声频功率放大器基础第1部分

1、声频功率放大器基础我们的学习手段，除了基础理论学习和定性的分析， 还要充分利用仿真软件，避开繁杂的数学推导， 直指问题的核心， 作定量的分析。 用仿真来帮助基础理论的学习，较深刻的理解基础理论， 是一个很好的方法和途径。 但基础的数学知识是不可少的。比如，仿真软件中的特征值函数应用（ Goal Function 又有称目标函数）所需的高等数学知识，如果你不懂，没有这个基础，效果会大打折扣。我每讲完一个单元， 都有一定时间进行 “互动”，我们相互提问、相互回答、相互讨论，以期达到“最佳”效果。每次每天 8 小时的课程安排 2-4 次“互动”，视课程内容而定。一、声频功放基础的几个基本观点1声频功

2、放是“声系统”的一个环节，它必须服从“声系统”的安排，满足“声系统”的要求。 这个观点强调的系统性、 “一体化”，是指我们学习进而开发这类产品，要从“声系统” 、从听音的角度、从“一体化” ，去确定相关的参数和性能指标，而不是从“纯放大器”角度去讨论参数和性能指标。我们放大的是声音信号， 去驱动音箱工作。 但我们测试放大器， 绝大多数是用“稳态”的正弦波信号进行的，这样不知不觉把我们带到“纯放大器”角度去考虑问题。我们计算功放输出功率是输出有效值电压平方除以 “假负载”电阻。所谓“假负载”电阻是指纯电阻， 因为真负载是音箱。 由于正弦波的峰值是正弦波有效值的 2 倍，这时功放输出的峰值功率是有

3、效值功率的 2 倍。而声音信号的有效值功率和峰值功率关系就不是这样了，一般声音信号的峰值是有效值的 3-5 倍以上，那它们的峰值功率和有效值功率是9-25 倍以上。以下这是一段古筝曲。在Cool Edit Pro 软件打开，并进行分析：这段音乐，峰值是有效值的20dB10 倍，峰值功率应是有效值功率100 倍。仅管峰值时间很短，但你要有较好的表现，放大器音箱没有足够的功率储备，是表现不好的。声音信号的这个特征， 使我们对放大器输入电路设计、 输出功率的设置， 完全不同于正弦波信号放大的情况。放大器最大输入电平要求， 以正弦波的角度衡量， 完全没必要去做大， 但对声音信号的输入，充分做大最大输入

4、电平，满足峰值信号要求，却是不可少的。推动放大器到“额定”状态，用正弦波信号“输出”是不会削波的，但你要声音信号输出功率也达到 “额定”状态那一定削波， 声音会明显“走样”、“变味”、“发刺”。这也就是声频功放在实际好的扩声使用的 “有用功率”，仅是额定功率的 1/10，甚至 1/100 以下。声频功放的负载是音箱， 而音箱的阻抗是随工作频率变化而变化的。 从安全的角度看专业功放带负载发热的情况， 阻抗升高影响不大， 若出现某些频点 “串联谐振”，这时音箱阻抗变得很低，对放大器就有明显影响。声频功放的负载是音箱，仅从能量正常流转、要“保命”的角度去思考问题还不够，以我的感受，声频功放的设计者必

5、须“懂”单元、 “懂”音箱。这“懂”，不一定要你去设计单元、音箱。但要你“会高水平”地用单元、音箱，会“听” 。对设计应用单元、音箱，所有的应用问题都很清楚，必须有这样的“底蕴” ，才能真正设计好声频功放，特别是档次较高的声频功放。拿额定输出功率相当的两台功放来相比，一台是所谓“极品”功放，一台是普通高质量功放，在测出的性能参数上，两台机几乎相当，看不出明显差别。但在“听音”上，你可以明显感到高低差别。所谓“听音”，实际是人的“心灵”感受，进入了“艺术范畴” ，而艺术性的东西，你是“说不清，道不明”的， “只可意会，不可言传” 。当我们开发的产品进入深层次高档行列，就必须考虑这个问题。我们的“

6、水平”若能同步提高，这个问题的“研究”还是有途径可循的。这里给大家提一个建议，从事音响行业的工程技术人员，一定要热爱音乐，要有足够的“音乐修养” ，所谓“科学艺术兼修”不是没有道理的。另一个建议是要爱护自己的耳朵，远离持续的“高声压级的场所” 。没有这两条，你是很难把音响设计开发工作做好、做“精”的。所谓“一体化”的角度，就是把“电” （指放大器等电子系统） 、“声”（指单元音箱等声系统）作为一个系统去设计，这在有源声系统，特别是高档次、高水平的有源系统体现最明显。声频功放生产过程是否需要老化，是个需要推敲的问题，现阶段需要老化，用什么信号加载，值得研究，在后续的专题里有专门的讨论。2声频功放

