音频功率放大器
音频功率放大器在扩音系统中的主要作用是:将调音台、信号处理器等前级电路送来的弱信号进行不失真放大,并输出一定的功率去推动扬声器发声。
4.1音频功率放大器基础
放大器是一种有源电路,它能对电压信号或电流信号进行不失真放大,实际应用中,一般分为两种:
前置放大:在专业音响系统中通常将其放在调音台部分,主要作用是将音频信号进行初步的电压放大,以便与其它电路对信号进行处理。
后级放大:又称为功率放大。在专业音响系统中通常是一台独立的设备,主要作用是将经过调音台处理后的信号进行功率放大,提供足够的功率去推动音箱工作。
4.1.1功率放大器的基本组成及作用
功率放大器的基本原理框图见教材P734—1图。
功率放大器的基本组成:
功率放大器的电路比前置放大器电路简单,但其消耗的功率却较大。因为功率放大器的实质是将直流电源提供的电能转换成音频信号的交流电能。
输入级:起着缓冲作用,具有较高的输入阻抗。通常引入一定的负反馈,以增加整个功率放大电路的稳定性,并减少噪声以及对前级电路的影响。
预激励级:控制其后的激励级和功率输出级两推挽管的直流平衡,并提供足够的电压增益,输出较大的电压以推动激励级和功率放大级正常工作。
激励级:为功率输出级提供足够的激励电流及稳定的静态偏压。激励级和功率输出级向扬声器提供足够的激励电流,以保证扬声器正常发声。
4.1.2音频功率放大器的分类
1.按功率放大器与音箱的配接方式分类
1)定压式功放
这是为了实现远距离音频功率信号传输,减少传输线上的能量损耗而设计的。它以较高的电压形式传送音频功率信号,一般有75V、120V、240V等不同电压输出端子供使用者选用。
定压式功率放大器和扬声器之间使用线性变压器进行阻抗匹配。如果用多只扬声器,就需要用公式进行计算,而且多只扬声器的功率总和不能超过功率放大器的额定功率。此外,传输线的直径不要过小,以减少导线的电流损耗。
2)定阻式功放
此种功率放大器以固定阻抗形式输出音频功率信号,要求音箱按规定的阻抗进行配接,才能得到额定功率的输出分配。
2.按功率放大器的使用元件分类
按照功率放大器使用的元件可以分为:
1)电子管功率放大器
2)晶体管功率放大器
3)集成电路功率放大器
4)V-MOS功率放大器
3.按晶体管工作特性分类
按晶体管工作特性分为:
1)甲类功率放大器
2)乙类功率放大器
3)甲乙类功率放大器
4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分类
1)OTL电路:单端推挽式无输出变压器功率放大器。
2)OCL电路:
3)BTL电路:
4.1.3功率放大器的技术指标
1.输出功率
输出功率的大小是根据放大器的使用环境、条件及对象等许多因素决定的,是功率放大器最基本的一项指标。主要有:最大不失真连续功率、音乐功率和峰值功率等几种不同的指标。目前公认的指标是“最大不失真连续功率”,即放大器配接额定负载时,在总的谐波失真系数小于1%,负载两端测出1kHz的正弦波电压的平方,除以负载电阻而得:
2.增益
放大器增益是衡量放大器放大能力的重要指标。定义为放大器的输出量与输入量之比,根据输入量和输出量的不同,有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数:
电压增益:
电流增益:
功率增益:
由于人的耳朵对音量大小的感觉并不和声音功率的变化成正比,而是近似呈对数关系,因此,放大器的增益通常用分贝表示:
3.信噪比
信噪比是指信号与噪声的比值,它等于输出信号电压与噪声电压之比:
信噪比越大,表明混在信号中的噪声越小,放大器的性能就越好。对于放大器本身的噪声,可以用噪声系数来衡量:
4.频率响应
在放大器中,由于存在电抗元件和结电容,使得它对不同频率的信号的放大能力不同,因此,引入频率响应来表示放大器对各种不同频率分量的放大能力。
