icspec 硬件工程师必须掌握的音频功放电路大全
作为硬件工程师，特别是做纯粹模拟电路、应用于音频功放的工程师，对于A类，B类，AB类，D类，G类，H类，T类功放应该特别熟悉。大多数工程师或许只知道其中的一部分、或者知道大概，为了让更多的工程师掌握更加详尽的音频功放知识，下文对以上说的音频功放做详细的说明。
功放，顾名思义，就是功率放大的缩写。与电压或者电流放大来说，功放要求获得一定的、不失真的功率，一般在大信号状态下工作，因此，功放电路一般包含电压放大或者电流放大电路没有的特殊问题，具体表现在：①输出功率尽可能大；②通常在大信号状态下工作；③非线性失真突出；④提高效率是重要的关注点；⑤功率器件的安全问题。而对于音频功放电路，也需要注意以上的问题。
根据放大电路的导电方式不同，音频功放电路按照模拟和数字两种类型进行分类，模拟音频功放通常有A类，B类，AB类， G类，H类 TD功放，数字电路功放分为D类，T类。下文对以上的功放电路做详细的介绍和分析。
01 A类功放(又称甲类功放)
A类功放如上图所示，在信号的整个周期内都不会出现电流截止(即停止输出)的一类放大器。但是A类放大器工作时会产生高热，效率很低。尽管A类功放有以上的弊端，但固有的优点是不存在交越失真，并且内部原理存在着一些先天优势，是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高频透明开扬，中频饱满通透的优点。单端放大器都是甲类工作方式，推挽放大器可以是甲类，也可以是乙类或甲乙类。
02 B类功放(又称乙类功放)
B类功放是指正弦信号的正负两个半周分别由推挽输出级的两个晶体管轮流放大输出的一类放大器，每一晶体管的导电时间为信号的半个周期，通常会产生我们所说的交越失真。通过模拟电路的调整可以将该失真尽量的减小甚至消失。B类放大器的效率明显高于A类功放。
03 AB类功放(又称甲乙类)
AB类功放界于甲类和乙类之间，推挽放大的每一个晶体管导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期。因此AB类功放有效解决了乙类放大器的交越失真问题，效率又比甲类放大器高，因此获得了极为广泛的应用。
04 D类功放(又称丁类功放)
D类功放也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具体工作原理如下：D类功放采用异步调制的方式，在音频信号周期发生变化时，高频载波信号仍然保持不变，因此，在音频频率比较低的时候，PWM的载波个数仍然较高，因此对抑制高频载波和减少失真非常有利，而载波的变频带原理音频信号频率，因此也不存在与基波之间的相互干扰问题。许多功率高达1000W的丁类放大器，体积只不过像VHS录像带那么大。这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器，但在有源超低音音箱中有较多的应用。
05 G类功放
G类功放为一种多电源的AB类功放的改进形式。G类功放充分利用了音频都具有极高峰值因数 (10-20dB) 的这一有利条件。大多数时候，音频信号都处在较低的幅值，极少时间会表现出更高的峰值。下图是G类功放集成IC的一个典型功能框图。
G类放大器使用自适应电源轨，并利用一个内置降压转换器来产生耳机放大器正电源电压。充电泵对放大器正电源电压进行反相，并产生放大器负电源电压。这样便让耳机放大器输出可以集中于0V。音频信号幅值较低时，降压转换器产生一个低放大器负电源电压。这样便在播放低噪声、高保真音频的同时最小化了G类放大器的功耗，相比传统的AB类耳机放大器，G类放大器拥有更高的效率。
该类功放的放大原理与AB类功放放大相同，一个重要特点是供电部分采用两组或者多组电压，低功率运行使用低电压，高功率自动切换到高电压。
