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第八章 音频功率放大器
音频功率放大器简称“功放”，它的作用是放大调音台或周边设备（信号解决设备）送来的低电平音频信号，使它的输出功率足以驱动配接的扬声器负载。
现有的音频功率放大器都是以线性放大为基础的模拟类功放，即把连续变化的音频信号（称为模拟信号）直接进行线性放大。所用的放大器件为电子管和双极晶体管（即NPN和PNP型半导体晶体管，简称晶体管）两类。按功放静态工作点的设立又可分为A类放大、A/B类放大和C类放大三种。A类放大的失真最小，音质好，但电源的转换效率最低，器件的发热量大，生产成本高，一般用于输出功率较小的Hi-Fi发热级功放。C类放大的失真比A类大些，特别是在小信号输出时（1/100输出功率）音质失真更明显，但电源转换效率高、器件发热量小、性能/价格比高，一般用于输出功率大的专业功放。A/B类功放的特点介于A类和C类之间，多用于家庭影院的AV功放。
电子管功放已有数十年历史，一直沿用至今，是功放的元老代。由于它的转换速率高，工作可靠，偶次谐波失真小（听觉对偶次谐波失真特别敏感），音质上好，一直被人们溺爱。但它的最大缺陷是电源运用效率很低，电子管A类放大的效率不到10%，C类约为15～17%，大部分电能变为热量耗散掉。由于耗电大、发热高、体积大、成本高等缺陷，在专业音响系统中已被晶体管功放所替代。
晶体管功放是近20数年发展起来的新秀，是第二代功放。它的最大优点是电源转换效率高（C类功放最高可达60%左右），体积小、重量轻、发热量不大、生产成本低；缺陷是转换速率低、偶次谐波失真较大、音质和可靠性都略逊于电子管功放。随着晶体管制造技术的不断提高和高新技术的应用，各项电性能指标和可靠性指标都已得到很好的解决，并还在不断向更大输出功率、更小的体积和多功能、智能化方向发展。例如美国CROWN公司的MA-5000VZ功放，它的最大输出功率可达22023W/4Ω或桥接4000W/8Ω；完善的可靠性设计使它可在苛刻的环境中三年免维护工作；VZ电源技术的应用使它的工作效率进一步的提高；尚有可编程的输入解决器模块P.I.P（Program Input Processor），P.I.P功能模块涉及：可变门限压缩器，遥控话筒/线路混合优先权混音器，可对话筒或线路电平信号进行遥控调节，可对1～2023台功放的工作状态进行遥控和检测等等。P.I.P模块增长了功放许多先进功能，发挥了新技术的优势。为进一步提高效率，减小重量，已开发研制使用开关电源的功放。
本章将音频功率放大器的技术参数、可靠性指标和保护措施、功放与扬声器的功率配接、功放的选用等问题进行分析讨论。最后还将介绍最新的MOS-FET场效应功放和数字功放等新技术的发展。
8.1音频功率放大器的电性能指标
现今极大多数音频功率放大器都是低阻抗输出的晶体管功放。尚有一部分是适应远距离传输的定电压输出功放（又称高阻抗输出功放）。为适应立体声音响系统配置的需要，低阻抗输出功放现已都做成两路完全相同的双通道功放，双通道功放还可通过桥接或并联组合成输出功率更大（加倍）的单通道功放。功放的技术参数很多，可分为电性能指标和可靠性指标两大类，分述如下：
8.1.1额定输出功率
额定输出功率是指在规定的总谐波失真条件下，功放在额定负载阻抗上的输出功率。测试信号为20HZ～20KHZ正弦波，输出功率为正弦波的有效值（RMS）。输出功率、输出电压和负载电阻三者之间的关系为：
P0= （8-1）
式中：P0——额定输出功率（W）；
UL——负载电阻两端的电压（V）；
RL——负载电阻（Ω）。
例如，一台晶体管低阻抗功放的典型输出为：RL=8欧姆时，P0=225W；RL=4欧姆时，P0=360W。假如功放的负载电阻改变后输出电压不变，那么按（8-1）式，4欧姆负载的输出功率应比8欧姆负载的输出功率大一倍，即450W，而实际的典型数据仅增长1.6倍，即360W。其因素是受功放内部直流电源的容量和输出晶体管的耗散功率的限制。8欧姆负载时功放的输出电压为42.5V（UL==），相应的输出电流是5.3A（I==42.5/8=5.3A）。假如4欧姆负载时输出电压没跌落，仍为42.5V，那么相应的输出电流也将增长1倍，达成10.6A，然而功放内部的直流电源供不出这样大的电流，晶体管的耗散功率也没有那么大，因此上述例子中的输出电压UL也被限制到38V，输出电流为9.5A。
提高音频功率放大器输出功率的途径是增长功放内部直流电源的功率容量和提高输出功率晶体管的耗散功率。
在许多实际应用中，双通道立体声功放通过桥接方法可向负载提供增长一倍的功率，如图8-1所示。例如，双通道功放中每个通道在8欧姆负载上额定功率为200W，二个通道桥接后，在16欧姆负载上可获得400W的额定功率。
图8-1（B）说明两个桥接功放的输入必须是反向输入，它们的输出端必须是串联的。

