聲頻功率放大器新舊標準解析及相關(guān)性能參數(shù)檢測研究

鄺永輝

（廣東省質(zhì)量監(jiān)督電聲產(chǎn)品檢驗站，廣東江門，529000）

0 引言

聲頻功率放大器簡稱功放，其作用是將較微弱的聲頻信號進行放大后，產(chǎn)生足夠大的電流去推動揚聲器進行聲音的重放。聲頻信號重放出來優(yōu)劣的衡量主要有增益限制的有效頻率范圍、總諧波失真、信噪比等性能參數(shù)，這些參數(shù)與聲頻功率放大器本身的類型、機構(gòu)設(shè)計有很大的關(guān)系，一臺性能良好的聲頻功率放大器將給人帶來高保真效果的聽覺感受。

1 聲頻功率放大器分類

聲頻功率放大器按功放管導(dǎo)電方式不同可分有甲類功率放大器、乙類功率放大器、甲乙類功率放大器等；按輸出形式分有定阻式功率放大器和定壓式功率放大器。

甲類功率放大器的功放管在信號的正、負半周均處于導(dǎo)通狀態(tài)，在整個周期處于導(dǎo)通使得甲類功率放大器不存在開關(guān)失真和交越失真，信號在通過功放管時都可以比較完美地被放大，但因功放在沒有輸入信號的時候仍然要消耗電流，這樣使得甲類功率放大器工作效率較低；乙類功率放大器的功率管靜態(tài)工作電流為零，無信號時功放管不會消耗功率，這樣使得乙類功率放大器的效率有較大的提高，但是因乙類功率放大器功率管的靜態(tài)工作電流為零，使得輸入信號波形的負半周不能被輸出，這樣會導(dǎo)致嚴重的非線性失真，乙類功率放大器工作點選擇比較低，功率管在整個信號周期內(nèi)只有50%的時間開啟，使得乙類的效率比甲類高，但因只有一半時間進行信號放大，使得乙類功率放大器的失真比甲類大；甲乙類放大器的工作模式介于甲類與乙類之間，大部分時間只有一個晶體管工作，在零交越點時兩個晶體管都工作，甲乙類放大器最大優(yōu)點是改善了乙類放大器的非線性，消除了交越失真，當(dāng)輸入信號為零時，由于此時兩個晶體管仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此甲乙類放大器的最大工作效率介于甲類功放和乙類功放之間。甲類、乙類、甲乙類聲頻功率放大器的最大效率的理論值與導(dǎo)通角的函數(shù)關(guān)系如圖1所示。

圖1 聲頻功率放大器效率與導(dǎo)通角的關(guān)系

從圖1中看出，甲類功率放大器的功率利用低，效率最大值為50%，導(dǎo)通角為360°；乙類功率放大器通過減少一個周期中晶體管工作的時間來提高效率，效率最高可以達到78.5%；甲乙類放大器的效率和線性度在甲類和乙類放大器之間，導(dǎo)通角的范圍為180°～360°，效率介于甲類功率放大器與乙類功率放大器之間。由以上討論可知，影響功率放大器效率的因素是在無信號輸入時的工作電流造成的直流損耗，沒有信號輸入時工作電流越大，效率越低，因此為了提高效率要把工作點調(diào)低，使沒有信號輸入時，工作電流盡可能小，但調(diào)低工作點則又會使信號導(dǎo)通角變小，波形失真變大，輸出信號中的諧波成分增加。

聲頻功率放大器按照功放與音箱的配接方式分為定阻式和定壓式功放，定阻式功放即功放以固定阻抗形式輸出音頻信號，要求音箱必須按照規(guī)定的阻抗進行匹配，才能得到額定功率的分配，定阻式功放的優(yōu)點是輸出頻帶寬、動態(tài)范圍大、音質(zhì)極佳，缺點是無法長距離傳輸、對負載阻抗要求嚴格；定壓式功放是為了進行遠距離傳輸音頻信號，減少在傳輸線的能量損耗，以較高的電壓形式傳送功率信號，一般有75V、120V、240V等不同的電壓輸出端子提供給使用者選擇，定壓式功放可以進行長距離的傳輸，一個輸出回路只需考慮功率匹配無需考慮阻抗匹配問題，缺點是經(jīng)過升壓后輸出音頻帶寬變窄，動態(tài)范圍變小，對音質(zhì)有一定的影響。

