高效率音频功率放大器的设计

高效率音频功率放大器的设计
摘要:由于D类音频功率放大器与传统的模拟功放相比，具有体积小，效率高，低失真，大功率的特点所以具有广阔的发展前景。

D类音频功率放大器通常包括PWM脉宽调制器、高速开关功率放大器、低通滤波器这三个部分，加上信号转换、测量显示以及短路保护部分就构成了一个完整的音频功率放大系统。

本文先简单介绍音频功率放大器的发展进程及该领域内的新兴技术,接着介绍音响和放大器的基本知识，由此提出设计的任务与要求，主要对系统内各组成部分电路的设计方案进行论证与比较，并择优选用D类音频功率放大器以及其它部分电路完成本系统的设计工作，最后对该系统进行实验测试，结果显示达到了设计要求。

关键词：D类音频功率放大器 PWM脉宽调制器高速开关功率放大器低通滤波器
Abstract: Compared with the traditional analog amplifier, the class-D amplifier possesses large developmental foreground. The reason is the later has several characters, such as small volume, high efficiency, low distortion and high power. the class-D amplifier usually includes the PWM pulse width modulator, the high-speed switch power amplifier and the low-pass filter. Besides of it, an integrity of the audio frequency power enlarge system still includes signal conversion part, measure manifestation part and short-circuit proof part. This text first introduces the amplifier’s development progress and those newly arisen techniques in the realm of the amplifier in brief, introduces the basic knowledge of the sound box and amplifier second. After these, it puts forward the mission and request of this design, and Mainly carry on argument to each circuit’s design project of which constitute the system. Then compare them , choosing the class-D amplifier and other optimization parts, and complete the design work of the system. finally, start an experiment and test to that system, the result come to the design’s request.
Keywords：the Class-D amplifier the PWM pulse width modulator the high-speed switch power amplifier the low-pass filter
引言
低失真、大功率、高效率是对功率放大器提出的普遍要求。

模拟功率放大器通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。

工作在开关状态下的D类功率放大器却很容易实现大功率、高效率、低失真。

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。

此外，模拟功率放大器还存在以下的缺点：电路复杂，成本高，常常需要设计复杂的补偿电路和过流、过压、过热等保护电路，体积较大，电路复杂；效率低，输出功率不可能做的很大。

D类开关音频功率放大器的工作基于PWM模式：将音频信号与采样频率比较，经自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM 波，然后经过驱动电路，加到功率放大器的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的PWM送入滤波器，则还原为音频信号。

D类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际运用也可达80%～95％。

功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很高，而且不会引入非线性失真。

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。

但由于其效率极高，目前得到了广泛的应用。

1 音频功率放大器的发展进程及新兴技术
1.1 音频功率放大器的发展进程
音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。

下面就简要说明一下音频功率放大器的发展进程。

1.1.1 早期的晶体管功放
半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。

自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。

早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高，例如，共发射极截止频率fh的典型值为4kHz，大电流管的耐压值一般在30V～40V左右。

这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其3dB截止频率通常在10kHz左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。

再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约，制作较大功率的OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管子，所以不得不采用变压器耦合输出。

变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。

下面讲一下晶体管功放的发展和互调失真。

随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。

最初的大功率PNP管是锗管，而NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们更多采用的是准互补电路，通过小功率硅管与一只大功率的NPN硅管复合，得到一只极性与PNP管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。

到了六十年代末，大功率的PNP硅管商品化的时候，互补对称电路才得到广泛的应用。

元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃，在主观音质评价方面，也改变了过去人们对晶体管功放的看法，无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放，晶体管功放都被大量地采用，首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。

在商品化的晶体管扩音机中，相继出现了一些璀璨夺目的名机，如JBL的SA600，Marantz互补对称电路Model15等等尽管电子管的
拥护者仍大量存在，人们毕竟能够比较公正地看待晶体管放大器了，认为晶体管机频响宽阔，层次细腻，与电子管机比较起来有一种独特的舱力，而不是简单的谁取代谁的问题。

瞬态互调失真的提出是认识上的一次飞跃，七十年代，功率放大器的发展史中出现了一件最引人注目的事情，这就是瞬态互调失真(Transient lntermodulation)及其测量方法的提出。