图8-1 功放桥接
(a)单声道功放，输出功率P=U/RL (b)桥接功放的输出功率
图8-2是美国CROWN功放系列产品的一种具有公共接地桥路的典型电路。

图8-2 接地桥接（CROWN功放）
两个反相功放桥接后，可向2倍的单功放负载提供增长一倍的功率输出。例如，立体声功放每路的功率在8欧姆负载输出为225W，在4欧姆负载为360W，那么，两路功放桥接后的输出为：16欧姆负载时为450W，8欧姆负载时为720W。
功放桥接后，其输出端的“一”极一般都不能接地，以免与单路输出时负端接地相混淆引起输出短路。这种负端不接地的功率输出，有时会引起不稳定或对其它电子设备引起干扰。为此，美国CROWN公司发明了可把负极接地的桥接输出功放，如图8-2所示，这种接地桥路的功放工作稳定可靠，不会引起对其它设备的干扰。
桥接输出的功放，只需一路输入既可，另一路不需输入信号，应把它的增益电位器关到“0”。假如把此电位器开到最大，则会引入该路输入端的感应噪声。
能否用并联来增长输出功率呢？功放输入端可以并联应用，并联后可用同一个输入信号驱动。但功放的输出端不能简朴地并联运营，由于并联输出端之间即使稍微有点不平衡，一台功放就会像驱动负载那样去驱动另一台，由于两台功放输出的相位差和电平差，会导致输出波形的严重失真，不平衡严重时，由于互相“倒灌”可导致损坏功放。解决办法是在两台功放的输出端之间设立一个电抗负载，阻止任何限度的不平衡引起的严重后果。感性负载把并联功放的互相负载效应隔离。具体说明如图8-3所示。两台功放平衡时，扼流圈中心点的电平为0，电感器的实际损耗也为0，两台功放的输出可所有传送到负载RL上。假如一台功放发生故障，输出电压跌落6dB，输出功率下降一倍（-3dB）。

图8-3 功放放大器的并联
并联方式的优点是假如一台功放发生故障，负载上仍可获得输出功率，功率损失不大于3dB。而桥接功放电路，假如一台功放发生故障，则所有无输出，但它不会发生互相“倒灌”的问题。
8.1.2阻尼系数D
功率放大器的阻尼系数是直接影响低音纯真度的一个重要参数。众所周知，扬声器的锥盆直径越大，低音越好听。但是锥盆直径越大，其运动惯性也越大。这种惯性运动使锥盆与音频驱动信号不能同步运动。锥盆的“余振”使扬声器重放出的声音混浊不清，特别是对400HZ以下的频率影响最大。大口径低频扬声器自身是无法解决惯性运动引起的低频失真问题，幸运的是低音扬声器与功放连接后对惯性运动具有制动的作用。它的原理是锥盆上的扬声器音圈在磁场中运动时可产生一个感应电动势，这个电动势通过连接导线和功放的输出内阻构成一个电流回路，感应电流与扬声器内磁场的作用产生一个阻止锥盆运动的力，阻止锥盆运动的效果可用阻尼系数D来恒量：
D=RS/ (Ri+Rl) (8-2)
式中RS——扬声器阻抗（欧姆）
Ri——功放输出内阻（欧姆）
Rl——功放与扬声器之间连接导线的电阻（欧姆）
阻尼系数越大，锥盆与驱动信号的同步效果越好，低音越纯真。当今功放的阻尼系数一般可做到100～1000（不涉及导线电阻）。

