高效率音頻功率放大器的設計特點分析

王群群 余麗

摘 要 現階段，隨著社會的發展，人們的生活方式發生了改變。節能環保的理念思想越來越深入到我們生活的各個方面，目前的音頻功率放大器在開機后，不管在有音頻輸入或無音頻輸入的狀態下，均保持通電狀態，使音頻功率放大器在無信號輸入的情況下長期耗電，縮短了壽命，甚至可能發生電器火災危險，特別是在發燒音響設備中的音頻功率放大器一般都是采用甲類功放的工作方式，甲類功放的工作方式下的功率放大器耗電很厲害。甲類功放在沒有信號輸入時的靜態耗電非常大，整機的發熱量也非常大。目前市場上用于音頻功率放大器信號檢測控制電路的基本上才是采用NE555組成的施密特電路翻轉，通過繼電器控制音響設備的工作電源從而達到自動關機的目的，該方案具有一定的局限性，不能有效隔離外部干擾信號。本設計方案是應用單片微機的方式配合外圍電路軟硬件相結合，控制方式靈活對音頻功率放大器的開關機都是采用小電流控制大電流的間接控制方式，穩定可靠成本更低廉。

關鍵詞 高效率音頻功率放大器;設計特點;分析

引言

音頻功率放大器是日常生活中和工作中常用的電子設備，廣泛應用于會場、劇院以及個人娛樂中。該設備屬于模擬電子技術理論范疇，所要求的技術能力在機電一體化技術、電氣自動化技術專業開設的《電子產品制作調試》課程中已經得到培訓與鍛煉。本設備立足于小型音頻功率放大器的制作，輸出功率在20W以下，主要用來滿足個人娛樂需要。制作過程力求節省成本，頻率特性力求優良，小型輕便，美觀實用。

1D類功放的構成

基于高效率音頻功率放大器的D類功放主要由三角波發生器、放大與增益控制電路、比較器、低通濾波器以及開關放大電路這幾個部分構成。在音頻信號輸入后，首先通過增益可變放大器進行放大，變化為大小一致但相位相反的差分信號。兩路信號分別與三角波發生器所生成三角波進行對比，比較器所輸出工作頻率與三角波頻率保持一致，音頻信號幅度與脈沖波占空比呈線性相關性關系。兩路信號為橋式互補高速開關電路提供驅動作用力，并借助于LC低通濾波器的方式濾除信號中的高頻成分，最后搭載負載實現功率合成，恢復為正常音頻信號[1]。

2高效率音頻功率放大器的設計

2.1 帶通濾波電路

輸入的音頻信號常有干擾，為了去除干擾，需要對音頻信號進行濾波。人耳能夠聽到的音頻范圍為20～20KHz，所以采用由低通濾波器和高通濾波器級聯而成的帶通濾波器對輸入信號進行濾波。由于RC有源濾波器具有截止頻率調節方便;通帶內可提供一定的增益;輸出阻抗低，便于級聯為高階濾波器，或由低通及高通濾波器組合為帶通濾波器等優點，同時為了能夠在通頻帶內獲得最大的平坦響應，本設計采用巴特沃斯型RC有源濾波器，通頻帶的頻率為20～20KHz。

2.2 PWM控制器

在高效率音頻功率放大器中，PWM控制器以音頻信號為基準，通過與150kHz頻率三角波進行比較的方式，得到占空比隨音頻幅度發生改變的脈沖信號，進而實現調制音頻信號的目的。為了確保整個控制電路能夠在低電壓功耗條件下穩定運行，系統選用LM393作為比較器，工作電壓低值可支持2.0V，且具有較強的驅動能力以及較低功耗。在LM393比較器中，選用3腳以及5腳作為音頻信號輸入端，按照系統放大與增益控制電路輸入信號輸入相位完全相反的音頻信號。在此過程中，當所輸入信號電壓為負值時，輸出占空比高于50%的脈沖波信號;當所輸入信號電壓為零值時，一路輸入占空比高于50%的脈沖波信號，另一路則輸入占空比低于50%的脈沖波信號;當所輸入信號電壓為正值時，輸出占空比低于50%的脈沖波信號[2]。

2.3 系統控制電路的設計

系統的控制電路由電源電路、信號采集電路、單片機信號處理三部分組成。①電源電路采用傳統的小功率變壓器把220V的交流電轉變成9V的交流電，然后經過橋式整流濾波電路變成直流12V的電壓，該12V電壓用于信號采集電路工作電源;12V的直流電源再通過低壓差的HT7550穩壓芯片輸出穩定在5V電壓提供給單片機芯片工作。②信號采集電路是采用兩級信號放大和光耦隔離的方式最大程度的減少功率放大器和控制核心芯片直接的干擾。P2為信號輸入端，音頻信號通過C15耦合到三極管Q2放大，放大后的信號由光電耦合器傳遞到Q3進行二次放大并把該信號輸出到單片機的檢測芯片引腳。③單片機信號處理部分是對采集的音頻信號進行分析判讀的關鍵部分，芯片的工作電壓是5V，S1是功放的開關機按鍵，LED1是功放接通電源的指示燈。KT是輸出控制繼電器的信號，而經過大后的音頻信號輸入到單片機的P00/INT0引腳。

2.4 系統軟件設計

①在本項目中對輸入的音頻信號進行采樣分析是關鍵所在，音頻信號的頻率范圍是20～20KHz，一般情況下采樣頻率至少是被測頻率的一倍以上。這就決定了我們采樣的頻率不得低于40KHz。②單片機程序對輸入的兩種信號進行設別判斷，當開關按鍵按下時單片機檢測到該信號后直接開啟功放的電源，并且同時啟動定時器計數當時間超過3分鐘仍然沒有檢測到音頻信號的輸入（無信號超時），那么單片機會發出關閉功放電源的指令;如果3分鐘內有音頻信號輸入單片機將計數器清零。信號變換電路在整個高效率音頻功率放大器中，系統電路要求增益達到1.0，將雙端輸出調制為單端輸出，選用寬帶NE5532進行運放。在信號變化電路中，NE5532功放具有極強的帶負載能力，因此對電路中輸入阻抗的要求偏低，在各點輸入阻抗為20.0kΩ的情況該，所對應增益可達到1.0，上限頻率高于設計要求[3]。

3結束語

當前市場對電子產品的需求開始呈現出便攜式以及薄型化的趨勢，D類放大器具有發熱少、音質好以及電源效率高等一系列優勢，在電子產品制造領域開始得到廣泛的應用。本文即通過引入D類功放的方式，在三角波PWM調制方法下針對高效率音頻功率放大器的設計要點進行分析與總結，望能夠引起相關設計人員的關注與重視。

參考文獻

[1] 應建華，唐曉.一種帶增益修正的音頻功率放大器芯片[J].華中科技大學學報（自然科學版），2007，35（11）：109-112.

[2] 應建華，付增功，周歡歡，等.D類音頻功率放大器中的死區控制電路設計[J].華中科技大學學報（自然科學版），2008，36（10）：98-101.

[3] 劉簾曦，楊銀堂，朱樟明，等.一種無濾波器的高效立體聲D類音頻功率放大器[J].西安電子科技大學學報（自然科學版），2009，36（2）：308-313.