1963年，芬兰Helvar工厂的一名工程师在制作一台晶体管扩音机时，由于接线失误，使电路的负反馈量减少了，后来却意外地发现负反馈量减少后的音质非常好，客观技术指标较差，而更正错误以后的线路尽管技术指标提高了，音质反而比误接时明显下降。

这一现象引起了当时同一工厂的Otala博士的重视，之后，他对此进行了悉心研究，于1970年首先发表丁关于晶体管功率放大器瞬态互调失真(TIM)的论文。

至1971年,Otala博士及其研究小组就TIM失真理论发表的论文已经超过20篇，引起了电声界准互补电路人士的广泛反响。

TIM失真和音乐信号也有密切关系，音量大、频率高的节目信号容易诱发TIM失真。

严重的TIM失真反映在听感上类似高频交选失真，而较弱的TIM失真给人以“金属声”的不快感觉，导致音质劣化。

至今，音响界对于TIM失真都还有争议，但这毕竟是人们认识的深化，它使后来放大器的设计思想发生了根本性的变化，即更加注重放大器的动态性能而不是仅仅满足于静态技术指标的提高。

1.1.2 性能较好的模拟功放
接下来的很长一段时间，A类、B类以及AB类音频功率放大器（额定输出功率）一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形式从变压器输出到OTL、OCL、BTL形式过程。

其基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。

A类音频功率放大器的最高工作效率为50％，B类音频功率放大器的最高工作效率为78.5％，AB类音频功率放大器的工作效率介于二者之间。

无论A类、B类、AB类音频功率放大
器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言、音乐时平均工作效率只有30％左右。

音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化为热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。

例如，一台额定功率为1000W的A类音频功率放大器需要2000W的散热器，一台额定功率为1000W的B类音频功率放大器需要400W的散热器，因此，A类、B类和AB类音频功率放大器效率低、体积大。

人们曾努力想设计出效率高的音频放大器，如C类音频功率放大器，但其最高效率仍然不大于78.5％，因此，模拟音频功率放大器效率低，所需散热器大、笨重，不符合当前节能环保的要求，在这种情况下，D类音频功率放大器应运而生了。

1.1.3 D类音频功率放大器
为了提高音频功率放大器的效率，科研技术人员做了大量的研究试验工作。

早些时候人们已经论证了D类音频功率放大器的存在，它不同于模拟音频功率放大器，是全新的结构方式，是PWM开关脉冲功率放大器。

D 类音频功率放大器通常由PWM调制器、高速开关功率放大器、低通滤波器这三部分组成，工作过程简单描述如下：输入的音频信号经PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经驱动电路驱动高速开关功率放大器对信号进行放大，放大后的信号经低通滤波器进行滤波后带动扬声器。

由于D类音频功率放大器只工作在开关状态，其功率开关器件要么导通，要么截止，不在“放大区”停留，因此功耗极小、效率极高，理论上可达100％，实际电路中可达90％以上，所以D类音频功率放大器是高效、节能、数字化音频功率放大器。

但是，早些时候晶体管、集成电路的开关性差，不能满足D类音频功率放大器的技术要求，因此，对D类音频功率放大器的研究开发有相当的困难，研究开发仅停留在理论上。

近几年出现的VMOS管，IGBT管的开关特性很好，工作频率高、开关速度快、管压降小、功耗低，适合用于D类音频功率放大器的研究开发。

所以，近来D类音频功率放大器的研究开发有了突破性的进展。

几家著名的研究机构及公司已试验性地向市场提供了D类音频放大器评估模块及技术，这一技术一经
问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子工业以及商业界的特别关注。

下表是某一实验中对D类和B类音频功率放大器的效率以及功耗进行了比较。

比较条件：电源电压24V，负载4Ω，1000Hz，连续输出，整机效率，得到下表：
由此表可以看出，D类音频功率放大器有着模拟功放所无法比拟的优势，所以不久的将来，D类音频功率放大器必将取代传统的模拟音频功率放大器。

1.2 音频功率放大器的新兴技术
传统的音频功率放大器在解决失真与效率的矛盾问题上总显得有点力不从心,但以下的几种新技术却很好地解决了这个矛盾.
1.2.1 超甲类功率放大器
按甲类方式工作，理论上不会存在开关失真，而其效率可达到甚至超过乙类放大。

