音频功率放大器

音频放大的最终目的是要得到一定的输出功率。例如在收音机和扩音机中，就是要得到足够的音频功率去推动扬声器，使它发出响亮悦耳的声音。因此音频放大器的最后一级通常是一级功率放大。功率放大器的作用和电压放大器不一样。电压放大器主要是把微小的信号电压放大，以得到大的电压输出；而功率放大器主要是要求能有足够大的音频功率输送给负载。

音频功率放大器最基本的电路如图1所示。在放大器电子管的屏极电路中，接着输出变压器的初级线圈，而放大器的实际负载（一般是扬声器）接在输出变压器的次级上。C\(_{k}\)、Rk是用来产生自给栅偏压的。当电子管的栅极加上交变信号V\(_{a～}\)时，在它的作用下，电子管的屏流就发生脉动，这个脉动屏流的交变信号Ia～流过输出变压器的初级线圈，在它上面产生一个交变电压U\(_{a～}\)。这时，在变压器的初级就得到一个音频功率Pa～，其大小为

这个功率通过变压器的作用送给接在次级线圈上的扬声器。这样，扬声器就能发出声音了。

放大器的输出功率随用途不同而有很大的差别。例如，在普通五灯收音机中，功率放大器的输出功率只有2～3瓦，带扬声器的袖珍收音机的输出功率可以不超过20～50毫瓦；而供能容纳1,000听众的会场中使用的扩音机，就要有12～20瓦的输出功率。在大型有线广播站里，扩音机中功率放大器的输出功率常常达几千瓦到几十千瓦。

目前，在输出功率不太大的功率放大器中，一般都采用专供作功率放大用的束射四极管和五极管，如6Р1（6П1П），6Р3Р（6П3C）等。因为这些管子的μ要比三极管大，所以为取得相同的输出功率，在栅极所需加的交变电压就比用三极管时小。此外，采用束射四极管或五极管时，放大器的屏极效率要比用三极管时高。

功率放大器为什么能把很大的音频功率送给负载呢？这功率是从那里来的呢？前面说过，功率放大器所以能有音频功率输出，是由于电子管屏流的脉动。但屏流本身又是屏极电源E\(_{a}\)所产生的，所以输出的音频功率也是从电源Ea取得的。由此可见，功率放大器只不过是一个功率转换器，把屏极电源所给出的直流功率的一部分变成所需要的音频功率。

屏极电源输出的功率P\(_{0}\)等于电源电压Ea乘屏流的直流分量I\(_{a}\) o：

功率P\(_{o}\)中只有一部分变为音频功率Pa～。输出的音频功率P\(_{a～}\)和屏极电源所消耗的功率Po之比叫做屏极效率，即

它表示所得到的音频功率占所消耗的电源功率的多少。屏极效率越高，为得到一定输出功率所消耗的电源功率就越小，放大器就越省电。由此可知，对一个功率放大器（特别是输出功率很大的或是用干电池供电的放大器），要求它的屏极效率高。

屏极电源功率除了一部分变成有用音频功率外，另外一部分就变为无用的热能，使电子管的屏极发热（图2）。屏极发热是由于电子从阴极发射出来以后，受带正电的屏极的吸引而越飞越快，因此当到达屏极时，就具有很大的速度。它们撞在屏极上就会使屏极发热，就像人在鼓掌时手会发热一样，这就是电子管常常热得烫手的缘故。在屏极上消耗的功率通常就叫做屏极损耗，很明显

由于电子管屏极的耐热程度是有限的，因此屏极损耗也就有一定的限度。容许的最大屏极损耗，可以从电子管手册上查到，超过这个限度，就会使电子管损坏。因此在设计和使用功率放大器时，一定要注意不要让实际屏极损耗超过可允许的最大损耗。

我们知道，音频输出功率的大小是和电子管屏流变化的大小有关，屏流的变化越大，输出功率就越大。因此在功率放大器中，由于要得到大的输出功率，在栅极上所加的信号一般是比较大的，这时就出现了非线性失真的问题。

