高效音频功率放大器的设计.docx

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高效音频功率放大器的设计

高效音频功率放大器的设计

摘要

在音频功率放大器的市场上，AB类一直处于统治地位。

近年来，随着MP3、DVD和移动电话等便携式消费电子产品的普及，D类音频功率放大器以高效率、低功耗、小体积的优点日益成为音响领域的主流，在未来便携式和大功率音频视频领域中将具有广阔的发展前景，因此对高效音频功率放大器的设计具有十分重要的意义。

本设计根据D类功放的工作原理设计的D类音频功率放大器，能对音频信号进行放大，放大器的通频带达到300~3400HZ，输出功率1W，输出信号无明显失真。

根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H桥互补对称输出及低通滤波模块等。

其中三角波产生器及比较器共同组成脉宽调制（PWM）模块，H桥互补对称输出电路采用驱动电流小、低导通电阻及良好开关特性的VMOSFET管，滤波器采用两个相同的四阶Butterworth低通滤波器。

经过仿真和测试都达到了设计的要求。

关键词：

高效，音频，D类功放，放大器

DesignofHigh-EfficientAudioPowerAmplifier

ABSTRACT

Intheaudiopoweramplifiermarket,ABhasbeenthedominantclass.Inrecentyears,alongwithMP3,DVDandmobilephones,thepopularityofportableconsumerelectronicproducts,Daudiopoweramplifierwithhighefficiency,lowpower,smallsizeadvantageofthefieldisincreasinglybecomingthemainstreamaudio,portableandhigh-poweraudiointhefutureVideoareawillhaveabrightfuture,Therefore,efficientaudiopoweramplifierdesignisofgreatsignificance.

AccordingtotheworkingprincipleofclassDamplifier,thisproductisdesignedandtheaudiosignalcanbeamplifiedtotheamplifier'spassbandto300~3400HZ,theoutputpower1W,theoutputsignalwithoutsignificantdistortion.ClassDamplifieraccordingtotheprincipleofpreampmodulesweredesigned,triangularwavegeneratormodule,comparisonmodule,drivermodule,Hbridgeoutputandthecomplementarysymmetriclow-passfiltermodule.Onetriangularwavegeneratorandpulsewidthmodulationcomparatorcommonform（PWM）module,Hbridgeoutputcircuitusingcomplementarysymmetrydrivecurrent,lowresistanceandgoodswitchingcharacteristicsofVMOSFETtube,filterusestwoidenticalfourth-orderButterworthlow-passfilter.

KEYWORDS：

High-Efficient,Audio,ClassDamplifier,Amplifier

1绪论

1.1音频功率放大器概述

音频功率放大器是MP3播放器、笔记本电脑、手机以及便携式DVD等消费类电子产品中应用最广泛的组件之一，有很大的市场。

传统音频功率放大器主要有A类（甲类）、

B类（乙类）和AB类（甲乙类）。

A类放大器主要特点是：

放大器工作点Q设定在负载线中点附近,晶体管在输入信号整个周期内均导通。

放大器可单管工作，也可以推挽工作。

由于放大器工作在特性曲线线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。

电路简单，调试方便。

但效率较低，晶体管功耗大，功率理论最大值仅有25％，且有较大非线性失真。

由于效率比较低现在设计基本上不在再使用。

B类放大器主要特点是：

放大器静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。

在输入信号正半周期内，三极管一个导通一个截止，输出端正半周正弦波；同理，当输入信号为负半波正弦波也是一样，所以必须用两管推挽工作。

其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。

即当信号在-0.6V~0.6V之间时，两个三极管都无法导通而引起。

所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

AB类功率放大器能够提供高品质的信号放大性能，所以已经被广泛的应用，然而AB类功率放大器工作时，由于直接对模拟信号进行放大，工作期问必须处于线性放大区，因此其功率耗散较大，在大输出功率情况下，AB类放大器会对功率器件构成极大威胁。