频率响应一般使用增益下降到3dB以内的频率范围来表示。对于音频信号,高保真放大器为了能真实地反映各种信号,其频率响应通常应在几Hz~几十kHz的宽度。即比人耳所能听到的频率范围要宽一些。
理想的频率响应在通频带内应该是平直的,即在通频带内,对所有不同的频率信号应具有相同的放大能力。
5.放大器失真
由于构成放大器的元件的电气特性的特点,使得放大器在放大信号时不可避免地要出现失真,即不可能完全保持信号的原貌。对于放大器,主要有频率失真、谐波失真、相位失真、互调失真和瞬态失真。而最主要的是谐波失真。
1)谐波失真
谐波失真是指信号经过放大器放大后输出的信号比原来声源信号多出了额外的谐波成分。它是由放大器的非线性引起的:
其中U1fo为输出信号基波电压的有效值;U2fo、U3fo为输出信号的二、三次谐波电压的有效值;HD为总的谐波失真系数。
对于谐波系数,应该是越小越好,谐波系数越小,说明放大器的保真度越高。高保真放大器的谐波失真应小于10%。
对于各声道谐波失真量来讲是不同的,但大体规律是相同的:频率在1kHz附近谐波失真量最小;高于或低于1kHz时,谐波失真量最大;在1kHz以上时,谐波失真随频率的增高明显急剧增大。因此,要正确表达放大器谐波失真指标,必须标出频率范围。
2)相位失真
相位失真是指音频信号经过放大器以后,对不同频率信号产生的相位的不均匀性,以其在工作频段内的最大相移和最小相移之差来表示。相位失真与瞬态响应及瞬时互调失真都有密切的关系。对于高保真放大器,要求其相位失真在20kHz范围内应小于5%。
3)互调失真
互调失真是一种非线性失真。因为声音信号是由多种不同频率信号复合而成的,而这些信号在通过非线性放大器时,各个频率信号之间会产生相互调制,从而产生许多新的频率成分,这就时互调失真。由此可知,互调失真是由于放大器的非线性引起的,因此,选用放大器是,应选用线性好的放大器。
4)瞬态互调失真
瞬态互调失真是由于晶体管放大器采用深度大回环负反馈而引入的一种是真。这种深度大回环负反馈是跨越两级放大器的,而在两级放大器之间还存在着电容,因此在放大器输入一个持续时间非常短的瞬态脉冲信号时,由于电容充电带来的滞后作用,使输出端不能及时得到应有的输出电压,输入端也不能及时得到应有的负反馈。在此瞬间,输出级瞬时严重过载,输出信号的波峰将被消去,从而引起失真。
6.动态范围
放大器的动态范围指它的最高不失真输出电压与无信号时的输出噪声电压之比,用dB表示。信号源的动态范围是指信号中可能出现的最高电压与最低电压之比,单位是dB。由此可知,放大器的动态范围必须大于输入信号源的动态范围,才能获得高保真的放大效果。动态范围越大,放大器失真就越小。
7.分离度
立体声的分离度是左右声道串通衰减,是指放大器中左右两个声道信号相互串扰的程度,单位是dB。串扰量大,分离度就低,就会出现声场不饱满,立体感将被减弱等现象,重放音乐的效果差。
8.阻尼系数
阻尼系数是指放大器对负载进行电阻尼的能力,是衡量放大器内阻对扬声器所起阻尼作用大小的一项性能指标。
根据扬声器的频率声压特性可以知道,在扬声器的低频谐振频率f0附近有二阶谐振峰,若阻尼系数太小。阻尼欠缺就会在低频段难以控制扬声器的谐振、使音盆振幅加大。产生很大的非线性失真。从而使音质出现拖泥带水,层次不清,透明度下降等现象。要消除这种现象,利用减小放大器内阻,使扬声器共振时音圈产生的感生电动势短路,由此产生可以抑制扬声器自由振动的短路电流而起到阻尼作用。
阻尼系数定义为:,即功率放大器的额定负载阻抗与输出阻抗的比值。阻尼系数的大小会影响扩音设备重放的音质,阻尼系数越大,对扬声器的抑制能力就越强。高保真扩音机的阻尼系数应在10以上,但是,阻尼系数太大也不好,应适当。不同的扬声器有不同的阻尼系数的最佳值,一般在15~100之间。
9.转换速率
