功率放大器的研究

　　摘要：音频功率放大器是各种音频类电子设备中的重要组成元件，在电子设备运行过程中会消耗大量的能量，并且还会产生非常多的热量，因此，功率放大器性能的优劣严重影响音频电子类设备功能以及该类电子设备的市场占有率。当前随着绿色环保、节能减排的发展观念不断深入人心，因此研发具有低功率、低能耗、高性能、低谐波失真的功率放大器就成为当前备受关注的研究课题。本文首先介绍了音频功率放大器的基本组成以及国内外功率放大器的研究现状与研究热点，并提出了当下功率放大器的研究方向；随后，提出了一种高效率低谐波失真的音频功率放大器的设计方案，并对设计思路以及设计过程中所需的相关数据作简要介绍；同时，根据设计方案提出了功率放大器各组件的连接电路，对功率放大器的电路图进行合理地选择与布置；最后，预测了功率放大器的发展前景和发展趋势并进行展望。

　　关键词：音频功率放大器，高效率，低谐波失真，展望

 

　　从20世纪末开始，有越来越多的功率放大器研究人员开始着手对音频转换器进行新的探究，经过近几十年的不断摸索与研究，在音频功率放大器设计与优化方面已经取得了非常大的进步，在功率放大器的元件组成、电路设计、性能优化、音质保真等方面均取得了显著的成效，并且可以有效控制音质失真，使其失真度降低到0.01%甚至更低[1]。最近几年，相关研究人员进一步对现有类型的功率放大器进行研究分析后进行不同程度的优化，使市面上出现了许多高音质、高质量、低耗电的音频功率放大器，因此，在人类不断追求高品质生活的今天，高效率低失真的功率放大器极大地满足了人们对高音质的需求。虽然，音频功率放大器无论是在质量还是在性能方面均有了非常大的提高，但是对于研究人员来说设计并优化一款音频功率放大器并不是一件简单的工作，需要相关专业人才进行不断地探索和尝试，然后再结合自身的专业知识研发新的符合现在人们学球的音频功率放大器。

　　目前，被广泛应用于各类音频电子设备的功率放大器主要可以分为以下两种类型：第一种是在较低功率下工作的音频功率放大器；第二种是在高功率下进行工作的功率放大器。前一种低功率音频功率放大器主要应用于以电池为电源的音频电子设备，例如，手机、MP3、MP4等便携式音频电子设备。后一种以高功率工作的音频功率放大器主要应用在电视、车载音响、收音机、车载电视等大功率音频设备。目前，市场上常见的音频功率放大器的发展方向主要向D类和H类等低功率音频功率放大器方向发展。根据有关媒体报道，相关研究人员甚至研发出了在低功率状态下工作的W类高性能功率放大器。这些性能优异、低耗电量的功率放大器都是以D类功率放大器技术为基础发展而来的，D类音频功率放大器极大地促进了音频功率放大器行业的发展与进步，这类功率放大器在保证音频质量的前提下，对各组成部分进行相关优化，进一步提高了音频功率放大器的各方面性能[1]。

 

　　传统的数字音频回放装置的工作过程主要包括以下两个主要步骤：第一步，利用高精度数模转换器DAC将语音的数字信号转变为模拟语音信号；第二步，利用音频功率放大器将模拟语言信号进行放大，例如，A类功率放大器、B类功率放大器、AB类功率放大器等。

　　在过去的近十年占据市场的音频功率放大器主要是A类、B类、AB类音频功率放大器,这些功率放大器为此后功率放大器的发展奠定了良好的技术支持以及积累了丰富的实践经验。随着人们生活水平的不断提高，人们对精神文明的需求越来越高，这三类音频功率放大器已经远远不能满足市场发展的需求。A类音频功率放大器所具有的信号输出脉宽较小，并且其最高输出效率还不到50%；同样，B类音频功率放大器虽然比A类有较大的优势，但是其最高输出效率在理想情况下也仅仅能达到78.5%，并且在工作过程中会产生非常大的噪声以及较高的失真度；AB类音频功率放大器兼具了A类与B类两种功率放大器的优势，但是经过实践证明这类功率放大器仍旧存在着失真度高、噪声大、转换效率低以及较高散热等缺点[2]。