其特点是：

1．效率低，其输出功率不可能很大；2．大功率输出时，通常需要散热器，因此系统体积较大。

随着科技的进一步发展，更多、更新的便携式多媒体产品都要求其中的音响系统具有更小的外形设计和更大的电池容量，所以上述缺点都成为AB类功率放大器的致命弱点，限制了AB类音频功放的进一步发展。

近些年来，随着各领域数字化程度不断加深，D类音频功率放人器逐渐进入了人们的视线，D类放大器的工作方式小不同与于A类、B类和AB类，它采用切换电压方式的同时利用数字信号控制导通时间以放大信号，其输输出级的工作状态不是完全导通就是完全截至，因此输出器件的功耗非常小，使它的效率远比A类、B类和AB类要高的多，同时D类放大器的效率和输入信号的大小无关，不像AB类放大器只有在很高的输出功率时才能达到比较高的效率，在电源电压为额定值时，D类放大器的效率高达80％—90％以上，其平均效率大约要比AB类放大器高2—3倍，也就是说，通常系统电池的寿命可以延2—3倍，同时在输出功率一样的情况下，D类音频功率放大器的表面温度会远远低AB类，因此使用时不需或只需要一个很小的散热器，这就大大减小了D类音频功率放大器的体积。

D类音频功放的特点：

（1）节能，所需散热片小，这样可以节省空间，系统可以设计得较轻、较小，便于携带；

（2）电源使用效率很高，可以延长系统电池的寿命。

上述优点使得D类音频放大器和模拟音频放大器相比时具有很大的优势。

随着目前市场上消费电子行业的快速发展以及音频功率放大器高效、节能和小型化的趋势，D类音频功率放大器开始逐渐取代AB类进入可携式产品、家庭AV设备、专业影音、汽车音响、平板电视、媒体播放器笔记本电脑和汽车音箱等多个领域，可以说，在未来的很长时间内，D类音频功率放大器将一直是研究的热点，设计出一款兼顾效率与保真度的D类音频功率放人器也会越来越成为众多研究机构和企业所关注的课题。

1.2D类音频功率放大器的发展

D类工作模式在1959年由Baxandall首先提出，即使用脉冲形式的信号来驱动高速的功率开关，该脉冲信号一般都是脉宽凋制（PWM）信号，它的低频部分包含了调制信号的信息，通过一个低通滤波器以后，可以将调制信号重现。

从60年代起，人们就开始尝试研制D类放大器，最早是想用真空管来研制D类放大器，但由于受到真空管在电压降和电流能力方面的限制，降低了放大器的效率，限制了放大器的输出。

在60年代后期，双极型晶体管取代了真空管，此时研制低频高效D类放大器的条件已经成熟，然而由于D类放大器需要在高频条件下工作，其工作频率至少为20KHz音频频率的4～5倍，因此在这样的高频下，使用双极型晶体管会产生连续的开关损耗，这限制了D类放大器效率的提高。

直到1970年金属氧化物半导体场效应管出现后，满足了D类放大器对高开关速度和低导通损耗的要求，实现了高性能的开关器件，这才开发出宽频带D类音频功率放大器，D类音频功率放大器从一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了电子工业界的广泛关注。

由于现在设计技术的不断提高，D类音频功率放大器的性能得到了突飞猛进的改善，在音质方面已经逐渐追上了AB类的性能，这使得其近年来在市场上有极快的发展，根据专业调研公司的数据，2005年全球D类音频放人器销售总值己达2亿美元以上，2006年增长至约3．5亿美元，而2008年市场需求将会超过6亿美元，按照这样的增长速度，预计到2010年将达到10亿左右的规模，发展前景十分乐观。

目前D类音频功率放大器市场中的主流产品几乎都来自欧美的各大半导体设计公司，如美国国家半导体（National）、德州仪器（TI）、美信（Maxim）和Tripath公司，此外还有欧洲的意法半导体（ST）、欧胜（WolfonMicro）和飞利浦（PHILIPS）等，而包括台湾在内的中国半导体企业都极少有能够与他们竞争的产品。

