功率放大器参数解析
上一篇提到了扬声器重要参数解析,因为很多专业扬声器都是采用无源的方式(扬声器本身不含功放部分),因此,有必要再来解析相对应功放部分的主要参数。
关于为什么专业功放大多采用无源的方式,其主要是因为,在专业领域,对扬声器本身的结构是很严格的,例如扬声器开孔位置,腔体结构,材料密度等等,这些都会影响扬声器本身的性能与音色,而且功放电路集成既会占据扬声器腔体空间,还或多或少会引入一些电噪声,因此,专业领域很多扬声器都是采用无源的方式。
当然现在也陆陆续续出现很多专业演出级的扬声器,采用有源的方式,个人认为这主要归功于,一、随着科技的发展,目前很多材料的制作工艺,材料本身都性能大大提高,以前的问题逐渐被克服,二、数字功放的快速发展,为大功率、低失真,模块集中化程度高,体积小等提供了有力条件,相信以后这种一体化,网络化的设备会越来越多。
同样,我们利用一个产品说明参数意义:
如上为意大利功放PowerSoft K3的参数;
首先,我们看到的是通道数,这个参数是基本,无论工程中还是家用的设备,通道数一定要搞清楚,之前,有一个朋友找我,说他买了一个功放和6只音响,想把家里改造成5.1声道的家庭影院,问我怎么接线,我看了他的功放,是个双声道的立体声功放,他只是听别人说5.1需要6只扬声器,却没有考虑到功放是否支持。
接下来就是输出功率,这个参数也是功放的最重要的参数,特别是工程设计中,扬声器与功放功率匹配的计算中,就是依据该参数,例如,如上图中,K3对应双声道模式时,2Ω对应每通道为2800W,4Ω对应2600W,8Ω对应1400W,结合之前扬声器参数篇中所说,该功放在演出场所中,如果按照2:1的比例,其8Ω就可匹配700W的扬声器。
这里不得不引入一个概念——桥接模式,如上参数中,我们也看到后面有一项单声道桥接模式,其实关于桥接,理解起来是很简单的,就是把两个放大线路的输出端同时推一组扬声器,桥接时两个放大线路输出的音频波形是反相的,同时加载在扬声器上,这样负载就有了两倍的音频电压,从而功率提升了四倍(这是在电流足够、扬声器阻抗一致的理想情况下,实际会因为功率限制,电流跟不上,往往桥接输出功率一般翻1~3倍左右,像上图中8Ω时,差不多增加了快4倍,而到了4Ω时则只有两倍多,由此也能看出,该功放的功率最大差不多就5600W左右)。
目前无功功率计算,很多专业演出、KTV等功放,都支持桥接模式,将功放调整为桥接状态后,扬声器就不需要接地(黑色负极接线柱空接),扬声器接线跨接在两个红色的输出级上,相位则红色接线柱会注明桥接的相位(也就是正负极)。
接下来就是该功放自身电源参数,与散热参数,此处不解读,通常在工程设计中,可能会涉及到散热的问题,这主要与机房降温有关,计算设备的总发热量,并依据计算结果配置空调系统,至于电源,国内只要都按照市电标准就没有问题。
接下来,看音频参数部分,首先是增益,关于功放的增益,有一些设备在参数标注时,并不是按照dB为单位,可能只是写一个数字,例如40,这时,我们一定要注意观察,看看厂家这个参数是忘记写单位了还是根本就没有单位,这主要是因为,增益其实就是放大倍数,没有单位的时候,可能直接就是写的放大倍数,如果有单位为dB时,则是另外一种表述方式而已,这两者之间是按照20logx计算,例如,假设参数就是按照放大倍数为40,那么计算20log40则为32dB,也就是说参数40和32dB是一样的;
这样做有什么好处呢,我想可能这种dB表述的方式在信号中比较通用的原因吧,因为信号中,如果放大倍数很大的时候,写起来其实不是很方便,例如放大倍数1000,如果转换成dB,则只有60,相比与前面40倍对应的32dB,增加不明显,方便我们更加直观化理解。
我之所以说不是很理解,是因为其实功放的放大倍数一般都不是很大,像上图中的Powersoft功放已经属于国际著名品牌了,其最大也就35dB,差不多55倍多而已,因为这种dB的方式越大,优势越明显,反正入乡随俗吧。
