邝永辉

（广东省质量监督电声产品检验站，广东江门，529000）

0 引言

声频功率放大器简称功放，其作用是将较微弱的声频信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。声频信号重放出来优劣的衡量主要有增益限制的有效频率范围、总谐波失真、信噪比等性能参数，这些参数与声频功率放大器本身的类型、机构设计有很大的关系，一台性能良好的声频功率放大器将给人带来高保真效果的听觉感受。

1 声频功率放大器分类

声频功率放大器按功放管导电方式不同可分有甲类功率放大器、乙类功率放大器、甲乙类功率放大器等；按输出形式分有定阻式功率放大器和定压式功率放大器。

甲类功率放大器的功放管在信号的正、负半周均处于导通状态，在整个周期处于导通使得甲类功率放大器不存在开关失真和交越失真，信号在通过功放管时都可以比较完美地被放大，但因功放在没有输入信号的时候仍然要消耗电流，这样使得甲类功率放大器工作效率较低；乙类功率放大器的功率管静态工作电流为零，无信号时功放管不会消耗功率，这样使得乙类功率放大器的效率有较大的提高，但是因乙类功率放大器功率管的静态工作电流为零，使得输入信号波形的负半周不能被输出，这样会导致严重的非线性失真，乙类功率放大器工作点选择比较低，功率管在整个信号周期内只有50%的时间开启，使得乙类的效率比甲类高，但因只有一半时间进行信号放大，使得乙类功率放大器的失真比甲类大；甲乙类放大器的工作模式介于甲类与乙类之间，大部分时间只有一个晶体管工作，在零交越点时两个晶体管都工作，甲乙类放大器最大优点是改善了乙类放大器的非线性，消除了交越失真，当输入信号为零时，由于此时两个晶体管仍然处于导通状态，因此甲乙类放大器的最大工作效率介于甲类功放和乙类功放之间。甲类、乙类、甲乙类声频功率放大器的最大效率的理论值与导通角的函数关系如图1所示。

图1 声频功率放大器效率与导通角的关系

从图1中看出，甲类功率放大器的功率利用低，效率最大值为50%，导通角为360°；乙类功率放大器通过减少一个周期中晶体管工作的时间来提高效率，效率最高可以达到78.5%；甲乙类放大器的效率和线性度在甲类和乙类放大器之间，导通角的范围为180°～360°，效率介于甲类功率放大器与乙类功率放大器之间。由以上讨论可知，影响功率放大器效率的因素是在无信号输入时的工作电流造成的直流损耗，没有信号输入时工作电流越大，效率越低，因此为了提高效率要把工作点调低，使没有信号输入时，工作电流尽可能小，但调低工作点则又会使信号导通角变小，波形失真变大，输出信号中的谐波成分增加。

声频功率放大器按照功放与音箱的配接方式分为定阻式和定压式功放，定阻式功放即功放以固定阻抗形式输出音频信号，要求音箱必须按照规定的阻抗进行匹配，才能得到额定功率的分配，定阻式功放的优点是输出频带宽、动态范围大、音质极佳，缺点是无法长距离传输、对负载阻抗要求严格；定压式功放是为了进行远距离传输音频信号，减少在传输线的能量损耗，以较高的电压形式传送功率信号，一般有75V、120V、240V等不同的电压输出端子提供给使用者选择，定压式功放可以进行长距离的传输，一个输出回路只需考虑功率匹配无需考虑阻抗匹配问题，缺点是经过升压后输出音频带宽变窄，动态范围变小，对音质有一定的影响。

2 声频功率放大器新旧标准解析

声频功率放大器检验依据包括GB/T 12060.3-2011《声系统设备 第3部分：声频放大器测量方法》及SJ/T 10406-2016《声频功率放大器通用规范》，其中标准SJ/T 10406-2016《声频功率放大器通用规范》于2016年6月1日实施并代替SJ/T 10406-1993《声频功率放大器通用技术条件》。SJ/T 10406-2016《声频功率放大器通用规范》规定了相关参数的要求，包括增益限制的有效频率范围、总谐波失真、失真限制的有效频率范围、失真限制的输出功率、信噪比、等效噪声源电动势、剩余噪声输出电压、过载源电动势与额定源电动势之比、阻尼系数、调整率、互调失真、串音衰减、增益差、短期最大输出功率、长期最大输出功率、N阶调制失真、N阶差频失真、动态互调失真、输入阻抗、最小源电动势、整机功耗、转换速率、稳定性等。对照SJ/T 10406-1993《声频功率放大器通用技术条件》及SJ/T 10406-2016《声频功率放大器通用规范》的基本参数要求，其中增益限制的有效频率范围、总谐波失真、失真限制的输出功率、信噪比、过载源电动势与额定源电动势之比、互调失真基本参数要求做了如下改变[1][2]。