它解决了乙类的失真和甲类的低效率问题。

图1是超甲类功放的输出级，它采用活动偏置电路来代替传统的固定偏置。

活动偏置电路具有以下两种功能：第一是在信号输出的整个周期内没有开关现象；第二是波形的正、负半周过渡平滑，使合成波不会出现交越失真。

电路中A1和A2代表两个检波放大级，用来检测加到功率级输入端激励信号的变化，并加以放大，然后以控制电流的形式输出给可控电压源U B1和U B2。

U B1和U B2把来自A1和A2的电流变化转换成电压变化以控制末级电路的基极偏压，使
AB两端的偏压随激励信号的大小变化，实现了“动态偏流”。

E1为稳压电源，用来确定静态时末级电流并实现温度补偿。

从上述可知，超甲类功放的效率基本与乙类相似，而又大大地减少了波形的开关失真，是解决失真与效率之间矛盾较为理想的方法。

图1 超甲类功率放大器
1.2.2 S类功率放大技术
其特点是用电压控制放大器与电流驱动放大器构成电桥，使电压控制放大器工作在无负载的状态（即输出电流为零），即使接类似于扬声器之类的复合动态阻抗的负载，其电压控制放大器仍然能工作在十分理想的甲类状态。

由一个大功率的乙类放大器负责供给负载电流，所以大大地减小交越失真和其它失真，同时又具有乙类的高效率。

图2是S类放大器的基本电路。

电路的构成是由甲类电压控制放大器A1之后接有乙类电流驱动放大器A2，这两个放大器和负载R L之间通过电桥耦合。

假如放大器A2的增益接近于无穷大，那么A与B点同电位，R1与R3，R2与R4上的电压分别相等，即I2R1=I3R3,I0R2=I4R4。

设A2的输入阻抗为无穷大，则I3=I4，可得I0R2＝I3R4，I2=R2R3I0/(R1R4)。

电桥平衡时有：R1R4=R2R3，于是I2=I0（即输出电流完全供给负载）；I1=I2-I0=0（即电压放大器空载工作）。

就是说驱动负载的电流完全是由电流驱动放大器提供，甲类电压放大器总是工作在无负载的状态而与负载阻抗及其变化无关。

这样，甲类电压放大器可将工作点选择在最佳工作区；而电流放大器可以工作在效率最
高的乙类放大状态。

图2 S类放大电路原理图
综上所述，S类放大器既有乙类的高效率，又有甲类甚至超过一般甲类放大器的低失真。

故其性能十分优良。

1.2.3 电流倾注式乙类放大技术
由Quad 公司注册的“电流倾注式”功率放大器，利用其“电流倾注”技术，不仅使放大器的失真降低至很低的水平，而且末级采用了纯乙类方式。

其方法是：设法从
功放主要失真源的末级取出一部分信号与输入信号比较，从而得到一个能反映末级失真程度的“误差信号”，然后将它放大到所需的幅度和相位直接加到负载中去，即可抵消功放末级产生的各种失真，包括负反馈难以克服的交越失真和开关失真，对提高功放的性能和降低末级功率管的要求极为有利。

电流倾注式功放原理见图3，A1为小功率甲类激励级，大功率乙类末级用等效互补管表示。

从图3可看出，如果把R2去掉，该电路与一般功放在电路结构上没有多大区别，此时R1为负反馈电阻，C1为相位补偿电容，L为高频防振电感。

由于加进R2，并对C1、
R1、R2、L适当地取值，工作情况大为改观。

这时，上述4个元件构成一个
桥路，桥路的一个对角线接乙类末级，当A1的增益相当大时，A点相当于运放的虚地，负载R L就等效于接在桥路的另一对角线上。

如果桥路达到平衡，即L=R1R2C1时，B、D间主放大器产生的失真电压便不会反映在A、C 两端的负载R L上。

上述电路的工作过程简述如下：当输入信号较小时，末级因无偏置而处于截止状态，负载中的输出电流是由甲类功放A1通过R2馈入负载R L的，因此不存在交越失真现象。

随着输入信号的增大，R2上的压降随之增大，当此压降大于乙类功放的死区电压（约0.5V）时，乙类功放两管开始轮流导通向负载R L提供输出电流。

由于L的阻抗远小于R2，故大信号时负载电流主要由乙类功放提供。

此时甲类功放的作用除激励乙类功放外，主要是经R2向负载直接馈送抵消乙类功放输出电流失真的误差成分，它是由作为失真电流的取样元件L取出并与输入信号U i相比较而得到。