图8-4 阻尼系数的作用
8.1.3转换速率
功放的转换速率（Slew Rate）涉及它的高频性能。转换速率越高，高音的音质越佳。
由于晶体管功放的开关速度（与转换速率有关的一个参数）没有电子管功放那么快，因此它的转换速率也没有电子管功放那么高。现今晶体管功放的转换速率一般可做到10V/～15V/。MOS-FET场效应晶体管功放的转换速率可达成50V/～70V/，达成电子管功放同样的水平，因此高音音质非常清楚，层次分明。
阻尼系数和转换速率两项技术参数直接影响低音和高音音质，是功放的两项重要参数。
8.1.4失真度
由于功率放大器放大特性的非线性引起输出信号中产生新的谐波分量。放大器的非线性失真可用总谐波失真（THD）和瞬态互调失真（IMD）两个技术参数来表达。
总谐波失真（THD）是在功率放大器输入端输入一个没有失真的纯正弦波，然后在功放额定输出功率下测量输出信号的正弦波基波与它的各次谐波分量之比，即：
THD= (8-3)
式中： U1——正弦波基波电压有效值
U2 , U3 , ······Un为2次、3次、n次谐波电压有效值
总谐波失真这个参数只能说是一个“静态”失真指标，由于测量时只输入单一频率的正弦波信号，而实际工作时，输入信号是包含很多频率成分的复杂波形，也就是说，有很多个频率同时输入，此时放大器的非线性失真不仅产生多次谐波失真，各频率成分之间还会产生互相调制失真，这种失真称为瞬态互调失真，是一种影响音质的更重要失真。
瞬态互调失真（IMD）的测量信号为一个15KHZ正弦波（f2）和一个3.15KHZ方波（f1）的混合信号，它们的有效值电压比为1：5.66（正弦波有效值电压与方波双峰值电压的比为1：11.3）。瞬态互调失真的计算方法为：
IMD= （8-4）
式中：Un——额定负载电阻上各互调分量| f2nf1|电压的有效值
Us——额定负载电阻上15KHZ正弦波的电压有效值
n ——1，2，3，······正整数
晶体管功放一般的THD和IMD都可做到0.1%以下，但是在关心失真度指标的同时还应注意它的转换速率。由于功率放大器中采用深度负反馈可把失真度指标减少到很小的范围，但深度负反馈带来的负面影响是转换速率的减少，高音音质和瞬态特性变差。因此优质功放中很少采用深度负反馈电路，仅采用少量的局部负反馈。这样的结果，虽然失真度不是太小，但转换速率较高，音质很好，瞬态特性也很好，打击乐器的还音特性非常优越。
8.1.5频率响应特性（振幅——频率特性）
功率放大器整机的频率响应特性是在20 HZ—20 KHZ频率范围内，幅频特性波动的分贝数。在无输出变压器的低阻抗功放中一般均能达成0.5dB的范围。
8.1.6输入特性
输入特性是指增益电位器调到最大位置时，负载电阻上达成额定功率时所需的输入电压有效值。优质功放一般设有三种输入电平的选择，其含义如下：
0dBm电平：输入电平为775mV时，在规定的负载上可获得额定输出功率。
+6dBm电平：输入电平为1.5V时，在规定的负载上可获得额定输出功率。
26dB电平：此时功放的电压增益固定为26dB（20倍）。
表8-1是CROWN MA-2400功放26dB时的输入电平与输出电压的对照关系。
表8-1 CROWN MA-2400功率放大器 26dB增益的输入特性
负载阻抗（欧姆）
8
4
2
输出功率（单路）
520W
800W
1050W
最大输入电压（V）
3.225
2.83
2.29
最大输出电压（V）
64.5
56.6
45.8
表8-1表白负载阻抗越小，输出电压越低，所需的输入电压也越低。假如在2欧姆小阻抗负载（输出功率增大）情况时仍输入8欧姆负载时所需的3.225V输入电压，此时会引起功率放大器过载和输出波形削波。使用时应特别注意这点。
8.1.7相位响应特性（相位失真）
功放对输入信号都有延时，形成输出信号与输入信号之间的相位变化（相移）。相位响应是指功放对不同输入频率信号产生的不同相移，频率越高，相移越大。相位响应会影响音乐信号的频谱结构，使乐声“染色”（变调）。假如相位失真超过60o，会使功放出现工作不稳定。
8.1.8信号/噪声比（S/N或SNR）
信号/噪声比是说明功放信号动态范围的一个技术指标。它是指在额定输出功率下，输出端的信号电压有效值与无信号输入时输出端上的噪声及交流哼声的电压有效值之比。优质功放的SNR>100dB。
8.1.9两声道之间的串音衰减
双声道立体声功放与多路调音台同样，通道之间也会有不同限度的串音存在。测量方法请参阅第七章调音台的串音衰减。
8.2音频功率放大器的可靠性指标及保护措施
音频功率放大器工作在大功率、高电平状态，由于输入信号电平变化范围大，输出负载时有变动及经常发生连接导线短路或开路等，这些错误操作极易发生输入信号过载和输出功率过载，导致功放设备损坏。为保证功放能在各种条件下正常运营和在苛刻的环境中高可靠工作，功放设计中都考虑了比较完善的保护措施。优质功放的保护措施更为完善，它既能保护功放自身不受损坏，还能保护与其连接的扬声器系统不受损，并承诺在任何苛刻的环境中可连续免维护运营三年以上。本书列出的四个品牌的功放都有此承诺。
