音频功率放大器的分类和界定

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【摘 要】数字音频技术是今后的发展方向，纯模拟技术的音响设备必将退出历史舞台。基于音频功率放大器的模拟、数字 和数字附加模拟入口的三大类型，阐述了三者的界定要点，预测数字附加模拟入口的音频功率放大器将成为专业 音响设备的主流。

【关键词】模拟音频功率放大器；数字音频功率放大器；音响设备

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.005

【Abstract】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.

【Key Words】analog audio power amplifier； digital audio power amplifier； audio equipment

音频功率放大器简称音频功放，是扩声系统不可缺少的音响设备。100多年来，它经历了从A类到D类以及T类等类型的发展变迁，经历了从模拟到数字的飞跃。在当前数字技术飞速发展的浪潮中，又出现了“数字功放”、“纯数字功放”的产品。作为消费者，究竟如何认识生产厂商推出的这些类型产品？如何面对和选择这些产品？下文根据模拟和数字技术的基本原理，结合模拟和数字音频功率放大器的发展历程，简要阐述音频功率放大器的分类和分类的界定要点，解答这些问题，供读者参考。

1 认识模拟和数字信号及模数功率放大器界定要点

在自然界中，人们可以感知的，在时间和幅值上都是连续的物理量称为模拟信号，例如声音、温度等；使用传感器将这样的物理量转变成为电信号，这种连续变化的电信号也还是模拟信号，模拟信号的波形如图1所示。将这种模拟电信号进行放大、存储、传输、处理与交换是模拟电子技术；处理模拟信号的电路称为模拟电路。采用传声器将声音转变成的电信号是模拟信号，将它进行滤波、均衡、放大后驱动扬声器，所有处理环节都是模拟电路，这就是模拟音频功率放大器。模拟信号不易传输、计算和存储，很容易受干扰，这是它的不足。

由此可知，模拟信号是时间和幅度都连续的信号，从输入到输出都放大这种连续信号，就是模拟功率放大器。这是界定模拟放大器的依据，其中，从输入到输出的全过程、放大的信号是连续信号和具有放大作用是界定的3个要点。

与模拟信号不同，数字信号是时间与幅度都不连续的离散信号，是一串分离的脉冲数据，如图2所示。将时间和幅度都连续的模拟信号变换为不连续的数字信号，这种变换称为模拟信号数字化，即模数转换，表示为ADC（Analogue Digital Conversion），常用A/D简化表示。将时间和幅度上连续变化的声音信号变换为数字信号，就是音频信号数字化，简称为PCM（Pulse-code modulation），或称脉冲编码调制。当需要把数字信号经解码转换回连续的时间连续变化的幅值的模拟信号，这个变换称为数模转换，即DAC（Digital Analogue Conversion），常用D/A简化表示。数字信号易传输、计算和存储，抗干扰能力强，具有很大的优越性。

由此可知，数字信号是时间和幅度都不连续的离散信号，从输入到输出都放大这种不连续的信号，就是数字功率放大器，这是界定数字功率放大器的依据，其中的从输入到输出的全过程、放大的信号是不连续信号和具有放大作用是界定的3个要点。

以音频功率放大器的信号类型对音频功率放大器进行分类，也就是功率放大器放大的信号是连续的模拟信号还是离散的数字信号，从这个角度分类，则音频功率放大器就是两大类：模拟功率放大器和数字功率放大器。

2 曾经的骄子——模拟音频功率放大器

自从1906年美国人德福雷斯特发明真空三极管开始，模拟音频功率放大器的历史已经有100多年了； 1964年又有晶体管问世，之后出现了集成电路。在这一个多世纪的发展征途中，人类在不断地追求高保真、高功率、高效率和小体积，向着完美的目标孜孜以求。在这种不懈的追求中，模拟音频功率放大器相继出现了A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类）等，AB类则是模拟音频功率放大器的顶峰。

1927年贝尔实验室发明了负反馈技术，高保真放大使模拟电子技术进入了一个崭新的时代，也使模拟音频功率放大器得到了长足的发展，至20世纪50年代，电子管音频功率放大器达到了鼎盛时期，因它的音色甜美、圆润，至今仍为一些发烧友所偏爱。这种负反馈技术又应用于晶体管及集成电路中，相继出现了A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类）等多种类型的模拟音频功率放大器，尤其是AB类音频功率放大器的优越性能，使模拟功率放大器成为世之骄子，至今还在广泛应用，在专业音响领域仍然占据统治地位。

表1列出了3类模拟音频功率放大器的主要性能比较。B类效率高而失真大，是注定要淘汰的；AB类效率不高、体积大，是其最大缺点。克服这些缺点成为发展的动力，因而促成了数字音频功率放大器的问世。