06 H类功放
该类功放的放大电路部分与AB类功放的原理相同，但是供电部分采用可调节多级输出电压的开关电源，自动检测输出功率进行供电电压的选择。
07 K类功放
K类功放是集成了内部自举升压电路和各种功放电路，大家都知道D类功放只是众多功放电路中其中一种效率比较高的数字功放，而K类功放只是根据需要将内部集成的自举升压电路和所需求的功放电路，如果需求效率高就加D类功放，要音质好就加AB类功放。
08 T类功放
该类功放的原理与D类功放的原理相同，但是信号部分采用DDP技术(核心是小信号的适应算法和预测算法)。工作原理如下：音频信号进入扬声器的电流全部经过DDP进行运算处理后控制大功率高频晶体管的导通或者关闭，从而达到音频信号的高保真线性放大。该类功放具有效率高、失真小，音质可以与AB类功放媲美的一类功放。
上图是TA2020的内部模块构造，从上图上可以看出，该芯片内部主要集中了处理和调制模块，从而实现高品质音频的特性。
09 TD类功放
该类音频功放的放大部分与AB类功放原理相同，但是供电部分采用完全独立的高精度可调节无级输出的可调节数字电源，电压递进值为0.1V，自动检测功率来调节电压的升高或者降低。该类功放由于需要高精度可调节的数字电源，需要对电源有专门的设计，而不能集中在一个芯片上，因此，该类功放主要使用在高级音响上，而电路也比较复杂。
对于后面6、7、9类功放需要特殊的电源，因此不能将功能集中在一片IC上。而对于经典的A类，B类，AB类和D类功放有专门的IC。再实际的设计中，需要各种类型的，应用在不同领域的功放电路，只需要以此为基础，外加相应的电源或者处理模块。
聊聊放大电路中的“自举”(bootstrap)
我零散地玩了十几年电路，又以音频放大为主，看到过也实验过一些有意思的电路结构，很久以来就有想法要和大家分享。这次要分析的是放大电路中的自举电路。作为一个没有上过一门电子学课，靠兴趣自学过来的DIYer，我若下面讲的内容有错，请各位老师斧正！
“自举”（翻译自bootstrap）这个词汇在多个领域可能见到（字面意思是提着靴子上的带子把自己提起来，这当然不可能），在电路里面，这是一个古老的技术。而且自举也不仅是在放大电路中，例如在电源里面也用到自举，但本人了解不多就不在此讨论了。
* 音频功率放大器中的自举电容
这个自举电路是我最早见到的自举，在古老的分立半导体收音机功率放大部分经常见到（相比用输入输出变压器的那种，其实也还不那么老了，不过收音机早都用集成电路了），就像下图中红框标出的部分这样。
又如，在经典的 JLH 1969 功放电路里面（下图中 R3, R8, C5 构成自举）：
不过上面两个电路都包含了负反馈，倘若再弄得简单一些（不实用）来分析，就成下面我画的这个电路了：
这个电路是一级共发射极放大(Q2)，加上一级互补射极输出器(Q1, Q5)。如果先忽略自举电容C1，那么 R4串联R5 一起构成了 Q2 的集电极负载电阻(3.7k)。当然计算Q2电压增益的时候还要把 Q1/Q5 的输入阻抗考虑进去。Q2这一级电压放大的增益和集电极负载阻抗大致是成正比的（这里暂不考虑Miller效应、Early效应），如果后面射极跟随器的输入阻抗足够高的话，也就成了集电极负载电阻越大，增益越大了。可是把直流工作点考虑进来，要想集电极负载电阻越大而集电极电流不变的话，就要提高电源电压……所以集电极负载电阻选择受限。
好了，现在把集电极负载电阻拆成两段，加进来一个自举电容，形成上面的样子，直流工作点不变。现在Q2集电极负载电阻是多少？R4么？似乎不对。看时域仿真分析吧：
仿真所示输出节点(R3, R1公共端)的电压波形: 100uF 自举电容加入以后(红色线)，输出信号幅度比不加电容时(蓝色线)大了一个数量级。
