基于D類(lèi)放大的高效率音頻功率放大器設計

摘要：為提高功放效率，以適應現代社會(huì )高效、節能和小型化的發(fā)展趨勢，以D類(lèi)功率放大器為核心，以單片機89C51和可編程邏輯器件(FPGA)進(jìn)行控制及時(shí)數據的處理，實(shí)現了對音頻信號的高效率放大。系統最大不失真輸出功率大于1 W，可實(shí)現電壓放大倍數1～20連續可調，并增加了短路保護斷電功能，輸出噪聲低。系統可對功率進(jìn)行計算顯示，具有4位數字顯示，精度優(yōu)于5％。
關(guān)鍵詞：D類(lèi)功率放大；PWM調制；高速開(kāi)關(guān)電路；低通濾波

傳統的音頻功率放大器主要有A類(lèi)(甲類(lèi))、B類(lèi)(乙類(lèi))和AB(甲乙類(lèi))。A類(lèi)功率放大器在整個(gè)輸入信號周期內都有電流連續流過(guò)功率放大器件，它的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號的失真比較小，缺點(diǎn)是輸出信號的動(dòng)態(tài)范圍小、效率低，理想情況下其最高效率為50％。B類(lèi)功率放大器在整個(gè)輸入信號周期內功率器件的導通時(shí)間為50％，它的優(yōu)點(diǎn)是在理想情況下效率可達78．5％，但缺點(diǎn)是會(huì )產(chǎn)生交越失真，增加噪聲。AB類(lèi)(甲乙類(lèi))功率放大器是以上兩種放大器的結合，每個(gè)功率器件的導通時(shí)間在50％～100％之間，兼有甲類(lèi)失真小和乙類(lèi)效率高的特點(diǎn)，其工作效率介于二者之間。傳統音頻功率放大器效率偏低，體積偏大的缺點(diǎn)與音頻功率放大高效、節能和小型化的發(fā)展趨勢的矛盾，催生了D類(lèi)(丁類(lèi))音頻功率放大器出現和發(fā)展。本系統即采用D類(lèi)功率放大實(shí)現，并用單電源供電，符合現代社會(huì )對電源小巧、便攜要求的實(shí)際需要。

1 系統方案論證與選擇
1．1 整體方案
方案①：數字方案。輸入信號經(jīng)前置放大調理后，即由A／D采入單片機進(jìn)行處理，三角波產(chǎn)生及與音頻信號的比較均由軟件部分完成，然后由單片機輸出兩路完全反向的PWM波給入后級功率放大部分，進(jìn)行放大。此種方案硬件電路簡(jiǎn)單，但會(huì )引入較大數字噪聲。
方案②：硬件電路方案。三角波產(chǎn)生及比較、PWM產(chǎn)生仍由硬件電路實(shí)現，此方案噪聲較小、且幅值能做到更大，效果較好，故采用此方案。
1．2 三角波產(chǎn)生電路設計
方案①：利用NE555產(chǎn)生三角波。該電路的特點(diǎn)是采用恒流源對電容線(xiàn)性沖、放電產(chǎn)生三角波，波形線(xiàn)性度較好、頻率控制簡(jiǎn)單，信號幅度可通過(guò)后加衰減電位器控制。
方案②：對方波積分產(chǎn)生三角波。積分器與比較器級聯(lián)，通過(guò)對比較器產(chǎn)生的方波積分得到三角波，頻率與幅值控制只需調整某些電阻值，控制簡(jiǎn)單。但考慮積分電路存在積分漂移。
此處采用選擇方案①。
1．3 PWM波產(chǎn)生方案設計
方案①：直接比較。取偏重與輸入音頻信號信置相同，幅度略大的三角波信號與音頻信號直接比較，產(chǎn)生PWM波，后再經(jīng)反向器產(chǎn)生一路與之完全反向的PWM波信號給后級放大電路。
方案②：雙路比較。用兩路偏置不同的三角波信號與音頻信號的上下半部分別比較。此種方案可減少后綴H橋電路中CMOS管的開(kāi)合次數，減少功率損耗，提高效率。
方案③：將音頻信號直接反向。在對音頻輸入信號進(jìn)行放大調理后直接將其反向，再對處理后信號分別進(jìn)行三角波比較，從而產(chǎn)生兩路反向的PWM波。
因方案②的效率較高且對抑制共模噪聲有一定作用，故選用方案②。
1. 4 短路保護方案設計
方案①：電流互感器法。用電流互感器感應出通過(guò)負載電阻的電流，在對此電流進(jìn)行處理，以判斷電路過(guò)不過(guò)流。
方案②：采樣電阻法。將一小值電阻串入電路中采出系統流過(guò)負載的電流，以判斷電路過(guò)不過(guò)流。該方案實(shí)現簡(jiǎn)單，且接入小值電阻對此系統影響很小，故采用此方案。