国际方面，首先介绍的是美国的Tripath公司，该公司拥有称为数码功率处理（DPPTM）的专利技术，此技术采用多种信号处理技术，包括自适应预处理、噪声整形、

预失真处理和△一∑调制电路，进一步减小了失真和噪声，确保了音频高保真性能的同时也完成了高效率的放大，Tripath公司将基于DPPTM原理设计的放大器称为T类放大器，该类放人器具有高保真、高效率、体积小、重量轻等特点，该类放大器在推动40hm负载时功率可达90W，THD+N小于0．1％，效率高达90％。

作为全球D类音频功率放大器行业的领先公司，TI于2005年5月推出较为先进的20W单声道高功率数字输入D类音频放大器TPA3200D1，该芯片突破传统的模拟输

入，向全数字化功放更进一步，该芯片在18V电源电压下推动80hm负载时功率可达

20W，THD+N小于0．1％，效率高达85％以上。

另外，NS，ST，PHILIPS，YAMAHA等公司也纷纷推出自主设计的D类音频功率放大器，如NS的l。

M系列，ST的sTA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等等。

国内方面，1998年11月，成都天奥公司发布了具有自主知识产权的D类音频功率放大器，并于2000年研制出6通道专用芯片DPPC2006，其转换效率达到了90％以上，

目前，该公司数字音频功放IC已广泛应用于DVD、汽车音响、家庭影院和背投电视等领域。

2005年12月，成都华微《数字音频功放芯片丌发与模块制造》项目己成功通过国家电子信息发展基金办公室验收，并得到高度评价。

同时诸多公司也己开始或者有计划向D类音频功放芯片化方向投入大量人力与物力，种种迹象表明，近几年，国内公司在D类音频功率放大器开发方面将作出突破。

因此，对D类音频功率放大器的相关技术进行研究具有非常重要的意义。

1.3本论文的主要工作及主要内容

本论文的目标就是设计一款便携式电子产品中的高效率、高保真度、小体积的D类音频功率放大器。

在论文工作期间，作者查阅了大量有关D类音频功率放大器方面的资料，较系统地研究了D类音频功率放大器的结构和性能，设计了一款工作于5V电源电压的D类音频功率放大器，并完成了D类音频功率放大器的版图设计。

本文采用PWM调制技术来实现D类音频功率放大器，主要研究工作有：

（1）研究了基于PWM调制技术的D类音频功率放大器的系统结构；

（2）各个模块的电路设计；（3）原理图设计与系统仿真；（4）系统调试；（5）PCB图的设计。

本文的主要内容为：

第一章为引言，指出了本论文的研究意义。

第二章介绍了音频功率放大器的分类，分析了各自工作原理，比较了各自的优缺点。

第三章介绍了所设计D类音频功率放大器的系统结构的分析。

第四章讨论了所设计各个模块的具体电路实现、仿真结果及系统测试结果。

第五章对相关工作的总结和对自己以后工作的要求。

2音频功率放大器

2.1音频功率放大器的指标

2.1.1THD+N指标

THD+N是英文TotalHormonicDistortion+Noise的缩写，译成中文是“总谐波失真加噪声”。

它是音频功率放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定输出功率的一个条件。

总谐波失真THD（TotalHarmonicDistortion）是指用信号源输入时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分（通常用%来表示）。

噪声发生是一个随机过程，它的大小在任何时候都不能被预测。

但在很多情况下，噪声的平均功率还是可以被预测的。

我们通常需要把几个主要噪声源的影响相加来获得总噪声，得到我们关注的平均噪声功率。

这里特别要指出的是THD+N这个指标是在Fin=1kHz下给出的，在实际上音频范围是20Hz～20kHz，则在20Hz～20kHz范围测试时，其THD+N要大得多。

