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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)出高效率音頻功率發(fā)大器的方法。它不僅能夠減少電路的成本，同時(shí)還能夠?qū)⒎糯笃鞯男式o提高。該設(shè)計(jì)中的PWM電路是由基本的運(yùn)算放大器所構(gòu)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(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1　高效率音頻放大器的基本結(jié)構(gòu)

將高效率音頻放大器（D類放大器）的電路分為輸入開關(guān)級(jí)、功率放大級(jí)及輸出濾波級(jí)這三級(jí)。脈寬調(diào)制（PWM）模式可以在其開關(guān)狀態(tài)下使用。PWM具有將音頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻開關(guān)信號(hào)的特點(diǎn)。使用比較器，將音頻信號(hào)對(duì)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(shí)候，所輸出的即為高電平。以下圖1為系統(tǒng)框圖。

圖1　系統(tǒng)框圖

2　各功能模塊的設(shè)計(jì)

2.1電源電路。主要電源和輔助電源是該電路的兩個(gè)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(yùn)算放大器，而+5V則是提供電量給NE555和數(shù)字電路。輔助電源是由LM317和LM337組成的雙路跟蹤直流穩(wěn)壓電源所擔(dān)當(dāng)?shù)摹?/p>

2.2三角波發(fā)生電路。制作三角波發(fā)生器。PWM發(fā)生電路在D類功率放大器中占據(jù)著很重要的地位。要想實(shí)現(xiàn)PWM變換，首先要做的是通過準(zhǔn)備好一個(gè)三角波來調(diào)制輸入信號(hào)。在不同種類的三角波發(fā)生器中，也存在著通過運(yùn)算放大器來進(jìn)行簡(jiǎn)單搭制的，但是運(yùn)算放大器會(huì)對(duì)響應(yīng)速度產(chǎn)生影響，因此不會(huì)做出太高的頻率；不過也通過專門的三角波發(fā)生器來完成這一目標(biāo)的（如利用MAX038函數(shù)發(fā)生器芯片），只不過具有耗能大，成本高等缺點(diǎn)。還有部分選擇采用單片機(jī)或DSP芯片，這樣做就會(huì)把系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。而在設(shè)計(jì)中，只使用了一個(gè)三角波發(fā)生器，就具備了頻率范圍及線性度可調(diào)的特點(diǎn)，從而獲得了十分良好的效果。

該電路可產(chǎn)生大幅度（近電源的三分之二），高頻率（100K以上）的三角波信號(hào)或鋸齒波信號(hào)。三角波的形成是由BG1對(duì)電容器C進(jìn)行恒流充電以及BG3對(duì)C恒流充電獲得的。假設(shè)初始狀態(tài)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(fā)狀態(tài)，第三腳輸出高電平，BG2導(dǎo)通，于是BG1也導(dǎo)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(wěn)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(dāng)電壓上升到電源電壓的三分之二時(shí)，NE555第六腳電壓達(dá)到門值，第三腳輸出電壓翻轉(zhuǎn)成低電平，于是BG2截止，BG1也截止而BG3導(dǎo)通，電容器C由充電轉(zhuǎn)變?yōu)橄駼G3放電。放電電流由R6和D3的穩(wěn)壓值決定，大約為（（5.1V （ D4穩(wěn)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(fù)循環(huán)形成三角波振蕩，當(dāng)R1=R6時(shí)形成的是三角波，當(dāng)R1小于或大于R6時(shí)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(shí)也與C的容量直接有關(guān)。G值增大，周期變長(zhǎng)，頻率變低；反之依然。

R2不能設(shè)定太大的阻值，R2不但要保證遠(yuǎn)比R4，R5小，還要確保R2上通過的電壓小到即使不能導(dǎo)通BGl，也能夠?qū)˙G3。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(fā)生器產(chǎn)生的三角波的頻率密切相關(guān)，因此要對(duì)其進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。由于通過三角波發(fā)生電路所產(chǎn)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(jí)電平移動(dòng)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(shè)計(jì)，該電路為了將帶外雜波濾除，從而便設(shè)計(jì)了帶通范圍為300Hz一20k Hz的帶通濾波器。按照品質(zhì)因數(shù)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(shí)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?yàn)榈妊遣ㄊ巧舷聦挾染€性對(duì)稱變化的波形，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑的曲線相交時(shí)，在交點(diǎn)的時(shí)刻控制開關(guān)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(shù)值的矩形脈沖。

采用開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，兩個(gè)UA741一個(gè)構(gòu)成射極跟隨，一個(gè)對(duì)三角波進(jìn)行電平位移，然后和被調(diào)制信號(hào)進(jìn)入高速電壓比較器進(jìn)行比較，由5534輸出PWM波形1和PWM波形2。構(gòu)成改進(jìn)PWM的全橋D類功率放大器。

