1、 毕业论文文献综述 电子信息工程 高效音频功率放大器设计 摘要： 音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进 。 关键字： 音频功率放大器；人类的听觉 引言 ： 长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于 A 类 (甲类 )和 AB 类 (甲乙类 )。其原因在于过去只有电子管这样的器件， B 类 (乙类 )电子管放大器产生的失真使它们 甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高
2、保真放大器均工作于推挽式的 A 类 (甲类 )。 A 类 (甲类 )放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。 B 类 (乙类 )放大器，是指器件导通时间为 50的一种工作类别。这类放大器可以说是最为流行的一种放大器，也许目前所生产的放大器有 99是属于这一类。 AB 类 (甲乙类 )放大器，实际上是 A 类 (甲类 )和 B 类 (乙类 )的结合，每个器件的导通 时间在50 100之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按 B 类 (乙类 )设
3、计，然后增加偏置电流，使放大器进入 AB 类 (甲乙类 )。 C 类 (丙类 )放大器，是指器件导通时间小于 50的工作类别。这类放大器，一般用于射频放大，很难找到用于音频放大的实例 1。 进入 21 世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的 MP3 播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式 DVD 等等。所有这些便携式的电子设备的一 个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的。都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下， D 类
4、放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。 D 类放大器 其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制 (PWM)，其效率在理论上来说是很高的。但是，实际困难还是非常大的，因为 200kHz 的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚；从失真的角度来看，为保证 采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声器之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要 4 个电感 (考虑立体声 )。 23 方案论证与比较： 根据 设 计任务的要求，本系统的组成方框图如图 1 所
5、示。下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。 图 1 系统组成框图 1.1 高效率功率放大器 高效率功放类型的选择 方案一：采用 A 类、 B 类、 AB 类功率放大器。这三类功放的效率均达不到题目的要求。 方案二：采用 D 类功率放大器。 D 类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过 LC 低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。理论上为 100，实际电路也可达到 80 95，所以我们决定采用D 类功率放大器。 高效 D 类功率放大器实现电路的选择本题目的核心就是功率放大器部分，采用何种电路形式以达到题目
6、要求的性能指标，这是关键。 脉宽调制器 (PWM) 方案一：可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制，不利于本题发挥部分的实现。 方案二：采用图 2 所示方式来实现。三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部 分的功能清晰，实现灵活，便于调试。若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作，故选用此方案。 图 2 脉宽调制器电路 D 类放大器的工作波示意图 高速开关电路 a. 输出方式 方案一：选用推挽单端输出方式 (电路如图 3 所示 )。电路输出载波峰 -峰值不可能超过 5V 电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。 图 3 高速开关电路 方案二：选用 H 桥型输出方
7、式 (电路如图 4 所示 )。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰 -峰值可 达 10 V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。 图 4 高速开关电路 b. 开关管的选择。为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低损耗。 方案一：选用晶体三极管、 IGBT 管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大； IGBT 管的最大缺点是导通压降太大。 方案二：选用 VMMOSFET 管。 VMOSFET 管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性
8、，故选用高速 VMOSFET 管。 滤波器的选择 方案一：采用两个相同的二阶 Butterworth 低通滤波器。缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。 方案二：采用两个相同的四阶 Butterworth 低通滤波器， 在 保证 20kHz 频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。 1.2 信号变换电路 由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为 1。 方案一：采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。 方案二：由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的 单运放组成的差动式减法电路来实现。 2 选择方案 设计要解决两个问
9、题：一是保真度；二是效率。为保证功放的保真度，应采用失真度较小的功放芯片，并设计合适的低通滤波电路； D 类功放的效率通常较高，理想情况下可达 100%，本题要求效率 75%，输出功率 10W，经分析，增大负载可提高输出效率， 8 欧姆负载的效率通常能达到 80%90%。 D 类功放采用脉冲宽度调制 PWM 系统和开关电源供电音频信号。全部信息被调制在 PWM 信号的宽度变化中，功率管工作在饱和、截止两种状态，失真小、效率高。其工作原理是将模拟音频信号经 PWM 设备调制成数字信号；然后高效功率放大、低频滤波；解调信号后，驱动扬声器。 4 D 类放大器的架构有对称与非对称两大类，在此讨论的 D
10、 类功放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。D 类放大器一般由 PWM 电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图 3 所示。 它 采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的 PWM 电路，用输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功 率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。采用全桥的 D 类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的
11、 2 倍，可采用单电源供电。实现时，通常采取 2 路输出脉冲相位相反的方法。其输出电压是叠加变大的，经过低通滤波器后，仍存在较大的负载电流，特别当滤波器设计不好时，流过负载的电流就会更大，从而导致负载损耗大，降低放大器效率。 5 参考文献 1高吉祥主编 .模拟电子线路设计 M.北京： 电子工业出版社， 2007年 5月 . 2黄智伟主编 .全国大学生电子设计竞赛系统设计 M. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2006年 12月 . 3楼然苗，李光飞主编 .单片机课程设计指导 M. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2007. 4谈雪梅 ,俞亚珍 .宽带可控增益放大器的设计 J.常州轻工职业技术学院学报 ,科技广场， 2009年 3月 , (21)， 195-197. 5陈永刚，刘立国 .AD603及其在 AGC电路中的应用 J.电子世界， 2002年第 4期， 39-40. 6童诗白，华成英模拟电子技术基础北京：高等教育 出版社， 2000，第三版 7马场清太郎 著 何希才 译 运算放大器应用电路设计北京：科学出版社， 2007，第一版 8杨志忠 . 数字电子技术 . M. 高等教育出版社 . 2000年 9黄智亮 .全国大学生电子设计竞赛训练教程 . M. 北京 :电子工业出版社 ,2005 10童长飞单片机开发与 C语言编程 M. 北京：北京航空航天大学出版社， 2005