例如，某音频功率放大器在1kHz时测试，其TDH+N=0.08%。

若FIN改成20Hz-20kHz,，其他条件不变，其THD+N变为小于0.5%。

对于音频功率放大器来说，THD+N指标越小越好[2][9]。

2.1.2功率放大器的效率η

功串放大的实质是通过晶体管的控制作用，把电源提供给放大器的直流功率转换成负载上的交流功率。

交流输出功串和直流电源功率息息相关。

一个功率放大器的直流电源提供的功率究竟能有多少转换成交流输出功率呢？

我们当然希望功率放大器最好能把直流功率（PE=EcIc）百分之百转换成交流输出功率（Psc＝Uscisc）实际上却是不可能的[1-5]。

因为晶体管自身要有一定的功率消耗，各种电路元件（电阻、变压器等）要消耗一定的功率，这就有个效率问题了。

放大器的效率η指输出功率Psc与电源供给的直流动率PE之比：

η=Psc/PE（2-1）

通常用百分比表示：

η=Psc/PE×100%（2-2）

效率越高，表示功率放大器的性能越好。

2.1.3最大输出功率（POCM）

输出功率反映音频功率放大器的负载能力，通常音频放大器厂家会提供产品的在一定工作电压和额定负载下的最大输出功率。

芯片的效率在不同的条件下肯定也不相同[1-5]。

2.1.4脉冲宽度调制（PWM）

脉冲宽度调制（PWM），是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。

图2-1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。

该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。

语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。

因此，从图中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。

通过图2-1的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻tk时的语音信号幅度值。

因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。

在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中tk-kTs<

如果假定采样为均匀采样，第k个矩形脉冲可以表示为：

（2-3）

其中，x{t}是离散化的语音信号；Ts是采样周期；

是未调制宽度；m是调制指数。

然而，如果对矩形脉冲作如下近似：

脉冲幅度为A，中心在t=kTs处，

在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波xp（t）可以表示为：

（2-4）

其中，

。

无需作频谱分析，由式（2-4）可以看出脉冲宽度信号由语音信号x（t）加上一个直流成分以及相位调制波构成。

当

<<

时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。

PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

2.1.6转换速率

功放的转换速率涉及它的高频性能,转换速率越高,高音的音质越佳。

功率放大器的转换速率的定义是放大器瞬时输出电压上升（或下降）的最大时间变化率,即输出电压对时间的最大导数（dv/dt）。

它反映了放大器跟随能力的大小。

由于现代立体声音乐节奏强烈,信号变化量大,而且又有较多中、高频分量的打击乐器,这就要求放大器须有跟得上输入信号跃变的速率。

衡量放大器的响应速度一般是用电压转换速率。

其定义是在1微秒时间里电压升高幅度。

转换速率低的功率放大器瞬态响应差,而转换速率相当高（数百V/μs）的功率放大器,稳定性差,而且还有可能引入噪声和干扰。

转换速率究竟以多大为最佳,目前尚无定论,根据信号源与听感要求,转换速率在30～100V/μs的功率放大器比较符合需要。

由于晶体管功放的开关速度（与转换速率有关的一个参数）没有电

子管功放那么快,因此它的转换速率也没有电子管功放那么高。

现今晶体管功放的转换速率一般可做到10～15V/μs。

MOS-FET场效应晶体管功放的转换速率可达到50～70Ⅴ/μs,即达到电子管功放同样的水平,因此高音音质非常清晰,层次分明[6]。

2.2功率放大器的分类

根据不同的需要出现了各种类型的功率放大器，分为线性功率放大器和数字功率放大器（D类功率放大器和T类功率放大器），线性功率放大器按导通角又分为A类、B类、AB类功率放大器。

2.2.1A类放大器

A类功放也被称为甲类功放，此类功放的导通角θ=180°心。

如图2-2所示，A类放大器的偏置电流IQ大于输入电流，Q点（静态偏置点）处于负载线的中心，A类功率放大器的静态工作点一般选在负载线的中点，所有输出器件在输入信号的整个周期内均有电流流过，使其处于良好的线性工作状态。

