前言

音频放大器是一种专门设计用于放大音频信号的电子设备，它在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，且重建的信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。通常被应用于音频系统中以提高声音的响度和清晰度。其中最重要的组成部分是功率放大电路，能够将低功率输入信号转换为高功率输出信号。

一、什么是音频放大器

音频放大器是一种专门设计用于放大音频信号的电子设备。它接收来自音源（如CD播放器）的低电平、低功率音频信号，并将其放大到足以驱动扬声器或耳机的高电平、高功率信号。通常情况下，音频放大器包括前置放大器、功率放大器、输出级、电源等组成部分，其结构设计根据不同要求而有所差别。

音频放大器的结构：

音频放大器主要由输入电路、放大电路和输出电路三大部分组成。每个部分都有其独特的功能和结构，共同构成了一个完整的音频放大器系统。

图1　音频功率放大器的电路结构方框图

输入电路

输入电路是音频放大器的起点，它负责接收来自音源设备的音频信号。输入电路通常包括一个电阻和一个电容，用于限制输入信号的电流和过滤高频信号。这样可以确保音频信号在进入放大电路之前得到适当的预处理，提高音质。

放大电路

放大电路是音频放大器的核心部分，它负责将输入电路传递过来的音频信号进行放大。放大电路中的关键元件是晶体管，晶体管是一种半导体器件，具有放大电流或电压的功能。放大电路中的晶体管通常包括NPN型或PNP型，它们根据输入信号的正负半周期进行放大或截止操作。此外，放大电路还包括电容、电感等元件，用于干扰抑制和频率响应控制。

放大电路的分类繁多，常见的有A类、B类、AB类、D类和E类等。每种放大器都有其自身的特点和优劣势。例如，A类放大器能够提供高保真度的音频放大效果，但效率较低；D类放大器则具有高效率的特点，但可能产生一些高频噪声。AB类放大器则是A类和B类放大器的结合体，综合了两者的优点，提供更高的效率和较低的失真。

输出电路

输出电路是音频放大器的最后一道关卡，它负责将放大电路放大后的音频信号输出到扬声器或其他设备中。输出电路通常包括电感和电容等元件，用于滤除输出信号中的杂音和失真。这些元件的精心配置可以确保音频信号在输出时保持清晰、纯净的音质。

二、工作原理

音频放大器的工作原理基于放大器电路中的晶体管。当音频信号输入到放大器时，首先经过输入电路进行预处理，然后进入放大电路进行放大。在放大电路中，晶体管根据输入信号的正负半周期进行放大或截止操作。放大后的音频信号经过输出电路进行滤波和降噪处理后，最终输出到扬声器或其他设备中。

三、主要类型

音频放大器根据不同的分类标准可以分为多种类型：

按导通时间分类：

A类（甲类）放大器：电流连续流过所有输出器件的一种放大器。它具有良好的线性特性，失真小，但效率较低，发热量大。

甲类放大器就是给放大管加入合适的静态偏置电流，这样用一只三极管同时放大信号的正、负半周。在功率放大器中，功放输出级中的信号幅度已经很大，如果仍然让信号的正、负半周同时用一只三极管来放大，这种电路称为甲类放大器。显然，前面介绍的各种放大器都属于甲类放大器。

在功放输出级电路中，甲类放大器的功放管静态工作电流设得比较大，要设在放大区的中间，以便使信号的正、负半周有相同的线性范围，这样当信号幅度太大时（超出放大管的线性区域），信号的正半周进入三极管饱和区而被削顶，信号的负半周进入截止区而被削顶，此时对信号正半周与负半周的削顶量相同，如图2所示。

图2　对称削顶示意图

B类（乙类）放大器：器件导通时间为50%的一种放大器。它的效率较高，但容易产生交越失真。

所谓乙类放大器就是不给三极管加静态偏置电流，而且用两只性能对称的三极管来分别放大信号的正半周和负半周，在放大器的负载上将正、负半周信号合成一个完整周期的信号，图2-27 所示是没有考虑这种放大器非线性失真时的乙类放大器工作原理示意图。

