影响放大器性能的主要因素探究

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什么因素对高保真放大器的影响最大？很多人没有想过这个问题，即使想过也很难排出各种因素的影响程度，本人通过对一个耳机放大器的制作与改进，发现了环路负反馈的性能是对高保真放大器音质及性能影响最大的因素。
  环路负反馈的特性对放大器的性能有着多方面的影响，包括输入及输出阻抗、信噪比与抗干扰能力、还有重要的放大器失真率，这些都是人们熟知的特点，而大部分人不知的是电子管的温暖音色也是由其环路负反馈的特性决定的，所以设计好的放大器需要考虑的最重要的事情就是其环路负反馈特性的设计。一部环路负反馈放大器的性能，从分析其环路负反馈的特点，就可基本定性了。

  如果你希望深入地了解环路负反馈工作原理及对放大电路的影响，请接着往下看。

  环路负反馈原理与应用

序言
   自从1927年美国贝尔实验室公布了划时代的负反馈技术以来，环路负反馈技术使线性放大器的性能得到了极大的提高，高速集成运放将环路负反馈的使用近于极限，得到很高的技术水平。环路负反馈技术改善了放大器的综合性能，体现在以下几个方面：
1．    减小放大器的线性和非线性失真
2．    提高放大器的信噪比
3．    提高放大器的抗干扰能力
4．    提高放大器的效率
5．    减小或提高放大器的输入或输出阻抗，使其与信源或负载达到匹配
6．    易于得到性能一致的放大器
7．    易于得到宽带放大器
8．    极高的性能价格比
   由此可见，环路负反馈对线性放大器的性能有着全面的提升，所以说环路负反馈技术在线性放大技术中占有重要的地位，这是该技术被广泛使用的原因。

    直观的理解环路负反馈放大器
   这里首先介绍理想电压放大器的概念，电压放大器是应用最为广泛的一种放大器，我们称输入阻抗无限大，输出阻抗无限小，输出电压与输入电压成固定比例的放大器为理想电压放大器，现实中理想电压放大器并不存在，从理论上可以证明满足环路反馈深度无限大，反馈响应速度无限快的放大器是理想电压放大器，这是应该记住的两个重要的条件。由于现实的放大器件都不是理想的线性器件，所以实际应用中采用深度环路负反馈是得到近似理想放大器的重要方法，由运放构成的线性放大器电路就是这种应用的实例。
   深度环路负反馈放大器可以看成为一个反馈信号对输入信号的调节跟踪系统，放大器的输出信号为输入信号与反馈信号的误差信号乘以放大器的开环增益，如果放大器的开环增益很大，输入信号与反馈信号的误差就很小，由此反馈信号就近似的保持了对输入信号的跟踪复制，例如如果放大器输入信号为１V，开环增益10000倍，闭环增益10倍，反馈深度1000倍，如果输出信号10V，反馈信号与输入信号的跟踪误差信号就是１mV，输入信号与反馈信号相差很小而被基本复制；由于反馈信号是对放大器输出信号取样得来的，如果取样是线性的，则输出信号与取样信号呈线性关系进而与输入信号也基本成线性关系，取样电路通常由无源器件构成，可以达到很高的线性。
   理想的环路负反馈是输入波形的相似复制，是一种无线性失真和非线性失真的放大。

   环路负反馈放大器的反馈深度
   我们知道反馈深度无限大是理想放大器的重要条件之一，是环路负反馈放大器的重要参数，反馈深度是放大器的开环放大倍数与闭环放大倍数之比，放大器性能的改善与反馈深度成正比，所以提高反馈深度可以提高放大器性能。放大器的开环增益随着频率的升高而降低，所以反馈放大器的反馈深度随着频率的升高而降低，也就说环路负反馈对放大的改善程度随着信号频率的升高而减小；在较窄的低频频段上得到很深的反馈深度不难，但要在较宽的频段上得到较深的反馈深度却不是容易的事。
在较高的频率上得到深度负反馈需要高的高频段增益，但其提高受到放大器反馈环路稳定性的限制，这是环路负反馈放大器设计中最主要的限制因素。例如现在的高保真功率放大器在20KHz时的反馈深度通常不超过10倍（20DB），而放大小信号的高速运放可超过100倍（40DB）。
  如果已知了放大器开环相位特性曲线，就可由信号相移小于180度的上限频率Fmax估算出在频率F处可得到的最大反馈深度D，当然D还应该小于放大器开环增益G，其关系为：
D＝Fmax／F
根据上式的计算数据如下：
信号频率　　最大反馈深度 　　反馈信号相移小于180度频率上限
20Khz　　  10／20db　      200Khz
20Khz　　  100／40db　     2Mhz
20Khz　　  1000／60db　    20Mhz
    上面这些数据说明为了保证反馈回路的稳定性，环路负反馈放大器反馈深度越大，对放大器开环频率特性的要求越高。

