高效率音頻功率放大器的設計

鄭 彬

（廈門音恒力電子科技有限公司，福建廈門，361000）

高效率音頻功率放大器的設計

鄭 彬

（廈門音恒力電子科技有限公司，福建廈門，361000）

本文主要介紹的是通過普通電子元件設計出高效率音頻功率發大器的方法。它不僅能夠減少電路的成本，同時還能夠將放大器的效率給提高。該設計中的PWM電路是由基本的運算放大器所構成，從而形成了能滿足高效率，低失真要求的D類功率放大器。

電子；功率放大器；結構；設計

1　高效率音頻放大器的基本結構

將高效率音頻放大器（D類放大器）的電路分為輸入開關級、功率放大級及輸出濾波級這三級。脈寬調制（PWM）模式可以在其開關狀態下使用。PWM具有將音頻輸入信號轉換為高頻開關信號的特點。使用比較器，將音頻信號對比于高頻三角波，在反相端電壓比同相端電壓高的情況下，所輸出的是低電平；那么與之相反，在反相端電壓比同相端電壓低的時候，所輸出的即為高電平。以下圖1為系統框圖。

圖1　系統框圖

2　各功能模塊的設計

2.1電源電路。主要電源和輔助電源是該電路的兩個組成部分，主電源的組成方式是由LM7805和DC—DC通過變換組成的，通過DC變換模塊將+5V變換成4-1 2V，作為電源提供電量給運算放大器，而+5V則是提供電量給NE555和數字電路。輔助電源是由LM317和LM337組成的雙路跟蹤直流穩壓電源所擔當的。

2.2三角波發生電路。制作三角波發生器。PWM發生電路在D類功率放大器中占據著很重要的地位。要想實現PWM變換，首先要做的是通過準備好一個三角波來調制輸入信號。在不同種類的三角波發生器中，也存在著通過運算放大器來進行簡單搭制的，但是運算放大器會對響應速度產生影響，因此不會做出太高的頻率；不過也通過專門的三角波發生器來完成這一目標的（如利用MAX038函數發生器芯片），只不過具有耗能大，成本高等缺點。還有部分選擇采用單片機或DSP芯片，這樣做就會把系統變得更加復雜。而在設計中，只使用了一個三角波發生器，就具備了頻率范圍及線性度可調的特點，從而獲得了十分良好的效果。

該電路可產生大幅度（近電源的三分之二），高頻率（100K以上）的三角波信號或鋸齒波信號。三角波的形成是由BG1對電容器C進行恒流充電以及BG3對C恒流充電獲得的。假設初始狀態C中無電荷，即電壓為零或電壓在電源電壓的三分之一以下，NE555的第2， 6腳上電壓處于低電壓的觸發狀態，第三腳輸出高電平，BG2導通，于是BG1也導通而BG3截止，由R1和D2決定BG1向C恒流充電。充電電流約等于（5.1V （ D3穩壓值）-1.4V）/R P1 ， C上的電壓逐步線性上升，形成三角波的上升階段。當電壓上升到電源電壓的三分之二時，NE555第六腳電壓達到門值，第三腳輸出電壓翻轉成低電平，于是BG2截止，BG1也截止而BG3導通，電容器C由充電轉變為向BG3放電。放電電流由R6和D3的穩壓值決定，大約為（（5.1V （ D4穩壓值）-1.4V）/ RP2， C上的電壓線性下降直到電源電壓的三分之一，形成三角波的下降階段。如此反復循環形成三角波振蕩，當R1=R6時形成的是三角波，當R1小于或大于R6時是正向的或反向的鋸齒波。三角波的周期或頻率決定于充電電流和放電電流的大小，同時也與C的容量直接有關。G值增大，周期變長，頻率變低；反之依然。

R2不能設定太大的阻值，R2不但要保證遠比R4，R5小，還要確保R2上通過的電壓小到即使不能導通BGl，也能夠導通BG3。三角波的頻率為F=63/C（Hz）。我們要注意到，輸出效率的高低與三角波發生器產生的三角波的頻率密切相關，因此要對其進行精心的設計。由于通過三角波發生電路所產生的三角波具有單極性，換句話說，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級電平移動電路，使其變成了具有雙極性的三角波。

2.3有源帶通濾波器設計，該電路為了將帶外雜波濾除，從而便設計了帶通范圍為300Hz一20k Hz的帶通濾波器。按照品質因數的大小將帶通濾波器分為兩種，即窄帶濾波器（Q＞10）和寬帶濾波器（Q＜10），其上限頻率為fh=20KHz，一般情況下，濾波器的中心頻率fo和品質因子Q分別為：

