功放基本原理（各类功放原理图及原理介绍）

在音频领域，人们一直坚守着A类功放的位置。认为A类功放声音最清新通透，高保真。然而，A类功放的低效率和高损耗是其无法克服的固有弊病。乙类功放虽然效率提高很多，但实际效率只有50%左右。在汽车功放、笔记本电脑音响系统、专业超高功率功放等小型便携音响设备中，效率还是差强人意。因此，高效率的D类功率放大器正受到各方的关注，因为它顺应了绿色革命的潮流。

随着集成电路技术的发展，原本由分立元件构成的复杂调制电路无论从技术还是价格上都不再是问题。而且随着近年来数字音频技术的发展，人们发现D类功放与数字音频有很多相似之处，这也进一步说明了D类功放的发展优势。

D类功放是放大元件处于开关状态的放大模式。当没有信号输入时，放大器处于截止状态，因此不消耗功率。工作时，晶体管被输入信号饱和。晶体管相当于一个on开关，直接连接电源和负载。理想情况下，晶体管不会消耗功率，因为没有饱和压降。事实上，晶体管总是会有很小的饱和压降，并消耗一些功率。这种功耗只与管道的特性有关，与信号输出无关，所以对超高功率的场合特别有利。理想情况下，D类功放效率为100%，B类功放效率为78.5%，A类功放效率仅为50%或25%(取决于负载方式)。

D类功放其实只有开关功能，早期只用于继电器、电机等执行机构的开关控制电路中。但随着对数字音频技术研究的深入，开关功能(即产生数字信号的功能)随着Hi-Fi音频放大越来越流畅。60年代设计师开始研究D类功放的音频放大技术，70年代Bose公司开始生产D类汽车功放。一方面，汽车用电池供电需要更高的效率；另一方面，空间太小，无法放入大散热器结构的功放。两人都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。关键步骤是调制音频信号。

图1显示了D类功率放大器的基本结构，可分为三部分：

图1d类功率放大器的基本结构

第一部分是调制器，最简单的部分只用一个运算放大器组成比较器就可以完成。原始音频信号经过一定的DC偏置后放在运算放大器的正输入端，自激振荡产生三角波加到运算放大器的负输入端。当正端的电位高于负端的三角波电位时，比较器输出高电平，否则输出低电平。如果音频输入信号为零，并且是DC偏移三角波峰值的1/2，则比较器输出的高电平和低电平持续相同的时间，并且输出是占空比为1: 1的方波。当输入音频信号时，在正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1:1；在负半周期期间，由于DC偏置，比较器的正输入端的电平仍然大于零，但是音频信号的幅度高于三角波的幅度的时间大大减少，并且方波的占空比小于1: 1。这样，比较器输出的波形是其脉冲宽度由音频信号的幅度调制的波形，这被称为PWM(脉宽调制)或PDM波形。音频被调制成脉冲波形。

第二部分是D类功率放大器，它是一个脉冲控制的大电流开关放大器，将比较器输出的PWM信号变成高压大电流的大功率

第三部分需要还原大功率PWM波形中的声音信息。该方法非常简单，只需要一个低通滤波器。但由于此时电流较大，RC低通滤波器的电阻会消耗能量，无法使用，所以必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1: 1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；当窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原始音频信号的幅度变化一致，于是恢复出原始音频信号，如图2所示。

图2模拟D类功率放大器的工作原理

d类功放是从和AB类功放完全不同的角度来设计的。此时功放管的线性度已经没有太大的意义，更重要的是开关响应和饱和压降。由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，并且要求保持良好的脉冲前沿和后沿，所以管的开关响应更好。另外，整机的效率完全取决于管道的饱和压降引起的管道消耗。因此，饱和管的低压降不仅效率高，而且简化了功放管的散热结构。前几年高频大功率管价格昂贵，一定程度上限制了D类功放的发展。如今用小电流控制大电流的MOSFET已经广泛应用于工业领域，尤其是UHCMOSFET近年来已经应用于Hi-Fi功率放大器，消除了器件的障碍。