（1）测量条件由“正常工作条件”改为了“标准测量条件”

在GB/T 12060.3-2011《声系统设备 第3部分：声频放大器测量方法》 中已将“正常工作条件”改为了“标准测量条件”， “标准测量条件”是指将放大器置于额定条件下，然后把源电动势降到比额定源电动势低10dB。

（2）增益限制的有效频率范围

定阻式Ⅱ类的有效频率范围由40Hz～16kHz扩展为20Hz～20kHz；定压式Ⅰ类增益限制由±1dB提升至±0.5dB。

（3）总谐波失真

定阻式Ⅰ类20Hz～20kHz在额定条件及标准测量条件的失真由≤0.5%提升至≤0.1%；定阻式Ⅰ类20Hz～20kHz在1/100额定输出功率时的失真由≤0.5%提升至≤0.2%；定压式Ⅰ类40Hz～16kHz在额定条件、标准测量条件及1/100额定输出功率时的失真由≤2%提升至≤1%。

（4）失真限制的输出功率

在SJ/T 10406-1993《声频功率放大器通用技术条件》中，定阻式Ⅱ类、定阻式Ⅲ类输出功率的要求分别为≥10W和≥5W；而SJ/T 10406-2016《声频功率放大器通用规范》中规定定阻式Ⅰ类、定阻式Ⅱ类、定阻式Ⅲ类、定压式Ⅰ类、定压式Ⅱ类的失真限制的输出功率由产品标准规定。

（5）信噪比

定阻式Ⅰ类在线路输入、A计权时的信噪比由99dB提升至100dB。

（6）过载源电动势与额定源电动势之比

定阻式Ⅱ类由≥12dB提升至≥16dB。

由以上可知， SJ/T 10406-2016《声频功率放大器通用规范》Ⅰ类和Ⅱ类声频功率放大器在增益限制的有效频率范围、总谐波失真、信噪比、过载源电动势与额定源电动势之比等参数的要求方面比SJ/T 10406-1993《声频功率放大器通用技术条件》有所提升。

3 声频功率放大器相关性能参数测量

在测量声频功率放大器相关性能参数时，首先应设置好声频功率放大器的工作模式、输入灵敏度、接地开关位置等。声频功率放大器有三种工作模式，分别为立体声模式、桥接模式、并联输入模式，一般的功放内部具有两个独立的放大电路，可以分别接受两路不同的信号进行放大输出，这种工作状态为立体声模式；桥接模式是利用功放内部的两个放大电路相互推挽，从而产生更大输出电压的方式，功放设定为桥接模式后，成为一台单声道放大器，只可以接收一路输入信号进行放大，输出端为两路功放输出的正端之间；并联输入模式将功放的两路输入信号通道进行并联，只输入一路信号来同时驱动两个放大电路，两个输出端输出信号相同。声频功率放大器的输入灵敏度指当功放在特定负载（如4Ω或8Ω）达到满功率输出时，输入端的信号电压的大小即为灵敏度，常见的专业声频功率放大器的输入灵敏度的选择开关通常有0.775V、1.0V、1.44V，灵敏度电压越高，输入灵敏度越低，有些高品质的声频功率放大器输入灵敏度低是由于采用了更深的负反馈电路，所以具有更低的失真，更宽的频响和更好的音质。有些声频功率放大器设有接地开关，当电源的接地端存在干扰时，打开接地开关让功放机箱的接地与之相接可以降低交流声干扰，如果电源地线没有干扰就不要接通。