　　经过上面的分析可以看出，A类、B类以及AB类音频功率放大器都存在各种各样的缺点与不足，随着音频功率放大器行业的不断发展，A类与B类功率放大器在市场上的占有率已经越来越低，目前，基本已经被淘汰。当前，在一些比较低端的音频电子设备会还会应用到AB类音频功率放大器，但是应用的产品也是不断在减少。同时，随着电路集成化技术的不断提高与发展，数字型音频功率放大器越来越被普及，这种功率放大器可以将数字语音直接进行放大，省去了对模拟信号的处理，极大地提高了音频功率放大器的转换效率，降低了失真度，提高了音质，并且消耗的电能也非常的低，在工作过程中并不会产生较大的噪音和出现发热现象，我们通常称这样的功率放大器为数字功率放大器或者D类功率放大器。

　　目前，音频功率放大器也是电子产品行业研究的热点，国内外从事相关研究的人员和团队都在对现有的功率放大器进行创新或者优化。根据相关调查可以发现，当前国内外对高效率音频放大器的研究主要集中在以下两个方面：首先，对AB类功率放大器的研究逐渐向D类功率放大器方向转变，因为D类功率放大器具有高效率的特点，经过实践证明，一般的D类功率放大器的转换效率可以达到80%，甚至有的可以达到90%左右，与传统的功率放大器相比有了非常大的提高；其次，由于D类功率放大器运用了电路集成化技术，使其具有较小的体积，产生的热量也是微乎其微，因此就不需要再单独的添加散热装置来对其降温。尽管D类音频功率放大器内的芯片价格比AB类的要高，但是由于其不需要安装散热装置，所以对比两者的总成本可以发现其价格基本相差不大。另外，由于D类音频功率放大器具有低耗能的特点，所以来说，在一些音频电子设备中越来越多的厂家选择D类功率放大器[3]。在利用极高频率的转换开关电路来对音频信号进行放大时D类音频功率放大器或数字音频功率放大器具有以下几个方面的特点：第一、具有较高的转换效率，平均转换效率可以达到90%左右；第二、具有集成化模块，体积非常小，产生的热量少，在音频电子设备中所占的空间较小；第三、不会产生较大的噪声；第四、可以有效控制失真度，频率响应曲线良好，同时不需要太多的外部元件，调试方便快捷。

 

　　通过对国内外研究现状的分析可以看出，D类音频功率放大器在很多方面与之前的功率放大器相比有非常大的优越性，但是该类型功率放大器在某些方面仍旧存在着一些不足之处需要进行完善或者优化。D类功率放大器的集成电子芯片的制造成本由于技术要求较高，因此其制造成本就会相应增加，同时这类功率转化器还需要外加滤波电路，这样就进一步增加了电子产品的使用成本；除此之外阻碍D类功率放大器发展的主要问题就是电磁干扰问题，因此如何降低功率放大器的制造成本以及解决电磁干扰问题就成了D类功率放大器发展的主要方向，也是相关科研人员在今后需要攻克的技术难关[4]。

　　音频功率放大器的发展历史已经近百年了，最初的音频功率放大器是电子管放大器，经过将近一个世纪的发展，现如今的功率放大器在各方面性能方面已经有了很大的提高和改善。但是，随着科学技术的不断进步与发展以及音频电子设备对功率放大器性能要求的不断提高，功率放大器仍然在不断地更新发展。随着人们生活水平的提高，在物质生活已经满足人们生活需要的当今社会，越来越多的人们开始追求高品质生活质量，其中就包括对各类音频电子设备性能的要求。为了满足人们对这方面的需要，许多研究人员和科研团队就开始对音频功率放大器进行改进和完善。在此之前，提高音频功率放大器性能的主要方法就是将传统音频功率放大器的结构进行调整或者是选用质量较好的元器件，而没有从根本上解决功率放大器性能差的问题,例如，设计师在高性能与高效率之间添加一个拓扑结构—AB类放大器，根据相关理论研究表明，理论上AB类放大器在工作过程中的最大转换效率可以达到78%，但是在实际工作过程中它的转换效率仅仅为30-40%左右。所以来说，D类音频功率放大器的效率明显要优于线性功率放大器，正如上文所介绍的，虽然D类功率放大器在各方面相比均有较大的优势，但是它的成本相对来说仍旧比较高，这在一定程度上限制了它的发展。但是，随着技术的进步D类功率放大器在各类音频电子设备上的应用越来越广泛，其优越的性能更加具有吸引力。

