胡純有

（中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所， 北京 100015）

音頻功率放大器的分類和界定

胡純有

（中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所， 北京 100015）

數(shù)字音頻技術(shù)是今后的發(fā)展方向，純模擬技術(shù)的音響設(shè)備必將退出歷史舞臺?；谝纛l功率放大器的模擬、數(shù)字和數(shù)字附加模擬入口的三大類型，闡述了三者的界定要點，預(yù)測數(shù)字附加模擬入口的音頻功率放大器將成為專業(yè)音響設(shè)備的主流。

模擬音頻功率放大器；數(shù)字音頻功率放大器；音響設(shè)備

音頻功率放大器簡稱音頻功放，是擴(kuò)聲系統(tǒng)不可缺少的音響設(shè)備。100多年來，它經(jīng)歷了從A類到D類以及T類等類型的發(fā)展變遷，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的飛躍。在當(dāng)前數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展的浪潮中，又出現(xiàn)了“數(shù)字功放”、“純數(shù)字功放”的產(chǎn)品。作為消費者，究竟如何認(rèn)識生產(chǎn)廠商推出的這些類型產(chǎn)品？如何面對和選擇這些產(chǎn)品？下文根據(jù)模擬和數(shù)字技術(shù)的基本原理，結(jié)合模擬和數(shù)字音頻功率放大器的發(fā)展歷程，簡要闡述音頻功率放大器的分類和分類的界定要點，解答這些問題，供讀者參考。

圖1 模擬信號V(t)隨時間t的連續(xù)變化

1 認(rèn)識模擬和數(shù)字信號及模數(shù)功率放大器界定要點

在自然界中，人們可以感知的，在時間和幅值上都是連續(xù)的物理量稱為模擬信號，例如聲音、溫度等；使用傳感器將這樣的物理量轉(zhuǎn)變成為電信號，這種連續(xù)變化的電信號也還是模擬信號，模擬信號的波形如圖1所示。將這種模擬電信號進(jìn)行放大、存儲、傳輸、處理與交換是模擬電子技術(shù)；處理模擬信號的電路稱為模擬電路。采用傳聲器將聲音轉(zhuǎn)變成的電信號是模擬信號，將它進(jìn)行濾波、均衡、放大后驅(qū)動揚聲器，所有處理環(huán)節(jié)都是模擬電路，這就是模擬音頻功率放大器。模擬信號不易傳輸、計算和存儲，很容易受干擾，這是它的不足。

由此可知，模擬信號是時間和幅度都連續(xù)的信號，從輸入到輸出都放大這種連續(xù)信號，就是模擬功率放大器。這是界定模擬放大器的依據(jù)，其中，從輸入到輸出的全過程、放大的信號是連續(xù)信號和具有放大作用是界定的3個要點。

與模擬信號不同，數(shù)字信號是時間與幅度都不連續(xù)的離散信號，是一串分離的脈沖數(shù)據(jù)，如圖2所示。將時間和幅度都連續(xù)的模擬信號變換為不連續(xù)的數(shù)字信號，這種變換稱為模擬信號數(shù)字化，即模數(shù)轉(zhuǎn)換，表示為ADC(Analogue Digital Conversion)，常用A／D簡化表示。將時間和幅度上連續(xù)變化的聲音信號變換為數(shù)字信號，就是音頻信號數(shù)字化，簡稱為PCM（Pulse-code modulation），或稱脈沖編碼調(diào)制。當(dāng)需要把數(shù)字信號經(jīng)解碼轉(zhuǎn)換回連續(xù)的時間連續(xù)變化的幅值的模擬信號，這個變換稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換，即DAC(Digital Analogue Conversion)，常用D／A簡化表示。數(shù)字信號易傳輸、計算和存儲，抗干擾能力強(qiáng)，具有很大的優(yōu)越性。

由此可知，數(shù)字信號是時間和幅度都不連續(xù)的離散信號，從輸入到輸出都放大這種不連續(xù)的信號，就是數(shù)字功率放大器，這是界定數(shù)字功率放大器的依據(jù)，其中的從輸入到輸出的全過程、放大的信號是不連續(xù)信號和具有放大作用是界定的3個要點。

以音頻功率放大器的信號類型對音頻功率放大器進(jìn)行分類，也就是功率放大器放大的信號是連續(xù)的模擬信號還是離散的數(shù)字信號，從這個角度分類，則音頻功率放大器就是兩大類：模擬功率放大器和數(shù)字功率放大器。