为什么会有这样的效果？上面电路中负载电阻 R4 一端接在Q1的集电极（按交流等效，忽略三个二极管上压降的变化），也是射极输出器的输入，另一端经过自举电容接在射极输出器的输出。因为射极输出器是同相放大，电压增益略小于但接近于1，这是一种正反馈的接法。将上面电路自举起作用的部分摘出来，画成下图：
第一级晶体管的输出看成是一个电流源，射极输出器相当于一个增益G约等于1的放大器，它有很高的输入阻抗 Zin 和较低的输出阻抗 Zout. 这里把自举电容的阻抗也合并到 Zout 中。虽然在上面完整电路里面自举电容还接了一个电阻到电源（交流等效地），利用戴维南定理将它等效到放大器中（导致增益下降）。第一级晶体管的输出阻抗和 Zin 是并联关系，可以合并看待。
如上的简化处理之后，电路的增益就不难计算了。根据电流平衡，可以解得放大器输入端的电压是
I*(R+Zout)*Zin/[Zin*(1-G)+R+Zout] = I*[(R+Zout)/(1-G)*Zin]/[Zin + (R+Zout)/(1-G)]
也就是，从第一级晶体管输出端看到的负载阻抗是 (R+Zout)/(1-G) 和 Zin 并联的值。换句话说，自举这一技巧使集电极负载电阻约被“增大”了 1/(1-G) 倍 。
不妨再用 spice 仿真验证一下，如下：
当 G 分别为 0.5, 0.9, 0.99, 0.999 时，电阻被“放大”了2, 10, 100, 1000 倍，导致增益提升 6dB, 20dB, 39dB, 54dB (受到Zin限制，增益不能无限提高)。
最后还有一个小问题：实际的功率放大电路中有负反馈控制了总的增益，那么自举电路是否还起到明显的作用？实际上，负反馈引起闭环增益的下降，是使得前面共发射极电路的输入幅度降低，而单独看这一级的增益仍然是因为自举电路而提升的。开环增益提高使闭环后的频率响应和失真率都改善更多，因此在以前功率放大器中常见这样的电路。
* 利用自举提升输入阻抗
再把上面电路中的共发射极放大部分忽略，单独看射极输出器呢？哦，电路缺了点啥——需要给射极输出器加上偏置啊。偏置电阻也会成为输入信号的负载，使整个跟随器的输入阻抗降低。不过，将自举电路的接法变形一下，成下面这样之后……
用刚才推导的“电阻倍增”原理，这个电路里面输入偏置电阻从原来的 R3+R1//R2 变为了 (1-G)*R3，对输入阻抗的影响就消除了。不过要进一步提高输入阻抗，Q1的负载需要减轻。下图是 Douglas Self 书里面里讨论高输入阻抗电路时的一个例子
这个图上有两级跟随器，自举电容是从第二级后取出信号的，可以认为这样总增益更接近于1，而且第一个管子的输入阻抗也提高了。
* 交叉射级输出器中的自举电容
这个四管的两级射极输出器电路是我从黑田彻(日)的书上学来的，在我制作的一个耳机放大器模块中使用了。
和第一个经典的自举电路有几分相似，作用却不尽相同。首先，按照前面的结论，R4+R6，以及 R5+R7 分别被“倍增”了，等效阻抗提高。注意，Q1 是射极输出器，R4+R6现在是 Q1 的发射极电阻，当它被等效放得很大，就相当于 Q1 发射极接了一个恒流源。同时，自举电容也改变了 Q1, Q4 的集电极交流电位，使 VCE 几乎恒定——这样的好处是大大消除了晶体管集电结电容的影响，在这个电路中减小了输入电容，提升高频性能。
小结一下，到目前我们看到了自举电路的几个用法：
(a) 提高共发射极放大电路的增益（也可以用在共基极放大电路）
(b) 提高射极输出器(跟随器，共集电极电路)的输入阻抗
(c) 稳定射极输出器的发射极电流
(d) 使射极输出器的集电极电压跟随发射极
以上电路共同特点是：
(1) 从射极输出器（电压增益约为1）的输出用自举电容引出信号，馈送到它的前级
(2) 从低阻节点向高阻节点的反馈，自举电容只有一端是强驱动(电压输出)信号
* 省去自举电容