7、特别强调产品的可靠性，要自觉的把可靠性设计放在第一位。这里强调产品的可靠性，既是指一开始就把可靠性设计放在第一位，也是指产品批量生产出来后，通过“可靠性试验”或销售后市场统计的“平均无故障工作时间”来把关，来验证你的可靠性设计。这个非常重要的问题后面要展开讨论，这里不多讲。3声频功放特别注重产品的使用性能，产品要稳定耐用，不苛求环境条件。这几项要求严格说是可靠性要求延伸出来的，注重产品的使用性、耐用性、稳定性，是指当这些要求和高性能指标矛盾时，要保要求。如果这类产品不好用、不耐用、不稳定，那么产品的高指标就没有商品价值了。这个问题的取舍也是困扰我们工程技术人员的“难题”，搞高性能指标工程技术人

8、员都有兴趣， 因为这“代表水平”，但要注重产品的使用性、 耐用性、稳定性，很多工程技术人员往往不知如何着手、无从着力。要知道批量生产的产品，没有这“三性”成不了优质商品。4现代声频功放产品设计，最终是要设计出符合声频功放产品功能性能指标要求的 PCB 板。这个过程，大多数企业的现状是要用“实”板去测试，至少要2 到 3 次才可以初步确定。如果产品复杂，内有超高频工作、电路是数模混合的、元器件安装是贴片的、大规模 IC 是高密度引脚小型化封装的，这些“情况”加在一起，是传统 PCB 工艺不能高效完成的，甚至多半是不能完成的。解决寄生参数引起的错误翻转和信号失真， 这就需要 PCB 板仿真，在“虚

9、拟”的 PCB 板上解决“时序”和信号完整性的问题。当然，电路仿真是PCB 板仿真必不可少的基础，而电路的基本理论是电路仿真必不可少的基础， 大量长时间的模拟技术实践是深入理解电路的基本理论必不可少的过程。这段经验之谈告诉我们， 要想达到最高境界， 必须从基础做起， 真正喜欢这项工作，多实践、会分析、会总结、会积累，打好模拟技术基础，学习好电路仿真，无疑是达到“彼岸”的最好“桥梁”。二、总体设计前的基本步骤和方法1、根据市场和用户的需求，由经营者通过部门主管（如果经营者是内行，也可直接下达以争取时间） 下达任务书，给总体设计技术人员备案。 这一步不同厂家、不同公司可有不同做法， 但共同点是产品

10、必须有市场和用户， 必须有全部的功能、性能、外观、款式要求和成本价格。设计产品最忌“闭门造车” ，也忌“不计成本”。2、目前广东地区的实际现状是，完全独立研发在专业音响电子产品领域里还有一个很长的过程。 即使你有这样的团队、 也有仪器设备和足够的资金， 全新产品的研发周期之长、耗资耗人力之巨是广东地区绝大多数“老板”承受不了的。因此比较现实的做法，第一步是仿制，第二步是改进，第三步有所创新。在这过程中要“有心”去积累、会总结提精。长此以往，才能“厚积薄发”，才可能研发出创新的产品。3、样机的选取很关键，相当于找“老师” ，找三流“高手”学艺，充其量学到三流半，如果你有“机缘”和“悟性” ，找一

11、流“高手”学艺，有可能成为一流半的高手。4、行业领先的品牌产品，一般它们的外观、结构、电性能都比较成熟。仿制它有两种不同做法，一是完全照搬，这种做法，对于比较简单的产品是行得通的，珠三角地区大多数“老板”也乐于这样做。但碰到有技术绝窍的产品，你不进行消化理解进而真正掌握了关键，是做不好产品的。因此，我是主张第二种方法，对引进的产品进行全面的测量分析、 “吸收消化”，用设计产品的步骤去验证产品的功能、性能指标，即所谓“逆向设计” 。对于这个产品的特点、优点、诀窍要反复研究、真正“吃透” 。一个引进的好产品要“抄好”也不容易，要“吃透”人家的技术，使你和人家“等高度”谈何容易。5、电性能测量分析的

12、依据是后面要介绍的相关行业 “标准” SJ/T10406， 包括所有要考核的参数指标。 （这个标准今年 4 月开始修订）这些参数指标的测量方法依据是国标“声频放大器测量方法” GB9001，这个国标 2009 年 5 月在南京通过审定，用 IEC60268-3 等效采用，代替老 GB9001，审批后正式执行。 88 年的老 GB9001 也是用 IEC60268-3，版本老。今年是用最新版本。对这两个标准不仅仅要熟， 还要结合电路原理，深入的体会推敲这两个标准。如果你“有心”，你可以“发现”标准很多有趣的事。6、引进的产品，通过测试分析，你可以体会到原设计者的指导思想，有他的侧重面，有他的优点

