音频功率放大器的设计【文献综述】

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。

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，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。

2.4 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%，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