真 　 隨着半导体工艺的逐渐成熟大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率 放大器采用了无输出变压器的 OCL电路或 OTL电路(图一) 最初的大功率 PNP管是锗管， 而 NPN管是硅管两者的特性差别非常显著，电路的 对称性很差人们更多采用的是图二 所示的准互补电路，通过小功率硅管 Q1与一只大功率的 NPN硅管 Q2复合得到一只极性与 PNP管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真 到了六十年代末，大功率 的 PNP矽管商品化的时候互补对称电路才得到广泛的应用。元器件的进步使晶体管功率放 大器的技术指标产生了质的飞跃在主观音质评价方媔，也改变了过去人们对晶体管功放的 看法无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放，晶体管功放都被大量地采用首次 在数量仩以压倒性的优势超过了电子管功放。在商品化的晶体管扩音机中相继出现了一些 　 尽管电子管的拥护者仍大量存在，人们毕竟能够比較公正地看待晶体管放大器了认为 晶体管机频响宽阔，层次细腻与电子管机比较起来有一种独特的舱力，而不是简单的谁取 　 瞬态互調失真的提出是认识上的一次飞跃七十年代功率放大器的发展史中出现了一件 出。1963年芬兰 Helvar工厂的一名工程师在制作一台晶体管扩音机時，由于接线失误 使电路的负反馈量减少了，后来却意外地发现负反馈量减少后的音质非常好客观技术指标 较差，而更正错误以后的線路尽管技术指标提高了音质反而比误接时明显下降。 这一现 象引起了当时同一工厂的 Mr.Otala的重视之后，他对此进行了悉心研究于1970年首先 发表丁关于晶体管功率放大器瞬态互调失真(TIM)的论文。至 1971年,Otala博士及其研究小 组就 TIM失真理论发表的论文已经超过20篇引起了电声界准互补电蕗人士的广泛反响。 　 瞬态互调失真的大意是这样的： 　 在直接耦合的晶体管放大电路中为了得到很小的谐波失真度和宽阔平坦的频率響应， 通常对整体电路施加深达40dB一60dB的负反馈倘若在加负反馈前放大器的开环失真为 10％，那么加上40dB的负反馈后失真即可降低至0．1％，这昰电子管功效难以做到的 晶体管功放由于要施加40dB。60dB的负反馈所以对一台增益要求为26dB的放大器，它的开 环增益就要达到66、86dB 如此高的增益之下引入深度负反馈，电路势必会产生自激振荡因而需要进行相位补偿，一 般是在推动级晶体管的集电极——基极之间接接一个小电嫆 C破坏自激振荡的相位条件， 形成所谓“滞后补偿” 　 当放大器输入端输入持续时间非常短的过渡性脉冲时，由于电容 C需要充电时间所以 推动管集电极电压要经过一段时间延迟方能达到最大值，见图四显然，在电容 C充、放电 期间输出电压 V。将达不到应有的电压值输入级也不可能得到应有的反馈电压 Vf，因 而在过渡脉冲通过输入级的瞬间，输入级将处于负．反馈失控状态致使输入级严重过 载，輸出将严重削波(图三 a点)引起过渡脉冲瞬时失真(图五)。如果过渡脉冲波形上还叠 加有正弦信号输出端还会得到很多输入信号频谱不存在嘚互调频率成份，这就是 TIM失 　 TIM失真和音乐信号也有密切关系音量大、频率高的节目信号容易诱发 TIM失真。严 重的 TIM失真反映在听感上类似高頻交选失真而较弱的 TIM失真给人以“金属声”的不快 感觉，导致音质劣化至今，音响界对于 TIM失真都还有争议但这毕竟是人们认识的深 囮，它使后来放大器的设计思想发生了根本性的变化即更加注重放大器的动态性能而不是 仅仅满足于静态技术指标的提高。 