音频功率放大器设计

1 绪论

随着时代科技的高速发展，大量的电子设备应运而生。在现实生活中，绝大部分电子设备都离不开音频信号的处理，高效率音频放大器直接影响到了许多电子产品的质量。传统的音频功放工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁。功率输出受到限制。低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。

高效率功率音频功率放大器设计的关键是功率放大器放大电路的研究，提高功放的效率的根本途径是减小功放管的功耗。

方法之一是减小功放管的导通角，增大其在一个信号周期内的截止时间，从而减小管子所消耗的平均功率，高频大功率放大电路中，功放工作处于丙类（C类）状态。

方法之二是使功放管工作处于开关状态（即D类状态），此时管子仅在饱和导通时消耗功率，而且由于管压降很小，故无论电流大小，管子的瞬时功率都不大，因此管子的平均功耗也就不大，电路的效率必然提高，但是应当指出，当功放中的功放管工作在C类或D类状态时，集电极电流将严重失真，因此必须采取措施消除失真，如采用谐振功率放大电路，从而使负载获得基本不失真的信号功率[1]。

1.1设计高效率功率音频功率放大器的目的和意义

音频领域数字化的浪潮以及人们对音频节能环保的要求，要求我们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。传统的音频功率放大器工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，仍然很难满足大功率输出；而且需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路。

这次音频功率放大器的设计为了达到高效率的设计，采用D类功率放大器，D 功放是基于脉冲宽度调制技术的开关放大器，包括脉冲宽度调制器，功率桥电路，低通滤波器。这种类型的功放已经展示出了良好的性能，要想设计出并实现电源效率高于90%，THD低于0.01%，低电磁噪音的D类功率放大器，或者甚至包括能将高保真音质技术引入的D类的放大器[2]。其首要的问题是掌握与D类音频功放设计有关的基础技术与原理，同时熟悉和比较A类，B类，AB类，C类功率放大器。以及进一步理解这几类功率放大器的工作原理。比较它们的优点和缺点，从而确定本设计采用哪种放大器。

1.2 国内外发展现状水平

音频功率放大器已经有一个多世纪的历史了，从最早的电子管放大器一直到今天它都在不断的发展更新。随着时代的进步，各种便携式的多媒体设备成为了多媒体设备的一个重要发展方向。从作为通信工具的手机到作为娱乐设备的MP3以及便携式的DVD等等，这些便携式的多媒体设备都需要有音频输出，都需要音频功率放大器，同时它们都是由电池来供电。传统的AB类功率放大器具有较好的线性度，较低的失真，但是工作效率较低的问题一直无法很好地解决。D类音频功率放大器就是在这样的背景下应运而生的[3]。它的最大的特点就是能够提供极高的效率，延长电池的使用寿命。

20世纪60年代中期，日本就曾研制出8 bit的高效率音频功率放大器；到1983年，国外提出了D类(数字)PWM功率放大器的基本结构，但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，难以实现16bit、44.1kHz采样的功率放大器[3]。随着数字信号处理(DSP)和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为现实，这些技术离不开微机数字技术的发展，小型高效率音频功放首先在笔记本电脑、有源音箱和声卡上采用，有音频功放的声卡可直接接耳机或普通小型音箱，使用极为方便。

功率放大器是半导体产业中相当独特的一部分，在全球硅半导体走向垂直分工的情形下，生产功率随着技术的成熟及应用领域的拓展，高效率音频功放逐步进入了专业音响领域，目前移动电话的功率放大器中，由于前四大厂商：RF MD、Hitachi、Conexant与Motorola已掌握近70%的市场，其中北美厂商拥有超过一半的市场占有率。全球占有率近20%的RF MD，以供应Nokia为主，因此产品多为GSM系统所使用；排名第二的Hitachi则以供应日本手机厂商为主；Conexant以量产CDMA系统为主，主要供应Ericsson与Samsung使用，而Motorola则是以供应自制移动电话为优先，不足的部分则向Conexant采购[4]。

最近几年，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，由此人们对音频功率放大器提出了非常高的要求。因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效节能、发热量少、体积小、便于集成。普通功放发热量大，不易解决散热问题。而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，功放的效率就高，可达90%以上，因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积。近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的MOSFET管也已用得很普

遍，该管开关特性、导通饱和压降和截止漏电流特性都大大改善，应用到音频开关放大器上，能大大提高其可靠性和保真度。故D类放大器在便携式设备上的应用具有很大的优势，受到许多开发商的青睐。D类功放虽然也被称作数字化功放，但在电路设计上绝不像纯粹的数字电路那么简单，也不是直接采用一两块芯片就认为设计大功告成。以数字手段实现模拟功能，仍然需要考虑许多模拟方面的因素，其控制方式、元器件选择、电路板布局是直接影响其高保真度性能的关键因素。

近年来，国外的公司对D类功率放大器进行了研究和开发，提出了一些方案，但是尚存在了较大的难度，由于采用PWM方式，为了提高音质，降低失真，必须提高调制频率，但是在较高频率下，会产生一定的问题，同时，D类功率放大器对器件的要求较高，不利于降低成本。

在国内，我国的音频功率放大器已经发展到了一个比较成熟的阶段，但是在许多音频处理器中，还没有真正的克服高效率，高保真，低耗能，低成本的要求。在高效率音频功率放大器领域仍然存在很大的研究空间。

1.3主要进行的工作

整个系统由D类功率放大器、信号转换电路及功率测量显示装置组成。D类开关音频功率放大器的工作于PWM模式,将音频信号与采样频率比较,经过自然采样,得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波,经过驱动电路,控制功率器件的开关,实现放大,放大的PWM信号送入滤波器,还原为音频信号。从而实现高效率的音频功率放大。

（1）比较各种类型的功率放大器，得出最适合高效率音频功率放大器设计的一种功放；

（2）设计出高效率音频功率放大器的总体框图和设计方案；

（3）将设计分为功放，信号变换，功率测试与显示三大模块，一一论述和设计；

（4）得出一个完整的系统原理图；

（5）根据原理图进行仿真实验。