高效率音频功率放大器的设计

毕业设计(论文)说明书1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 低通滤波器毕业设计(论文)说明书2Abstract: 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 amplifiers 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 circuits 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 designs request. Keywords：the Class-D amplifier the PWM pulse width modulator the high-speed switch power amplifier the low-pass filter毕业设计(论文)说明书3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毕业设计(论文)说明书4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30V40V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，相继出现了一些毕业设计(论文)说明书5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毕业设计(论文)说明书6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。几家著名毕业设计(论文)说明书7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4，1000Hz，连续输出，整机效率，得到下表：D类音频功率放大器模拟音频功率放大器输出功率（W） 效 率（）热功耗（W）效 率（）热功耗（W）72 97 2 72 2636 96 1.5 50 36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A 1和A 2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和毕业设计(论文)说明书8UB2。U B1和U B2把来自A 1和A 2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”。E 1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A 1之后接有乙类电流驱动放大器A 2，这两个放大器和负载R L之间通过电桥耦合。假如放大器A 2的增益接近于无穷大，那么A与B点同电位，R 1与R3，R 2与R 4上的电压分别相等，即I 2R1=I3R3,I0R2=I4R4。设A 2的输入阻抗为无穷大，则I 3=I4，可得I 0R2I 3R4，I 2=R2R3I0/(R1R4)。电桥平衡时有：R 1R4=R2R3，于是I 2=I0（即输出电流完全供给负载）；I 1=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毕业设计(论文)说明书9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，A 1为小功率甲类激励级，大功率乙类末级用等效互