高性能音频功率放大器

第1章　简介和基本知识　1

1.1　音频功率放大器的用途　1

1.2　音频功率放大器的主要问题　1

1.3　音频的概念　2

1.4　音频的特点　2

1.5　声重放系统对音质的影响　3

1.6　声重放的目的　3

1.7　人的听觉　4

1.8 “客观性”的局限，主观测试的基础　5

1.9　为什么重放音频要用到功率放大器？　6

1.10　音乐基础　7

1.11　对声品质的主观描述　9

1.11.1　音调　9

1.11.2　泛泛描述音调的说法　10

1.11.3　总体描述音质的名词和形容词　10

1.11.4　动态特性　11

1.11.5　空间感　12

1.11.6　造成困扰的声响　13

1.12　音乐节目的性质与范畴　13

1.13　音乐的低音和次声成分　14

1.14　音乐的高频和超声内容　16

参考文献　17

扩展阅读　18

第2章　音频功率放大器的各种指标　19

2.1　功率放大器的类型　19

2.2　扬声器　21

2.2.1　关于扬声器单体的基础知识　21

2.2.2　扬声器的灵敏度和效率　25

2.2.3　扬声器箱体的类型和效率　26

2.2.4　扬声器配置　27

2.3　电子电声器件之间的相互关系　32

2.3.1　从音频功放端口看扬声器　32

2.3.2　扬声器对功放的要求　35

2.3.3　从音频功放的角度看无源分频网络　38

2.4　功率放大器的电压源性能　40

2.4.1　扬声器的EIA与AES测量标准　40

2.4.2　输出功率的要求　41

2.4.3　扬声器失效的情况　43

2.4.4　更高的功率——专业声重放的追求　44

2.4.5　有源系统的功率要求　46

2.5　电流输出上的要求　46

参考文献　48

扩展阅读　49

第3章　输入接口的界面和处理　51

3.1　输入　51

3.1.1　功率放大器输入灵敏度和增益要求　51

3.1.2　输入阻抗(Zin)　54

3.2　射频干扰屏蔽　60

3.3　平衡输入　61

3.3.1　平衡设计的要求　61

3.3.2　抗共模干扰(CMR)　62

3.4　次声保护和高通滤波　64

3.5　保护功率放大器　70

3.6　什么是功率放大器的处理功能？　72

3.6.1　增益控制(面板上的衰减器)　72

3.6.2　遥控增益控制(机器控制)　76

3.6.3　遥控增益控制的影响因素　79

3.6.4　压缩和限幅　80

3.6.5　过载问题　80

3.6.6　防止过载的途径　80

3.6.7　软削峰方法(Soft-Clip)　81

3.7　计算机控制　82

参考文献　83

扩展阅读　84

第4章　功率放大器的电路拓扑结构、类别和工作模式　85

4.1　简介　85

4.2　锗和早期的半导体结　89

4.2.1　类似电子管的电路设计　89

4.2.2　变压器耦合的推挽电路　90

4.2.3 电路的子拓扑结构——达林顿(darlington)　92

4.2.4　无输出变压器的推挽电路(OTL)　93

4.2.5　电路的子拓扑结构——二极管偏置　94

4.2.6　互补式推挽OTL电路　94

4.2.7　准互补电路：没有竞争力的电路　96

4.2.8　电路的子拓扑结构——并联设计　97

4.3　硅晶体管　98

4.3.1　Lin电路拓扑结构　98

4.3.2　电路的子拓扑结构——长尾对差分放大器(LTP)　101

4.3.3　电路的子拓扑结构——Vbe倍增器(VbeX)　102

4.3.4　电路的子拓扑结构——双极型晶体管的三重结构电路(BJT管的复合)　103

4.3.5　电路的子拓扑结构——双电源(±Vs)　106

4.3.6　Lin电路的后续设计　106

4.4　关于对称性的最后讨论　109

4.4.1　电路拓扑的新发展　110

4.4.2　集成电路功率放大器　112

4.4.3　运算放大器电路拓扑　114

4.4.4　功率管的串接　117

4.5　桥接电路介绍　119

4.6　归类　124

4.6.1　A类　125

4.6.2　A类功放的其他形式　130

4.6.3　A类功放滑动偏置和π模式　130

4.6.4　“超级A类”功放　132

4.6.5　动态偏置和stasis电流自举电路　133