PWM控制器是以音頻信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)高頻的三角波進(jìn)行調(diào)制，得到脈沖寬度隨音頻幅度變化的脈沖信號(hào)。比較器可采用高速比較器實(shí)現(xiàn)，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(hào)。當(dāng)輸入音頻信號(hào)電壓為0時(shí)，輸出兩路占空比為50%的脈沖波：輸入信號(hào)電壓為正時(shí)，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(hào)電壓為負(fù)時(shí)，情況則相反。

2.5限幅電路。PWM電路中，當(dāng)被調(diào)制信號(hào)幅值大于調(diào)制信號(hào)時(shí)，將會(huì)造成開關(guān)器件的長(zhǎng)時(shí)間開通，可能造成功率器件損壞或信號(hào)失真。為了防止過調(diào)制現(xiàn)象的發(fā)生，保護(hù)功率開關(guān)器件不至于長(zhǎng)時(shí)間開通進(jìn)而燒毀，有必要對(duì)進(jìn)入PWM比較器的被調(diào)制信號(hào)進(jìn)行限幅。因此加入了一級(jí)限幅電路，該限幅電路準(zhǔn)確靈敏，很好的起到了保護(hù)作用。

其中Q1，R1，RPl，D1為正向限幅，Q2，R2，RP2，D2為負(fù)向限幅。該限幅電路準(zhǔn)確靈敏，很好地起到了保護(hù)作用。但是，限幅電路是對(duì)超限的信號(hào)進(jìn)行削波來限幅的，這樣將會(huì)引起信號(hào)的失真，輸入信號(hào)幅值越大，失真度也越大。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)采用自動(dòng)增益控制（AGC）電路，當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，自動(dòng)的進(jìn)行線性的衰減，使輸入信號(hào)保持在某一個(gè)固定的幅值上。因?yàn)槭蔷€性衰減，所以不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真。

2.6過電流短路保護(hù)。短路保護(hù)電路檢測(cè)與負(fù)載串聯(lián)電流檢測(cè)電阻上的電壓。利用反相加法器，負(fù)載未發(fā)生短路時(shí)，加到保護(hù)電路的電壓很低，運(yùn)算放大器的輸入電壓總的輸入信號(hào)是負(fù)值，由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)選的很大，所以輸出為高電位，接近為+Vcc。光電隔離器不導(dǎo)通，可控硅沒有觸發(fā)電壓，所以繼電器不吸合，電路正常工作。例如短路保護(hù)電路工作原理。當(dāng)負(fù)載短路或負(fù)載電流大于一定值時(shí)，加到保護(hù)電路的電壓幅值很高，大于RPl上分得的幅電壓值的絕對(duì)值時(shí)，加法器的輸入端將變?yōu)檎担敵龆俗優(yōu)樨?fù)值，光電隔離開關(guān)導(dǎo)通，可控硅吸合并維持，保護(hù)繼電器動(dòng)作，切繼主電源。該電路的好處是可以任意設(shè)定電路的保護(hù)電流值，不僅可以作為短路保護(hù)，還可以作為限流保護(hù)。根據(jù)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(jì)算：

Uo=一R3（一Vref/R1+Vin/R2）

根據(jù)選擇的數(shù)據(jù)，Uo=一1 00*（-Vref+Vin）

2.7功率驅(qū)動(dòng)電路。如果用MOSFET管作為受控開關(guān)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載器件；它是電壓控制型半導(dǎo)體器件，本身的功耗少，開關(guān)頻率能滿足要求，但是所需要的工作電壓高。所以本設(shè)計(jì)采用555組成的非門來代替MOSFET管，HAl 7555驅(qū)動(dòng)電流只有200m A，而單個(gè)NE555的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到600m A，所以采用了555電路構(gòu)成的推拉式平衡輸出功率放大器，取得了良好的效果。

3　結(jié)語

到目前為止，D類放大器是能夠有效促進(jìn)音頻播放器的發(fā)展，因?yàn)樗軌蚋米尡銛y式電子音頻設(shè)備在功率放大器中，滿足高效率，低失真的發(fā)展要求。該設(shè)計(jì)已經(jīng)就電路的效率與電路的成本方面作了充足的考慮，通過運(yùn)用常用的元器件，使D類放大器的基本功能得以實(shí)現(xiàn)，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(xué)歷本科，職稱中級(jí)工程師，主要研究方向：音頻技術(shù)。

Design of high efficiency audio power amplifier

Zheng Bin
（Xiamen Hengli Electronic Technology Limited company，F(xiàn)ujian 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(dǎo)體材料GaN基微波功率器件研究和應(yīng)用進(jìn)展.新材料產(chǎn)業(yè)2014，No.3：13-17

［2］陳鋮穎，ADS射頻電路設(shè)計(jì)與仿真從入門到精通.北京：電子工業(yè)出版社，2013