1、毕业设计文献综述 电子信息工程 音频功率放大器的设计 1.前言 音频功率放大器设计与制作的技术已经相当成熟，很多年来，人们一直为它的发展而不懈的努力，现在无论从线路技术方面还是原器件方面，甚至从思想和认识上都取得了重大进步。随着半导体和微电子制造技术的持续发展，高速、大功率器件已越来越多，各种电子产品正在朝微薄化、便携式快速发展，人们对音频功率放大器的要求更是越来越高。既要高效、节能，又要小型化。移动音频设备因为受到电池容量、散热、体积等的限制，所以就必须要使音频功率放大器更加高效、更加节能、发热少、体积小 ，还要便于集成 1。在所有功率较大的放大器中，效率都是一个极为关键的参数。 A 类功率
2、放大器的效率最低， AB 类功率放大器的理想效率可达到 78%，但实际电路不可能超过 50%，效率依然不够高，因此，需要对使用的放大器提高效率。提高效率即是要减少功率器件自身的功率损耗。器件的功率损耗为 P=UI。如果加电压 U 时把电流 I 减至最小，或者通电流 I 时将电压 U 降至最低，则 P就可以降低。在这种使用需求越来越高的情况下D类功率放大器就应运而生 2。 所谓 D 类功率放大器，就是将音频信号转成脉宽变化的形式，再由脉冲放大器放大输出， 然后通过低通滤波电路还原成音频信号 2。由于脉冲放大器工作在开关状态，电路本身的损耗只限于三极管（或场效应管）导通时饱和压降引起的损耗和元件开
3、关损耗，适当选择元件，可以使得总损耗较小，因而电路工作效率较高。 2主体部分： 2.1 A 类功放 A类功率放大器的输出级中两组晶体管一直处在导电的状态，即不管有没有讯号输入它们都会保持通电，并且能让这两个电流等同于交流电峰值，此时交流电会在信号最大情况下流入负载 5。当没有信号时，两个晶体管会流通等量的电流，所以会使输出中心点上无不平衡的电流或电压，因 此就没有电流输入扬声器。1 当信号趋向正极，上方的输出晶体管会流入较多电流，下方的输出晶体管会流入相对较少的电流。由于开始时的电流不是平衡状态，于是流入扬声器后会促使扬声器发声。 A类功放的工作方式能达到最佳的线性状态，每个输出晶体管都会完全
4、放大讯号全波，完全不会失真，即便是不使用负反馈，它的失真仍然会非常低，因此 A类功放被称为音频最为理想的放大线路设计方式。但这种设计也有不足之处， A类功放最大的缺点就是效率低，原因是无讯号时仍有满电流流入，此时电能会转为高热量。当信号增加时，有一部分功率会进入负载，但仍会有许多 转变为热量。 A类功放最适合用于播放音乐，因为它能提供非常柔美的音质，不仅音色饱满而且高音透彻，这些优点可以弥补它的缺点。 A 类功率功放发热量很大，为了能有效处理散热的问题，必须在使用时采用大型散热器。由于它的效率低，供电器一定要能提供足够的电流。一部 50W 的 A 类功放供电器的供电量至少够 200瓦 AB 类
5、功放使用。所以 A 类功放的体积和重量均比 AB 类大，这使得 A类功放制造成本加大，售价高昂。一般来说， A 类功放的售价是功率相等的 AB 类功放的两倍。 2.2 B 类功放 B类功放的工作方式是当没有信号输入 时，输出晶体管不导电，不消耗功率。当有信号时，每对输出管各自放大一半的波形，一开一关轮流工作完成一个完整波的放大，在两个晶体管轮换工作时会发生交越失真，形成非线性 9。由于 B类功放在信号很低时失真非常严重，会使使声音变得很粗糙，所以很少单独使用 B类功放。 B 类功放的平均效率约为 75%，产生的热量比 A 类功放低，允许使用较小的散热器。 2.3 AB 类功放 与前两类功放相比
