音频功放类型与结构

音频功放，顾名思义，是对音频信号进行功率放大的放大器。从早期简单的A类、B类已经发展到现在的G类，甚至还有W类。音频的输入输出也从早期的纯模拟信号，演化到现在的数字/模拟并存。效率越来越高，谐波失真越来越小，保真度越来越高。本文把功放的发展从结构和基本特征做了分析（文中部分内容来自于网络）。

功放的定义

功率放大器简称功放，俗称“扩音机”，是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。

其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。 

功放的分类

功放的分类方式有很多种，一般会按照功放管的导电方式不同进行划分。通常分为A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类）、D类（丁类），以及后来发展的G类、H类等类型。

A类功放

A类放大器的特点是不论是否输入信号，其输出电路恒有电流流通，而且这种放大器通常是在特性曲线的线性范围内操作，以求放大后的信号不失真。

所以它的优点是：失真度小，信号越小传真度越高。最大的缺点是效率低，最大只有25%，不输入信号时丝毫不降低消耗功率，极不适合做功率放大。但因其高传真度，部分高级音响器材仍采用A类放大器。

由于无论有没有信号输入，A类功放的电流损耗都一直很大，会产生很大的热量。所以当使用A功放的时候，需要有很好的散热环境。下图是A类功放的工作区间的示意波形，以及A类功放的一般实现方式，分别为“共集电极”、“共发射极”。

A类功放工作区间

A类功放的输出幅度为Vp，输出负载平均功率PL，电源输入功率为Ps，工作效率为η，则可以得到以下表达式：

PL=Vp*Vp/(2*Rl)；Ps=2*Vcc*Iq；η=Pl/Ps，所以，可以推算出来，当Vp=VCC，而且Vp=IQ*RL时，A类功放有最大的工作效率，为25%。

B类功放

B类功率放大器是工作点在特性线极端处的一种放大器。当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。根据定义，静态工作点为0，信号以一PNP型BJT与原射级跟随器相接，形成所谓的“互补式射级跟随器”又称为“B类推挽式放大器”。

其动作原理，在Vi的正半周其间，Q1导通且Q2截止，所以，形成图4的输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半周时，Q1截止而Q2导通，结果形成输出端负半周正弦波，如图4虚线部分所示。

由于B类推挽式放大器在无输入信号时不消耗功率，因此它较A类放大器有更高的最大效率可达78%。然而，由于推挽式放大器的信号振幅范围有一段是在特性线的非线性区域上，因此导致严重的失真，如下所示，这种失真我们称它做“交越失真”（Cross-Over Distortion）。

B类功放实现

B类功放工作区间

设输出信号为Vp*sinωt，输出负载平均功率PL，电源输入功率为Ps，工作效率为η，则可以得到：

PL=Vp*Vp/(2*Rl)；Ps=2*Vcc*Vp/(π*Rl)；η=Pl/Ps，当Vp=VCC时，B类功放有最大的工作效率，78.5%。

 

AB类功放

前面提到的B类推挽式放大器的交越失真，是由于信号大小在-0.6V

AB类放大器所产生的失真虽然比B类放大器小，但这项改进所付出的代价是静态功耗的浪费及效率的损失。所以，AB类功放的效率会处于A类和B类之间。

主要区分点	A类放大器	B类放大器	AB类放大器
工作点位置	负载线中点	负载线截止点	负载线中点与截止点之间
失真度	失真最小	失真度略高于AB类，有交叉失真	可消除交叉失真
功率转移效率	效率最低，在50%以下	效率约为50%至78.5%	效率略低于B类
主要用途	失真度低的小功率放大器	大功率放大器	一般的音响扩大机

D类功放

前面提到的A类、B类、AB类功放，都可以看做是模拟功放。因为它们的输入和输出都是模拟态的声音电信号，经过模拟功放进行放大，不涉及调制、滤波、编解码等处理过程。而D类功放则可以称为是最简单的数字功放（也有人把它叫做PWM功放，不算是严格的数字功放）。

D类功放接收模拟音频信号，用内部三角波发生器产生的三角波和它进行比较，其结果就是一个脉宽调制信号（PWM），然后将PWM信号放大并还原成模拟音频信号。因此，D类功放是用脉冲宽度对模拟音频幅度进行模拟的，其信息的传递过程是模拟的、非量化的、非代码性的。并且由于目前器件性能的限制，PWM功放不可能采用太高的采样频率，在性能指标上尚达不到Hi-Fi（高保真）级的水平。D类功放效率一般可以达到80%~90%以上。由于其较高的效率，大幅度降低了对于环境散热性能的要求，所以目前便携式的产品中，D类功放成为主流。

 

D类功放实现和PWM波形

对D类功放来说，比较器和三角波信号组成了固定频率的PWM电路，用三角波信号对音频输入信号进行调制（三角波频率远高于音频输入信号，一般三角波的频率在25KHz~1.5MHz

之间）。输入信号幅度越大，产生的PWM波脉冲宽度就越宽。

D类放大器在工作时，输出P型、N型功率开关管均处于开关状态。理想状态下，功率开关管导通电阻为0Ω，没有电压损耗。关断时，开关管电阻为无穷大，没有电流流过。因此，D类功放的效率在理论上可以达到100%。但是，在实际应用中，由于受器件特性限制（如开关速度、漏电流、导通电阻不为零等），实际的工作效率可以达到90%以上。D类功放的一般设计架构如下图所示，在实际设计中，还会加入过温保护、过流保护等保护电路。

G类功放

为了提高功放的效率，发展了G类功放，G类功放于1976 年由日立公司提出，它的主要原理是为功放提供多个电源电压，根据输入音频信号的大小来选择所需要的电源电压。当输入信号较低时，提供电路小的电源电压，反之，则提供高的电源电压。由于音频信号有非常高的峰值率（Peak-to-Mean Ratio）的特点，G 类功放这一灵活选定电源电压的工作方式可以有效地降低功耗，提高效率。因此G 类功放最近几年正在越来越广泛应用于高功率音频功放系统当中。

主要的特点是：功放按照信号的要求，由高电压电源或者低电压电源供给。由于音乐的峰值与有效值的比值很大，所以，可以借助G类功放来改善效率状况。

在绝大部分时间内，G类功放的功率输出大大低于峰值功率电平。当偶尔有大功率峰值出现的时候，放大器必须借助某种机制，能立即提供大功率输出，内部能耗也同时增大，这种大功率输出仅发生在很短的时间内。

G类功放的定义，和目前的带电荷泵+AGC的处理方式比较类似，所以业内很多厂家都把升压(ChargePump或者Boost)+AGC控制的特性的功放定义为G类功放。