在测量声频功率放大器相关性能参数时，采用美国AP公司生产的SYS-2722音频分析仪，SYS-2722音频分析仪是一台通过电脑控制的多功能音频综合测试系统，它主要由模拟信号源、模拟分析仪、数字信号源、数字分析仪、数字接口信号源及数字接口分析仪等部分组成。其测试的模拟参数有频率、电平、信噪比、相位噪声、频响、分离度、谐波失真等；测试的数字参数有采样率、抖动、电平、失真、相位、分离度、互调失真等。在使用SYS2722测量声频功率放大器的相关性能参数时，首先使声频功率放大器连接合适的标准负载电阻（4Ω、8Ω、16Ω），再设置好声频功率放大器的工作模式、输入灵敏度开关及接地开关，然后根据声频功率放大器的输入、输出信号接口在SYS2722音频分析仪中选择XLR（平衡）或BNC（非平衡）信号源输出、输入连接口。图2所示为测量声频功率放大器性能参数的连接示意图，图3所示为测量实物图。

图2 声频功率放大器测量连接示意图

图3 声频功率放大器测量实物图

增益限制的有效频率范围、总谐波失真加噪声（THD+N）是声频功率放大器比较重要的性能指标。增益限制的有效频率范围表征了功放的工作频率范围，以及在工作频率范围内的幅度均匀的程度。增益限制的有效频率范围的测量条件为标准测量条件，GB/T12060.3-2011《声系统设备 第3部分：声频放大器测量方法》规定的标准测量条件为把声频功率放大器置于额定条件下，然后把源电动势降到比额定源电动势低10dB。在测量增益限制的有效频率范围时，首先需先将声频功率放大器的源电动势比额定源电动势低10dB，再设置1kHz的输出电平为参考电平，然后设置20Hz～20kHz频率范围。图3为某型号的声频功率放大器的增益限制的有效频率范围的曲线图，从图中可以看出20Hz～20kHz频率范围的不均匀度在±0.5dB范围内，符合SJ/T10406-2016《声频功率放大器通用规范》规定的定阻式Ⅰ类的增益限制的有效频率范围在20Hz～20kHz频率范围增益限制为±0.5dB的要求。声频功率放大器的失真是当正弦波激励被测设备时，由于音频设备中电子元器件的非线性，导致在输出信号中除了基波外，还有基于基波频率的2次、3次、4次等谐波成分，谐波成分使得输出信号的波形产生畸变，畸变的音频信号将会影响音质。另外在音频设备中，除了电子元器件的非线性导致的谐波失真外，还有音频设备内部器件产生的噪声，因此总谐波失真加噪声（THD+N）是声频功率放大器的一个主要性能指标。在应用SYS-2722音频分析仪测量总谐波失真加噪声（THD+N）时，应正确设置Audio Precision AP2700中“BW”滤波选项的频率范围，“BW”滤波选项可以分别设置高通、低通频率，高通频率可以设置为＜10Hz、22Hz、100Hz、400Hz，低通频率可以设置为22kHz、30kHz、80kHz、＞500kHz。图4中显示的是设置的“BW”频率范围与总谐波失真加噪声（THD+N）关系图，在图4中位于最上面的总谐波失真加噪声（THD+N）曲线设置的“BW”频率范围为＜10Hz～＞500kHz，其次为 22Hz～80kHz，再其次为 22Hz～30kHz，最下面曲线的“BW”频率范围为 22Hz～20kHz。从中可以看出，设置的“BW”频率范围不同，测量出的总谐波失真加噪声（THD+N）曲线也不同，因此在测量总谐波失真加噪声（THD+N）时应正确设置“BW”滤波选项的频率范围。

图4 增益限制的有效频率范围曲线图

图5 “BW”频率范围与总谐波失真加噪声（THD+N）关系图

4 结论

本文介绍了A类声频功率放大器、B类声频功率放大器、AB类功率放大器、定阻式功率放大器、定压式功率放大器的工作原理；分析对比了检测标准SJ/T 10406-2016《声频功率放大器通用规范》和SJ/T 10406-1993《声频功率放大器通用技术条件》；最后重点介绍了应用SYS-2722音频分析仪测量声频功率放大器增益限制的有效频率范围、总谐波失真加噪声（THD+N）性能参数。

[1]中和人民共和国电子行业标准，SJ/T 10406-1993《声频功率放大器通用技术条件》，1994-06-01.

[2]中和人民共和国电子行业标准，SJ/T 10406-2016《声频功率放大器通用规范》，2016-06-01.