调制电路也是D类功放的一个特殊环节。要将20KHz以下的音频调制成PWM信号，三角波的频率至少要达到200KHz。如果频率太低，不能满足同样要求的THD标准，无源LC低通滤波器的元器件要求高，结构复杂。频率高，输出波形锯齿小，更接近原始波形，THD小。而且滤波器可以用低值、小体积、精度要求相对较差的电感和电容制作，成本也相应降低。但此时晶体管的开关损耗会随着频率的增加而增加，无源器件中的高频损耗和衰落频率的趋肤效应会降低整机的效率。较高的调制频率也会造成射频干扰，所以调制频率不宜高于1MHz。

同时，三角波形的形状、频率的精度以及时钟信号的抖动都会影响恢复信号与原始信号之间的差异所导致的失真。因此，为了实现高保真，有许多与数字音频保真相同的考虑因素。

与音质有很大关系的另一个因素是位于驱动输出和负载之间的无源滤波器。低通滤波器工作在大电流下，负载是扬声器。严格来说，设计时要考虑到扬声器阻抗的变化，但是指定一个扬声器作为功放产品是不可行的，所以在D类功放和扬声器的匹配上，发烧友有更大的驰骋空间。实验证明，当失真度小于0.5%时，二阶巴特沃兹平坦低通滤波器可以满足要求。如果要求更高，就需要四阶滤波器，然后必须考虑成本和匹配。

近年来D类功率放大器的普遍应用都有集成电路芯片，用户只需根据需要设计低通滤波器即可。

OTL是英文OutputTransformerLessAmplifier的缩写，是一种没有输出变压器的功率放大器。

一、OTL电子管功放电路的特点普通电子管功放的输出负载是动圈扬声器，阻抗很低，只有4 ~ 16。但是一般功放管的内阻比较高。一般推挽式功放，屏到屏的负载阻抗一般为5 ~ 10 k，无法直接驱动低阻抗扬声器，必须使用输出变压器进行阻抗变换。由于输出变压器是电感元件，其电感线圈的阻抗随着通过变压器的信号频率而不同

为了消除这些不利影响，各种类型的无输出变压器的电子管OTL功率放大器应运而生，国外也设计制造了许多适用于OTL功率放大器的新型功率电子管。电子管OTL功放音质清晰通透，高保真，频响宽。高频段和低频段的频率扩展范围一般可达10 Hz ~ 10HZ~100kHz，其相位失真、非线性失真、瞬态响应等技术性能得到明显改善。

二、电子管OTL功放电路形式图1 (a) ~图1(f)是无输出的OTL功放基本电路。图1(a)和1(b)示出了OTL功率放大器的两种供电结构，即正负双电源供电和单电源供电。在正负双电源OTL功率放大器中，中心是地电位。这样保证了推挽电路的对称性，从而可以省略输出电容，功放的频响特性更好。为了使两个推挽管具有相同的工作电压，单电源OTL电路中心的工作电压必须等于电源电压的一半。同时，其输出电容C1的容量必须足够大，以不影响输出阻抗和低频响应的要求。

图1(c)和图1(d)显示了选择OTL功率放大器栅极偏置的方法。因为上管的阴极不接地，所以上管的驱动信号加在栅极和阴极之间，而下管的驱动信号可以加在栅极和地之间。至于偏置方式，中心点对地分压后可以取出上管，而下管的偏置电压必须由专门的负电压电源提供。

图1(e)和1(f)显示了OTL反相器电路的应用。图1(e)示出了OTL功率放大器被屏-阴极分离逆变器电路激励。只要逆变器的屏负载电阻RL和阴极负载电阻RK的阻值相等，逆变器的输出激励电压就能始终保持平衡。

图1(f)示出了具有公共阴极的差分反相器电路。由于共阴极电阻RK具有大阻值和深度负反馈，电路稳定可靠。同时，只要作为差分放大的上管和下管的负载电阻值相等，两个管的屏幕就能始终输出一对相位相反、幅度相等的驱动信号电压。

三、 OTL功放电路的选管适用于电子管OTL功放的输出级，并不是所有的功率电子管都能用。电力电子管只有满足以下条件，才能取得好的效果。

1、低内阻特性

一般功率管的屏内阻在10k左右，不适合OTL功放。OTL功放必须使用屏内阻为200 ~ 800的功率管。这些低内阻功率管是6AS7、6N5P，6C33C-B，6080，6336等。