2 聲頻功率放大器新舊標準解析

聲頻功率放大器檢驗依據(jù)包括GB/T 12060.3-2011《聲系統(tǒng)設(shè)備 第3部分：聲頻放大器測量方法》及SJ/T 10406-2016《聲頻功率放大器通用規(guī)范》，其中標準SJ/T 10406-2016《聲頻功率放大器通用規(guī)范》于2016年6月1日實施并代替SJ/T 10406-1993《聲頻功率放大器通用技術(shù)條件》。SJ/T 10406-2016《聲頻功率放大器通用規(guī)范》規(guī)定了相關(guān)參數(shù)的要求，包括增益限制的有效頻率范圍、總諧波失真、失真限制的有效頻率范圍、失真限制的輸出功率、信噪比、等效噪聲源電動勢、剩余噪聲輸出電壓、過載源電動勢與額定源電動勢之比、阻尼系數(shù)、調(diào)整率、互調(diào)失真、串音衰減、增益差、短期最大輸出功率、長期最大輸出功率、N階調(diào)制失真、N階差頻失真、動態(tài)互調(diào)失真、輸入阻抗、最小源電動勢、整機功耗、轉(zhuǎn)換速率、穩(wěn)定性等。對照SJ/T 10406-1993《聲頻功率放大器通用技術(shù)條件》及SJ/T 10406-2016《聲頻功率放大器通用規(guī)范》的基本參數(shù)要求，其中增益限制的有效頻率范圍、總諧波失真、失真限制的輸出功率、信噪比、過載源電動勢與額定源電動勢之比、互調(diào)失真基本參數(shù)要求做了如下改變[1][2]。

（1）測量條件由“正常工作條件”改為了“標準測量條件”

在GB/T 12060.3-2011《聲系統(tǒng)設(shè)備 第3部分：聲頻放大器測量方法》 中已將“正常工作條件”改為了“標準測量條件”， “標準測量條件”是指將放大器置于額定條件下，然后把源電動勢降到比額定源電動勢低10dB。

（2）增益限制的有效頻率范圍

定阻式Ⅱ類的有效頻率范圍由40Hz～16kHz擴展為20Hz～20kHz；定壓式Ⅰ類增益限制由±1dB提升至±0.5dB。

（3）總諧波失真

定阻式Ⅰ類20Hz～20kHz在額定條件及標準測量條件的失真由≤0.5%提升至≤0.1%；定阻式Ⅰ類20Hz～20kHz在1/100額定輸出功率時的失真由≤0.5%提升至≤0.2%；定壓式Ⅰ類40Hz～16kHz在額定條件、標準測量條件及1/100額定輸出功率時的失真由≤2%提升至≤1%。

（4）失真限制的輸出功率

在SJ/T 10406-1993《聲頻功率放大器通用技術(shù)條件》中，定阻式Ⅱ類、定阻式Ⅲ類輸出功率的要求分別為≥10W和≥5W；而SJ/T 10406-2016《聲頻功率放大器通用規(guī)范》中規(guī)定定阻式Ⅰ類、定阻式Ⅱ類、定阻式Ⅲ類、定壓式Ⅰ類、定壓式Ⅱ類的失真限制的輸出功率由產(chǎn)品標準規(guī)定。