3 当代的宠儿——数字音频功率放大器

1959年，Baxandall先生开创性地提出了音频功率放大器D类工作模式，打破了电子管模拟音频功率放大器一统天下的正值鼎盛格局，成为人类追求音频功率放大器高效率的一次飞跃，开创了音频功率放大器后起之秀的家族——数字家族。它的优势吸引了世界上一批又一批电声科技工作者从事这一研究，经过50多年前仆后继的努力，形成了D类音频功率放大器，将音频功率放大器从模拟时代推进到了数字时代。

D类音频功率放大器是将输入的模拟音频信号变换成PWM（脉冲调宽信号），然后用PWM去控制大功率开关晶体管的通/断，实现PWM的功率放大，其脉冲输出通过一个低通滤波器以后，可以将音频信号还原重现。这种功率放大器的理论效率为100%，由于晶体管器件原因，为保证高保真，实际的功放效率85%以上，现有92%的产品问世[1]。其高效率使其体积大大降低。因为其输入口是模拟信号，输入级要放大或处理模拟信号，如果信号过大，可能会产生失真。依据界定要点，其从输入到输出的全过程不是都放大不连续的数字信号，其输入级是放大连续的模拟信号，因此并不是真正的数字音频功率放大器。1998年10月，成都天奥公司在“第四届国产音响器材大展”上推出了这种产品，称之为“数字功放”。同年，美国TACTaudio公司也发布了这种产品[2]，本文中依据这种音频功率放大器的起源，将其称为“D类数字音频功率放大器”，图3为其工作原理方框图。

1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字音频功率放大器的基本结构，技术要点是如何把PCM信号变成PWM[2]。这是数字音频功率放大器发展史上的里程碑，PCM与PWM放大相结合，才产生了真正的数字功率放大器。生产厂商将其称之为“全数字功放”、或“纯数字功放”，以区别于前者。2000年4月， 在第八届上海国际影视展览会上，成都天奥公司和美国TACTaudio公司两家展出了全数字音频功放的产品，成为那次大展技术创新的亮点[2]。本文中依据这种音频功率放大器的起源，也为了区别于模拟入口的D类数字音频功率放大器，将其称为“PCM数字音频功率放大器”，图4为其工作原理方框图。

由于数字音频功率放大器的诸多优点，如效率高、功率大、高保真、体积小、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传输干扰等，在PCM数字音源已经大量普及的今天，数字音频功率放大器的出现，自然会取代现有的模拟音频功率放大器，成为当代的宠儿。

数字音频功率放大器不仅仅能应用在家庭影院系统、高保真重放系统；同时也可应用到特别需要省电、体积小的地方，如数字电视、汽车音响设备、便携听音设备、甚至是移动电话等设备。可以说，数字音频功率放大器的应用十分广泛，既可用来做上千瓦功率输出的专业功率放大器，也可以用来做几十毫瓦的便携机。

4 当代的主流——数字附加模拟入口的音频功率放大器

人耳是模拟器件，也是数字器件。当两个时间相差30 ms以内的不连续的声音信号进入人耳时，耳朵是分辨不出先后的，认为信号是连续的，这是哈斯效应，也可以说人耳具有接收数字信号的功能。人的声带是模拟器件，发出的声音是连续的信号。音响技术离不开声带的发声和耳朵的听觉，也就是离不开模拟信号。因此，音响系统的入口是模拟信号，出口还是模拟信号。这种现场环境就决定了音响系统的数字技术只能存在于入口与出口之间，是一种中间应用技术，与数字音源、数字设备连接的“纯数字功放”只适用于专业音响领域。

许多中小型扩声现场，如会议室、多功能厅、卡拉OK、家庭娱乐等，都离不开传声器，离不开模拟入口。这些场所的最佳选择是数字音频功率放大器附加模拟入口，其PCM数字入口可以和各种数字设备、数字音源连接，其模拟入口可以和传声器、模拟设备、模拟音源直接连接，使用非常方便。因此，数字音频功率放大器附加模拟入口需求量很大，成为主流产品，具有广阔的市场，图5为其原理方框图。基于这种原因，本文中将其另列一类，称为“PCM-D数字音频功率放大器”，以区别于PCM纯数字音频功率放大器。

5 结语

当前，模拟音频功率放大器正日薄西山，数字音频功率放大器正以排山倒海之势跻身于全世界。这是人类不断地追求高保真、高功率、高效率和小体积的结果，这种追求永远不会完结。在这种追求中，人类必定有所发现，有所创造，创造出更新类型的音频功率放大器。

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