   环路负反馈放大器的响应速度
   我们知道反馈响应速度无限大是理想放大器另一个的重要条件，环路负反馈系统的响应速度是指反馈回路的调节跟踪速度，实际电路中响应速度是有限的，所以输出跟踪上输入的变化需要一定时间，环路负反馈的响应速度必须大大于放大信号的变化速度才能得到较好的反馈跟踪效果，要求环路负反馈得到的效果越好，其响应速度要求越高，高的环路负反馈响应速度对应宽的放大频响，所以对于环路负反馈放大器来说放大器频响远宽于放大信号频带是优质放大器的一个特征。
宽带反馈放大器面临的一个重要问题是保持放大器的稳定性。
   现在我们通常用转换速率（SR）来表示反馈放大器的响应速度，需要注意的是按照其测试方法，这是在大信号条件下、并且放大器内部已经存在严重的失真时的数据，这个指标不能代表反馈放大器在实际信号下的响应速度，所以只具有参考意义。

   环路负反馈放大器的稳定性
   既然环路负反馈放大器的反馈深度和响应速度都与反馈环路的稳定性有关，所以解决其稳定性问题是设计高质量放大器的重要工作。
使环路反馈不稳定的原因是，反馈环路在某一频率上的相移达到负180度而满足正反馈条件，同时该频率上的环路增益大于１，因满足自激振荡的条件而产生振荡，消除其相位条件或幅度条件都可以解决这个问题，减小反馈深度就是一种直接的消除幅度条件的方法，而消除相位条件需要更为仔细的设计。由于环路内涉及多级放大，多个极点，所以优化的难度很大，使用电路模拟设计软件会有很大帮助，如Pspice。
   当负载电路包含在反馈回路中时，不确定的负载阻抗会给稳定性设计带来较大的影响，实际中就需要留有较大的稳定裕量，高保真功率放大器就工作于这种状态。

   环路负反馈放大器的瞬态失真
   实际的放大器都是动态范围有限的，即当输入端信号超过一定范围时，放大器内部会进入非线性限幅状态，一般来说放大器的开环增益越高，输入端信号的动态范围越小，即只要有很小的输入信号就会使输出信号进入满幅状态，如果输入信号的变化速率过快，使反馈信号不能跟上输入信号的变化速率，就会发生环路负反馈放大器特有的瞬态失真，此时反馈信号与输入信号的跟踪误差由于非线性限幅而变大，即反馈信号相对输入信号产生了较大的非线性失真，所以输出信号相对输入信号也产生了较大的非线性失真。
  为避免环路负反馈放大器的动态失真，可以采用以下三种方法：
  其一，限制输入信号的变换速率，即减小输入信号带宽，这种方法很容易实施，但输入信号带宽过窄会影响放大信号的保真度，低要求的系统经常使用这种方法。
  其二，增加放大器的动态范围，提高放大器的供电电压就是最直接有效的一种方法，缺点是这种方法会降低放大器的效率；降低反馈深度也相当于增加动态范围，缺点是减小了反馈所带来的性能提高。
  其三，提高反馈信号的响应速度，这是一种最好的解决方法，需要较高的电路设计技术来达到。