一台放大器能够不失真地重现正弦波,不等于能完整地放大前沿陡峭的矩形信号。为了衡量放大器在通过矩形波时引起前沿上升时间延迟,使输出信号产生失真,通常用放大器的转换速率来描述。这个指标越高越好。转换速率低是功率放大器产生瞬态互调失真的重要原因。为了提高信号波形的再现性和减轻瞬态互调失真,放大器的高速化是完全必要的。高保真放大器的转换速率要求在20V/μs上。
4.2功率放大器
4.2.1晶体管功率放大器
1.变压器耦合甲类功率放大器
甲类功放基本电路见教材P814—6图所示。
甲类功放与一般放大器不同之处在于其负载是通过变压器接入。对于单管甲类功放电源供给的电流是以静态电流为中心上下变化的,其平均值为ICQ,电源电压为EC,故电源提供的功率为:ECICQ,最大正弦波功率为ICQEC/2,因此,该功放的效率为:
这是在理想情况下计算出来的,实际上由于下述原因,其效率还达不到这个值。
1)变压器存在损耗。变压器初、次级各有导线电阻,要消耗能量;变压器的初级磁力线不可能完全耦合到次级,存在一定的漏磁,又要消耗一定的能量。
2)晶体管饱和压降不可能为零,多少要消耗一定的功率。
3)为稳定工作点,发射极串联有负反馈电阻,这要消耗一定的能量。同时晶体管集电极到发射极之间的电压也要降低。
将上述因素全部考虑进来,甲类功放的实际功率只能在30%左右。
甲类功放一般来讲存在着以下失真:
1)输出特性非线性引起的失真:这种失真主要表现在大信号工作时,电路可能工作与晶体管输出特性的非线性区,由此造成非线性失真。解决的办法是选用电流放大倍数线性较好的功率管及合理安排设计负载,使其在大信号工作时,不会进入非线性区。
2)输入电阻和信号源内阻引起的失真:因为晶体管的输入电阻随信号的大小变化也略有变化,这会造成输出信号的失真;信号源内阻大也会造成失真。解决的办法是合理设计电路,尽量采用电阻较大的扬声器。
3)削波失真:当输出信号超出一定范围时,晶体管进入饱和区或截止区,使得晶体管失去放大作用,从而出现削波失真。因此,在设计功率放大器时,必须留有充分的功率余量,以减小削波失真。
4)输出变压器引起的失真:这种失真是因为变压器铁芯的H-B曲线的非线性引起的。
2.乙类推挽功率放大器
从功率消耗的角度来说,单管放大器的效率是比较低的。如果将输入信号一分为二。分别由两只功率管来放大。其中一只管子专门放大波形的上半周,另一只管子放大波形的下半周,然后将上下两半周信号分别加到负载上去,使之合成为一个波形,这样就可以兼顾功耗与波形失真的问题。如教材P824—7图所示。
信号通过输入变压器T1,转换成为两个幅度相等,极性相反的信号,两只晶体管分别将其放大,然后在T1上合成。这里信号的正负半周之间出现了无信号的过渡区,输出的合成信号就与原输入信号之间产生了交越失真。交越失真是乙类推挽功率放大器较为明显的问题。另外,由于输入、输出都用了变压器耦合,这样会使放大器体积、重量都比较大,而且其漏电感及分布电容、杂散磁场等,都会对信号产生干扰和影响,损耗增大,效率降低。所以,目前的功率放大器大都采用无输出变压器的电路,即OTL电路。
3.OTL功率放大器
OTL功率放大电路属于互补推挽电路的一种,基本工作原理电路如教材P824—8图所示。
在这个电路中,两个不同极性的三极管组成了互补推挽功放电路。输入信号usr加于电路输入端,即两互补管的基极。对于usr的正半周V1(NPN)管导通而V2(PNP)管截止,产生电流ic1从左向右流经负载RL;对于usr的负半周,V1截止而V2导通,产生电流也从右向左流经负载RL,从而在负载RL上得到一个完整的放大了的输出信号。V1、V1分别在输入信号的作用下,轮流导通和截止,使电路处于推挽工作状态,C0则分别工作在充电和放电的状态。由于充电、放电时间很短,且C0的容量很大,所以C0上的电压基本保持不变。C0的选择往往与扬声器RL的阻抗和放大器的工作下限频率fL有关,一般要求
当放大器级数增多时,由于各级对低频的衰减会增加,C0的值还要取得大一些,一般为470~2200微法。一个OTL功放的实际电路如教材P834—9图所示,它带有自举电路、复合管及各种补偿电路等。
