基于D类放大的高效率音频功率放大器设计

摘要：为提高功放效率，以适应现代社会高效、节能和小型化的发展趋势，以D类功率放大器为核心，以单片机89C51和可编程逻辑器件(FPGA)进行控制及时数据的处理，实现了对音频信号的高效率放大。系统最大不失真输出功率大于1 W，可实现电压放大倍数1～20连续可调，并增加了短路保护断电功能，输出噪声低。系统可对功率进行计算显示，具有4位数字显示，精度优于5％。
关键词：D类功率放大；PWM调制；高速开关电路；低通滤波

传统的音频功率放大器主要有A类(甲类)、B类(乙类)和AB(甲乙类)。A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器件，它的优点是输出信号的失真比较小，缺点是输出信号的动态范围小、效率低，理想情况下其最高效率为50％。B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50％，它的优点是在理想情况下效率可达78．5％，但缺点是会产生交越失真，增加噪声。AB类(甲乙类)功率放大器是以上两种放大器的结合，每个功率器件的导通时间在50％～100％之间，兼有甲类失真小和乙类效率高的特点，其工作效率介于二者之间。传统音频功率放大器效率偏低，体积偏大的缺点与音频功率放大高效、节能和小型化的发展趋势的矛盾，催生了D类(丁类)音频功率放大器出现和发展。本系统即采用D类功率放大实现，并用单电源供电，符合现代社会对电源小巧、便携要求的实际需要。

1 系统方案论证与选择
1．1 整体方案
方案①：数字方案。输入信号经前置放大调理后，即由A／D采入单片机进行处理，三角波产生及与音频信号的比较均由软件部分完成，然后由单片机输出两路完全反向的PWM波给入后级功率放大部分，进行放大。此种方案硬件电路简单，但会引入较大数字噪声。
方案②：硬件电路方案。三角波产生及比较、PWM产生仍由硬件电路实现，此方案噪声较小、且幅值能做到更大，效果较好，故采用此方案。
1．2 三角波产生电路设计
方案①：利用NE555产生三角波。该电路的特点是采用恒流源对电容线性冲、放电产生三角波，波形线性度较好、频率控制简单，信号幅度可通过后加衰减电位器控制。
方案②：对方波积分产生三角波。积分器与比较器级联，通过对比较器产生的方波积分得到三角波，频率与幅值控制只需调整某些电阻值，控制简单。但考虑积分电路存在积分漂移。
此处采用选择方案①。
1．3 PWM波产生方案设计
方案①：直接比较。取偏重与输入音频信号信置相同，幅度略大的三角波信号与音频信号直接比较，产生PWM波，后再经反向器产生一路与之完全反向的PWM波信号给后级放大电路。
方案②：双路比较。用两路偏置不同的三角波信号与音频信号的上下半部分别比较。此种方案可减少后缀H桥电路中CMOS管的开合次数，减少功率损耗，提高效率。
方案③：将音频信号直接反向。在对音频输入信号进行放大调理后直接将其反向，再对处理后信号分别进行三角波比较，从而产生两路反向的PWM波。
因方案②的效率较高且对抑制共模噪声有一定作用，故选用方案②。
1. 4 短路保护方案设计
方案①：电流互感器法。用电流互感器感应出通过负载电阻的电流，在对此电流进行处理，以判断电路过不过流。
方案②：采样电阻法。将一小值电阻串入电路中采出系统流过负载的电流，以判断电路过不过流。该方案实现简单，且接入小值电阻对此系统影响很小，故采用此方案。

2 系统总体设计方案及实现框图
如图1所示为系统的整体实现框图，系统由高效率功率放大、信号变换电路、过流保护及功率测量4个主要模块组成。其中最核心的高效率功率放大器又由前置放大、三角波产生电路、比较器电路、驱动电路、H桥互补对称放大5部分构成。输入音频信号经过前置放大电路进行放大调理后，分上下部与两路三角波信号进行比较，得到两路相互对应的PWM波；即对音频信号进行脉宽调制，而后经驱动电路增加其信号的驱动能力，再给入H桥模块，利用占空比的变化控制功率开关管的导通与截止，实现功率放大，之后再对负载上的输出进行低通滤波滤出原音频信号。在负载上将信号给入信号变化电路，将双端信号转化为单端信号，经一截止频率为20 kHz的RC滤波器后接测试仪表测试。同时在此处将单端信号真有效值检波，经AD采样后送入单片机内进行功率计算及显示。系统还有过流保护功能，0．1Ω采样电阻与负载串联，采出流过负载的电流值，经放大比较后，用继电器控制功率放大部分的供电，从而实现保护作用。系统最大不失真输出功率大于等于1 W，可实现电压放大倍数1～20连续可调，因采用D类放大方案，可达到较高的效率，输出噪声很小，功率显示误差很小。

3 主要功能电路设计
3．1 前置放大模块
前置放大电路采用高效率、轨对轨、低噪声运放芯片OPA350构成同相宽带放大电路。信号输入端串联电容达到隔直耦合作用。同时因单电源供电，在运放同向端给2．5V偏置。设置反馈电阻为电位器，可动态改变放大器的增益1～20倍增益连续可调。
3．2 三角波产生电路
三角波产生电路如图2所示。采用NE555芯片构成三角波电路，通过恒流源对电容C1实现线性充放电从而获得三角波。开始工作时，555芯片3号脚为高电平，二极管D4导通，D3截止，从而D1导通，D2截止，由T1、T2、R1构成的恒流源通过D1对C1线性充电，当充电使C1两端电压达到2／3Vcc时，3号脚输出电平发生反转，变为低电平，此时D1、D2、D3、D4导通状态也完全相反，由下方T3、T4、R2构成的恒流源通过D2对C1线性放电，当放电使C1两端电压达1／3Vcc时，3号脚又反转为高电平，如此循环往复，实现周期三角波信号产生。由C1两端引出输出，即可得到线性度良好的三角波信号，后接一级同相跟随器已达到前后级隔离的目的。C1采用漏电流低、响应速度快的聚苯乙烯电容，保证较好性能。