（5）信噪比

定阻式Ⅰ類在線路輸入、A計權(quán)時的信噪比由99dB提升至100dB。

（6）過載源電動勢與額定源電動勢之比

定阻式Ⅱ類由≥12dB提升至≥16dB。

由以上可知， SJ/T 10406-2016《聲頻功率放大器通用規(guī)范》Ⅰ類和Ⅱ類聲頻功率放大器在增益限制的有效頻率范圍、總諧波失真、信噪比、過載源電動勢與額定源電動勢之比等參數(shù)的要求方面比SJ/T 10406-1993《聲頻功率放大器通用技術(shù)條件》有所提升。

3 聲頻功率放大器相關(guān)性能參數(shù)測量

在測量聲頻功率放大器相關(guān)性能參數(shù)時，首先應(yīng)設(shè)置好聲頻功率放大器的工作模式、輸入靈敏度、接地開關(guān)位置等。聲頻功率放大器有三種工作模式，分別為立體聲模式、橋接模式、并聯(lián)輸入模式，一般的功放內(nèi)部具有兩個獨立的放大電路，可以分別接受兩路不同的信號進行放大輸出，這種工作狀態(tài)為立體聲模式；橋接模式是利用功放內(nèi)部的兩個放大電路相互推挽，從而產(chǎn)生更大輸出電壓的方式，功放設(shè)定為橋接模式后，成為一臺單聲道放大器，只可以接收一路輸入信號進行放大，輸出端為兩路功放輸出的正端之間；并聯(lián)輸入模式將功放的兩路輸入信號通道進行并聯(lián)，只輸入一路信號來同時驅(qū)動兩個放大電路，兩個輸出端輸出信號相同。聲頻功率放大器的輸入靈敏度指當(dāng)功放在特定負載（如4Ω或8Ω）達到滿功率輸出時，輸入端的信號電壓的大小即為靈敏度，常見的專業(yè)聲頻功率放大器的輸入靈敏度的選擇開關(guān)通常有0.775V、1.0V、1.44V，靈敏度電壓越高，輸入靈敏度越低，有些高品質(zhì)的聲頻功率放大器輸入靈敏度低是由于采用了更深的負反饋電路，所以具有更低的失真，更寬的頻響和更好的音質(zhì)。有些聲頻功率放大器設(shè)有接地開關(guān)，當(dāng)電源的接地端存在干擾時，打開接地開關(guān)讓功放機箱的接地與之相接可以降低交流聲干擾，如果電源地線沒有干擾就不要接通。

在測量聲頻功率放大器相關(guān)性能參數(shù)時，采用美國AP公司生產(chǎn)的SYS-2722音頻分析儀，SYS-2722音頻分析儀是一臺通過電腦控制的多功能音頻綜合測試系統(tǒng)，它主要由模擬信號源、模擬分析儀、數(shù)字信號源、數(shù)字分析儀、數(shù)字接口信號源及數(shù)字接口分析儀等部分組成。其測試的模擬參數(shù)有頻率、電平、信噪比、相位噪聲、頻響、分離度、諧波失真等；測試的數(shù)字參數(shù)有采樣率、抖動、電平、失真、相位、分離度、互調(diào)失真等。在使用SYS2722測量聲頻功率放大器的相關(guān)性能參數(shù)時，首先使聲頻功率放大器連接合適的標準負載電阻（4Ω、8Ω、16Ω），再設(shè)置好聲頻功率放大器的工作模式、輸入靈敏度開關(guān)及接地開關(guān)，然后根據(jù)聲頻功率放大器的輸入、輸出信號接口在SYS2722音頻分析儀中選擇XLR（平衡）或BNC（非平衡）信號源輸出、輸入連接口。圖2所示為測量聲頻功率放大器性能參數(shù)的連接示意圖，圖3所示為測量實物圖。