  高保真放大器中的环路负反馈技术应用
  高保真放大器是对放大器性能要求极高的线性放大应用，各种有助于改善放大器性能的技术在这里都得到应用。
  我们现在可以得到的有源放大器件都不是理想的线性器件，当其工作在大动态时其非线性尤其严重，例如功率放大器的输出级就工作在这种状态下，采用环路负反馈可以有效地降低放大器间非线性的影响，当然这只是应用环路负反馈的一个重要原因，环路负反馈可以有效地提高放大器的综合性能，且具有很高的性价比，采用其他方法达到同样效果需要花费高得多的成本，由此我们不难理解即使是开环失真已经较低的甲类功率放大器通常还要使用适量的环路负反馈。现在高保真放大器中使用环路负反馈是绝对的主流技术。
  合理的运用好环路负反馈技术是一件技术性很强的事，在高保真功率放大器中使用环路反馈技术尤其应该注意。运算放大器大量应用于小信号处理中，在整个音频频段都有约50db的深度负反馈，其良好的效果已被证明，但在同属线性放大的高保真功率放大中，深度负反馈的有效性却受到质疑，下面将具体分析其原因：
  功率放大器以下的电路特点使放大器的开环频率特性变差：
  其一，必须使用较多的输出放大级数
  其二，功率放大器件较差的频率特性
  其三，必须适应输出端非阻性负载并且变化较大
  其四，分立元件较大的结构体积
  以上的不利因素情况使高保真功率放大器在20 KHz能得到的稳定反馈深度也就在20db左右，也就是说反馈信号小于180度频率上限约为200Khz，比高速运放约50db的反馈深度要低一个数量级，环路负反馈对音频信号频率高端的改善有限，放大器在20 KHz的失真可能比1 KHz的失真高20倍。
  在上面的限制条件下，有些设计采用中低频段的深度负反馈，既通过将放大器的开环频率转折点移到较低的频点以提高放大器中低频的反馈深度而不影响稳定性，这就是频率补偿的作用，这时中低频段的失真下降，但高频段的失真没有减小，整体失真改善不大，所以说这是一种中低频段的深度负反馈；另一方面，将放大器的频率转折点移到较低的频点需要频率补偿，频率补偿又会降低放大器的响应速率，而功率放大器的输出信号电压幅度大，转换速率也大，这种放大器转换速率降低而放大信号转换速率增加的变化很容易引发瞬态失真，所以说这种以降低放大器的响应速率达到提高中低频段深度负反馈的设计总体效果不好。

  提高高保真放大器性能的环路负反馈原则
  反馈系统的设计应以提高响应速度为主要原则，在不减少响应速度的前提下提高反馈深度，这是因为由反馈的响应速度不够快而引起的性能损失难以用其他的方法弥补。电路实现中可采取的措施为在反馈环路内使用尽量少的放大级数，并且尽量提高每一级的响应速度。这种设计原则已在应用中被有意或无意的成功应用。
  著名音响品牌音乐传真就在产品技术介绍中强调其十分重视提高功率放大器远高于音频频段的失真性能，并宣称这种改进与放大器听音感觉的提高相一致。
  金嗓子在其产品中使用电流负反馈电路结构来提高反馈速度，以期得到较好的音质。
  NelSon Pass更是在其专利的X式超对称单端甲类功率放大器中将反馈环路内的晶体管减少到二个，反馈的响应速度自然得到提高。
  电子管是公认的靓声器件，这一点从其放大器的反馈特点也可以得到解释。电子管器件具有单级增益高、器件极间电容小的特点，组成的环路负反馈放大器具有放大级数少、每级的响应速度快的特点，同时也很少需要晶体管放大电路中常见的频率补偿，也就是说电子管环路负反馈放大电路是高速响应的反馈电路，其温暖的音色就来自于此。晶体管放大电路较冷的音色也是由于低速环路负反馈造成的。
  我们也可以找到一些有明显缺陷的设计，例如以运放＋BUFF结构设计的耳机放大器，如果使用环路负反馈，在其反馈环路内就包含有4个缓冲级，实际上有2个缓冲级是多余的，即使单元器件的指标很高，但是这种组合很难达到较好的效果。
  频率补偿经常用于晶体管环路负反馈放大器中，这种技术在高要求的高保真放大器中应该慎重使用，通常的频率补偿方法是降低放大器的高频开环增益以得到低频段的较深的稳定负反馈，放大器的低频段性能可以得到改善，但这种补偿降低了反馈的响应速度，损坏了放大器的高频性能。解决该问题的一种设计方案是提高放大器的开环性能，使放大器的低频段在不需要大的反馈深度时就能达到较高的水平，这就是低反馈深度的放大器设计方法。下一次将介绍一种新型的环路负反馈结构――超级负反馈设计方案，该方案可以得到很高反馈响应速度，同时又不必牺牲反馈深度，可以得到更加接近理想的高保真功率放大器。

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