电性能指标与失真度降低方法

1.额定输出功率

额定输出功率是指在规定的谐波失真条件下，在额定负载阻抗（8Ω、4Ω、2Ω）上的输出功率。测试信号为20Hz～20kHz正弦波，输出功率为正弦波有效值（RMS）。

输出功率P_o、输出电压U_L和负载阻抗R_L三者之间的关系为

P_o=U²_L/R_L （8-1）

式中 P_o——额定输出功率（W）；

U_L——负载电阻两端的电压（V）；

R_L——负载电阻（Ω）。

式（8-1）表明，功率放大器的输出功率P_o与负载电阻R_L成反比关系。例如，一台低阻抗功率放大器的典型输出为：R_L=8Ω时，为P_o=225W；R_L=4Ω时，为P_o=360W。

按理说，根据式（8-1）计算，4Ω负载的输出功率应比8Ω负载的输出功率大一倍，即450W，而实际的典型数据仅增加到1.6倍左右，即360W。其原因是受到直流供电电源的容量和输出晶体管的耗散功率的限制。

2.频响特性

频率响应特性是指在20Hz～20kHz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率放大器中一般均能达到±1dB的范围。

3.失真度

失真度表征功率放大器的保证度。由于功率放大器的非线性放大特性，会产生信号失真。失真度可用总谐波失真（THD）和瞬态互调失真（IMD）两个技术参数来衡量。

1）总谐波失真（THD）。它是指功率放大器输入一个纯正弦波，在功率放大器额定输出功率条件下，输出正弦波的基波与它的各次谐波分量总和的方均根值之比，即

式中 U₁——正弦波基波的电压有效值（V）；

U₂、U₃、…、U_n——2次、3次、…、n次谐波电压的有效值（V）。

2）瞬态互调失真（IMD）。总谐波失真表述的是单一正弦波信号输入时产生的非线性失真，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，有很多个频率成分同时输入，此时功率放大器的非线性不仅会产生多次谐波失真，而且各频率成分之间还会产生相互调制失真，这种失真称为瞬态互调失真。

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

式中 U_n——额定负载电阻上各互调分量|f₂±nf₁|电压的有效值；

U_s——额定负载电阻上15kHz正弦波的电压有效值；

n=1，2，3，…，正整数。

晶体管功率放大器一般的THD和IMD都可做到0.1%以下，因为模拟类功率放大器如果采用深度负反馈可把失真度指标降低到很小的范围。然而深度负反馈带来的负面影响是转换速率的降低，高音音质和瞬态特性变差。因此优质功率放大器中很少采用深度负反馈电路，仅采用少量的局部负反馈。

4.阻尼系数(www.xing528.com)

阻尼系数是衡量功率放大器对扬声器单元纸盆“余振”的控制能力。众所周知，扬声器的锥盆直径越大，低音越丰满。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不能与音频驱动信号同步，还会产生“余振”。

锥盆的“余振”会影响低音扬声器低音的纯度和清晰度，尤其是对200Hz以下的低音扬声器影响最大。解决大口径低频扬声器锥盆与驱动信号同步运动，又不会产生锥盆余振的有效方法是利用功率放大器的阻尼制动。

其原理是与锥盆连接在一起的扬声器音圈在磁场中运动时会产生一个自感应电动势，这个电动势通过连接导线与功率放大器的输出内阻构成一个电流回路。这个电流使扬声器音圈产生一个阻止锥盆运动的力。锥盆运动的阻尼效果可用阻尼系数D来衡量，如图8-11所示。

D=R_S/（R_i+R₁） （8-4）

式中 R_S——扬声器阻抗（Ω）；

R_i——功率放大器输出内阻（Ω）；

R₁——功率放大器与扬声器之间连接导线的电阻（Ω）。

图8-11 阻尼系数的作用

功率放大器输出内阻R_i越小，则阻尼系数D越大，锥盆与驱动信号的同步效果越好，低音越纯真。

扬声器连接导线质量不好，线电阻大同样会影响功率放大器的阻尼系数；过低的阻尼系数将造成低音变得拖沓，不干净。造成功率放大器对扬声器的控制力减弱，声音变散。一般的功率放大器阻尼系数在200～1000（8Ω条件下）之间。

5.转换速率

功率放大器的响应速度一般用电压转换速率来衡量，其定义是在1μs时间里电压升高的幅度，如果以方波测量的话则是电压由波谷升至波峰所需时间，单位是V/μs。转换速率越高，表示瞬态响应越好，尤其是在瞬态变化快而清脆的打击乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。专业功率放大器的转换速率一般都可以做到15V/μs以上。转换速率低于20V/μs的功率放大器播放出来的声音会感觉拖沓和发散。

6.充足的超低音功率储备

在音乐扩声全部频响范围内，低音（65～150Hz）和超低音（65Hz以下）的声能最大，随着声音频率的提高，声能逐渐降低。因此没有超低音扬声器系统或不具有充足超低音功率储备的音频功率放大器系统是一个没有丰满度的干涩的扩声系统。

7.内置DSP

功率放大器内置的DSP，可以优化配接扬声器的特性，包括信号路由控制、电子分频、信号延时补偿、均衡扬声器系统频响特性、数字音量控制和压缩/限幅等功能。

8.电源转换效率（能效指标）

电源转换效率是表征功率放大器能效的重要指标。转换效率越高，功率放大器的发热量越少，工作越稳定、越节能。

音频功率放大器是扩声系统的基础设备，是扩声工程中使用数量最多、消耗电能最大的音频设备，占扩声系统总用电量的80%以上。功率放大器的能效一般为45%～90%，因此，其能效受到高度关注。

9.接口

音频功率放大器通常与系统DSP或数字调音台连接，还要能够通过网络和计算机实施集中监控。因此需有多种输入接口和网络控制接口。

1）具有数字输入接口（AES/EBU）、模拟输入接口、数字音频传输网络接口（CobraNet、Dante、AVB）。

2）与以太网和互联网通信的RJ45网络监控接口。