图3　B类放大器工作原理示意图

关于乙类放大器特点主要说明如下:

（1）输入信号的正、负半周各用一只三极管放大，可以有效地提高放大器的输出功率，即乙类放大器的输出功率可以做得很大。

（2）输入功放管的信号幅度已经很大，可以用输入信号自身电压使功放管正向导通，进入放大状态。

（3）在没有输入信号时，三极管处于截止状态，不消耗直流电源电压，这样比较省电，这是这种放大器的主要优点之一。

（4）由于三极管工作在放大状态下，三极管又没有静态偏置电流，而是用输入信号电压给三极管加正向偏置。这样在输入较小的信号时或大信号的起始部分，信号落到了三极管的截止区，由于截止区是非线性的，将产生如图 2-28 所示的失真。从乙类放大器输出信号波形中可以看出，其正、负半周信号在幅度较小时存在失真，放大器的这种失真称为交越失真。这种失真是非线性失真中的一种，对声音的音质破坏严重，所以乙类放大器不能用于音频放大器中，只用于一些对非线性失真没有要求的功率放大场合。

图4　乙类放大器交越失真示意图

AB类（甲乙类）放大器：A类和B类放大器的结合，每个器件的导通时间在50%~100%之间。它兼顾了A类和B类放大器的优点，具有较高的效率和较低的失真。

为了克服交越失真，必须使输入信号避开三极管的截止区。可以给三极管加入很小的静态偏置电流，以使输入信号“骑”在很小的直流偏置电流上，这样可以避开三极管的截止区，使输出信号不失真，如图5 所示。

图5　AB类放大器克服交越失真示意图

电路中，VT1 和VT2 构成功放输出级电路，电阻R1 和R2 分别给VT1 和VT2 提供很小的静态偏置电流，以克服两管的截止区，使两管进入微导通状态，这样输入信号便能直接进入三极管的放大区。

从图中可以看出，输入信号Ui1 和Ui2 分别“骑”在一个直流偏置电流上，用这一很小的直流偏置电流克服三极管的截止区，使两个半周信号分别工作在VT1 和VT2 的放大区，达到克服交越失真的目的。

关于甲乙类放大器的特点主要说明下列几点:

（1）AB类放大器同乙类放大器一样，用两只三极管分别放大输入信号的正、负半周信号，但是给两只三极管加入了很小的直流偏置电流，以使三极管刚刚进入放大区。

（2）由于给三极管所加的静态直流偏置电流很小，在没有输入信号时放大器对直流电源电压的消耗比较小（比起A类放大器要小得多），这样具有B类放大器省电的优点；同时因为加入的偏置电流克服了三极管的截止区，对信号不存在失真，又具有A类放大器无非线性失真的优点。所以，AB类放大器具有A类和B类放大器的优点，同时克服了这两种放大器的缺点。正是由于AB类放大器无交越失真和省电的优点，所以广泛地应用于音频功率放大器中。

（3）当这种放大电路中的三极管静态直流偏置电流太小或没有时，就成了B类放大器，将产生交越失真；如果这种放大器中的三极管静态偏置电流太大，就失去了省电的优点，同时也造成信号动态范围的减小。

按应用场景和功率需求分类：

耳机放大器：专门用于放大耳机音频信号的放大器，通常具有较小的体积和较低的功率。

功率放大器：用于放大音频信号以驱动扬声器发声的放大器，具有较大的功率输出。

汽车音响放大器：专门用于汽车音响系统的放大器，需要具备良好的散热性能和稳定性。

此外，还有D类（数字音频功率）放大器、E类、F类、G类、H类、S类等十余种类型，但适合于音频应用的只有A类、B类、AB类和D类等四种。其中，D类放大器以其高效率、小体积和低失真等优点，在近年来得到了广泛的应用。