可以看出，Q＜1 0.所以該帶通濾波器是寬帶帶通濾波器。而寬帶帶通濾波器的組成結構為高通和低通濾波器。此濾波器能將低頻分量有效的濾除，大大減少噪聲干擾，與之同時也濾除了多余的高頻分量，電路圖如圖2所示，消除了混疊失真。

2.4PWM路。PWM中常用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波是上下寬度線性對稱變化的波形，當它與任何一個光滑的曲線相交時，在交點的時刻控制開關器件的通斷，即可到一組等幅值而脈沖寬度正比于該曲線函數值的矩形脈沖。

采用開關方式實現低頻功率放大是提高效率的主要途徑之一，因此PWM電路的設計尤為關鍵，兩個UA741一個構成射極跟隨，一個對三角波進行電平位移，然后和被調制信號進入高速電壓比較器進行比較，由5534輸出PWM波形1和PWM波形2。構成改進PWM的全橋D類功率放大器。

PWM控制器是以音頻信號為基準信號，對高頻的三角波進行調制，得到脈沖寬度隨音頻幅度變化的脈沖信號。比較器可采用高速比較器實現，其反相輸入端接高頻三角波，同相輸入端則分別接輸入電壓放大器輸出的相位相反的音頻信號。當輸入音頻信號電壓為0時，輸出兩路占空比為50%的脈沖波：輸入信號電壓為正時，一路輸出為占空比大于50%的脈沖波，另一路輸出為占空比小于50%的脈沖波；輸入信號電壓為負時，情況則相反。

2.5限幅電路。PWM電路中，當被調制信號幅值大于調制信號時，將會造成開關器件的長時間開通，可能造成功率器件損壞或信號失真。為了防止過調制現象的發生，保護功率開關器件不至于長時間開通進而燒毀，有必要對進入PWM比較器的被調制信號進行限幅。因此加入了一級限幅電路，該限幅電路準確靈敏，很好的起到了保護作用。

其中Q1，R1，RPl，D1為正向限幅，Q2，R2，RP2，D2為負向限幅。該限幅電路準確靈敏，很好地起到了保護作用。但是，限幅電路是對超限的信號進行削波來限幅的，這樣將會引起信號的失真，輸入信號幅值越大，失真度也越大。在實際應用中，應當采用自動增益控制（AGC）電路，當輸入信號較大時，自動的進行線性的衰減，使輸入信號保持在某一個固定的幅值上。因為是線性衰減，所以不會產生信號失真。

2.6過電流短路保護。短路保護電路檢測與負載串聯電流檢測電阻上的電壓。利用反相加法器，負載未發生短路時，加到保護電路的電壓很低，運算放大器的輸入電壓總的輸入信號是負值，由于運算放大器的放大倍數選的很大，所以輸出為高電位，接近為+Vcc。光電隔離器不導通，可控硅沒有觸發電壓，所以繼電器不吸合，電路正常工作。例如短路保護電路工作原理。當負載短路或負載電流大于一定值時，加到保護電路的電壓幅值很高，大于RPl上分得的幅電壓值的絕對值時，加法器的輸入端將變為正值，輸出端變為負值，光電隔離開關導通，可控硅吸合并維持，保護繼電器動作，切繼主電源。該電路的好處是可以任意設定電路的保護電流值，不僅可以作為短路保護，還可以作為限流保護。根據反相加法器的工作原理，反相加法器的輸出電壓可以如下計算：

Uo=一R3（一Vref/R1+Vin/R2）

根據選擇的數據，Uo=一1 00*（-Vref+Vin）

2.7功率驅動電路。如果用MOSFET管作為受控開關，驅動負載器件；它是電壓控制型半導體器件，本身的功耗少，開關頻率能滿足要求，但是所需要的工作電壓高。所以本設計采用555組成的非門來代替MOSFET管，HAl 7555驅動電流只有200m A，而單個NE555的驅動電流可以達到600m A，所以采用了555電路構成的推拉式平衡輸出功率放大器，取得了良好的效果。

3　結語

到目前為止，D類放大器是能夠有效促進音頻播放器的發展，因為他能夠更好讓便攜式電子音頻設備在功率放大器中，滿足高效率，低失真的發展要求。該設計已經就電路的效率與電路的成本方面作了充足的考慮，通過運用常用的元器件，使D類放大器的基本功能得以實現，并因此獲得了良好的效果。

鄭彬，1963年7月9日出生，性別男，籍貫：漳州，學歷本科，職稱中級工程師，主要研究方向：音頻技術。

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

圖2　有源帶通濾波器原理圖

［1］王麗，王翠梅.第3代半導體材料GaN基微波功率器件研究和應用進展.新材料產業2014，No.3：13-17

［2］陳鋮穎，ADS射頻電路設計與仿真從入門到精通.北京：電子工業出版社，2013