三、功放输叺级——差动与共射-共基 　 对称和平衡是电路发展的方向对称和平衡也许是世上事物完美的标志之一 音乐讲究各声部之间的乎衡与统一，美术以色彩搭配均衡、和谐为美在服装设计中，常常 采取看似不对称的设计其实质也是为了取得视觉上的均衡。上面所说的都是艺術对称和 平衡给人一种安定、完美的感觉。有意思的是在功率放大器中，对称和平衡也有类似的效 　 最初采用对称设计的例子要算互補对称电路了一上一下的两只异极性晶体管作推挽输 出，不仅可以免除笨重的输出变压器而且电路的偶次谐波失真在推挽的过程中被抵消了， 保真度有了很大提高稍后，人们从运算放大器的设计中得到启迪将左右对称的差动式电 路用于功率放木器的输入级，电路的穩定性和线性都得到改善这时的电路结构如图六所 示，这一结构直至今天都还有人采用 如果以现代的眼光来审评，这一电路是显得过時了 一点电路的主要缺陷在于电压推动级，因为 Q1承担了提供电压增益的主要任务必然是 开环失真很大，频带狭窄此图六 典型的 OCL放大器外，单管放大的过载能力也很差这 一系列的缺点是不利于电路的动态性能的。围绕着改进电压推动级的性能人们相继提出了 多种结構，共射——共基电路就是一个典型的例子 　 共射——共基电路又叫“猩尔曼”电路，它原先是高频电路中广为采用的结构但用于 音頻电路中同样可以发挥出色的性能。首先是它的宽频响由于共基放大管 Qs非常低的输 入阻抗，使 Q丧失了电压增益，弥勒效应的影响就非瑺微弱 宽频响的推动级拉开了与 输入级极点的距离，相位补偿变得很’容易而且电容 C的容量可以大大减小，这对于改 善 TIM失真是很有利嘚 第二个优点是电路的高度线性：共基极电路的输出特性也可以清 楚地显示出这一点，有人作过测试共射一共基电路的失真度比单管囲射电路要低一个数量 　 依然是一种不平衡的设计，这一限制来源于输入级如果把输入级变动一下，从互补推 挽的 Q：和Qg的集电极输出信號那么电压推动级就可以在图七的基础上再增加一组 NPN管 构成的共射一共基电路，做到推挽输出这时电路也就非常对称平衡了，几乎达箌了完美的 　 当今许多最先进的功率放大器采用的也是这种电路结构图八是另一种电压推动级的形 式，其输入信号来自图六中的 Ql和 Qs当嘫此时 Qz必须加上集电极负载电阻。电压推动 级也采用对称的差动放大这不仅可以改善输入级的平衡性，提高放大能力和共模抑制比 而苴同样可以降低推动级的失真，因为差动式放大电路当输入在一定的范围内时具有线性的 传输特性有的电路还在 Qn、 Qz的发射极串人负反馈反阻，更加扩大了线性范围 Q2和 Qd构成镜像电流源，把 Q的集电极电流转移到 Qz上，所以尽管是单端输出电流推动能 力却比原来增大了一倍。 PIONEER的M22K功率放大器就是采用的这种电路结构取得了非常 好的效果。对称和平衡不仅体现在电路的结构上还表现于元器件的参数上。差动電路是集 成运放中广泛采用的结构其性能是建立在两只差分管 Hrs和 Vss精确匹配的基础之上。同 样推挽电路中，如果两只异极性的晶体管特性不一致时对波形的两个半周就不能做到一 视同仁地放大，这将增力D电路的失真度 　 随着节目源的变化，音乐中包含大量瞬变、高能量的成份要完美地重现这些细节，就 要求放大器具有良好的动态响应对晶体管配对的要求就不仅是静态的 HrR和 VBE匹配，而 且在动态时也要高度匹配这无疑对元器件参数的平衡提出了更苛刻的要求。 幸运的是 半导体技术的进步为我们提供了这种可能，各种各样的差分对管、晶体管阵列陈出不穷单 个的晶体管一致性也得到较大提高。正是这些优质的元器件让对称电路设计的优点得以充 分体现，今天看到┅台全无负反馈的电路也不会觉得惊讶因为已经有足够好的开环性能 了，又何必为了几个仪器上的数据去牺牲放大电路的动态响应呢? 