如果桥路元件达到平衡，馈入负载的误差电流恰好与乙类功放失真电流在幅度上相等而相位相反，从而使其失真在理论上可完全消除。

图3 电流倾注式功放原理图
在实际电路中，由于元器件误差电流倾注功放并不可能完全抵消失真，电桥更不可能在很宽的音频范围内达到精确平衡。

所以为了在整个声频段内获得很低的失真，中高频段由桥路平衡来保证，低频段则由负反馈加以改善。

1.2.4 负阻抗驱动功率放大器
在放声系统中，实现电/声转换的扬声器所产生的非线性失真和瞬态失真总是难以有效地克服或减小。

由于扬声器的振膜和音圈有固有的质
量，在输入信号停止以后，扬声器的振膜并不能立即停止振动，而是衰减振荡，特别是在扬声器单元的谐振频率f
处更为严重，使得重放的声音含
糊不清、拖泥带水；而且由于扬声器在振动过程中会产生相应的反电动势阻碍扬声器振动，使失真不可避免。

为解决这个问题，可使用具有负阻抗输出的功率放大器来驱动扬声器。

这样，在功放和扬声器构成的输出回路中总的阻抗减小或趋近于零，既可以增加大动态的阻尼，实现对扬声器的准确控制，又可将扬声器产生的反电动势及失真短路，在理论上把扬声器系统的失真降为零。

图4为负阻抗输出功率放大器的基本回路。

A1及其外围电路构成主放大器，R f与R0
构成电压并联负反馈；A2及其外围电路构成负阻驱动电路，将取样电阻R S 检测的输出电流加以放大，并与主放大器A1构成正反馈，形成负阻输出。

放大器的输出阻抗可推导为Z0=R S［1-R1R E/(R2R0)］。

为了保证电路能稳定工作，必须使放大器与扬声器回路总阻抗大于零（不可为负值，否则放大器会产生自激），同时考虑到扬声器音圈电阻随工作温
度有所变化，一般取值为Z0=－（0.6～0.9）R V（其中R V为扬声器音圈电阻）。

需要说明的是，负阻输出功率放大器仅对低频段的非线性失真改善较有效，对中高频作用不是很大，故一般只在低频范围内才引起正反馈。

所以负阻输出功率放大器常用在有源低音炮中来改善扬声器的瞬态失真。

图4 负阻抗功放的基本电路
1.2.5 柔性剪峰放大器及技术
现代晶体管功率放大器就谐波失真而言其谐波失真可达万分之几，然而听感却比不上谐波失真达百分之二的电子管功放。

其中原因虽颇有争议，但有一点是公认的，即电子管功放的过负荷能力远比晶体管功放强，且出现过负荷时，其听感仍然较为柔顺，不易被人察觉；而晶体管机出现过负荷时，必然会产生削波失真，很容易被人感觉到。

原因是两者失真的过程大不一样，如图5所示，（a）表示晶体管放大器的削波失真，失
真较严重，故听感上破裂、生硬；（b）表示电子管放大器的削波失真，其过程较圆滑，故听感较柔顺。

柔性剪峰电路可使一般的晶体管削波失真转换成类似电子管的过荷
失真，使晶体管机音色甜美圆润，类似电子管的韵味。

因此有人称之为“模拟胆声电路”，输出波形如图（c）所示。

柔性剪峰电路的原理如图6所示。

图中功率放大部分采用±28V双电源供电，在8Ω负载上可以得到40W的正弦有效不失真输出功率，计算输出电压的有效值为17.89V，峰值为25.29V，该部分电压放大倍数Au＝1＋R11/R10=15.4倍，则最大输入峰值电压为
1.64V。