8.2.1开机保护
功率放大器开机时，在电路到达稳定前都有一个短暂的“暂态电路过程”，这个暂态过程在输出端上出现一种瞬间冲击电压；对于无输出变压器的低阻功放，这个瞬间冲击电压会直接送到扬声器，使扬声器在每次开机时都会发出“啪”声。为消除扬声器发出的开机冲击声，功放中都设立了一个自动延时装置，每次开机5～10秒钟后，才接通输出电路。
8.2.2功放的稳定性
功放的稳定性是可靠性指标之一。实验方法如下：输出端开路，分别接上100pf、0.1f和1f三种容量的电容器，改变输入信号的频率和调节音量控制器使功放输出自额定功率降至最小，用示波器观测输出波形，均不应发生自激振荡和寄生振荡波形。
8.2.3短路过载保护
使用中经常会发生功放外接线路短路或因输入过载使输出削波等功率过载等情况，为此，功放设计中都采用了短路过载保护装置。发生输出短路或输出过载时，该装置会自动切断输入信号，使其成为无信号输入（当然也无信号输出）状态，保护了功率放大器。故障解除后又会自动恢复。这种传统的短路过载保护装置必须精确地调整它的保护电平，否则会发生不到过载电平就切断输入信号的过早保护。
8.2.4变压器过热保护
在环境温度过高场合运营的功放，假如功放内部的风冷散热效果不好，那么即使输出没有过载，功放内的电源变压器也会因温升过高而烧坏。为此，功放的电源变压器都设立有一个温度控制开关，超过规定温度时就会自动关机，保护了电源变压器的安全运营。温度降到正常工作范围时，可自动恢复接通。
8.2.5直流输出保护
晶体管功放都采用正、负双路直流电源供电。输出端上的直流电压为0。但是，假如电路中发生某些故障，就会打破这种平衡，在其输出端出现“正”或“负”的直流电压，此电压送到低频扬声器后，会直接烧毁该扬声器。因此功放中必须设立直流电压输出保护。最简朴的保护方法是在输出端采用一个快速熔断保险丝。当然这种简朴方法的保护效果并不抱负，在低价功放中广泛采用。优质功放的直流保护电路设计得极为精确可靠，它还可把功放的推挽输出电路由于温度变化引起的输出0点漂移进行测定和控制。
8.2.6ODEP保护
以上五种可靠性保护是任何一种功放为保证正常运营必须具有的基本条件。但在实际使用中还会发生一些问题，例如在现场表演中，经常会在表演高潮时出现观众热烈欢呼的场面而使输入信号发生短暂的过载（不会损坏功放和扬声器），这种传统保护的功放此时会立即切断功放的输入，使全场“哑音”。作者曾亲临过一次《现场爆破成形技术》演示会的现场广播扩声，当巨大的爆炸声响起时，扩声系统也立即成了“哑巴”。
作为技术改善，美国CROWN公司发明了一种称为输出器件模拟保护装置ODEP（Output Device Emulation Protection）,它是一种不断机的精密保护电路。ODEP采用严格的程序检测功放中每个输出晶体管的安全工作区域（SOA）。当偶尔发生输出功率超过晶体管的安全工作区时，ODEP的智能电路立即会按比例限制其驱动信号电平，使晶体管回到安全工作区。换言之，ODEP可以预料潜在的问题，并且毫无察觉地进行补偿，使表演工作得以正常进行。
ODEP解决了功放传统设计中长期存在的两个问题：一是避免功放在运营期间瞬时过载的停机问题；二是提高了输出电路的效率。
8.2.7限流保护技术
限流保护技术可以检测出信号电流是否流经负载和负载电流是否超过了功放输出电流的能力。通过限流指示器可指示扬声器负载与功放能力是否取得最佳的匹配和是否在安全区内正常工作。
8.2.8IOC保护技术（输出、输入比较装置）
这是优质功放中采用的一种先进技术，这个装置将输出信号和输入信号进行连续对比，假如输出和输入信号之间的失真度超过0.05%，IOC指示器就会发出闪烁指示，提醒使用者。
IOC（Input/Output Comparator）指示器实质涵义是一个高传真输出指示器。它的进一步发展是通过功放内部的一个电压控制放大器（VCA）进行自动增益控制，使输出信号的失真度不会超过规定值。
8.2.9输出驱动保护技术
为保护低音扬声器不受直流和次低音（10HZ以下的音频）引起的损坏，优质功放的输出端专门设有一个用来检测是否有次低音（Sub Sonic）和直流（DC）电压存在的保护装置。假如检测出有这些不正常的电压存在，保护装置立即会自动拆开功放和扬声器之间的联接。
8.2.10VZ电源供电技术
VZ（Variable Impedance）是一种可变阻抗专利技术。使功放电源的转换速率明显地向前推动了一大步。
功放电源必须具有足够大的电压和电流来保证功放负载的最大需求。功放内的大功率晶体管在把电源能量转换成信号功率输出时，会产生大量无用的热量，这样不仅消耗了许多宝贵的能源，并且还要千方百计地把这些热量散发出去。输出功率越大，晶体管的耗散热量也越大。
VZ电源根据负载阻抗的大小，可以改变施加到输出晶体管上的电压和电流，达成减少输出级的发热量，使功放在更安全的条件下高效工作。