四、主要参数

音频放大器的主要参数包括输出功率、频率响应、失真度、信噪比和输出阻抗等：

输出功率：音频放大器能够输出的最大功率，它决定了扬声器能够发出的最大声音响度。

频率响应：音频放大器对输入音频信号的频率响应范围，它决定了放大器能够放大的音频信号的频率范围。

失真度：音频放大器在放大过程中产生的失真程度，失真度越低，音质表现越好。

信噪比：音频放大器输出的有用信号与噪声之间的比值，信噪比越高，说明音频放大器输出的有用信号越纯净，音质表现越好。

输出阻抗：音频放大器对扬声器所呈现的等效内阻，一个理想的音频放大器应该具有较低的输出阻抗，以确保扬声器能够得到足够的电流驱动。

五、主要作用

音频放大器主要用途在于增强音频系统的音频输出功率，提高声音的响度和清晰度。通过使用音频放大器，不仅可以将输入信号放大得足够大以驱动扬声器或耳机，还能调整音频输出的音量大小和频率响应等特性，以满足不同的用户需求。

六、典型电路

如下是AN7115音频功率放大电路的一个简单介绍。

AN7115在V=9.0V，THD=10%，RL=8Ω条件下，输出功率可达2.1W，噪声输出3mV。

极限参数：Vcc=13V，耗散功率（不带散热器）为1.2W，带散热器的条件下为2.25W。工作温度-20—70℃，适合于小型便携式收录音机及音响设备作功率放大器。

图6　AN7115应用电路

示例2

TDA2030采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。如图7所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。

电路特点：

1）外接元件非常少。

2）输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。

3）采用超小型封装（TO-220），可提高组装密度。

4）开机冲击极小。

5）内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。

图7　TDA2030应用电路

七、应用领域

音频放大器广泛应用于各种音频设备和系统中，包括个人音响、家庭影院系统、汽车音响等。通过音频放大器，可以获得更高质量的音乐体验，提供震撼的音效效果。同时，音频放大器也是多媒体产品的重要组件之一，广泛应用于消费类电子领域。

1.音频放大器应用：

音频放大器是功率放大器的一个重要应用领域。它们用于扬声器、耳机放大器、音响系统、录音设备等。功率放大器在音频系统中的作用是放大来自音源的微弱信号，以产生足够的音频功率以驱动扬声器，使音频信号在扬声器中产生可听的声音。高保真度和低失真的功率放大器对于音频系统的性能至关重要，尤其是在专业音频领域和音乐录音工作室。

2.射频和通信系统：

功率放大器在射频和通信系统中起到关键作用。它们用于放大无线电频率信号，使其具有足够的功率以传输到远距离。在移动通信系统、卫星通信、雷达系统等中，功率放大器被广泛用于信号的放大和传输。高效能和宽带能力是射频功率放大器在这些领域中应用的重要特性，以满足复杂的通信需求。

3.医疗设备：

医疗设备中也常见功率放大器的应用，例如在超声成像设备、电刺激治疗设备和核磁共振成像系统中。功率放大器用于放大传感器信号、控制电磁场等。在医疗设备中，对信号准确性和稳定性的要求很高，因此需要高质量、低失真的功率放大器来确保精确的数据采集和传输。

4.工业自动化：

在工业领域，功率放大器被广泛应用于控制系统和自动化设备中。例如，在电机驱动系统中，功率放大器用于控制电机的转速和扭矩。在工业自动化中，功率放大器也可以用于控制传感器信号、执行电动阀门和执行器等。这些应用要求功率放大器具有高度的稳定性和可靠性，以确保系统正常运行。

5.科学研究仪器：

科学研究领域也经常使用功率放大器，尤其是在实验室仪器和测试设备中。例如，光电子学实验室中的光放大器、粒子物理实验中的信号放大器等。这些应用通常需要高灵敏度、低噪声和高精度的功率放大器，以确保对微弱信号的准确测量和分析。

八、总结与展望

音频放大器作为音响系统中的核心部件，其性能直接影响到音质表现。随着科技的不断进步和应用领域的不断拓展，音频放大器的设计方法和应用场景也在不断更新和完善。未来，随着新材料、新工艺和新技术的应用，音频放大器的性能将会得到更大的提升，应用领域也将会更加广泛。同时，随着智能设备、智能家居等技术的普及和应用，音频放大器也将面临更多的挑战和机遇。