2 曾經(jīng)的驕子——模擬音頻功率放大器

自從1906年美國人德福雷斯特發(fā)明真空三極管開始，模擬音頻功率放大器的歷史已經(jīng)有100多年了； 1964年又有晶體管問世，之后出現(xiàn)了集成電路。在這一個多世紀(jì)的發(fā)展征途中，人類在不斷地追求高保真、高功率、高效率和小體積，向著完美的目標(biāo)孜孜以求。在這種不懈的追求中，模擬音頻功率放大器相繼出現(xiàn)了A類（甲類）、B類（乙類）、AB類（甲乙類）等，AB類則是模擬音頻功率放大器的頂峰。

1927年貝爾實驗室發(fā)明了負(fù)反饋技術(shù)，高保真放大使模擬電子技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新的時代，也使模擬音頻功率放大器得到了長足的發(fā)展，至20世紀(jì)50年代，電子管音頻功率放大器達(dá)到了鼎盛時期，因它的音色甜美、圓潤，至今仍為一些發(fā)燒友所偏愛。這種負(fù)反饋技術(shù)又應(yīng)用于晶體管及集成電路中，相繼出現(xiàn)了A類（甲類）、B類（乙類）、AB類（甲乙類）等多種類型的模擬音頻功率放大器，尤其是AB類音頻功率放大器的優(yōu)越性能，使模擬功率放大器成為世之驕子，至今還在廣泛應(yīng)用，在專業(yè)音響領(lǐng)域仍然占據(jù)統(tǒng)治地位。

表1列出了3類模擬音頻功率放大器的主要性能比較。B類效率高而失真大，是注定要淘汰的；AB類效率不高、體積大，是其最大缺點?？朔@些缺點成為發(fā)展的動力，因而促成了數(shù)字音頻功率放大器的問世。

圖2 模擬信號變換成數(shù)字信號示意圖

表1 三種模擬音頻功率放大器主要性能比較

3 當(dāng)代的寵兒——數(shù)字音頻功率放大器

1959年，Baxandall先生開創(chuàng)性地提出了音頻功率放大器D類工作模式，打破了電子管模擬音頻功率放大器一統(tǒng)天下的正值鼎盛格局，成為人類追求音頻功率放大器高效率的一次飛躍，開創(chuàng)了音頻功率放大器后起之秀的家族——數(shù)字家族。它的優(yōu)勢吸引了世界上一批又一批電聲科技工作者從事這一研究，經(jīng)過50多年前仆后繼的努力，形成了D類音頻功率放大器，將音頻功率放大器從模擬時代推進(jìn)到了數(shù)字時代。

D類音頻功率放大器是將輸入的模擬音頻信號變換成PWM(脈沖調(diào)寬信號)，然后用PWM去控制大功率開關(guān)晶體管的通/斷，實現(xiàn)PWM的功率放大，其脈沖輸出通過一個低通濾波器以后，可以將音頻信號還原重現(xiàn)。這種功率放大器的理論效率為100%，由于晶體管器件原因，為保證高保真，實際的功放效率85%以上，現(xiàn)有92%的產(chǎn)品問世[1]。其高效率使其體積大大降低。因為其輸入口是模擬信號，輸入級要放大或處理模擬信號，如果信號過大，可能會產(chǎn)生失真。依據(jù)界定要點，其從輸入到輸出的全過程不是都放大不連續(xù)的數(shù)字信號，其輸入級是放大連續(xù)的模擬信號，因此并不是真正的數(shù)字音頻功率放大器。1998年10月,成都天奧公司在“第四屆國產(chǎn)音響器材大展”上推出了這種產(chǎn)品，稱之為“數(shù)字功放”。同年，美國TACTaudio公司也發(fā)布了這種產(chǎn)品[2]，本文中依據(jù)這種音頻功率放大器的起源，將其稱為“D類數(shù)字音頻功率放大器”，圖3為其工作原理方框圖。

1983年，M.B.Sandler等學(xué)者提出了D類放大的PCM（脈碼調(diào)制）數(shù)字音頻功率放大器的基本結(jié)構(gòu)，技術(shù)要點是如何把PCM信號變成PWM[2]。這是數(shù)字音頻功率放大器發(fā)展史上的里程碑，PCM與PWM放大相結(jié)合，才產(chǎn)生了真正的數(shù)字功率放大器。生產(chǎn)廠商將其稱之為“全數(shù)字功放”、或“純數(shù)字功放”，以區(qū)別于前者。2000年4月, 在第八屆上海國際影視展覽會上，成都天奧公司和美國TACTaudio公司兩家展出了全數(shù)字音頻功放的產(chǎn)品，成為那次大展技術(shù)創(chuàng)新的亮點[2]。本文中依據(jù)這種音頻功率放大器的起源，也為了區(qū)別于模擬入口的D類數(shù)字音頻功率放大器，將其稱為“PCM數(shù)字音頻功率放大器”，圖4為其工作原理方框圖。

