音頻放大器設計(序言)

我於幾年前寫了4篇文章，講述功率放大器的設計，面向工程應用，理論聯繫實際，通過大量詳實具體的電路實驗，通俗易懂地介紹音頻功率放大器的設計理念與製作細節，並以大量的電路資料向讀者展現功率放大電路「從小到大，由簡至繁」的演化過程，充滿了關於音頻功放設計的真知灼見——這是序言。

許多電子愛好者對音頻功率放大器（簡稱功放）頗感興趣，但無論從專業書刊上抑或是網絡上獲取的功放電路，雖然都能自成一體，自圓其說，但它們畢竟是一個個孤立的電路，這些電路是由何種電路演化變換而來，它們之間究竟有什麼樣的區別與聯繫……我想許多讀者未必有一個清晰、完整的認識。

還有一部分讀者說，從《模擬電子技術》教材中學了諸如「共發射極放大器」、「共集電極放大器」和「共基極放大器」。但是他們總是抱怨說「很少在功放電路中見到這3種電路」或「從未見到」！難道說，從教材上學習過的3種基本放大電路都是「紙上談兵」、脫離實際的東西？

非也！這3種基本電路都隱藏在各式各樣的功放電路中，只是它們增加或減少了元件、變換了結構，以讀者不熟悉、不常見的結構存在。因此，大家都錯誤地認為這些電路是自己從未學過的新東西，造成讀（電路）圖困難。當看到別人就某一電路進行工作原理分析時，出現「公說公有理，婆說婆有理」，「他們總是能講出道理」，而自己卻無從反駁、沒有異議的現象。更有甚者，若要自己設計一個音頻功率放大器時（可能設計其他電路也會），往往總是一籌莫展，無從下手……這些問題，也曾經是困擾筆者多年的「老大難」問題。

大概是八、九年前吧，筆者開始音響技術的教學工作，當時所用的教材涉及的內容非常寬泛，但也大都是泛泛而談，流於理論的分析與描述，既沒有波形圖，也沒有實物圖，更無具體的理論計算數據，整個書通覽下來給人的感覺就是音響知識的大集合、大匯總。當你試著依照一張電路原理圖製作功放時，突然發現這是一件比較困難的事情。

造成如此窘境的原因是：一、因為原理圖老舊或錯誤；二、幾乎所有原理圖中都沒有給出二極體和電晶體的具體型號，甚至於連電阻、電容的參數也沒有完全標註。「脫離現實，跟不上時代的腳步」是我對那些音響書籍的整體印象。但課程已開，書還得講。於是乎，我一邊教書一邊查找資料，從《模擬電子技術基礎》（童詩白 華成英主編）中「功率放大器」一節內容獲得啟示，照著網絡文章「用分立元件設計製作功率放大器教程」中第一個電路（見序圖1）製作一塊功放板，用分立元件焊接在萬用板上，如序圖2所示。

序圖1 功率放大器基本電路

序圖2 功率放大器基本電路板

該電路在小音量時聽感尚可，一旦加大輸入信號，劣質音質立即表現出來。用數字示波器測試工作波形，在輸入信號較小時（見序圖3a）輸出的信號已經變形，類似三角波；加大輸入信號（見序圖3b），輸出的信號變形更甚，這表明放大輸出的信號有嚴重失真。

序圖3 1kHz正弦波測試

後來，又依照那篇文章的第二個電路（見序圖4）製作第二個功放，用分立元件焊接在萬用板上，如序圖5所示。

序圖4 單管輸入級功率放大器

該電路被稱為單管輸入級音頻功率放大器，從左至右可分為三級：VT0構成第一級也稱前置級，VT1構成第二級，也稱電壓放大級或激勵級，第三級是複合管輸出級（VT2與VT4組合為上臂，等效為NPN；VT3與VT5組合為下臂，等效為PNP），稱電流放大級或功率放大級。R6是反饋電阻，R7是取樣電阻，電壓放大倍數為21倍（=1+R6/R7）。R8和C6構成自舉電路，輸出信號通過電容C6耦合到輸出級上臂驅動管的基極。

