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高效音频功率放大器的设计

-I- 摘要

本次设计的音频功率放大器采用D类功率放大器形式，用音频信号的幅度去线性调制高频脉宽的宽度，然后通过LC低通滤波器后输出音频信号。再通过差动式的减法电路构成信号变化电路，将双端输出变为单端输出，最后通过真有效值转换芯片和单片机完成功率的测量。该电路性能良好、效率高、成本较低。

关键词：音频功放；D类功率放大器；真有效值转换；单片机

ABSTRACT

This design using the audio power amplifier power amplifier form, of D with audio signal amplitude modulation high-frequency pulse width to linear width, and then through the LC lowpass filter output audio signal after. Again the subtraction circuit by differential circuit, a signal changes will double the output into the ocl output, finally the true RMS conversion chips and single-chip commputer completes power measurement. This circuit has good performance, high efficiency and low cost.

Key words:Audio power amplifier; D class power amplifier; True RMS transformation; Microcontroller

高效音频功率放大器的设计

摘要.............................................................. I ABSTRACT ........................................................... I I 第1章前言.. (1)

第2章设计要求和方案选择 (2)

2.1 设计任务和基本要求 (2)

2.2 设计方案 (2)

2.3 方案确定 (2)

2.3.1 高效功率放大电路的选择 (2)

2.3.2 信号变换电路 (4)

2.3.3 功率测量电路 (4)

第3章 D类功率放大器的基本原理 (6)

3.1 D类功率放大器基本原理 (6)

3.2 D类功率放大器的性能 (6)

3.3 D类功率放大器的主要性能指标 (7)

第4章硬件电路的设计 (9)

4.1 功率放大器的设计 (9)

4.1.1 音频前置放大电路 (9)

4.1.2 三角波产生电路 (12)

4.1.3 脉宽调制电路 (15)

4.1.4 驱动电路 (16)

4.1.5 功率输出电路 (17)

4.1.6 滤波电路 (17)

4.2 信号变换电路和功率测量电路的设计 (19)

4.2.1 信号变换电路 (19)

4.2.2 功率测量电路 (20)

4.3 电源电路设计 (22)

4.4 系统总图 (22)

第5章软件设计 (24)

第6章结束语 (26)

致谢 (27)

参考文献 (28)

附录 1：系统总图 (29)

附录 2：源程序 (30)

第1章前言

音频功率放大器简称音频功放，它用于放大20kHz～20kHz的音频信号，推动扬声器发声，凡发声的各类消费电子产品中都要用到音频功放，比如免提电话、手机、便携GPS、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等。

音频功率放大器具有特点有：（1）输出功率大；（2）失真小；（3）噪声低。

几十年来再音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占“统治”地位，其发展经历了几个过程：电路形成从变压器输出到OTL、OCL、BTL形成过程。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。全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快开发高效、节能、数字化的音频功率放大器，它应具有工作效率高，便于与其他数字化设备相连接的特点。D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，它符合上述要求。

D类放大器是一种输出开关状态信号的放大器。当输出功率开关管导通，开关管所承受的压降很小，在理想情况下值应是零，并且当输出功率开关管关闭，流过放大器的电流为零。所以无论在开关导通还是关闭，消耗在放大器内部的功率都很小，这就提高了效率，需要更少的电能消耗和更小的散热器。D类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际运用可达80%以上。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减少散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦，功率MOS有自我保护电路，可以大大简化保护电路，不会引起非线性失真。

近几年来，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进展，几家著名的研究机构及公司已经向市场提供了D类音频功率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，引起了各领域的特别关注。在不久的将来，D类功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。

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第2章设计要求和方案选择

2.1 设计任务和基本要求

设计一个高效率音频功率放大器，功率放大器的电源电压为+5V （电路中其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻。

技术参数：

（1）通频带为300～3400Hz ，输出正弦信号无明显失真；（2）最大不失真输出功率≥1W ；

（3）输入阻抗＞10K Ω，电压放大倍数1～20连续可调；（4）低频噪声电压（20kHz 以下）≤10mV

2.2 设计方案

根据设计要求，高效音频功率放大器的组成框图如图2-1所示：

高效功率

放大器

信号变换电路

功率测量电路

输入

图2-1 高效音频功率放大器的系统组成框图

2.3 方案确定

2.3.1 高效功率放大电路的选择

目前功率放大器的种类很多，常见的如下几种选择。一、方案一——A 类功率放大器

A 类放大器也称为甲类放大器，在整个周期内处在导通状态，这种结构失真最小，基本上是线性的，但效率也最低，大约为20%。

二、方案二——B类功率放大器

B类放大器也称为乙类放大器，其功率器件导通时间只有半个周期。在没有信号输入时，功率损失为零。与A类不同，B类放大器的电源供给功率和管耗都会随着输出功率的大小而改变，也改善了A类放大器放大效率低的状况，在理想情况下，理想的效率值为78.5%，因为产生的热量比A类低，可以使用较小的散热器。

