高效率音频功率放大器的设计

2016-10-11郑彬

电子测试 2016年17期

关键词：限幅高效率音频

郑彬

（厦门音恒力电子科技有限公司，福建厦门，361000）

高效率音频功率放大器的设计

郑彬

（厦门音恒力电子科技有限公司，福建厦门，361000）

本文主要介绍的是通过普通电子元件设计出高效率音频功率发大器的方法。它不仅能够减少电路的成本，同时还能够将放大器的效率给提高。该设计中的PWM电路是由基本的运算放大器所构成，从而形成了能满足高效率，低失真要求的D类功率放大器。

电子；功率放大器；结构；设计

1　高效率音频放大器的基本结构

将高效率音频放大器（D类放大器）的电路分为输入开关级、功率放大级及输出滤波级这三级。脉宽调制（PWM）模式可以在其开关状态下使用。PWM具有将音频输入信号转换为高频开关信号的特点。使用比较器，将音频信号对比于高频三角波，在反相端电压比同相端电压高的情况下，所输出的是低电平；那么与之相反，在反相端电压比同相端电压低的时候，所输出的即为高电平。以下图1为系统框图。

图1　系统框图

2　各功能模块的设计

2.1电源电路。主要电源和辅助电源是该电路的两个组成部分，主电源的组成方式是由LM7805和DC—DC通过变换组成的，通过DC变换模块将+5V变换成4-1 2V，作为电源提供电量给运算放大器，而+5V则是提供电量给NE555和数字电路。辅助电源是由LM317和LM337组成的双路跟踪直流稳压电源所担当的。

2.2三角波发生电路。制作三角波发生器。PWM发生电路在D类功率放大器中占据着很重要的地位。要想实现PWM变换，首先要做的是通过准备好一个三角波来调制输入信号。在不同种类的三角波发生器中，也存在着通过运算放大器来进行简单搭制的，但是运算放大器会对响应速度产生影响，因此不会做出太高的频率；不过也通过专门的三角波发生器来完成这一目标的（如利用MAX038函数发生器芯片），只不过具有耗能大，成本高等缺点。还有部分选择采用单片机或DSP芯片，这样做就会把系统变得更加复杂。而在设计中，只使用了一个三角波发生器，就具备了频率范围及线性度可调的特点，从而获得了十分良好的效果。

该电路可产生大幅度（近电源的三分之二），高频率（100K以上）的三角波信号或锯齿波信号。三角波的形成是由BG1对电容器C进行恒流充电以及BG3对C恒流充电获得的。假设初始状态C中无电荷，即电压为零或电压在电源电压的三分之一以下，NE555的第2， 6脚上电压处于低电压的触发状态，第三脚输出高电平，BG2导通，于是BG1也导通而BG3截止，由R1和D2决定BG1向C恒流充电。充电电流约等于（5.1V （ D3稳压值）-1.4V）/R P1 ， C上的电压逐步线性上升，形成三角波的上升阶段。当电压上升到电源电压的三分之二时，NE555第六脚电压达到门值，第三脚输出电压翻转成低电平，于是BG2截止，BG1也截止而BG3导通，电容器C由充电转变为向BG3放电。放电电流由R6和D3的稳压值决定，大约为（（5.1V （ D4稳压值）-1.4V）/ RP2， C上的电压线性下降直到电源电压的三分之一，形成三角波的下降阶段。如此反复循环形成三角波振荡，当R1=R6时形成的是三角波，当R1小于或大于R6时是正向的或反向的锯齿波。三角波的周期或频率决定于充电电流和放电电流的大小，同时也与C的容量直接有关。G值增大，周期变长，频率变低；反之依然。

R2不能设定太大的阻值，R2不但要保证远比R4，R5小，还要确保R2上通过的电压小到即使不能导通BGl，也能够导通BG3。三角波的频率为F=63/C（Hz）。我们要注意到，输出效率的高低与三角波发生器产生的三角波的频率密切相关，因此要对其进行精心的设计。由于通过三角波发生电路所产生的三角波具有单极性，换句话说，也就是所有的三角波都在0V以上，因此在三角波的后面加了一级电平移动电路，使其变成了具有双极性的三角波。

2.3有源带通滤波器设计，该电路为了将带外杂波滤除，从而便设计了带通范围为300Hz一20k Hz的带通滤波器。按照品质因数的大小将带通滤波器分为两种，即窄带滤波器（Q＞10）和宽带滤波器（Q＜10），其上限频率为fh=20KHz，一般情况下，滤波器的中心频率fo和品质因子Q分别为：