13、、特点，也肯定有他的不足或是说“软肋” 。如声频功放，国内外使用要求不一样， 导至仿制的产品设计应有所更改和改进，这是经常发生的，也是应该提倡的。完全照搬，以后也是不允许的。前面已讲过电声产品要从声系统角度， 全面考虑。而对一个电子产品作局部改进，也要系统全面考虑，所谓“牵一发而动全身” 。由此你可看出，如果你不能真正全面掌握引进的“样机” ，你是无法有“好效果”地进行局部改进工作的，往往会搞成“四不象” 。“互动” 1：“抄”“仿”和“创新”的关系何谓“吃透”你认为模拟功放国内外差距在那里三、总体设计的基本步骤（以大功率声频功放为例）该产品工作在大电流高电压和高温条件下，作为民用产品环境温度

14、最高摄氏40 度左右，但机内温升在一定条件下超过 70 度，甚至 100 度以上。作为耗电“大户”，在可靠性设计中的热设计应是一重点， 相应的参数设计也要考虑这个范围，可靠性容差设计更要考虑这个边界。外观，结构尺寸，面板，背板布局。 一般说来专业功放宽度尺寸是 “标准化”的，家用功放尺寸注意时尚。模拟专业功放高度尺寸 2U（1U=1.75 英吋，2U=88.9mm）还是 3U 是和额定输出功率有关，额定输出功率小于 500 瓦的几乎没有 3U 的，额定输出功率大于 800 瓦的也很少用 2U 的。这是在风机风冷的条件下作的选择。 模拟专业功放面板布局， 只有增益控制旋纽、 指示，非常简洁。家用

15、功放面板功能较多，上品侧重稳重，端庄。背板布局，主要是输入输出端子、转接端子、输入输出模式控制、滤波器的接入或切除，还有最重要的一点，模拟专业功放必须有的“真正的”接地端子。这个“真正的”是指这个端子能通过25A 电流，同时接地电阻小于0.1 欧。这一点往往被人忽略，导致安全不合格。家用功放背板，一般都比较复杂，各类端子，眼花缭乱，往往没有“真正的”接地端子。模拟声频功放设定的额定输出功率是一“牵动全局”指标，包括负载变动代来的变化。低档次模拟专业功放 8 欧负载额定输出功率是确保的，中档模拟专业功放应同时给出 4 欧负载的额定输出功率， 高档模拟专业功放还应给出 2 欧甚至 1 欧负载的额定

16、输出功率。这涉及到功放输出电路的设计，散热系统的热设计：散热器、风道、风扇的综合考虑，电源变压器的设计，机壳长度尺寸、结构强度的设计，电源整流电路的散热设计，这个“节点”往往被人忽略，特别是大功率功放，不做好电源电路的热设计会给整机带来隐患。当这些部件确定后，整机的重量就可确定，当这些部件位置确定后，整机的重心就可测定，外包装的要求细节就可确定。专业大功率功放的功率、效率、大功率管“耐压” 、散热是这类功放首要考虑的问题，于是出现 H 类功放电路、集电极直接接地的功放电路、“桥地” 功放电路等等，后面我们会向大家逐个进行剖析。专业功放输出模块的设计。这是模拟专业功放的重要的核心技术，一个优质的

17、专业功放输出模块的产生，它涉及电路设计、容差设计、热设计，当这些设计 OK 后，优质的结构设计是取得成功的非常重要的一环。设计的细节后面的内容会逐步展开介绍。电源变压器设计。这是一个比较专业的问题，目前珠三角地区多数电子产品开发人员不知道电源变压器如何设计，他们只提出不太准确的参数要求，交由电源变压器生产厂家变压器设计人员代做，这种替代的办法，往往要经过多次磨合，只能基本解决问题，很难达到“最佳” 。鉴于电源变压器的质量性能好差，直接影响专业功放最主要的性能指标额定输出功率，更影响专业功放能否安全可靠稳定的工作，本次培训把电源变压器设计作一个专题，从实用的角度讲解电源变压器初步设计。前级电路的

18、设计及信号处理，这包括输入信号的处理、最佳信噪比的考虑，功放电路的压限处理、功放的各种保护，这部分电路也是核心技术之一，各部分的细节内容在后面一一展开。电源整流电路的设计， 这个部分相对比较简单， 但它涉及到可靠性的热设计，影响整机稳定可靠工作。 它还涉及到 “EMC ”的电源电流谐波要求， 这是“一票”否决性的指标。对这个问题涉足的人不多。我在后面介绍基本电路仿真时展开这个问题，并找出一个解决这个问题的方法。各类接插件、各类导线、各类紧固件的处理。这几个问题似乎更简单，但是处哩不好将会使整机设计“功亏一篑” ，特别是在样机审察“漏过去” ，投入生产，“问题” 在市场暴露那会是 “灾难”。这个问题在后面介绍可靠性设计、质量设计中再谈。各类控制件，如继电器，热敏电阻，温控开关等，它们的价格不高，但它们对整机安全稳定可靠工作起的作用不小， 在后面具体产品设计中一一剖析清楚。“互动” 2： 为什么“接地”对专业功放这么“重要”通