　　D类音频功率放大器的发展与完善极大地促进了音频电子设备的革新。D类音频功率放大器在控制方式上采用脉冲宽度调制信号，因此使其输出晶体管一直工作在半开状态，根据理论分析，D类功率放大器对数字语音信号的转换效率可以达到100%。尽管经过处理后的输出信号与原始信号有一定的差距，但是这些差异都是在可允许范围内的，同时，在工作过程中由于高频震动也会产生一定的噪音，然而，专家通过研究后设计了一种低滤波器，经过对音频功率放大器相关元件的参数进行优化后与该滤波器配合使用可以有效降低工作过程中产生的噪音，最终保证其音质效果能够满足使用者的要求。因此，现如今越来越多的音频电子设备开始使用D类音频功率放大器，例如，手机、MP3、MP4等便携式音频电子设备。

　　D类音频功率放大器主要是通过开关来控制其工作的，在工作工程中会产生高频分量以及对人体危害较大的辐射，因此还需要添加吸收辐射的滤波装置，这样就会使得D类音频功率放大器的电能消耗量增加，同时还增加了音频功率放大器的体积。对于大功率音频电子设备来说这并不是十分严重的问题，但是对于便携式电子装置来说就会造成一些麻烦，因为外加滤波装置会增加电子装置的体积，同时还会增加电能消耗，所以在便携式音频装置上使用滤波器是不太现实的。因此，目前对于D类音频功率放大器的研究出了要解决电磁干扰问题与在不添加滤波装置的条件下消除辐射对人体的影响之外，还应该关注功率放大器与便携式音频设备的合理搭配进行使用。

　　为了满足市场对高效率低失真度电子设备的需求，越来越多的研究人员开始对D类音频功率放大器进行优化升级，使其能够在较低失真度的前提下仍能够保证最高的转换效率。经过近些年来对D类音频功率放大器的不断深入研究，目前，D类音频功率放大器已经被广泛的应用到手机、便携式音响等小型音频电子装置上，并且占有的市场份额不断增加[5]。D类音频功率放大器的工作过程是直接将数字语音信号经过脉冲密度或者脉冲宽度调制转变为脉冲信号，然后再使用脉冲信号来控制开关器件的运行，所以，D类音频功率放大器也被称作开关放大器。同时与传统AB类音频放大器相比，D类放大器效率高、体积小、低失真、外围元器件少，可以节省很大的空间，便于设计与调试，所以，D类音频功率放大器具良好的市场发展前景。

　　因此，本文提出了一种新型的D类音频功率放大器的设计方案，该D类音频功率放大器以三角波为载波，然后通过对音频信号进行采样，处理分析后生成PWM（PulseWidthModulation）调制信号，随后再选用互补对称式H桥型电路对信号的功率进行放大，然后再将放大后的信号输送到低通滤波器内进行滤波，进而就可以得到高效率低失真度的音频。

　　图2-1新型D类音频功率放大器原理图

　　本文提出的这种新型D类音频功率放大器主要以下几个部分的组成：话筒、前置放大级电路、滤波电路、PWM信号调制电路、功率放大电路、低通滤波电路、驱动电路、数字音量控制与电平指示电路等几部分组成，基本方案构成框图如图2-1所示。

　　由图可知，新型D类音频功率放大器的工作原理为：话筒的主要作用就是讲物理信号也就是声音信号转化为电信号，也可以看作是系统搜集外部声音信号的传感器；前置放大级电路和滤波电路的主要作用是将来自话筒的电信号进行处理，去除无效波后并放大，然后输送给PWM调制电路进行调制；PWM调制电路是本设计的核心电路，它的主要作用就是将电信号或模拟信号进行调制，并将其转化为具有一定宽度的脉冲信号，这个过程也可以看作是模拟信号与注资信号的转变过程；驱动电路的主要作用就是对后面的场效应管进行控制，功率放大电路由H桥型电路构成，来自于PWM电路的脉冲信号可以对场效应管的开关进行控制；滤波电路的主要作用就是将处理过后的声音脉冲信号进行还原，也就是将数字信号转变为模拟信号，然后再将还原后的信号输送到数字音量控制与电平指示电路对声音信号进一步处理并驱动喇叭发出理想的声音[6]。