序圖5 單管輸入級功率放大器電路板

當輸入信號為振幅800mV&1kHz正弦波時，輸出電壓振幅為16.8V，則電壓增益為21倍，等於本電路的理論值（1+R6/R7=21），如序圖6a所示。當輸入信號為振幅800mV&10kHz正弦波時，輸出電壓振幅為17.8V，增益約等於22.3倍，略大於理論值，如序圖6b所示。兩個頻點的輸入與輸出信號同相，波形良好，既沒有變形，也沒有交越失真，說明序圖4所示電路性能比序圖1所示電路要優良得多。實際聽音效果也印證了這一點。

最初我對這個電路的認識還是比較模糊，一直停留在「自舉電路的本質是引入部分正反饋」這種非常籠統的層面。直到後來在同事的啟發與幫助下，在對工作波形深入分析，經過一系列推理演算之後，我終於弄明白它的工作原理……

此後幾年，我一邊從是音響技術的教學工作，一邊繼續製作一系列的功放電路板（都保存著），從電路結構的演化歷程入手，分析這些電路的基本構成與內在聯繫，探究各式各樣音頻功放的工作原理。2015年夏，筆者開始對這些學習和思考的素材進行規範和系統地整理。2016年冬，書稿寫作完成，定名為《音頻功率放大器設計》，已於2017年初由電電子工業出版社出版。

回想起當年自己初學電子技術時的情景，那時讀過的書大部分都是使用等效電路、交直流負載線以及對理論公式進行說明。自己想進行設計時，苦於對電子電路本質上似懂非懂而無法進行。加之當時動手機會少，資源有限（大學期間筆者只在一塊現成的PCB上組裝過一臺收音機），只能隨著數學式子，僅用頭腦來學，不能真正地掌握。對別人設計的電路只能「望圖興嘆」和由衷的驚訝，別的事兒還真的幹不了。

在此，真誠感謝現已移民香港的張萍同學，是她從香港那裡給我下載了Audio Power Amplifier Design Handbook和Analysis and Design of Analog Integrated Circuits全套英文資料，對我寫就本書幫助很大，特別是「差動放大器的輸入輸出特性是雙曲正切函數」關係的論述給我很大啟發。《模擬電子技術基礎》（童詩白 華成英主編）和Audio Power Amplifier Design Handbook（Fourth Edition）兩本書中僅給出結論，讓我困惑已久，無法釋懷。

Analysis and Design of Analog Integrated Circuits這本書給出了差動放大器的傳遞函數及對應曲線，讓我明白差動放大器在電流對稱、輸入信號過零附件的線性度，遠比單管輸入的指數函數特性好得多——而這個特性對減小放大器的非線性失真至關重要。

筆者慶幸身處經濟發達的珠三角腹地，這裡電子信息產業鏈長，相關資源配套齊全。在筆者居住的中山市擁有數量眾多的電子元器件商店，當需要某種電子元器件時，上街十幾分鐘就可以買回來裝機測試；當需要做PCB時，在嘉立創（深圳）科技發展公司註冊一個帳戶，把資料發給他們，5天之後就能拿到PCB；當需要大的器件時，比如變壓器，可以在附近廠家（中山市小欖鎮聖元變壓器公司）訂做；當需要製作機箱時，周圍有許多五金店可以承接，簡單一點，用有機玻璃組裝，既透明、又美觀，這裡的許多小門店都有數控工具機，現場給出尺寸，半個小時就能加工出來……所有這些為筆者進行功放研究、設計與製作提供了極大的便利。

筆者殷切希望，在通讀了這些文章之後，你能對音頻功放建立一個完整的印象，筆者的目的就已經達到70%了，很感欣慰了。至於部分讀者能根據這些文章自行設計功放電路，那你的技術能力就已經達到相當水平了。

文中提到的《音頻功率放大器設計》一書的封皮是這個。

2020.3.24 於中山市