四、放大器的电源与甲类放大器 　 极端重视电源的现代放大器“放大器不过是电源的调制器”这句话道出了放大的实 　 既然如此，又有什麼理由不引起对电源的高度重视呢电源部份作为推动扬声器发声的 源泉，再也不应象过去那样随便找个整流电源接上了事对电源的要求有两个方面，即纹波 噪声小输出能力强。噪声小比较容易办到只要加大滤波电容器的容量就可以，但是要做 到输出能力强却不简单 　 首先要加大电源变压器的容量，这是过去一些放大器生产厂所不乐意的因为加大电源 变压器容量会使成本大量增加，整机的重量和體积也会加大；但现在听小喇叭的人越来越 十分大食难推再加上现代节目信号中常常出现一些炮弹爆炸，锣鼓敲击的声音对放大器 是┅个极为严峻的考验，同样两台100W的放大器一台可能让你感觉到大炮地动山摇的震撼 力，而另一台可能象是破鼓在“咐咐”作响所以现玳优质的功率放大器的电源储备量十分 惊人，往往采用巨大的环形变压器再配合容量达数万甚至数十万徽法的电容器，以提高电 源的瞬時供应能力 KRELI的功率放大器号称“功率发动机”，如 KSA一250功效在8Ω时 输出功率为250W／每声道，4Ω时为5O0W2Ω时为1000W， lΩ时为2000W而且任何状态下 失嫃均小于0，1％真是惊人 ！ MarkLevi2zson的产品也是极端重视电源的典范。提高电 源 的质量不仅是量的加大，还有质的提高滤波电容是一个关键，咜除了起平滑滤波和 储能的作用以外还是音频信号的通路，因此优质放大器中常常采用专门为音响用途而生产 的电容器以求获得更好嘚音质。 KRELLKAS放大器中电源部份竟然采用稳压电源供电， 这台机器可以在纯甲类状态下输出400W的功率为此，其电源部份也付出了采用60只大功率 　 重视电源的一个副产物就是甲类放大器再度成为时尚(这并不是贬意)甲类放大器一直 因为耗电多，效率低而未能在大功率的放大器中嘚到应用但它天然的优点是无交越失真， 无开关失真并且谐波分量中主要是偶次谐波，在听感上十分讨好听众故而一些极度发烧 的愛好者和厂家仍不惜代价地制作甲类放大器，电源储备量的提高更是为制作甲类放大器提 　 最好的功率放大器还没有出现人们对功率放大器的研究一刻也没有停止过新的元器 件、新的电路形式、新的理论不断出现，放大器的研究也针对这三个方面全面地铺开不器 件上， VMOS管的使用是八十年代以来的一个新动向 VMOS管频响宽、线性好、无二次击穿以及电压推动等一系列优点吸引了越来越多的使用者， 它的音色吔与电子管很接近投合了胆机迷的口味。 现在主要是缺乏品种众多的 P沟道互 补管这个问题相信很快就能解决。 　 IGBT也是值得注意的一种噺器件它由 MOS管与双极晶体管复合构成，兼有 VMOS管的 电压激励和双极晶体管压降低的优点很有发展前途。电路的研究以日本的各家公司最為活 跃近年来，一些公司从全新的角度提出了一系列电路如YAMAHA的 ALA， SONY的电流传 真的产生可是人们更欣赏的却是以精良元件和精湛工艺制莋的不带这些附加措施的放大 　 此外，对电路的客观技术指标与主观音质之间的精确关系还有待弄清这需要有新的理 论作为指导。国内外的学者们从不同的角度提出了全新的理论有的认为人耳的动态听觉上 限超过了20kHz，有的提出了计权失真度的概念认为人耳对不同频率嘚失真具有不同的感 知阂值，从10％到0．01％并给出了实验得出的阂值曲线。在上述的观点指导下必然要 制作频带更宽，全频带失真都极低的功率放大器而且节目源也有待改进，当然这些理论的 正确性需要通过实践的检验 　 新的技术飞跃往往是新材料、新理论、新方法嘚出现之后产生的，音频放大器同样也不 会例外在科技日新月异的时代，我们有理由期待更完美的功率放大器的出现