　　性能最佳的D类型功率放大器理论上应该是需要消耗任何功率的，换句话说，也就是功率放大器可以将全部的信号功率全部都输送出去，但是，在实际工作过程中，D类音频功率放大器是会消耗一部分信号功率的，所以在进行功率放大器设计时应该将这一部分功率消耗考虑在内，因此功率效率就是功率放大器的一个重要指标。除此之外，还有总谐波失真也是在设计音频功率放大器时必须考虑的评价指标。下面就对功率效率与总谐波失真这两个评价指标做简要说明。

　　2.3.1功率效率

　　功率效率是大多数电子设备都需要考虑的一项重要评价指标，音频功率放大器作为电子产品同样也需要对其功率效率进行评价。功率效率指的是输入电子系统的直流功率转变为输出交流功率的比率，也就是输出交流功率与输入直流功率的比值。理想上，我们都希望进入电子系统的直流功率完全转化为输出交流功率，但是在实际工作过程中，都会有一部分的功率消耗，并且这也是不可避免的，但是我们可以采取一定的措施使这部分功率损耗降到最低；许多电子系统设计师都希望增加功率效率，但是因为无法同时达到线性度与功率效率的最佳值，即两者存在相悖关系，所以在实际设计过程中就必须在这两者之间进行取舍[7]。对于常见的便携式音频电子设备（如手机、MP3等），高效率就意味着在输出相同功率的条件下所消耗的电量将会更少，从而使充满电量的电池可以有更长的使用时间；同时，在大功率音频电子设备（如电视、音响等）中，高效率的音频功率放大器不仅可以节约能量消耗，并且在工作过程中不会产生过多的热量，进而简化电子设备的散热装置，缩小装置的体积降低生产成本。下式就是功率效率的数学表达式：

　　其中，表示输入功率，表示输出功率，表示为直流电源提供功率。

　　2.3.2总谐波失真

　　失真的形式多种多样，例如，谐波失真、互调失真、相位失真等。我们通常说的失真值得基本上都是谐波失真，因为谐波失真是最为常见的一种失真形式。在音频功率放大器的工作工程中往往会因为其自身非线性因素而导致谐波失真，谐波失真的主要表现有：音频功率放大器输出的声音信号会出现谐波分量，同时使原声的音色发生变化，严重时会产生尖锐刺耳的声音。我们都知道，任何一种信号都只有许多正弦曲线组合而成的，比如，我们经常见到的周期型波形都可以经过一定的变化而分解为正弦型波形与谐波分量在一定振幅与相位下的组合，明白了这一点，我们就不难理解失真原理，通常所说的失真主要是指音频功率放大器的输入信号在经过放大器的处理后导致其输出信号在振幅或者相位方面发生了变化，而谐波失真指的是功率放大器的输出信号产生了原信号中没有的频率成分，因为这些成分都是低频的谐波成分，因此就成为谐波失真；同时，通过观察其转换曲线上可知是非线性的，所以，谐波失真又可以成为非线性失真；输出的波形有明显的波形异常，因此又称为振幅失真[8]。进而我们就可以得出总谐波失真的定义，即所有谐波失真成分之和与基本频率信号的比值，在声音方面总谐波失真通常以百分比(%)为单位表示，一般来说总谐波失真是越低越好，通常不会超过10%，要求高一点的话甚至还要低于0.1%。

　　输入的声音信号在经过功率放大器内部电路处理后其输出信号会因为元器件的非线性而导致失真现象的发生，如图2-2所示，该图表示出了可能导致D类音频功率转换器失真的主要影响因素。

