音頻功率放大器

音频功率放大器(英語:audio power amplifier),简称功放power amp),是一種電子放大器,可將低功率電子音頻信號英语Audio signal(例如來自無線電收信機或電吉他拾音器的信號)放大到足以驅動揚聲器耳機的水準。音頻功率放大器存在於各種音響系統中,包括場館擴聲英语Sound reinforcement system公共廣播英语Public address system家庭音響英语Home audio系統和吉他放大器樂器放大器英语Instrument amplifier。在信號被發送到揚聲器之前,它是典型音頻播放鏈中的最後一個電子階段。

Unitra英语Unitra製造的立體效果音頻功率放大器
Mission Cyrus 1 Hi Fi整合式音頻放大器的內觀圖(1984年)[1]

音頻功率放大器的輸入信號(例如來自電吉他的信號)可能只有幾百微瓦,其輸出信號可能在小型消費電子設備(例如時鐘收音機)裡只有幾瓦,在家庭立體音響系統裡有幾十或幾百瓦,在夜總會的音響系統裡有幾千瓦,而在大型搖滾音樂會擴聲系統裡則需要到幾萬瓦。雖然音頻功率放大器有時會是獨立裝置,例如針對音響愛好者和擴聲系統專業人士的高傳真音響迷市場(利基市場),但大多數消費性電子音頻產品,如時鐘收音機、手提音響電視等,功率相對較小,會將它併入產品中。

歷史

 
德富雷斯特的音頻放大器原型,1914年

音頻放大器是由李·德富雷斯特在1912年左右發明,肇因於他在1907年發明了第一個實用的放大電氣元件三極真空管,從而促成其事。三極管是一種三端元件,具有一個控制網格,可以調節從燈絲到板子的電子流。三極管真空管放大器被用來製造第一台調幅收音機[2]早期的音頻功率放大器基於真空管,其中一些實現了非常高的音頻品質(例如1947至1949年的威廉森放大器英语Williamson amplifier)。

隨著1960年代後期廉價電晶體的廣泛應用,基於電晶體的音頻功率放大器變得實用。自1970年代以來,大多數現代音頻放大器都基於固態電晶體,尤其是雙極性接面型電晶體(BJT)和金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。與真空管放大器相比,基於電晶體的放大器重量更輕、更可靠而且需要的維護更少。

MOSFET由穆罕默德·阿塔拉英语Mohamed M. Atalla姜大元英语Dawon Kahng於1959年在貝爾實驗室發明,[3]1974年由日本東北大學西澤潤一改造為用於音頻的功率MOSFET[4]山葉很快就為他們的高傳真音頻放大器製造出功率MOSFET。JVC先鋒公司索尼東芝也在1974年開始製造帶有功率MOSFET 的放大器。[4]1977年,日立推出了LDMOS(橫向擴散MOS),一種功率MOSFET。日立是1977年至1983年間唯一的LDMOS製造商,在此期間,LDMOS被用於HH電子英语HH Electronics(V 系列)和Ashly Audio英语Ashly Audio等製造商的音頻功率放大器,並用於音樂和公共廣播系統英语Public address system[4]D類放大器在1980年代中期獲得成功,當時低成本、快速開關的MOSFET變得可用。[5]許多電晶體放大器在其功率部分使用MOSFET元件,因為它們的失真曲線更像真空管。[6]

在2010年代,仍然有音頻愛好者、音樂家(尤其是電吉他電貝斯哈蒙德電風琴英语Hammond organ羅德斯電鋼琴英语Rhodes piano等樂器演奏者)、音頻工程師和音樂製作人更喜歡基於真空管的放大器,並且認為那是“溫暖的”管聲英语Tube sound

設計參數

音頻功率放大器的關鍵設計參數是頻率響應增益噪聲失真。這些是相互依存的;增加增益通常會導致噪聲和失真的不良增加。雖然負反饋實際上降低了增益,但它也減少了失真。大多數音頻放大器都是屬於AB類的線性放大器。

應用

重要應用包括公共廣播系統英语Public address system、劇院和音樂會擴聲系統英语Sound reinforcement system以及立體聲或家庭劇院等家用系統。包括吉他放大器鍵盤放大器英语Keyboard amplifier在內的樂器放大器也使用音頻功率放大器。

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參考文獻

  1. ^ 1 – Integrated Amplifier (All Versions). [2011-01-16]. (原始内容存档于2011-04-24).  Cyrus Audio: Product Archive: Cyrus One
  2. ^ The Transistor in a Century of Electronics. nobelprize.org
  3. ^ Rethink Power Density with GaN. Electronic Design. 21 April 2017 [23 July 2019]. (原始内容存档于2021-11-23). 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 Duncan, Ben. High Performance Audio Power Amplifiers. Elsevier. 1996: 177–8, 406 [2023-02-08]. ISBN 9780080508047. (原始内容存档于2023-06-02). 
  5. ^ Duncan, Ben. High Performance Audio Power Amplifiers. Newnes. 1996: 147–148. ISBN 9780750626293. 
  6. ^ Fliegler, Ritchie; Eiche, Jon F. Amps! The Other Half of Rock 'n' Roll. Hal Leonard Corporation. 1993. ISBN 9780793524112.