这种放大电路，由于不会产生开关失真和交越失真，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，它是一种优质的线性放大电路，其声音表现是相当不错的。

由于较小的非线性失真，使得A类功率放大器一般都用在较高档次的音响系统中。

但是由于电源不断地输出功率，在没有信号时，这些功率全部消耗在器件上，并转化为热量形式好散出去。

有信号时，其中一部分转化为有用输出功率，信号愈大，输出给负载的功率愈多，因此A类功放的效率较低。

2.2.2B类放大器

B类放大器亦称为乙类放大器，导通角θ=90°，虽然管耗小，但是有利于提高效率，使得输出信号的半个波形被削掉了。

但是如图2-3所示，如果利用两个管子都工作在乙类放大状态，一个工作在正半周期，另一个工作在负半周期，从而在负载上得到一个完整的波形，解决效率与失真的矛盾。

输出功率用输出电压有效值Vo和输出电流有效值Io的乘积来表示。

设输出电压的幅值为Vom，则输出功率为：

（2-5）

最大输出功率为：

（2-6）

设输出信号为Vo=VomSin

t，则直流电源的供给功率Pv为：

（2-7）

其中Po为输出功率，Pt为在管耗功率。

则效率η为：

﹪（当Vom

Vcc时成立）（2-8）

2.2.3AB类放大器

由于乙类放大器，当输入信号在-0.6V—+0.6V时T1和T2都截止，负载RL上无电流通过，数显一段死区，这种现象叫交越失真。

如图2-4所示AB类放大器能够很好的克服交越失真，在D1、D2上产生的压降为T1、T2提供一个适当的偏压，使之处于微导通状态。

当有信号时，在信号的负半周期，T1导电，有电流通过负载RL,同时向C充电；在信号的正半周期，T2导电，则已充满电的电容起电源VCC的作用，通过负载RL放电。

AB类放大器通过两个偏置电压（Vbb）来避免交越失真。

由于这一优点，AB类放大器在传统的音频放大器中得到了广泛应用。

在电子设备中，AB类放大器还占有很大的市场。

当输入信号为零时，由于此时两个晶体管仍然处于导通状态，因此每一个晶体管的功率损耗均大于B类放大器，即AB类放大器的最大工作效率小于B类放大器，但大于A类放大器。

2.2.3D类放大器

D类（数字音频功率）放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。

具有效率高的突出优点.数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路（半桥式和全桥式）和低通滤波器（LC）等四部分组成.D类放大或数字式放大器。

系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

（1）具有很高的效率，通常能够达到85%以上。

（2）体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

（3）无裂噪声接通。

（4）低失真，频率响应曲线好。

外围元器件少，便于设计调试。

D类放大器的原理，在三、四章节在详细叙述，它的主要特点是高效率高效率、低功耗、小体积；缺点是信号失真度相对较大，但是随着D类放大器的发展，必定会有所改善。

2.2.4T类放大器

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。

但它和普通D类功率放大器不同的是：

（1）它不是使用脉冲调宽的方法，Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“DigitalPowerProcessing（DPP）”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。

它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。

输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。

从而使音质达到高保真线性放大。

（2）它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。

使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。

（3）此外，T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。

DDP的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。

在高保真方面，线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。

3D类功率放大器

3.1D类放大器原理

D类放大器是一种完全不同的放大器，它并不只是放大器工作点的选择，因此也称之为“数字音频放大器”。

因为有一种D类放大器可以接收数字输入而省去D/A变换。

D类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术（PWM）。

所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。

如图3-1所示，一个模拟音频信号就与三角波（或锯齿波）通过比较器，就形成一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。

只要对这系列的脉冲信号放大就可以了。

而原来的模拟信号就被调制为宽度不同的等幅信

号。

这个信号经过开关输出电路放大，将被放大的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。

其工作波形图如图3-2所示。

如上图3-2所示为脉宽调制D类功放的原理框图，三角波产生器产生的三角波V