　　常见的D类音频功率放大器因开关波形而导致的失真因素主要有以下五个方面：

　　第一，由于音频功率放大器分辨率限制而导致的失真。非线性的三角载波的振幅与频率都会对总谐波失真造成影响，同时比较器的上升时间与下降时间也会对总谐波失真造成影响。

　　第二，栅极驱动器的时间差错误，例如：非重叠时间、开通截止时间、上升下降时间。

　　第三，转换器的特性，例如：寄生电阻、有限的开通速度以及衬底二极管特性限制。

　　第四，电源供应器的电压影响，由于电源经过直流稳压之后会产生有限的输出阻抗以及电压浮动。

　　第五，非线性的低通滤波器。

　　图2-2D类音频功率放大器的失真源

　　前置放大级电路是功率放大器的输入级电路，它的主要功能就是将话筒传来的声音电信号进行放大处理并输送到PWM调制电路，对声音信号进一步进行处理。前置放大级电路对声音信号的处理主要包括：抑制零点漂移，稳定输出中点电压，同时将输入的音频信号进行失真放大，提高音频信号的质量[9]。本论文提出的新型D类音频功率放大器的前置放大级电路为运放LF353构成的两级反向比例电路，如图3-1所示。其中第一级固定增益20倍，第二级增益可调，调节范围为15-25倍。这种电路可以实现对增益的精确控制，输入阻抗大，输出阻抗小。

　　图3-1前置放大级电路

　　功率放大级电路主要有以下两个电路组成：驱动电路和H桥型电路。驱动电路采用的芯片为IR2104半桥驱动芯片，它能够给场效应管提供500ns的死区时间，这样就可以有效地避免H桥电路中两侧的场效应管被同时烧坏[10]。驱动电路的电路图设计如3-2所示。H桥型电路主要包括两组一共四个场效应管，功率管主要有来自于PWM电路的信号进行控制，具体的桥型电路图如3-3所示。

　　图3-2驱动电路

　　图3-3H桥电路

　　数字音量控制和电平指示电路是功率放大器的功能扩展电路。在音量控制电路中，只要增加1片74LS138译码器和8只发光二极管就可以实现电平指示功能，如图4.1.5所示。因为计数器的输出012QQQ的状态与CD4051的输入信号IV的大小是一一对应的，所以74LS138译码器的输出也与IV的大小相对应，则8只发光二极管可以将IV分成8级进行显示[11]。

　　如图3-4电平指示电路

　　本文在目前现有的D类型音频功率放大器的基础上，对该类型功率放大器存在的问题提出了一种新的设计方案，本设计可以有效减小功率放大器对信号输入功率的消耗，极大的提高了D类功率放大器的功率效率，减少了资源的浪费，同时，还可以降低声音信号的失真度，除此之外，本设计对D类音频功率放大器进行优化后具有体积小，效率高，热量产生少以等诸多优点。但是本设计仍然存在一些不足，需要在今后对其进行进一步的优化，但总体来说，为市场上现有的D类音频功率放大器提供了一种行的发展方向或者设计思路。

　　非常感谢各位老师和同学在我工作过程中给予的指导与帮助，同时也非常感谢学校在各方面提供的支持才使得我能够圆满完成本次毕业设计。

　　[1]聂纪平.D类音频功率放大器的设计[J].中国集成电路，2012.21（10）:31-36.

　　[2]王妍,刘帅威,金丽洁.基于D类放大的高效率音频功率放大器设计[J].电子设计工程,2011,19(11):152-155.

　　[3]刘瑞华,徐玲,邓震宇,等.高效率音频功率放大器的设计[J].实验室研究与探索,2011,30(8):103-107.

　　[4]胡纯有.音频功率放大器的分类和界定[J].演艺科技,2014(11):21-23.

　　[5]王刚,陈卓彦.基于NE5532和LM1875T音频功率放大器的设计与制作[J].中国西部科技,2015,14(12):6-9.

　　[6]周文.浅谈TDA2030集成音频功率放大器的制作[J].课程教育研究,2013(2):254-255.

　　[7]陈俊宇,王洪辉,孟令宇.基于PWM的D类音频功率放大器的设计[J].电声技术,2016,40(8):33-35.

　　[8]叶军,李景,洛藏尖措.基于PCM2702E和LME49830的音频功率放大器设计与实现[J].青海大学学报,2015,33(4):46-50.

　　[9]王宇星.双模式控制防失真K类音频功率放大器设计[J].电子技术应用,2016,42(4):31-34.

　　[10]李鹏,杨宇,李加峰,等.单片机程控音频功率放大器的设计[J].浙江海洋学院学报(自然科学版),2014,33(5):463-466.

　　[11]黄特,许建明,陈炯明.程控音频功率放大器的设计[J].电子世界,2016(9):11-11.