功率放大器中的非线性失真，主要是电子管产生的。事实上电子管的屏—栅动态特性并不是一条理想直线，只是中间的一段比较直，而两端都是弯曲的。因此，当栅极上所加的交变信号比较大，而电子管的静止工作点Q又选得不恰当时，就会产生失真。如图3所示，由于栅偏压E0太大，Q点的位置过低，而使交变信号的负半周进入了特性曲线下端的弯曲部分，甚至在部分时间内（4—5），由于栅极电压太负而把电子管的屏流截止了。这时尽管栅压在变，而屏流始终等于零。这样，屏流的波形就和栅压大不一样了，也就是放大器发生了严重的失真。这种失真是由电子管的非线性特性所产生的，叫非线性关真。

在功率放大器中，如果因工作情况选得不合适（Q点太高或交变信号太大）而使电子管出现栅流时，也会产生严重的非线性失真（图4）。因为栅极上的交变电压是由某个信号源（例如一个电压放大器）来供给的，这个信号源内部总有一定的电阻，当栅压为正而出现栅流时，栅流就会在这个内阻上产生压降（图4中打上阴影线的部分），这样U\(_{qk}\)就不再是正弦波而产生了失真，当然，屏流也就跟着失真了。

为了避免非线性失真，在功率放大器中，必须小心地选择电子管的静止工作点Q，使它位于动态特性直线部分的中央，同时，栅极上的交变电压还不应加得过大，如图5所示，以免发生屏流截止或出现栅流的情况。

在功率放大器中，输出变压器也会引起非线性失真，不过它是比较小的。此外，由于输出变压器的阻抗是随频率改变的，因此，功率放大器也会产生一定的频率失真。

大家在看到图1的电路后，可能会想到扬声器为什么不直接接在电子管的屏极电路中，而要用一个输出变压器呢？这个变压器有什么作用呢？

在功率放大器中，电子管的负载电阻的大小对输出功率和非线性失真有很大的影响，并不是随随便便接上一个就行的。图6的曲线画出了当放大器采用束射四极管或五极管时，屏极负载电阻与电子管的输出功率P\(_{a～}\)（实线）及非线性失真系数γ（虚线）之间的一般关系。由图中可以看到，对电子管而言，有一个最合适的负载电阻R最佳，当屏极交流负载等于这个最佳的负载电阻时，非线性失真最小，输出功率很大。在其它的情况下，不论屏极的交流负载比最佳负载大或小，非线性大真都大大增加了。因此在功率放大器中，选取屏极交流负载等于R最佳是最恰当不过的。R最佳对不同的电子管来说并不一样，常见的功率输出五极管或束射四极管，R最佳大约是3千欧～10千欧（一般功率放大管的特性表中，都列有负载电阻值）。

电动扬声器的阻抗是比较低的，如果不用变压器而直接把扬声器接在屏极电路中，那末屏极的交流负载电阻将远远小于R最佳，这时电子管输出的功率很小而非线性失真却很大。这当然是很不好的。用输出变压器后就可以解决这个问题，因为变压器不但能变电压，而且能变阻抗。假设有一个变压器，它的初级线圈的圈数与次级线圈的圈数之比为n，如果在它的次级接上一个负载R\(_{H}\)，如图7所示，那末从变压器初级看进去的交流阻抗就不是RH而是R′\(_{H}\)=n\(^{2}\)RH了。由于变压器具有这样的特性，因此，只要在放大器电子管的屏极电路中引入一个圈数比为n\(_{o}\)的输出变压器，使得从初级看进去的交流阻抗R′H=R最佳=n2\(_{o}\)RH，那末尽管接在变压器上的实际负载R\(_{H}\)并不是R最佳，但电子管的屏极交流负载电阻Ra～就等于R最佳了。这时，电子管将输出很大的功率而且非线性失真很小。

不难算出，n\(_{o}\)=\(\sqrt{R最佳}\)/RH。由于放大器的实际负载电阻R\(_{H}\)常常比R最佳小，因此no比1大，而输出变压器一般是个降压变压器。（莫愁）