图8-5 VZ电源供电原理
VZ由两种直流电源组成，功放负载低于4欧姆时，采用低电压大电流的并联模式供电。负载阻抗高时，采用串联高电压、小电流模式供电。这种高低电压模式的转换是由一个灵敏的监视信号电路自动决定的。VZ电路可保证在最安全的工作条件下，负载上获得最大的功率匹配。这一先进技术大大减少了失真，保证功放不会发生过热，提高了电源的运用效率。用户可方便地把功放设定到与负载达成最佳匹配状态。
8.2.11扬声器偏置集成技术
扬声器偏置集成（Loudspeak Offset Integration）是在不对称的音频信号输入时（具有直流成分的音频信号），为防止低频扬声器纸盆的偏心位移而设立的一种偏置集成补偿电路，这样可以增长低频输出能力，使音圈冷却均匀。
8.3第三代功放——MOSFET开关场效应管功放
双极晶体管功放有许多宝贵优点，它的失真也极小，可达成万分之一以上，但其音质听感总不如电子管功放那么逼真、细腻，特别是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐、悦耳细腻的弦乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。于是从80年代初，欧洲有些专业公司开始研究双极晶体管功放与电子管功放之间的差异和解决办法。电子管是一种用电压控制的器件，不需控制电流，开关速率不久；而双极晶体管是一种电流控制器件，需有较大的控制电流，转换速率较慢。这是最基本的差别。80年代中期欧洲几家公司推出了用音频MOSFET场效应管的功放。由于MOSFET场效应晶体管既具有晶体管的基本优点，又具有电子管的优点，也是一种电压控制器件。但使用不久发现这种功放的可靠性不高（无法插入外电路保护）、开关速度提高的不多、最大输出功率仅为150W/8等等，这些技术困难一直没有突破。90年代初MOSFET的制造技术有了很大突破，出现了一种高速开关大功率MOSFET。西班牙艺格公司（ECLER）通过数年研究，攻克了非破坏性保护系统的SPM专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两者优点结合的第三代功放。产品在欧洲上市后获得了认可，并迅速在世界各地推广应用。
MOSFET开关场效应功放的优点在于：
1、 MOSFET开关场效应晶体管比双极晶体管有更高的开关速率和超过7倍以上的带宽增益乘积，（双极晶体管的增益带宽乘积为2MHZ；音频MOSFET的乘积为8MHZ；开关MOSFET的乘积为15 MHZ。）因此做成的功放频率响应宽、信号动态范围大、转换速率高（最高可达100V/s），高音清澈细腻，音质自然逼真。
2、 双极晶体管是一种电流控制器件，典型的大功率晶体管的基极激励电流可超过250mA,而开关MOSFET几乎不超过1A，是双极晶体管的2.5万分之一倍。因此开关速度极快。
3、 温度系数的差别。在功放中这是非常重要的问题。在低电流运营时，双极晶体管和开关MOSFET都是负温度系数，即温度升高时，内阻减小，促使电流进一步增大。这种现象在低功率运营时无危险性，但在大电流运营时，由于双极晶体管的温度系数仍然是负的，当温度随着工作电流增大升高时，保护电路力图反对温度上升引起的电流增大，但负温度系数使它的内阻更低，电流更大，导致温度进一步升高，直至双极晶体管损坏。开关MOSFET在较大电流运营时，温度系数变为正温度系数（电子管也是正温度系数器件）特性，随着温度的升高，它的内阻也变大，从而限制了电流的增长，温度不会进一步增高，从而器件得到了自身的保护。
4、 最大瞬时过载的差别。双极晶体管的工作电平超过它的安全工作区SOA（Safe Operating Area）时，晶体管将会立即烧毁。MOSFET开关场效应晶体管在短时间内超过SOA区域不会危害器件（此特性与电子管相同），因此开关MOSFET可解决30：1的瞬时峰值功率（峰值与平均值之比）。动态范围的扩大意味着音乐的细腻度和音质层次感的提高。它可输出150A特大的瞬时电流至0.3欧姆的低阻抗负载。