该电路为一典型的OTL放大器的实际电路。图中V7、V8为前置激励级,V10~V13构成准互补复合输出级,工作接近于乙类状态。V9用来为输出级提供稳定的静态偏置,以减小交越失真。各管的工作点及一些元件的作用如图所示。
该电路的特点:
通过R31从输出中点O经V11的发射极引入100%的直流负反馈信号,能使输出中点的电压稳定。
利用V9作恒压偏置,既能使输出级获得稳定的静态偏置,又能得到适当的补偿。
V12、V13的基极各串了一个电阻(R39、R41),可改善大功率管的输入特性,降低失真。
另外,R26可调节功放级输出端O点的直流电压,使O点电压为电源电压的一半。R34决定了V12、V13的集电极静态电流的大小。通常该电流为10~20mA,或控制V9集电极与发射极之间的电压为1.8V左右。R30可调节整个放大器的增益,使之达到指标。R34可调节功率输出级的交越失真,使交越失真达到最小程度。R37可调节两只功率输出管的平衡,使输出波形达到正负半周相等。
4.OCL功率放大器
OTL电路比变压器耦合电路有了很大的改进,但从高保真的角度看,仍有许多不足之处。主要表现为瞬态互调失真大,开环增益指标差,稳定性不好,谐波失真大,有残留交流声等。这些缺点是由于电路中的电抗元件和电路的不对称引起的。为了避免OTL电路中输出电容C23对电路造成的不良影响,现在,在音频功率放大器中普遍采用无输出电容电路,即OCL电路,又称直接藕合互补倒相功率放大器。其基本电路如P844-10图所示。
该电路采用对称的正、负两组电源供电,使两只互补功放管能够轮流工作。其工作原理与OTL电路的相同。省去输出电容以后,OCL电路输出的中点电位不再是Ec/2,而是零电位。因为这时输出与扬声器是直接藕合,若输出级中点电位不为零的话,将有直流流入扬声器,使音圈偏离中点,产生额外的失真,严重者将烧坏扬声器。所以OCL电路的中心点必须确保直流零电位。
同时,由于电路采用了正、负两组电源供电,省去了输出电容,使低频端没有了衰减,低频端可以一直延伸到l0Hz以下,其电声指标大大超过了OTL电路。
由于OCL电路各级晶体管间均采用直接耦和,温度的变化,电源电压的波动,都会产生零点漂移现象,使OCL电路输出端中点产生偏离,使电路性能恶化,因此,OCL电路往往在前级采用温度稳定性较好的差动放大电路来克服零点漂移现象的产生,如教材P844—10图所示。
OCL电路减少了一个输出电容,使低频响应和失真度有了改进,但其它电容的影响仍然和OTL电路一样,其中反馈电容(如C53)对稳定性的影响更大,在开、关机瞬间会造成中点电位瞬间偏离零点,产生一个强冲击电流。为防止此冲击电流烧坏扬声器,有的电路增加了延时通断继电器。
OCL电路的电源对称性比OTL电路的好,噪声和交流声极小,但激励电平仍是不平衡的。需从以下几个方面改进其电声性能:
1)尽量减小大环路负反馈量,而增大每一级的内部反馈量。
2)用特征频率fT为几百到几千兆赫兹的超高频中功率管作末前级和前级电压放大,这样就有可能去掉中和电容或减小中和电容的数值,以减小瞬态互调失真的发生。
3)提高电路的对称性,如前级用甲类或推挽放大,平衡激励,采用全互补输出管等。
4)设法使电抗元器件减至最少,必须存在的电感元件要加均衡补偿。
必要时限制前级的高频通带,使功放级的频响范围宽于前级放大器的频响范围。
5.DC功率放大器
针对OTL和OCL电路的缺点,近年来在大功率放大器中较多采用全对称的OCL电路,亦称DC电路,DC电路是在OCL电路基础上改进而成的,DC是表示该电路的低频响应可以一直扩展到“直流”的意思,把OCL电路的输入放大级改成互补差分放大器,以实现全对称的平衡激励,输出电路仍用OCL的形式,就成了以下放大器,如教材P854—12图所示。