这种功放和A类功率放大器刚好相反，其输出器件仅只导通半个正弦波周期，这类功放效率很明显优于A类，大约为50%，但存在交越失真等非线性问题。

三、方案三——AB类功率放大器

AB类功率放大器晶体管工作时间是半个周期至一个周期之间，导通角在180°到360°之间。其最大优点是改善了B类放大器的非线性，消除了交越失真。AB类放大器综合上述两种放大器的优点，克服B类放大器非线性失真问题和A类放大器效率低缺点。

四、方案四——D类功放

D类放大器是直接从数字音频数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，又称为数字功率放大器。D类率放大器通过音频信号的幅度去线性制调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，具有极高的效率，实际电路也可达到80%-95%。D类功放最大的优点是效率最高，几乎不产生热量，因此无需大型散热器，体积与重量显著减少，失真低，线性佳。

D类放大器具有高效率、低发热、低消耗电力的特点。主要用于发生输出元件上复现输入音频信号提供所需的音量和功率水平，保证复现的重视性、高效率以及失真度。

五、方案选择

A类功率放大器提供了很好的线性度，但效率很低；B类和AB类功率放大器通过减少一个周期中晶体管工作的时间来提高效率，同时保持了线性调制的可能性；D类功率放大器提供的归一化功率传递能力近似于0.16，但由于开关速

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度不是无穷大，有较大的切换功耗。各类功率放大器的主要性能指标如表2-1所示。

表2-1 各类功率放大器性能比较

放大器工作状态种类保真度最大效率

线性

A 极好约20% A

B 好50% B 一般约50%

开关 D 不好100% 从表可知，D类放大器具有最高的工作效率，但是保真度比较低，这可以通过改进D类放大器控制结构来提高保真度，从而实现高效率。经过比较，本设计采用D类功率放大器。

高效音频功率放大器采用D类功率放大器形式，D类功率放大器是用音频信号的幅度来线性调制高频脉冲的宽度，其功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号，因为输出管工作在开关状态，具有极高的效率。

2.3.2 信号变换电路

信号变换电路采用差分式减法电路，因为功率放大器输出具有很强的带负载能力，所以对变换电路输出阻抗的要求不高，选用较简单的单运算放大器组成的差动式减法电路形式，可以满足具有双端变单端的功能，而且可以满足增益为1的设计要求。

2.3.3 功率测量电路

方案一：直接用A∕D转换器采用音频输入的电压瞬时值，用单片机计算有效值和平均功率，原理结构框图如下图2-2所示。

图2-2 功率测量电路方案一的结构图

方案二：因为功放输出信号不是单一频率，而是用20kHz频带内的任意波形，所以必须采用真有效值变换电路，其原理结构框图如图2-3。

图2-3 功率测量电路方案二的结构图

方案一虽然可以用单片机计算有效值和平均功率，但是算法复杂，软件工作量大，所以不合适；方案二采用真有效值转换专用芯片，先得到音频信号电压的真有效值，再用A∕D转换器采样该有效值，直接用单片机计算平均功率，软件工作量小，速度快，精度高。所以本设计采用方案二的功率测量电路。

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第3章 D类功率放大器的基本原理

3.1 D类功率放大器基本原理

D类功率放大器电路分为三级：输入开关级、功率放大级及输出滤波级。电路的基本结构如图3-1所示。

图3-1 D类放大器的基本结构

D类放大器工作原理和PWM电源相似，将输入的正弦音频信号与高频三角波或锯齿波相比较产生一个PWM信号，将这个PWM信号用于驱动功率级产生放大的数字信号，最后采用低通滤波器过滤PWM载波，还原出正弦音频信号。

3.2 D类功率放大器的性能

D类率放大器通过音频信号的幅度去线性制调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，具有极高的效率，实际电路也可达到80%-95%。其主要性能如下：

1．极高的工作效率，在20W以内不需要散热器；

2．最少的外部工作元件；

3．很小的总谐波失真；

4．无外部滤波器时会产生电磁波辐射干扰；

5．才用与门的无滤波器D类放大器可以在没有输出滤波器的情况下，得到很小静点电流和很低的电磁干扰。

3.3 D 类功率放大器的主要性能指标

一、效率

通常与AB 类放大器相比，D 类放大器具有很高的效率，可以在很小的输出功率时就可以达到很高的效率，而不像在AB 类放大器中只有在很高的输出功率时才能达到很高的效率。