2 系統總體設計方案及實(shí)現框圖
如圖1所示為系統的整體實(shí)現框圖，系統由高效率功率放大、信號變換電路、過(guò)流保護及功率測量4個(gè)主要模塊組成。其中最核心的高效率功率放大器又由前置放大、三角波產(chǎn)生電路、比較器電路、驅動(dòng)電路、H橋互補對稱(chēng)放大5部分構成。輸入音頻信號經(jīng)過(guò)前置放大電路進(jìn)行放大調理后，分上下部與兩路三角波信號進(jìn)行比較，得到兩路相互對應的PWM波；即對音頻信號進(jìn)行脈寬調制，而后經(jīng)驅動(dòng)電路增加其信號的驅動(dòng)能力，再給入H橋模塊，利用占空比的變化控制功率開(kāi)關(guān)管的導通與截止，實(shí)現功率放大，之后再對負載上的輸出進(jìn)行低通濾波濾出原音頻信號。在負載上將信號給入信號變化電路，將雙端信號轉化為單端信號，經(jīng)一截止頻率為20 kHz的RC濾波器后接測試儀表測試。同時(shí)在此處將單端信號真有效值檢波，經(jīng)AD采樣后送入單片機內進(jìn)行功率計算及顯示。系統還有過(guò)流保護功能，0．1Ω采樣電阻與負載串聯(lián)，采出流過(guò)負載的電流值，經(jīng)放大比較后，用繼電器控制功率放大部分的供電，從而實(shí)現保護作用。系統最大不失真輸出功率大于等于1 W，可實(shí)現電壓放大倍數1～20連續可調，因采用D類(lèi)放大方案，可達到較高的效率，輸出噪聲很小，功率顯示誤差很小。

3 主要功能電路設計
3．1 前置放大模塊
前置放大電路采用高效率、軌對軌、低噪聲運放芯片OPA350構成同相寬帶放大電路。信號輸入端串聯(lián)電容達到隔直耦合作用。同時(shí)因單電源供電，在運放同向端給2．5V偏置。設置反饋電阻為電位器，可動(dòng)態(tài)改變放大器的增益1～20倍增益連續可調。
3．2 三角波產(chǎn)生電路
三角波產(chǎn)生電路如圖2所示。采用NE555芯片構成三角波電路，通過(guò)恒流源對電容C1實(shí)現線(xiàn)性充放電從而獲得三角波。開(kāi)始工作時(shí)，555芯片3號腳為高電平，二極管D4導通，D3截止，從而D1導通，D2截止，由T1、T2、R1構成的恒流源通過(guò)D1對C1線(xiàn)性充電，當充電使C1兩端電壓達到2／3Vcc時(shí)，3號腳輸出電平發(fā)生反轉，變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)D1、D2、D3、D4導通狀態(tài)也完全相反，由下方T3、T4、R2構成的恒流源通過(guò)D2對C1線(xiàn)性放電，當放電使C1兩端電壓達1／3Vcc時(shí)，3號腳又反轉為高電平，如此循環(huán)往復，實(shí)現周期三角波信號產(chǎn)生。由C1兩端引出輸出，即可得到線(xiàn)性度良好的三角波信號，后接一級同相跟隨器已達到前后級隔離的目的。C1采用漏電流低、響應速度快的聚苯乙烯電容，保證較好性能。