自举电容的作用是隔直流，即只对交流信号有效，采取自举后不改变直流工作点。倘若工作点选择合适，也可以不用自举电容实现自举，如下面这个电路：
注意 R6 的接法，它是否被自举“倍增”了？
* 用运放替换射极输出器
自举电路中增益约等于1的放大器，除了用射极输出器实现，也可以用源极输出器、运放缓冲电路等实现。下面电路中电位器用来调整反馈比例，也就是等效于改变增益，从而使电阻“倍增”的倍数可调，实现可调的滤波器。
IC7a, 连同 R42, VR5a 构成自举中的放大器，C33是自举电容，使 R41 等效“加倍”。注意，这个“倍数”与VR5a并不是成线形关系的，猜想是特意为之，不然不用自举电路，直接把R41换成电位器了。
再看一个复杂一点的，不那么明显的电路 (pdf里面的图就是这么不清楚了，没办法)：
除了一个与电容串联的电阻用在频率补偿，其余几个电阻是为了设置直流工作点的，与增益无关。从JFET的栅极到运放输出，电压增益为1，注意，由于运放强大的开环增益，对交流信号来说JFET的 G, D, S极都是等电位的。由于运放自举的作用，是管子的电流几乎不变，D-S端电压也几乎不变。在这个电路里，自举用来实现很高的输入阻抗。
以上的自举电路中，关键部分——放大器（提供电流的缓冲器）的输出也是信号的输出。好象是添加少量阻容元件就增加了自举功能。下面将要介绍的是，用缓冲器仅仅为了自举，而不输出信号的电路。
* 场效应管的自举 Cascode
这是我个人很喜欢的电路，下图是我做过的一个放大器的差分输入级，在两个JFET上使用了自举。
这个电路中 Q5 Q6 两个管子是差分放大，静态电流由源极的公共电流源决定。Q1 Q2组成镜像电流源负载，是很常见的电路接法。Q3 和 Q4 是用来自举的，它们的基极跟随 Q5 Q6 的源极电压变化，因此发射极也跟随 Q5 Q6 的源极电压变化。这个自举电路的目的是让 Q1 Q2 的 VDS 保持恒定，从而消除寄生电容 Cgd 的影响（因为JFET这个电容比较大，是缺点）。R1, D1, D2, Q7 在这里的作用是利用二极管的稳压特性提供一个基本不变的偏置电压。
在此处，如果将 Q3, Q4 看作缓冲器，那么它们输出的信号并没有被引出来使用，只是用来确定 Q5 Q6 的漏极电压了。然而 Q3 Q4 的确是输出了信号的，是从集电极输出的——应用时增益远大于1了。拆开来看，Q3-Q5, Q4-Q6 都是 Cascode 电路，只不过共基极放大部分的基极电压随着差分对管而变动了——所以是自举式的 Cascode.
上面电路中Cascode的共基极三极管偏置方式稍微复杂了点，如果换成适当的JFET，可以使这个Cascode很简洁，如下面这样。
这种接法对 JFET 的选择有所限制，不是随便抓两个管子就行。因为需要保证在设定的电流下，输入信号的那个管子（上图 Q1 Q2）VDS 等于它上面那个自举用的管子的 VGS.
* 运放电源自举
最后来看一种特殊的自举用法：改变运算放大器的电源电压，让两个电源端跟随输入端而动。这样在那个被自举的运放看来，好象+端输入信号恒定一样——也就是消除了输入共模电压。这个技巧被用来减少运放输入级的失真。
如上图，电源自举付出的代价是不小的，除了增加一个运放作为跟随器外，还因为需要提供大电流使用了两个晶体管扩流。
总结归纳一下上面例子电路中“自举”的要点：有一个提供低阻抗输出的缓冲器（增益约等于1的放大器），它将参考节点的电压缓冲后施加到电路中另外的某个节点，使其交流电压随着参考接点作相同的变化。结果是在某些元件或者部分电路的端子上产生恒压之效，提升电路的某方面性能。以上图文内容均转载自订阅号：电子工程世界（微信搜索 eeworldbbs 关注）
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