2、低屏电压和高电流特性

一般功率管屏压在400V左右，高屏压管可达800~1000V，但OTL功放必须使用屏压在150 ~ 250 V之间的低屏压大电流功率管，以上所列的低内阻功率电子管都具有低屏压大电流的工作特性。另外还有6C19、6KD6、421A，6146等功率管。这些电子管具有屏压低、电流大的特点，但它们的屏内阻略高，所以要并联以适用于OTL功率放大器。

3、采用新OTL功放专用功率管。

这类电子管不仅内阻低，还具有屏压低、电流大的特点，如6HB5、6 lf6、17kv6、26 lw6、30 KD6、40 kg6等。为了降低电子管灯丝的功耗，OTL功率放大器中使用的许多功率电子管的灯丝电压提高到20 ~ 40 V，以便串联使用。

四、几种OTL功率放大器的典型电路1 .新型三极功率管OTL功率放大器

图2是6C33C-B双晶体管OTL功率放大器的电路图。在…里

OTL功放输入级采用高放大系数的双三极管12AX7，构成前级差分和逆变电路。该电路具有高输入阻抗和大动态范围的特点。为了拓宽频率响应并降低相位失真，输入级和驱动级直接耦合。为了提高前级的增益，在差分输入管12AX7的阴极施加-22V电压，并串联一个1.1mA的恒流二极管，使前级工作更加稳定可靠。

放大级为双三极管管12BH7，放大系数中等，特性与L2AU7、12 JD8、5687等双三极管相似。为了增加屏电流，提高驱动级的输出能力，采用两个三极管并联，每个三极管的屏电压高达265V，组成共阴极驱动放大电路。为了改善驱动级的电气性能，减少失真和拓宽频率响应，在两个电子管的阴极上增加了一个深的负电流反馈。

OTL功放输出级每路采用一对新的双三极功率管6C33C-B，第一对幅度相等相位相反的驱动信号通过两个0.47F电容耦合到功放管。

OTL功放级采用正负双电源形式，工作电压为182V。功率放大器6C33C-B栅极与阴极之间的最大负电压为-60V，上管栅极电压由单个负电压电源提供，下管栅极电压由另一组负电压提供。

为了提高OTL功率放大器的电气性能，通过1.8 k电阻在OTL的输出端和输入端之间加入适当的电压负反馈，使整机的机电性能稳定可靠。该机频率响应为10 Hz ~ 200 kHz (0.1 dB)。

在OTL功放的电源上，功率变压器中的135V/1.3A绕组经二极管整流滤波后，功放级的正负高压为182V。输入级和驱动级的屏高压经二极管桥式整流器通过电源变压器的300V/0.1A绕组滤波后输出395V高压，再经去耦电阻降压得到265V和140V电压，分别供给12AX7和12BH7。负电压电源分为两组。电源变压器中的两个独立绕组60V/50mA经过整流滤波后，作为负栅极偏置电压提供给OTL功放管的栅极，栅极偏置电压由两个20k可变电位器调节。灯丝电源分为3组，前级通道为2组。功率放大器6C33C-B的灯丝有两种用途。串联使用时为12.6V/3.3A，并联使用时为6.3V/6.6A本机采用串联方式。

2.普通三极管OTL功率放大器

图3是6KD6五极OTL功率放大器的电路图。它是一种OTL功率放大器，将普通的束流四极或五极功率电子管改为三极管连接，利用电子管的帘栅在相同栅压下可以输出更大电流的特性。由于屏幕内阻比较大，工作电流受到限制。但三极管接法改变后，屏栅电压与屏同电位，屏内阻大大降低，加强了屏承受大电流的能力，因此能在低阻抗负载下输出大功率。

对于用三极管接法代替普通功率管的OTL功率放大器，并不是所有的功率管都能用。大屏幕电压范围的射束发射四极或五极功率管，如6KD6、6L6、6P3P、6146等。必须选择。同时，功放级必须并联多个功率管。当负载为8低阻抗时，每个通道并联6个功率管即可满足低阻抗负载的要求，输出功率仅为30W左右。

OTL功率放大器的输入级由高放大倍数电子管6J2组成，可以对输入的音频信号进行比较。

大大提高，单级电压增益可达30dB以上。放大的信号电压通过直接耦合传输到逆变器。反相器级为c

功放的电源采用正负双电源形式，数值为230V V，功放栅极的负电压要根据不同功率管的特性来确定，上管和下管可以通过各自的分压网络和调节电位器来获得。