DC电路由于去掉了输出电容、自举电容和反馈电容,使这些电容的不良影响随之消除,所以,瞬态指标比OCL电路高。如果把四个互补差分管集成在一块硅片上,并选用对称性良好的激励管和输出管,性能还可以进一步提高。
6.BTL功率放大器
BTL电路是一种平衡式无变压器电路。该电路在电源电压、负载不变的情况下,使输出功率提高到OCL电路的4倍,而且由于良好的平衡性和对称性,其失真度和稳定性都获得进一步的改善,如图教材P864—13所示。
它利用IC1的输出信号,经过电位器Rp和R分压,由C耦合至IC2的反相输入端。调节Rp使两个集成电路的输出电压相等。BTL电路的缺点是输出端不能接地,给电路测试带来困难。
BTL电路与DC或OCL电路相比具有下列优点:
1)由于电路的高度对称性以及共模反馈的引入,同相干扰基本抵消,偶次谐波减到了最小程度,交流声极小,失真度低。
2)电源利用率高,输出功率大。
3)扬声器中心始终保持零电位,电冲击比其它无变压器电路小得多。
4)共模抑制比很高,使稳定性有较大的提高。
7.超甲类功率放大器
超甲类功率放大器是指无截止状态的功率放大器,是为完全消除甲乙类和乙类的交越失真而出现的一种新型放大器。它能使功率放大器兼有甲类不截止和乙类效率高的优点。它采用的关键技术是所谓的动态偏置,即在无信号或信号小时,偏置电压小,静态电流也小;当信号增大时,随着偏置电压增大,管子的IC0也随着增大。当IC0上升到相当于甲类状态时,管子的截止角就会等于零。如果随着输入信号发生变化,做到晶体管总不截止,这样推挽管正负两半周的合成就如同甲类放大器一样,总是在不截止的状态下进行的。因此,也就不会产生交越失真和开关失真。末级实现超甲类偏置后,失真显著减小。同时,为发挥其特点,对前置级的要求更高,前置级应具有低噪声和高稳定性等特点。OCL超甲类放大器如教材P874—14图所示。
4.2.2集成功率放大器
随着元器件生产工艺的不断提高,现在的功率放大器大都采用集成电路。由于集成电路中元件的一致性较好,可靠性较高,所以作为功率放大器,其电路的性能指标也较高。下面介绍几种常用的集成功率放大电路。教材P881—15图是LM1875组成的放大电路。
该电路采用美国国家半导体公司生产的功放集成电路LM1875,它可以组成OTL、OCL和BTL三种不同类型的功率放大电路。这种放大电路可在12~50V或±6~±50V的单、双电源下工作,不失真输出功率可达30W。集成电路LMl875设有过热、过载和抑制反向电动势的保护电路。教材P884—15图所示的电路为单声道放大电路。如果是立体声双声道电路,则采用两套相同的放大电路组成。
除各个厂家生产的各种集成功率放大电路外,通常还使用厚膜集成电路组成功率放大电路。如日本三洋公司生产的STK系列厚膜音响集成电路,其输出功率可从几瓦到上百瓦。由于厚膜集成电路在设计上较灵活,高温性能较好,而且电路性能参数较高,因此被广泛应用。教材P894—16图为STK439集成功率放大电路。STK系列音响集成电路的参数见教材P90表4-1。
4.2.3放大器电源电路及保护电路
1.放大器的电源电路及保护电路
放大器的电源电路大都采用交流稳压电源供电,其稳压原理和普通稳压电源相同。电源性能的优劣对高保真立体声放大器的放音质量有很大影响,而音响系统对电源的要求是:输出电压稳定、波纹系数小、输出足够的功率、内阻小、50Hz杂散磁场干扰小。
1)稳压电源中的关键部件
稳压电源最关键的部件是变压器和滤波电容。
为了使功率放大器尽量工作在线性区,电源的通量一般都做得很大,通常在几百VA,甚至上千VA。因此为了保证输出纹波系数小,并能够满足大动态的要求,滤波电容一般选择较大,在几万微法,甚至到十几万微法。实际上,从电容的电气特性上可以看出,电容容量越大,对交流信号就能够起到短路作用,稳压电源输出的是直流电,在理想情况下,应该是完全的直流,不应该包含任何其他成分。由此可知,选择大电容,对消除纹波是非常有好处的。