4.6.6　持续高偏置(sustained plateau biasing)　133

4.6.7　B类和A-B类功率放大器　134

4.6.8　A-B类功放的发展沿革　138

4.7　更高类别功放的介绍　143

4.7.1　G类功放　145

4.7.2　H类放大器　149

4.7.3　G类和H类功放的对比　150

4.8　模拟功放之后　153

4.8.1　D类放大器　154

4.8.2　“数字式”放大器　159

4.9　各类功放总结　161

4.10　控制模式的介绍　163

4.10.1　负反馈模式　163

4.10.2　其他的误差纠正模式　169

4.11　结论　172

参考文献　172

扩展阅读　176

第5章　功率级的特点　179

5.1　总述　179

5.1.1　在高电压下工作　179

5.1.2　在大电流下工作　180

5.2　功放中的功率器件　180

5.2.1　双极型晶体管(BJT)　181

5.2.2　MOSFET(增强型功率FET)　187

5.2.3　绝缘栅双极型功率管(IGBT)　194

5.3　识别大信号　195

5.4　射频稳定性　202

5.4.1　功率级，重要的电路排布要求　202

5.4.2　重要的节点　203

5.5　输出电压和电流的限制　204

5.5.1　电压——电流输出能力　209

5.5.2　电压——电流输出限制(过载保护)　211

5.5.3　描述电压——电流能力　222

5.5.4　通过保险丝保护音频功放　223

5.6　限幅指示　226

5.6.1　跟内部有关的过驱动特性　227

5.6.2　输出稳定性和输出网络电路(OPN)　228

5.6.3　射频保护　230

5.7　输出端的直流偏移　230

5.8　输出接口　233

5.9　输出级和散热要求　235

5.9.1　热交换　237

5.9.2　热保护　239

5.10　逻辑系统　241

5.11　输出变压器　241

参考文献　242

扩展阅读　243

第6章　供电　245

6.1　市电供电(50/60Hz)　245

6.1.1　50/60Hz电磁干扰因素　249

6.1.2　浪涌的处理　251

6.1.3　50/60Hz自适应式电源　252

6.1.4　50/60Hz“非主动式”稳压电源　253

6.2　各声道的电源分配　254

6.2.1　放大器桥式电路的优点　256

6.2.2　三相交流供电　256

6.3　脉冲宽度调制电源(PWM PSU)　257

6.3.1　高频电源(高频开关电源SMPS)　258

6.3.2　谐振式电源　261

6.3.3　适应性更强的供电单元　264

6.3.4　高频开关电源总结　265

6.4　供电单元的效率　266

6.5　电源保险丝　268

参考文献　271

扩展阅读　271

第7章　功放的指标及其测试方法　273

7.1　为何要用到指标　273

7.1.1　指标的类别　273

7.1.2　音频功放的标准　275

7.2　测试的理由　275

7.2.1　测试及其目标实现　276

7.2.2　实时测试信号　276

7.2.3　测试设备的革命　281

7.3　物理环境的要求　281

7.3.1　市电电压的测量和调整　282

7.3.2　功放的预处理　283

7.3.3　测试用负载　284

7.4　频率响应(带宽)　289

7.4.1　增益和平衡　291

7.4.2　输出阻抗(Zo)　292

7.4.3　阻尼因数　294

7.4.4　相位响应　295

7.5　噪声的来源　297

7.5.1　噪声频谱　298

7.5.2　穿透和串扰(通道的隔离)　299

7.5.3　共模噪声抑制比(CMR)的测试　301

7.5.4　测试共模噪声抑制比(CMR)的方法　302

7.6　输入阻抗Zin　303

7.7　谐波失真简介　303

7.7.1　谐波的音乐意义　305

7.7.2　总谐波失真(THD和THD+N)　309

7.7.3　单个谐波的分析(IHA)　313

7.7.4　互调失真(IMD)　315

7.7.5　动态互调失真(DIM 30/100)　318

7.7.6　各式各样的互调失真测试　319