圖2 聲頻功率放大器測量連接示意圖

圖3 聲頻功率放大器測量實物圖

增益限制的有效頻率范圍、總諧波失真加噪聲（THD+N）是聲頻功率放大器比較重要的性能指標。增益限制的有效頻率范圍表征了功放的工作頻率范圍，以及在工作頻率范圍內(nèi)的幅度均勻的程度。增益限制的有效頻率范圍的測量條件為標準測量條件，GB/T12060.3-2011《聲系統(tǒng)設(shè)備 第3部分：聲頻放大器測量方法》規(guī)定的標準測量條件為把聲頻功率放大器置于額定條件下，然后把源電動勢降到比額定源電動勢低10dB。在測量增益限制的有效頻率范圍時，首先需先將聲頻功率放大器的源電動勢比額定源電動勢低10dB，再設(shè)置1kHz的輸出電平為參考電平，然后設(shè)置20Hz～20kHz頻率范圍。圖3為某型號的聲頻功率放大器的增益限制的有效頻率范圍的曲線圖，從圖中可以看出20Hz～20kHz頻率范圍的不均勻度在±0.5dB范圍內(nèi)，符合SJ/T10406-2016《聲頻功率放大器通用規(guī)范》規(guī)定的定阻式Ⅰ類的增益限制的有效頻率范圍在20Hz～20kHz頻率范圍增益限制為±0.5dB的要求。聲頻功率放大器的失真是當(dāng)正弦波激勵被測設(shè)備時，由于音頻設(shè)備中電子元器件的非線性，導(dǎo)致在輸出信號中除了基波外，還有基于基波頻率的2次、3次、4次等諧波成分，諧波成分使得輸出信號的波形產(chǎn)生畸變，畸變的音頻信號將會影響音質(zhì)。另外在音頻設(shè)備中，除了電子元器件的非線性導(dǎo)致的諧波失真外，還有音頻設(shè)備內(nèi)部器件產(chǎn)生的噪聲，因此總諧波失真加噪聲（THD+N）是聲頻功率放大器的一個主要性能指標。在應(yīng)用SYS-2722音頻分析儀測量總諧波失真加噪聲（THD+N）時，應(yīng)正確設(shè)置Audio Precision AP2700中“BW”濾波選項的頻率范圍，“BW”濾波選項可以分別設(shè)置高通、低通頻率，高通頻率可以設(shè)置為＜10Hz、22Hz、100Hz、400Hz，低通頻率可以設(shè)置為22kHz、30kHz、80kHz、＞500kHz。圖4中顯示的是設(shè)置的“BW”頻率范圍與總諧波失真加噪聲（THD+N）關(guān)系圖，在圖4中位于最上面的總諧波失真加噪聲（THD+N）曲線設(shè)置的“BW”頻率范圍為＜10Hz～＞500kHz，其次為 22Hz～80kHz，再其次為 22Hz～30kHz，最下面曲線的“BW”頻率范圍為 22Hz～20kHz。從中可以看出，設(shè)置的“BW”頻率范圍不同，測量出的總諧波失真加噪聲（THD+N）曲線也不同，因此在測量總諧波失真加噪聲（THD+N）時應(yīng)正確設(shè)置“BW”濾波選項的頻率范圍。

圖4 增益限制的有效頻率范圍曲線圖

圖5 “BW”頻率范圍與總諧波失真加噪聲（THD+N）關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文介紹了A類聲頻功率放大器、B類聲頻功率放大器、AB類功率放大器、定阻式功率放大器、定壓式功率放大器的工作原理；分析對比了檢測標準SJ/T 10406-2016《聲頻功率放大器通用規(guī)范》和SJ/T 10406-1993《聲頻功率放大器通用技術(shù)條件》；最后重點介紹了應(yīng)用SYS-2722音頻分析儀測量聲頻功率放大器增益限制的有效頻率范圍、總諧波失真加噪聲（THD+N）性能參數(shù)。

[1]中和人民共和國電子行業(yè)標準，SJ/T 10406-1993《聲頻功率放大器通用技術(shù)條件》，1994-06-01.

[2]中和人民共和國電子行業(yè)標準，SJ/T 10406-2016《聲頻功率放大器通用規(guī)范》，2016-06-01.