变压器是稳压电源必不可少的元件,但是,由于其本身电气特性的缺陷,对输出的直流电有很多不良影响。目前,在稳压电源中大量采用的是环形变压器。因为它具有用料少、重量轻、磁阻小、外界干扰小、空载电流小、自身杂散磁场低等优点。实际上,选择性能优良的变压器对音质的改善,是其它元件不能代替的。
2)功放专用开关电源
对于功率放大器来讲,由于采用了新技术、新工艺,其性能指标非常出色,使得电源对功率放大器的影响成为了主要矛盾。功放对音质的影响相对来讲减弱了。
从电源角度来考虑,电源输出的成分越纯净,内阻越小,音质就越好。而高频开关电源具有高稳定性、高瞬态响应,适合功率放大器的大动态要求,因此,在功率放大器中采用高频开关电源是发展的趋势。
在功率放大器中采用开关电源之后,功放音质将明显提高,其音域更加宽广、高音清晰、细腻;中音娇嫩甜润;低音更具有震撼力。
3)电子管放大器的电源
电子管放大器对电源的要求主要是:在滤波电容容量方面,应尽量取值大一些,从而尽可能降低纹波系数;在供电上,电子管的灯丝供电尽可能用直流电,因为交流供电时,交流纹波通过灯丝、栅极间的耦合电容串入阴、栅极,从而造成较大的噪声。
2.功率放大器保护电路
功率放大器是工作在高电压、大电流、中负载条件下,当强信号输入或输出负载短路时,输出观音流过的电流过大会被烧坏。在强信号输入或开机、关机时,扬声器也经不住大电流的冲击。因此不需对大功率音响设备的功率放大器设置保护电路。
常用的保护电路如教材P934—17图所示。有:切断负载保护、分流式、切断信号式、切断电源式。
1)切断负载式保护电路
由过载检测及放大电路、继电器两部分组成。当放大器输出过载或中点电位偏离零点较大时,过载检测电路输出过载信号,经过放大后启动继电器动作,使扬声器断开,从而保护扬声器。
2)分流式
当输出过载时,过载检测电路输出过载信号,控制并联在两只功率管基极之间的分流电路,使其内阻减小,分流增加,减小大功率管输出电流,保护功率管和扬声器。
3)切断信号式
当输出过载时,过载信号去控制输入信号控制电路,切断输入信号。从而保护扬声器和功率管。
4)切断电源式
当输出过载时,过载信号去控制电源控制电路,切断电源。
切断信号式和切断电源式保护电路,不具备因其他原因导致的过载保护能力。而且切断电源式保护电路对电源冲击较大,因此实际应用中用得较少。
4.3专业音频功率放大器
现代音响系列中,音频功率放大器主要由三大类:专业功率放大器、Hi-Fi放大器、AV放大器。后两者主要用于家庭音响系统和家庭影院中,Hi-Fi放大器有前后级一体放大器和纯功率放大器两种,主要用于对音乐信号的放大处理。
专业功率放大器主要用于音乐厅、歌舞厅等的专业扩声设备中。在扩声系统中要按照所配音箱的额定阻抗和功率来选择功放。通常要求音箱的阻抗不得小于功放标称的最小阻抗;而功放的功率应大于音响的功率,以满足一定的功率储备。
在使用桥接时,必须注意与左右声道配接的音箱接法有所不同。在做桥接时,应当将两音箱串联,再接入桥端。如此每只音箱分得的功率仍与左右声道端连接时一样。如果做桥式连接、接入一只相同额定功率的音箱,由于功放输出功率增大了3倍,很可能烧坏扬声器,应特别注意。
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功率放大器在音响系统中起着承前启后的作用,其主要任务就是放大信号以推动扬声器系统重现声音信号。
功率放大器的分类方法很多,主要分为甲类、乙类、甲乙类和超甲类,以及OTL、OCL、BTL等。
功率放大器的技术指标很多,主要有输出功率、频率响应、信噪比、失真度、动态范围、输出阻抗和阻尼系数等。
现代功率放大器大都采用集成电路形式,电路的一致性好、可靠性高、特别适合立体声功放电路。
在功率放大器中,对电源电路及功放保护电路提出了一定的要求,电源变压器应尽可能采用性能优异的环形变压器。而在专业音响功放中,还应注意在实际应用中的功率匹配及桥接。