可以看出，Q＜1 0.所以该带通滤波器是宽带带通滤波器。而宽带带通滤波器的组成结构为高通和低通滤波器。此滤波器能将低频分量有效的滤除，大大减少噪声干扰，与之同时也滤除了多余的高频分量，电路图如图2所示，消除了混叠失真。

2.4PWM路。PWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可到一组等幅值而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。

采用开关方式实现低频功率放大是提高效率的主要途径之一，因此PWM电路的设计尤为关键，两个UA741一个构成射极跟随，一个对三角波进行电平位移，然后和被调制信号进入高速电压比较器进行比较，由5534输出PWM波形1和PWM波形2。构成改进PWM的全桥D类功率放大器。

PWM控制器是以音频信号为基准信号，对高频的三角波进行调制，得到脉冲宽度随音频幅度变化的脉冲信号。比较器可采用高速比较器实现，其反相输入端接高频三角波，同相输入端则分别接输入电压放大器输出的相位相反的音频信号。当输入音频信号电压为0时，输出两路占空比为50%的脉冲波：输入信号电压为正时，一路输出为占空比大于50%的脉冲波，另一路输出为占空比小于50%的脉冲波；输入信号电压为负时，情况则相反。

2.5限幅电路。PWM电路中，当被调制信号幅值大于调制信号时，将会造成开关器件的长时间开通，可能造成功率器件损坏或信号失真。为了防止过调制现象的发生，保护功率开关器件不至于长时间开通进而烧毁，有必要对进入PWM比较器的被调制信号进行限幅。因此加入了一级限幅电路，该限幅电路准确灵敏，很好的起到了保护作用。

其中Q1，R1，RPl，D1为正向限幅，Q2，R2，RP2，D2为负向限幅。该限幅电路准确灵敏，很好地起到了保护作用。但是，限幅电路是对超限的信号进行削波来限幅的，这样将会引起信号的失真，输入信号幅值越大，失真度也越大。在实际应用中，应当采用自动增益控制（AGC）电路，当输入信号较大时，自动的进行线性的衰减，使输入信号保持在某一个固定的幅值上。因为是线性衰减，所以不会产生信号失真。

2.6过电流短路保护。短路保护电路检测与负载串联电流检测电阻上的电压。利用反相加法器，负载未发生短路时，加到保护电路的电压很低，运算放大器的输入电压总的输入信号是负值，由于运算放大器的放大倍数选的很大，所以输出为高电位，接近为+Vcc。光电隔离器不导通，可控硅没有触发电压，所以继电器不吸合，电路正常工作。例如短路保护电路工作原理。当负载短路或负载电流大于一定值时，加到保护电路的电压幅值很高，大于RPl上分得的幅电压值的绝对值时，加法器的输入端将变为正值，输出端变为负值，光电隔离开关导通，可控硅吸合并维持，保护继电器动作，切继主电源。该电路的好处是可以任意设定电路的保护电流值，不仅可以作为短路保护，还可以作为限流保护。根据反相加法器的工作原理，反相加法器的输出电压可以如下计算：

Uo=一R3（一Vref/R1+Vin/R2）

根据选择的数据，Uo=一1 00*（-Vref+Vin）

2.7功率驱动电路。如果用MOSFET管作为受控开关，驱动负载器件；它是电压控制型半导体器件，本身的功耗少，开关频率能满足要求，但是所需要的工作电压高。所以本设计采用555组成的非门来代替MOSFET管，HAl 7555驱动电流只有200m A，而单个NE555的驱动电流可以达到600m A，所以采用了555电路构成的推拉式平衡输出功率放大器，取得了良好的效果。

3　结语

到目前为止，D类放大器是能够有效促进音频播放器的发展，因为他能够更好让便携式电子音频设备在功率放大器中，满足高效率，低失真的发展要求。该设计已经就电路的效率与电路的成本方面作了充足的考虑，通过运用常用的元器件，使D类放大器的基本功能得以实现，并因此获得了良好的效果。

郑彬，1963年7月9日出生，性别男，籍贯：漳州，学历本科，职称中级工程师，主要研究方向：音频技术。

Design of high efficiency audio power amplifier

Zheng Bin
（Xiamen Hengli Electronic Technology Limited company，Fujian Xiamen，361000）

This paper mainly introduces the method of designing a high efficiency audio power amplifier based on common electronic components.It can not only reduce the cost of the circuit，but also can improve the efficiency of the amplifier.The design of the PWM circuit is composed of the basic operational amplifier，thus forming a high efficiency，low distortion requirements of class D power amplifier.

electronic；power amplifier；structure；design