音响科普 | 你知道吗?原来放大器有这么多分类!


其实,功率放大器的放大方式不只A类、B类、AB类这三种而已,只是这三种是音响用功率放大器最常见者。一般来说,A类放大的失真最小,但是电能转换效率最低,开机之后温度最高,会烫手。AB类是A类与B类放大的折衷,电能转换效率比A类还高,失真也能接受,工作时温度不会烫手,温温的,所以是目前使用最广的放大方式。


D类功率放大器是近年越来越受欢迎的放大方式,电能转换效率最高,可达80%以上,工作时几乎不发热,体积也比A类、AB类还小。以前的D类放大因为做得不够好,所以音质听起来不佳。但现在完全不同了,D类放大的音质越做越好,制造成本也比较便宜。截至目前为止,大家公认A类功率放大器能够获得最好的声音表现。


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A类功率放大器是怎么工作的?


功率晶体在音乐信号的全波内都是导通的,每个放大组件(晶体管或真空管)负责放大一个“全波”(正半波与负半波相加),而且“随时持续”有足够大的电流导通,这就是A类放大。换句话说,在A类放大中,每个放大组件是随时都在导通工作的。依照这个定义,我们可以说凡是单端(Single-Ended)设计的放大器一定是A类,因为放大组件负责放大全波,而且随时导通,而非互补的正半波与负半波放大方式,一个放大组件工作、另一个放大组件则休息。通常我们比较在意的是后级是否A类,因为前级所需静态电流(没有输入信号施加在电晶体基极时,流经集极的电流)很低,制作起来成本不会比其他放大类别高多少,因此几乎都是A类放大(下次您看到广告说前级采A类放大时不必高兴,因为几乎很难找到非A类放大的前级)。


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而后级所需静态电流高很多,不仅会消耗很大的功率,产生很多的热,还会连带增加其他成本。因此若非必要,倒是很少厂商把后级设计为A类(通常厂商会强调纯A类,其实就是A类)。A类放大方式由于即使没有信号输入时放大组件依然消耗电能(放大组件上的静态电流至少要输出电流峰值的二分之一),所以效率很低(大约20%),电能大部分转换成热能,耗电凶、热度高,体积大。


不过,由于组件随时保持在工作状态中,没有B类放大那种半波工作半波休息的交替互补放大所产生的交越失真(CrossoverDistortion)。此外,由于A类放大的放大元件都拥有相同的偏压,使得放大组件的热度相同,让功率级更稳定更线性,音质表现为各类放大之冠。另有一种A类放大,它的偏压是动态浮动的,所以称为动态A类。


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B类功率放大器是怎么工作的?


信号放大任务分由一对放大组件以互补(Complementary Pair)方式分别放大正半波与负半波,这一对晶体管通常一个采用NPN型晶体,另一个则采PNP型晶体。当负责正半波的晶体工作时,负责负半波的晶体则在“休息”,由于这二个晶体管不会同时动作,而是永远处于一个动作另一个则休息的交替状态。


因此,当没有讯号输入正半波或负半波的放大组件时,放大组件就没有施加工作偏压,也就没有电流通过,放大组件等于在轮流休息状态。等有信号输入时,放大元件才又“醒来工作”。这种交替放大方式的好处是耗电少,电能转换效率高。


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但是因为它在正半波与负半波之间轮流交替“休息/醒来”工作,也就会在正半波与负半波相交的0点区域内产生交越失真。讲得技术些,双极功率晶体VBE低于0.6V不启动,因此小于此数值的信号都没有输出,因此造成交越失真。


AB类功率放大器是怎么工作的?


综合A类放大与B类放大的优点而设计的线路,也是后级最常见的线路。当信号没有输入放大组件时,仍然施以“适度”的工作偏压,保持“少量”电流持续通过放大组件。或者是音乐信号小的时候采用A类功率放大器,音乐信号大的时候就转为B类功率放大器,这种线路设计都应该称为AB类功率放大器。


AB类功率放大器的好处是一方面在没有信号输入时不会消耗太多电能; 另一方面则因为放大组件上随时保持少量电流,让放大组件随时“半睡半醒”,不至于发生当信号通过时“来不及醒来”的问题。AB类放大通常可以达到50%的效率,又可以适度改善交越失真的问题,所以广为放大器设计者欢迎。AB类放大也叫做推挽式放大。现今市面上所看到的后级放大器大部分都是AB类。


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D类功率放大器是如何工作的?


这种放大方式异于A类功率放大器、B类功率放大器或AB类功率放大器,它并非放大正弦波,而是先把音乐信号转成PWM(Pulse Width Modulation)或PDM(Pulse Density Modulation),再以很快的速度(目前开、关频率至少都是MHz的速度)让MOSFET做开与关的转换动作,藉以产生推动喇叭的电能,在信号输出之前还要经过低通滤波线路,把PWM还原为正弦波。 也因为放大组件做的是“Switching”开与关交换的工作,所以又称为交换式功率放大器。


交换式功率放大器因为放大组件不是“全开”就是“全关”,理论上不会浪费电能,因此号称效率为18%,实际上大约90%。


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DigitaI Amplifier与D类放大器到底有什么不同?


在功率放大器方式的分类里,只有A类、B类、AB类、D类、H类等等,并没有所谓的Digital类,事实上D类的D并非代表Digital。D类放大器有几项特点,第一是模拟信号输入,进入放大器之后会先经过一个比较器与三角波产生器所产生的三角波做比较,转成PWM(Pulse WidthModulation)。第二是利用(MOSFET)比照PWM波形(方波)做高速的开与关放大PWM波形。第三是在输出之前以低通滤波线路把PWM转换回声频信号。如果符合这些要件,就是D类放大,也就是D类功率放大器。所以,除非功率放大器内部是以Digital号(例如PCM、DSD)直接转换成PWM,否则Digital Amplifier就只是行销名词。


而所谓的Digital Amplifier,通常是指放大器直接输入PCM或DSD数字信号,那就不用比较器,通常是“DSD to PWM”、也有比较特殊的“PCM to PDM(DSD)to PWM”。某些还利用FPGA或DSP做数字处理、FPGA做各种数字滤波、分频、相位校正,甚至空间校正等工作。如果是模拟信号输入,则会先经过内部的A to D处理,再送入DSP。这类数字功率放大器驱动喇叭的能源还是来自高速Switching,并且输出端还是需要滤波网络。


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