由于數(shù)字音頻功率放大器的諸多優(yōu)點，如效率高、功率大、高保真、體積小、與數(shù)字音源的無縫結(jié)合、能有效降低信號間傳輸干擾等，在PCM數(shù)字音源已經(jīng)大量普及的今天，數(shù)字音頻功率放大器的出現(xiàn)，自然會取代現(xiàn)有的模擬音頻功率放大器，成為當(dāng)代的寵兒。

數(shù)字音頻功率放大器不僅僅能應(yīng)用在家庭影院系統(tǒng)、高保真重放系統(tǒng)；同時也可應(yīng)用到特別需要省電、體積小的地方，如數(shù)字電視、汽車音響設(shè)備、便攜聽音設(shè)備、甚至是移動電話等設(shè)備?？梢哉f，數(shù)字音頻功率放大器的應(yīng)用十分廣泛，既可用來做上千瓦功率輸出的專業(yè)功率放大器，也可以用來做幾十毫瓦的便攜機(jī)。

圖3 “D類數(shù)字音頻功率放大器”原理方框圖

圖4 “PCM數(shù)字音頻功率放大器”原理方框圖

4 當(dāng)代的主流——數(shù)字附加模擬入口的音頻功率放大器

人耳是模擬器件，也是數(shù)字器件。當(dāng)兩個時間相差30 ms以內(nèi)的不連續(xù)的聲音信號進(jìn)入人耳時，耳朵是分辨不出先后的，認(rèn)為信號是連續(xù)的，這是哈斯效應(yīng)，也可以說人耳具有接收數(shù)字信號的功能。人的聲帶是模擬器件，發(fā)出的聲音是連續(xù)的信號。音響技術(shù)離不開聲帶的發(fā)聲和耳朵的聽覺，也就是離不開模擬信號。因此，音響系統(tǒng)的入口是模擬信號，出口還是模擬信號。這種現(xiàn)場環(huán)境就決定了音響系統(tǒng)的數(shù)字技術(shù)只能存在于入口與出口之間，是一種中間應(yīng)用技術(shù)，與數(shù)字音源、數(shù)字設(shè)備連接的“純數(shù)字功放”只適用于專業(yè)音響領(lǐng)域。

許多中小型擴(kuò)聲現(xiàn)場，如會議室、多功能廳、卡拉OK、家庭娛樂等，都離不開傳聲器，離不開模擬入口。這些場所的最佳選擇是數(shù)字音頻功率放大器附加模擬入口，其PCM數(shù)字入口可以和各種數(shù)字設(shè)備、數(shù)字音源連接，其模擬入口可以和傳聲器、模擬設(shè)備、模擬音源直接連接，使用非常方便。因此，數(shù)字音頻功率放大器附加模擬入口需求量很大，成為主流產(chǎn)品，具有廣闊的市場，圖5為其原理方框圖?；谶@種原因，本文中將其另列一類，稱為“PCM-D數(shù)字音頻功率放大器”，以區(qū)別于PCM純數(shù)字音頻功率放大器。

5 結(jié)語

當(dāng)前，模擬音頻功率放大器正日薄西山，數(shù)字音頻功率放大器正以排山倒海之勢躋身于全世界。這是人類不斷地追求高保真、高功率、高效率和小體積的結(jié)果，這種追求永遠(yuǎn)不會完結(jié)。在這種追求中，人類必定有所發(fā)現(xiàn)，有所創(chuàng)造，創(chuàng)造出更新類型的音頻功率放大器。

圖5 “PCM-D類數(shù)字音頻功率放大器”原理方框圖

[1] 雍家鵬. D類音頻功率放大器的研究與設(shè)計[D]. 江蘇：江南大學(xué)碩士論文, 2008

[2] 丘世斯. 從天奧數(shù)字功放看數(shù)字功放的技術(shù)與現(xiàn)狀[J/OL]. http://www.cnki.net，2014

（編輯 杜 青）

Classification and Definition of Audio Power Amplifier

HU Chun-you
（The Third Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing100015, China）

Digital audio technology is the future development tendency, and pure analog audio equipment must be in the museum. Under this trend, the audio power amplifier was divided into three types of simulation, digital and digital additional simulation entrance, the main definition points of the three were expounded, and the third class is expected to become the mainstream of non-professional audio equipment.

analog audio power amplifier; digital audio power amplifier; audio equipment

10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.005