一款经典的OCL分立元件功放电路

后级功放电路如上图是本人曾经开发的一款功放。电路原理分析： 以左声道为例右声道相同 从前级來的左声道信号，经C15到由Q7Q8组成的差分输入放大器进行电压放大，放大后的信号从Q7的集电极取出送激励三极管Q12进行激励放大，激励信号從Q12的集电极取出分两路输出： 一路经R13，D4D3（二极管在导通状态，对在其特性曲线范围内的交流信号阻抗很小）送互补推挽放大电路的下臂PNP复合管基级（

ocl功率放大器电路图（一）

这个分竝元件电路虽然设计简单这个放大器令人印象深刻的性能，频率响应大约40KHZ，非常低噪声相当快的转换速率以及约50瓦的输出功率。

图1 50W喑频功率放大器电路图

图2 50W音频功放电源电路图

ocl功率放大器电路图（二）

典型的OCL功率放大器如下图所示OCL功率放大器的功率放大管也是由一呮NPN型三极管VT2和一只PNP型三极管VT3构成的，所以它们的导通电压也是由激励管VT1提供的

正电源+VCC通过R1，R2VD加到放大管VT2，VT3的基极为它们提供偏置电壓；而负电源-VCC不仅加到VT3的集电极，而且通过R3加到VT1的发射极当输入信号Ui的负半周信号通过VT1倒相放大，使VT3截止VT2导通时，它的集电极电流由+VCC經VT2、RL到地构成回路形成输出信号的上半周；当Ui的正半周信号经VT1倒相放大后，使VT2截止VT3导通，它的集电极电流由地RL，VT3到-VCC构成回路形成輸出信号的负半周，这样就可以得到一个完整的信号。

ocl功率放大器电路图（三）

如图所示是一款采用全互补对称电路驱动方式的OCL功放汾离元件结构，适合电子爱好者对功放电路制作的深入实践学习OCL电路是中档功放用得较多的一种功放电路，具有对称性好频响宽阔，結构简单等特点其失真度虽不是特别低（0.03%左右）但电路的转换速率、TIM失真等动态指标却相当好。因而音质很好是制作家用高保真功放嘚首选电路。

电路的第一级采用互补对称差分电路每管的静态工作电流约1mA，选用优质低噪声互补管2SC1815、2SA1015作互补差分对管有较低的噪声和較高的动态范围。第二级电压放大采用互补推挽电路采用高互补对管A180、C180，工作电流约5mA两管集电极串接的二极管和电阻为缓冲级提供约1.6V嘚偏置电压。两只互补中功率对管TIP41C、TIP42C构成射随器缓冲驱动级增设射随器缓冲驱动级是现代OCL电路的主要特点之一，它主电压放大级具有较高的负载阻抗有稳定而较高的增益。同时它又为输出级提供较低的输出内阻可加快对输出管结电容Cbe的充电速度改善电路的瞬态特性和頻率特性。

该级的工作电流也取得较大一般为（10-20）mA，个别机型甚至高达100mA与输出级的静态电流差不多，可使输出级得到充分驱动其发射极电阻采用了悬浮接法（不接中点），可迫使该级处于完全的甲类工作状态同时又为输出级提供了偏置电压。输出级为传统的互补OCL电蕗采用了FT高达60MHz的三肯大功率互补对管C2922、A1216，静态电流约为100mA输出端与输入级反相输入端接有环路负反馈网络，并将电路增益设定为31倍

ocl功率放大器电路图（四）

下图为输出功率为40W的OP-OCL功放电路。

本电路采用悬浮供电方式驱动级运放的供电电压随输出信号的幅度大小而浮动。茬静态时驱动运放无信号输出，运放的电源电压被晶体管VT1、VT2箝位在±1/2E上在动态时，驱动运放的输出信号电压为Uo输出电压经VT1、VT2迭加在運放的正负电源上，电源电压将变为±1/2（E+ Uo）运放电源电压上下浮动，输出信号电压也随之浮动增大了输出信号的幅度，从而使输出功率获得很大的提高由于运放具有很强的共模电压抑制能力，供电电压的浮动不会造成工作状态的不稳定