6、， AB 类功在性能上得以综合。通常情况 AB 类功放有两个偏压，在没有信号时也有少量电流通过晶体管。在讯号小时使用 A类工作模式，以便得到最 佳线性状态 9。当信号提高到某一高度时便会转为 B 类工作模式以便获得较高效率。一般情况下， AB 类功放在大部分时间都是在 A 类功放模式下工作的，只有出现当音频瞬间增强时才会转为 B 类模式。此设计可以在得到较好音质的同时提高效率并减少发热，是一种很理想的设计。 2 2.4 C 类功放 此类功放较少使用，因为它是一种失真很高的功放，只适合在通讯上使用。 2.5 D 类功放 D 类功放是指 D 类音频功率放大器。通过控制开关单元 ON/OFF 来驱动
7、扬声器的放大器称为 D 类放大器 12。 D 类放大器于 1958 年被首次提出，近些 年逐渐流行。与一般的 AB 类功放电路相比， D类功放具有高效、体积小等特点。 在此之前，人们认为 A 类功放声音保真度较高，音质也最为清新。所以在音响领域里一直使用 A类功放。但是， A 类功放的低效率和高损耗是无法克服的。B类功放虽然比 A类功放的效率高了不少，但是 B类功放的实际效率只有 50%左右，在如笔记本电脑音频系统、汽车音响系统、和超大功率功放等小型便携式音响设备中，它的效率仍然偏低，不能令人满意。所以，效率极高的 D 类功放开始受到了大家的重视。由于集成电路技术的飞速发展，原来很复杂的调制电
8、路，现在无论是在技术上还是 在价格上都已不是问题。而且数字音响技术在近几年的飞速发展，人们发现数字音响与 D类功放有许多相通之处，进一步体现 D类功放有很大的发展优势。 D 类功放是一种处于开关状态放大模式的原件。当没有信号输入时处于关闭状态，不耗电。工作时，输入信号使晶体管达到饱和，此时晶体管相当于一个连通的开关，把电源和负载相连通。理想的晶体管是没有饱和压降的，所以不耗电。但在实际情况中晶体管都会消耗很少的一部分电能。但是这种消耗只与晶体管的特性有关，与输出信号的大小无关，所以非常有利于大功率的功率放大器使用。在理想的情况下， D 类功放的效 率达到 100%， B 类功放的效率为78.5
9、%， A类功放的效率根据负载方式的不同只有 50%或 25%。 实际上 D类功放早期被用于继电器和电机等的开关控制电路中。因为 D 类功放只有开关功能，然而，随着数字音频技术研究的深入，开关功能逐渐被广泛应用于 Hi-Fi 音频放大。 20世纪 60 年代，人们开始研究 D 类功放在音频放大方面的应用，在 70年代 Bose 公司就能够生产出 D 类汽车功放。一方面狭小的空间使其不能放入大散热板结构的功放，另一方面汽车使用的蓄电池供电需要很高的效率，这两点限制使其不得不使用类似 D 类功放这样高效的放大器。 这其中最为关键的一步就是对音频信号的调制。 13 三 总结 3 通过以上几种音频功率放
10、大器品质因数的比较， D类功放优势明显，不但功率损耗小而且失真小，设计也简单，各种元器件的价格低等优点，所以市场应用广泛，尤其在音频领域应用最多。 本课题将研究 一种 D类音频功率放大器的设计方法 。 该功率放大器采用 D类放大器结构 ， 内部设有前置运算放大器 、 三角波振荡器 、 PWM比较器 、 防脉冲电路和功率输出电路 ， 同时整个功率放大器可由增益调节电路调节其总闭环电压增益 。 该音频功率放大器可提供额定输出功率 ， 且具有总谐波失真较小 、 输出效率高 、 应用电源电压范围广等优点 ， 可应用于如 MP3、 MP4、 PDA、 笔记本电脑等便携式多媒体电子设备中 。 四 参考文献
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