7.7.7　其他失真测试　319

7.8　输出功率(Po)　320

7.8.1　电压输出能力(Vo，MOL)　322

7.8.2　动态输出性能　322

7.8.3　限幅的对称性　324

7.8.4　动态范围　324

7.9　动态测试　324

7.9.1　上升时间(小信号起始时间)　324

7.9.2　转换速率(压摆率、大信号情况)　325

7.9.3　峰值输出电流能力　329

参考文献　329

扩展阅读　331

第8章　实际测试的方法和步骤　333

8.1　测试的范围和重要性　333

8.2　试听测试　333

8.3　工作电压范围　335

8.3.1　浪涌电流　336

8.3.2　软启动　337

8.3.3　市电供电电流　338

8.4　信号指示　339

8.5　输入端的直流信号　340

8.5.1　射频干扰输入　341

8.5.2　大信号输入　341

8.6　输出直流偏移(输出偏移VOOS)　341

8.6.1　射频干扰输出　343

8.6.2　不利的负载条件　343

8.6.3　验证不利的负载情况　343

8.6.4　不利的负载：低阻抗负载和短路　343

8.6.5　不利的负载：抗性负载　345

8.6.6　大驱动测试　345

8.7　热保护和监控　346

8.8　静音功能　346

8.9　电磁干扰和电磁兼容　347

参考文献　348

扩展阅读　349

第9章　功放的选型、配置和安装　351

9.1　产品的制造过程　351

9.1.1　挑选合适的家用功放　352

9.1.2　挑选合适的专业功放　355

9.2　功放设计中的低级错误　359

9.3　交流市电电压　362

9.3.1　安全接地　363

9.3.2　供电电缆　365

9.3.3　功率因数校正　367

9.3.4　供电线上的保险丝和断路器　368

9.3.5　功放端的交流电接口　369

9.3.6　电源端的交流电接口　371

9.3.7 家庭和演播室内的实际市电连线　371

9.4　输入线缆　374

9.4.1　平衡极性和屏蔽　378

9.4.2　准平衡　379

9.4.3　输入线缆　379

9.5　输出接线　381

9.5.1　扬声器线缆　386

9.5.2　阻抗设置　389

9.5.3　输出极性　389

9.6 安装和摆位　389

9.6.1　空气冷却的设计规则　390

9.6.2　散热与脏污腐蚀　391

9.7　使用功放的注意事项　392

参考文献　395

扩展阅读　395

第10章　设备维护和检修　397

10.1　故障分类　397

10.2　解决问题的步骤　398

10.3　通常的维修步骤　399

10.4　修理工具和设备　409

10.4.1　实用工具　409

10.4.2　与电源有关的测试工具　410

10.4.3　音频测试工具　412

10.5　各种元件的测试　413

10.5.1　双极型晶体管(BJT)测试　413

10.5.2　MOSFET测试　416

10.5.3　二极管、稳压二极管和发光二极管的测试　418

10.6　示波器　419

参考文献　421

扩展阅读　421

附录1　历史回顾　423

参考文献　431

扩展阅读　432

附录2　制造厂商名录　433

一、专业功放制造厂商表　433

二、家用功放制造厂商表　436

三、有源音箱的功放制造厂商表　438

四、采用同类型输出管的功放制造厂商数量统计表　439

附录3　有源器件　441

A 双极型硅晶体管规格表　441

B　横向型功率MOSFET规格表　447

C　功率D-MOSFET规格表　449

D　电子管规格表　449

《高性能音频功率放大器》从模拟电路、声学、热学和音乐知识入手，介绍高保真功率放大器的设计理念、专业功率放大器的流行设计及专业功率放大器在录音棚里的运用与维修。全书内容共分10章，前6章从理论上分析了高保真功率放大器的特点，后4章从实际出发详细介绍了高保真功率放大器各项技术指标的测试方法，以及对于家用功放和专业功放应如何选型、配置、安装和维护。此书是音频功率放大器设计的综合指南的重要参考书，对在音频领域的从业人员和音频DIY爱好者都有所帮助。

音频设计中的一个核心问题，是功率放大器及其性能，这对音频设计师而言是一种挑战。