大功率VMOS管的一个重要缺点是其內阻大，使输出功率和电源效率降低为克服这一缺点，本机由中功率VMOS管与大功率三极管构成复合管输出级既保持了VMOS管良好的线性又有晶体管输出强劲、效率高的优点。中功率VMOS管可采用2SK214、2SJ77大功率功放管的型号为三肯名管2SA1216、2SC2922，箝位及偏置管均为普通小功率晶体管型号为2N5551、2N5401。

本机的另—特点是采用恒流驱动的方式负反馈电压由与扬声器串联的取样电阻上取出，负反馈的大小与流过扬声器的电流成正比這种驱动方式能够消除扬声器反电动势的影响，减小放大器与扬声器之间的交界面失真电流负反馈对输出信号中的高频和低频成分都有提升作用，使音质更加优美当扬声器开路或短路时，电流负反馈对电路有一定的保护作用

OPA604优良的性能也可以用来改造用单片式功放IC装淛的功放电路。早期的单片式功放lC如TDA2030、LM1875等，电路简单、外围元件很少至今仍很流行。但它们也存在许多不足之处电压转换速率只有8V/μs，远低于分立元件装制的功放把高性能运放接到单片式运放lC的负反馈回路中，就能够改善单片式功放lC的性能这种方式有人称之为“渦轮增压式”，非常形象在运放OPA604与LM1875之间接有R5、R6、C5组成的超前补偿网络，使相位得到补偿、频响更加平坦、音质获得改善本电路的输出功率为25W。

ocl功率放大器电路图（五）

下图是采用IGBT管作输出级的OP-OCL功放电路IGBT是一种新型功率半导体器件，兼有场效应管高输入阻抗和双极型晶體管低导通电阻的优点用IGBT管担任输出的功放，不仅输出功率大、效率高而且由于输出阻抗低，产生的交界面失真小与图5的电路不同，本机没有采用运放悬浮供电的方法来提高输出功率而是另外加了一级电压放大器，将运放输出的信号电压予以扩展采用运放悬浮供電，能够使输出信号的电压幅度提高一倍输出功率增加有限。而采用单独的电压放大级输出信号幅度的提升不受限‘制，因此可以装淛出输出功率更大的功放电路本文的电压放大级由VT1—VT4组成，四管提成共基一共射互补电路此电路失真小，频率特性十分优良输出级采用恒压源偏置电路，由晶体管VT5提供调节RP1阻值，使输出级的静态电流为lOOmA两只功放管的放号为GT20D101、GT20D201，VT5为小功率管2N5551V13、VT4为中功率晶体管2SA100、2SC100，VT1、VT2为小功率晶体管2SA180、2SC180电源电压为±45V时，本机最大不失真输出功率达50W以上

ocl功率放大器电路图（六）

一款精简的差分OCL功放电路图，电路的功放部分元器件连晶体管在内仅20个左右乍下看象一个原理简图，但确确实实是一个可付诸实用的功放而且它能以较低的谐波失真向8Ω（4Ω）负载提供≥50W（120W）的输出功率。它采用典型的OCL电路但制作时根据实践情况对设计作了必要的改进。不难看出本机电路具有很强的通鼡性只要配用相应的输出管和电源容量，无需改变电路即能获得50-100W的输出功率电路已简单到几乎不能再减少一个元件的地步，而性能却茬一般之上与一些市售高档功放作听音对比，本功放的音质是令人满意的

本机不同输出功率时的电源部分采用相同的电路程式，仅电源变压器和滤波电容的容量有所不同如下图所示。