超过该值，放大电路必定产生削波失真。

当开关K未合上时，柔性剪峰电路不起作用。

此时A点电位U A=2.15V，使D3导通（即柔性剪峰电路起控）的条件是：U C>(2.15+0.6)V>2.75V。

同理，要使D4导通的条件是：
图5 三种削波失真
图6 柔性剪峰电路原理图
U C<-2.75V。

所以使柔性剪峰电路起控的输入电压峰值必须达到2.75V，这时即使电路起控，其输入电压已超过了后级功放的允许最大输入峰值（1.64V），同样会产生削波现象。

当开关K合上时，R3、R4相连，开关两侧的电位为零，相当于一个虚地，同样方法计算得U A为+0.84V，U B为-0.84V，则U C点电位为±1.4V时，电路开始起控。

输入电压经D3对电容C2充电（正半周时），使输入电压的增加速度变慢，负半周时输入电压经D4对电容C1充电，同样使输入信号变化速率下降。

这样当输入信号幅度超过1.4V 时，将超过的部分进行压缩，以免超过后级功放允许的最大峰值1.64V而出现失真。

使输出信号在±22V 处开始圆滑过渡，如图5（c）所示，类似于电子管机的过负荷失真，使听感柔顺许多。

1.2.6 失真伺服技术及电路
负反馈技术使放大器的失真大大降低的同时会产生新的失真，特别是大环路负反馈时，会产生较大的瞬态失真；况且负反馈对交越失真、开关失真等无能为力。

所以现代功率放大器越来越倾向于“无负反馈”设计，通常是将功率放大器的末级排除在反馈环路之外，但由于元器件的非线性，末级将不可避免地产生失真。

为了解决这些问题，以DENON公司的Distortion Servo（失真伺服）和YAMAHA公司ALA（完全线性）电路为代
表的失真处理技术应运而生。

这两种电路虽然不尽相同，但在原理上都是通过检测输出信号，与输入信号比较，产生一独立的“误差信号”，再反相回送来抵消末级放大器本身产生的失真，包括晶体管的非线性以及扬声器的反电动势引起的各种失真。

图7为一款利用DENON的失真伺服技术构成的无负反馈功放原理图。

该电路由电压放大级（仅画出由BG3，BG4等构成的输出级）和带有失真伺服电路的电流放大级构成，电流放大级产生的所有失真由失真伺服电路抵消。

失真伺服电路的核心是一个比较器，用高速运算放大器（这里选用LF356）构成。

对于高频部分为防止正反馈产生振荡，加了C1、C8作为防振电容；R5～R10则组成电压加法电路，在有失真校正电压产生时，让校正信号有一恰当的叠加通路，C2～C5是加速电容，当瞬间大信号到来时，使末级的开关动作提前，以利于提高瞬态和高频性能；D1、D2则为输入端保护二极管，防止运放因输入信号过大而损坏。

通过调整R W可使输出失真降至最低，如果忽略前级电压放大器产生的失真，理论上可将功率放大器的失真降为零。

图7 DENON的失真伺服技术无负反馈功放原理图
1.2.7 功率放大器的其它处理技术
一台优质的功率放大器，可能因成本限制，使用场合不同，而采用不同的电路和技术。

有些可能采用多项技术进行综合处理，以期达到较好的重放效果。

下面对一些常见的处理技术进行简单的介绍。

①直流伺服技术
放大器的直流化是现代功放的发展趋势，传统的方式一般利用直流负反馈来稳定中点电压，不仅效果有限，而且常需要隔直电容，这对功放来讲总是音质劣化的隐患。

利用直流伺服电路来稳定中点电位可使零漂达10mV以下，使功放与音源之间可采用直耦的方式，这对于重放CD之类的数字音源十分有利，因为数字音源越来越重视超重低音的录制，以改善放音的真实感和自然感。

图8为一常见的直流伺服电路。

图8 直流伺服电路
②浮地技术
为减小不同信号之间的相互串扰，对接地的处理是相当重要的。

一般功放通过合理的布线，减小接地电阻和一点接地等可收到较好的效果，但明显不够。

一个完善的地回
路设计要尽量避免输入的小信号回路、输出的强信号回路和供电回路之间的相互串扰。

为此，许多高档功放的制作采用了“浮地”技术。

其方法是用一只低值电阻接在输入信号地与负载地和电源地之间，使后两者对信号地“悬浮”起来，只要浮置电阻大于功放负载阻抗（常取4.7～10Ω）就能较好地避免输出大电流回路的寄生信号串入输入回路，使相互串扰的影响降到最低。