5、 开关MOSFET的内阻小，温升低。低的内阻、更小的温升和更高的效率是开关MOSFET的特点。双极晶体管的内阻随音频激励电流的大小而变化的。音频MOSFET的内阻为0.25欧姆，开关MOSFET的内阻为0.18欧姆，它的温升仅为10oC～15oC甚至更低。电源转换效率的理论值可达74%。低的运营温度，提高了功放的寿命。
8.4第四代功放——数字音频功率放大器
前面三代功放均属模拟类音频功率放大器。21世纪是数字化的年代。数字音响技术是追求“原汁原味”音响效果的最有效手段。当今数字音频技术发展迅速，各类声源（CD、DVD、MD、MP3和DAT……）都已实现了数字化，并还在向更高技术迈进。数字调音台已不再是录音棚的专利品，现已开始进入现场扩声系统。音频信号解决设备的数字化进程发展得更快，各种可编程的数字音频解决装置已大量进入市场，任你选用。扩声系统已进入数字网络传输的年代。
模拟类功放虽然技术成熟，音质良好，但它难以与数字化设备配接，难以远距离监控和较低的电源转换速率等问题阻碍了它的进一步发展。因此数字功放取代模拟功放是发展的必然趋势。
8.4.1数字功率放大器的优点
表8-2是数字音频功率放大器与模拟音频功率放大器重要技术特性对比。
表8-2 数字功放与模拟功放重要技术特性对比
特性名称
模拟功放
数字功放
信号瞬态响应特性(涉及中、高频音质清楚度)
转换速率(Slew)=10v/μs～18 v/μs
转换速率(Slew)≥40v/μs～70 v/μs
阻尼系数(涉及低音的纯真度)
D=100～1000(100HZ)
D≥600(100HZ)
信号动态范围(涉及声音的细腻度和层次感)
≤80dB
≥95dB
全频段内的相移(涉及声像定位及声音染色)
50～100(取决于功放采用的负反馈深度)
无相移(功放内不采用负反馈电路)
功放群的遥控、监测特性(即远距离监控特性)
必须采用专用的数字控制模块(选具#件)
机内直接控制，可编程
电源运用率(效率)(即能源消耗)
N=45%～55%(负载阻抗越低，效率越低)
n≥90%(效率不随负载阻抗改变而改变)
与数字声源和数字设备的配接
需经由A/D转换才干配接
不需经由A/D转换，可直接配接
可连接的最低负载阻抗
2Ω
1Ω
最大输出功率
单通道桥接输出:5000W/4Ω
单通道直接输出:10000W/1Ω
对交流电源电压的适应性
110v±10%或220v±10% 人工切换
可在100v～250v的电压范围内使用，无需切换，自适应电源
信号长距离传输特性
模拟信号长距离传输引起信号/噪声比下降，失真增大
数字信号长距离传输不会引起信号/噪声比下降和增大失真
机内温升
发热量大，温升高，必须采用强制风冷散热
发热量小，温升低，散热简朴
可靠性
机内温升每提高100C，半导体器件的失效率提高一倍
机内温升低，可靠性系数明显提高
体积和重量
大
小(只有模拟功放1/3～1/4)
8.4.2数字音频功率放大器原理
上世纪60年代已开始研究数字功放。1983年M.B.Sandler等学者提出D类PCM脉冲编码调制数字功放的基本结构，重要技术要点是如何将PCM调制信号变为PWM脉冲宽度调制信号。1999年日本SHARP公司另辟新路提出了1 bit数字功放的架构。这种1 bit数字功放的性能比D类PWM数字功放更优良，但价格很昂贵，尚未达成商业应用阶段。2023年意大利Powersoft公司推出了采用自适应算法脉冲调宽技术，使D类PWM数字功放的性能有了进一步的改善和提高。
8.4.2.1 D类数字音频功率放大器
D类数字功放一方面把音频模拟信号变换成图8-6所示的脉冲宽度调制信号（PWM）。在PWM模/数转换过程中，采样频率为44.1KHZ或48KHZ，信号振幅的量化率为8 bit或16 bit。然后再对PWM的数字信号进行功率放大（即D类放大）。由于模拟信号的所有信息都包含在PWM的脉宽变化中，因此只需采用截止频率为30KHZ～40KHZ的低通滤波器就可把模拟信号从PWM中解调出来。图8-7是D类数字功放的原理方框图。为适合CD等数字声源输出的PCM信号直接送入数字功放，机内还设立一个PCM/PWM两种脉冲编码调制的转换装置。