接下来就是输入灵敏度参数,这是个电压概念,表明当功放达到满功率输出时,在输入端的信号电压的大小,一般的功放,输入灵敏度电压为0.775v(0dB)到1.5v(+6dB)之间,灵敏度电压越高,输入灵敏度越低。有些高品质功放,输入灵敏度低是由于采用更深的负反馈电路,所以具有更低的失真,更宽的频响和更好的音质。
如上表中参数,我们看出其输入灵敏度电压都比较高,就是因为该功放采用更深的负反馈电路设计,下一项参数最大输入电平,这主要是针对调音台等设备,它们通常采用dBu、dBV等标识方式,这与前面所说的dB换算都是同样的理念,利用最大输入电压与20log(E/e)之间的关系,但是这里需要注意,x与电路有关系,该功放反推参数,x差不多0.23V;门限顾名思义就是最小信号需求;
频率响应与扬声器一样,也是一个重要参数,该参数要求也是越宽广平直越好,如上参数20-20KHz,±0.5dB,可见该频响非常好;
再说说信噪比,实际就是指功放信号电压和本底噪声电压的比值,因此,这个数值越大,表明功放的噪声更低,设备自然就越好,一般专业产品的信噪比都在100分贝左右,用正值标注(有些功放采用负值标注,数值越小越好),如上参数大于106,可见功放能力也是属于高端设备,衰减功放的输入电平增益(关小功放音量旋钮)会降低功放的信噪比。
串音是指功放内部两个放大通道之间通过电路耦合产生的串音,如果数值不好,一个声道的信号就会串到另外一个声道去,从而在另外一个通道产生不干净的声音,通道串扰的数值一般为60分贝左右。如上设备,也是高于平常参数无功功率计算,这个数值用负值标注时,数值越低,表示两个放大通道之间的分离度越高,声音越干净。
总谐波失真和互调失真都是衡量一个功放好坏的参数,但是因为该参数解释详细,其相对比较专业,只是说概念也不会理解太多,我们无论是工程选择或者其他的场所,看该参数时,只要明白其越小越好就行。
转换率是指单位时间里电压升高幅度,例如,对于方波,就是指电压由波谷升至波峰所需时间,如上表中为50V//μs,该参数自然是越大越好,越大说明功放瞬态响应高。
至于阻尼因数,是功放内阻和负载阻抗的比值,越高,说明功放对音箱单元的控制能力越强,但是太高的时候,会感觉声音比较硬,而低阻尼系数则相对会感觉比较柔和,但是同样也不能太低,否则会感觉声音拖沓;
阻尼系数计算方式为:阻尼系数=音箱的阻抗÷(功放的内阻+音箱线的阻抗)。
再后面就是DSP参数和结构参数,因为DSP更多是关于其数模转换部分的,此处不再赘述。
在最后,我需要说另外一些概念,首先,功放分定压和定阻两种,上面我们无论解释扬声器时或者解释功放时,都是利用定阻思想说的,定压与其类似,只不过不再考虑阻抗匹配,只需要功率大小对应就可以了。
第二、功放分很多类,大的类别分模拟和数字,但是模拟中根据放大电路的不同,又细分为A类、B类、AB类、G类、H类、TD类等,数字功放又细分D类和T类等,上面我们解释的K3是属于数字类的D类。
其中模拟A类功放优点是音质好,失真小,但是缺点是能量转换效率很低,只有25%左右,因此一些民用HIFI功放还是A类;B类功放是为了克服A类能量转换低的缺点出现的,它的能量转换到75%,但是也伴随着电路本身的特点,出现了交越失真,小信号时更加严重;因此目前基本没有这种类型了;AB类则是克服A和B缺点的新电路设计,效率为65%,虽然低于B,但是它的音质好,失真小,目前有很多模拟功放就是AB类电路,至于G、H类则是在AB基础上发展的,优缺点也同时并存,因为这些详细解释都涉及电路,因此,此处不展开。
到了数字功放,则是利用输入的模拟信号波形与三角波,通过比较器,利用PWM脉宽调制技术调制成宽度不等的波形,然后再输出给场效应管进行大功率电压放大。
因为信号已经被调制到了波形的宽度上,因此信号的放大不再过多考虑失真的问题,从而实现更大功率放大,这也是数字功放最大的特点之一。