图8-6 脉冲调宽（PWM）波形

图8-7 D类数字功放原理图
D类数字功放的电源运用率可达90%以上。它的延时约为模拟功放的1/6，因此中、高音的音质更清楚，声像定位更对的。但是在PWM编码过程中，信号的过零失真（或称交越失真）比模拟功放要大。为此意大利Powersoft公司在他们的产品中采用了一项自适应算法脉冲调宽技术，使小信号放大时的失真大大地得到了改善（见技术特性指标）。改善后的D类数字功放有时称为“T”类数字功率放大器。
8.4.2.2 1 bit数字音频功率放大器
在PWM脉冲编码调制中，它的频率响应特性是取样频率的1/2，因此常用的44.1KHZ取样频率可获得20HZ～20KHZ的频响范围。度量模拟信号振幅的大小和精细度由量化的bit数（量化率）决定，每1 bit可相应6dB模拟信号变化的范围。例如16 bit的量化率可获得96dB的信号动态范围。假如要获得更大的信号动态范围、更好的信号质量，需要更高的取样频率和更大的量化bit数，需更宽的电路通带和更高转换速率的功率晶体管。
为进一步提高数字功放的音质（频响范围扩大到30KHZ以上，动态范围扩大到105dB，声音更为细腻悦耳）又不大幅度提高功率晶体管的开关速率，于是又创建了另一种数字功放体制——采用2.8244MHZ高取样频率和1 bit增量调制（Δ—Σ调制）的编码方案。在这种编码方案中，模拟信号振幅的度量采用前后两个采样点振幅的相对变化来判决，即假如后面信号的振幅大于相邻振幅，则输出一个“1”位（产生1个脉冲），反之，假如后面信号的振幅小于相邻振幅，则输出一个“0”位（不产生脉冲）。因此这种编码方式输出的数字信号流是由“1”和“0”组成的等宽度脉冲序列。
两种编码方案的本质区别是PWM的信息包含在脉冲宽度的变化中，测量的是模拟信号振幅的绝对值。1 bit编码方案的信息包含在脉冲序列的“0”和“1”中，测量的是模拟信号振幅变化的相对值，然后再相加振幅的起始值获得振幅绝对值的变化。
1 bit数字功放的频响特性可达成2HZ～50KHZ；失真更小；电源运用率可达成95%以上。但它需要更宽的频带、更高的开关速率、更复杂的编码电路和更高的生产成本。目前由于输出功率不能做到很大和价格太昂贵，尚未达成商品化阶段。
8.4.3 Powersoft数字功放的重要技术特性和可靠性保护措施
Powersoft是市场上一方面推出的一种专业级大功率数字功放，有D型和Q型两个系列产品。D型为双声道功放，Q型为四声道功放。图8-8(a)为D型双声道数字功放的前、后面板图，(b)为该功放的内部结构图。它们的重要技术特性如下：

图8-8 Powersoft数字功放
(a)Powersoft D型数字功放的前、后面板图 (b) Powersoft D型数字功放的内部结构图
8.4.3.1音频特性
1、频率响应（1W，8Ω）：5HZ～30KHZ
2、阻尼系数（10HZ～400HZ）：>600
3、转换速率（8Ω负载）：40v/μs
4、信号/噪声比（20HZ～20KHZ）：≥105dB(A)
5、总谐波失真（0.1W～满功率）：≤0.1%
6、互调失真（0.1W～满功率）：≤0.02%
8.4.3.2电源规定及物理参数
1、自适应电源的电压范围：交流95V～265V，50HZ/60HZ
2、工作环境温度：00C～450C
3、重量：D系列8.5Kg，Q系列9.5Kg
4、体积（宽x高x深）：485x55x455mm3（19英寸宽，1U高的标准机柜）
8.4.3.3功率输出特性（有效值RMS，20HZ～20KHZ）
表8-3 Powersoft（意大利）DIGAM、Q系列和D系列数字功放的输出特性
型号
双通道立体声输出（RMS），W
4通道输出（RMS），W
1Ω
2Ω
4Ω
8Ω
单通道桥接输出8Ω
1Ω
2Ω
4Ω
8Ω
双通道桥 接输出8Ω
D1502
-
2x750
2x400
2x250
800

D1604
-
-
2x800
2x500
1600

D2023
-
2x1000
2x600
2x350
1200

D2023
-
-
2x1000
2x600
2023

D3002
-
2x1500
2x830
2x500
1660

D4002
-
2x2023
2x1100
2x650
2200

DIGAM3000
-
2x1500
2x820
2x450
-

DIGAM5000
-
2x2500
2x1360
2x750
-

DIGAM7900
-
2x3500
2x1910
2x1050
-

Q3002
-
2x750
2x390
2x250
780
-
4x750
4x400
4x250
2x800
Q3004
-
-
-
2x500
1600
-
-
4x800
4x500
2x1600
Q4002
-
2x950
2x570
2x350
1140
-
4x1000
4x600
4x350
2x1200
Q4004
-
-
2x950
2x600
1900
-
-
4x1000
4x600
2x2023
Q5001
2x600
2x650
2x350
2x180
700
4x1250
4x700
4x350
4x180
2x700
8.4.3.4可靠性保护措施
Powersoft有非常完善的可靠性保护措施。这些保护可在误操作情况下既能保护功放自身不受损坏，又可保护与它连接的扬声器系统不受伤害。
1、输出短路保护
功放外接负载系统发生短路时（保护门限为负载阻抗小于0.1欧姆），数字功放严禁功率输出。短路故障排除后，立即自动恢复功率输出。
2、过热保护
功放的环境温度超过规定值时，输出功率将会自动减少（此时的工作状态总称为功率压缩状态），使机内温度逐渐减少，前面板上的黄色LED闪烁指示。假如功率压缩后机内温度不能降到750C以下时，功放则停止运营，此时黄色LED变为常亮，直至机内温度降至650C以下的安全水平后才会自动恢复运营。
3、限幅保护
当输入信号过大或输入信号中出现突大的峰值电平时，为防止出现信号削波损害扬声器系统（特别是高音扬声器单元）。机内设有的自动限幅保护电路使过大的输入峰值信号自动被限幅，不会发生信号削波。
4、长期输出功率限制
长期输入连续的非音乐信号时，为防止损坏功放和扬声器单元，功放会自动衰减输入信号，限制输出功率。
5、直流输出保护
假如输出信号中带有较大的直流电压，为保护低频扬声器单元不受损坏，机内设有限制直流输出的保护装置。
6、VHF保护
输入端出现超过音频范围的强烈连续的非音乐信号时，为保护扬声器系统，前面板上的黄色LED灯闪烁警告。
7、交流电源保护
当电源电压超过功放的正常供电范围时，机器会自动关机。
8.4.3.5 Powersoft数字功放的远程监控特性
Powersoft数字功放内设有Powercontrol Module接口卡和用于同外部网络连接的RS485数据接口。用户可在音控室用PC机（奔腾II，64M RAM 2Gb硬盘）通过Cat.5电缆线串行连接到功放机直接进行监控。最长控制距离为500公尺。
监控应用软件Powercontrol Manager（PCM）对数字功放具有下列控制和监测功能：
·开机/关机 ·短路保护监测
·哑音控制 ·输入电平监测
·增益控制 ·输出电平监测
·系统复位 ·供电电源状态显示
·其他独立控制功能 ·机内温度显示
8.5如何配套选择功率放大器
功率放大器与扬声器直接配套使用，为选好用好扩声系统中这两项重要设备，选用配套时应遵循下列原则：
1、 优质扬声器必须配置优质功放，充足发挥他们的优秀性能
扬声器系统的品质档次很多。普及型扬声器为保护高音单元不受损害，通常都采用了高音保护措施，例如灯泡限流保护或磁液冷却保护等，这些保护措施增强了高频单元抗