D 类功率放大器系统的效率由负载消耗功率与电源电压提供的功率之比。

P P =η （3-1）

D 类放大器输出级工作在开关状态。对于理想的开关，导通时电阻为零，关断时电阻无穷大，在此情况下D 类功放的效率可以达到100%。但是晶体管并不是一个理想的开关，在截止时电阻并不是无穷大，其电阻也不等于零。D 类放大器的效率实际上是由晶体管导通时的两端电压降和扬声器两端的电压决定的，因此，晶体管的导通电阻对于D 类放大器的效率起着重要作用，这也是影响D 类功率放大器的最主要的因素。二、谐波失真THD

THD （Total Hormonic Distortion ）总谐波失真，它是音频放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定电压输出的一个条件。

理想的音频功率放大器，若不考虑该放大器的增益大小，输入一定频率的正弦波，其输出也应该是没有失真、没有噪声的正弦波信号，但是真实的音频功率放大器的输出音频信号总会有一点点失真，并叠加了噪声。波形的失真是由于在正弦波上加了多种高次谐波造成的，成为总谐波失真。实际的音频功率放大器有各种谐波造成的失真及器件内外部造成的噪声，有一定的THD 的值，其值一般在0.001%-10%之间。

D 类功放非线性功放失真通常用总谐波失真来表示，其产生的原因主要有以下因素：

1．采样使得脉宽误差和量化误差； 2．驱动管的死区和延时；

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3．功率管的导通时间和二极管恢复； 4．输出滤波电感和电容的非线性。其THD 的计算公式如下：

%100 (2)

2322?+++++++=N

H H H H H H H THD （3-2）

第4章硬件电路的设计

4.1 功率放大器的设计

根据前面的原理分析，高效音频功率放大器的结构框图如图4-1所示。

图4-1 D类功率放大器的原理框图

4.1.1 音频前置放大电路

一般功率放大器输入灵敏度是一样的，不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中，对于输入过低信号，功率放大器输入功率不足，不能充分发挥功率放大器作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器输出信号将严重过载失真，失去音频放大的意义。因此，音频功率放大系统需设置前置放大器，适应不同输入信号，或放大、或衰减、或进行阻抗变换，使其与功率放大器输入灵敏度相匹配。

前置放大器电路采用宽频带、低漂移的运算放大器TLC4502组成增益可调的同相宽带运算放大器。

一、TLC4502简介

TLC4502具有较宽的频带，而且可以在较低的电压下满幅输出，既保证能产生线性良好的三角波，而且可满足功放在低电压下正常工作的要求。其引脚封装如图4-2所示：

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1 2 3 48 7 6

图4-2 TLC4502引脚端封装形式

各管脚的功能如表4-1所示。

表4-1 TLC4502引脚功能

引脚符号功能

1 1OUT

放大器1输出

2 1IN-

放大器1负输入

3 1IN+

放大器1正输入

4 VDD-/GND

接地

5 2IN+

放大器2正输入

6 2IN-

放大器2负输入

7 2OUT

放大器2输出

8 VDD+

正电源

二、前置放大电路的结构

前置放大器电路结构如图4-3所示。

R420K

U1A

TLC4502

2.2 K

R251 K

R151K

R32.4 K

1uF

4.7uF

Port

+5V

音量调节

信号增益调节音频输入

GND

图4-3 音频前置放大电路

三、参数选择

选择同相放大器的目的是为了容易实现输入电阻Ω≥k R 101的要求，同时采用满幅运放可在降低电源电压时仍然能够正常放大。

取V V V CC 5.22

==+

要满足输入电阻I R 大于10K Ω，取电阻Ω==K R R 5121 则Ω=Ω=k k R I 5.252

51，

反馈电阻采用电位器4R ，取Ω=k R 204,反相端电阻3R 取Ωk 4.2，则前置放大器的最大增益u A 为：

4320119.32.4u R k A R k Ω=+

=+≈Ω

（4-1）调整4R ，使它的增益为8，则整个攻放的电压增益从0～32可调，且满足

Ω≥k R 101的要求。

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由于前置放大器的最大不失真输出电压的幅值V V OM 5.2<，取V V OM 0.2=，则要求输入的最大音频幅度为：

mV A V V V

IM 250=<

如果超过这个幅度，则输出波形会出现削波失真。

4.1.2 三角波产生电路

三角波产生电路采用迟滞比较器和积分电路组成，为了保证三角波在高频输出信号下的线性度及PWM 脉冲信号边沿陡坡度，运算放大器及电压比较器均采用高速器件。

本设计的三角波产生电路采用了运放TLC4502及高速精密电压比较器LM311来实现。一、LM311简介

LM311是一种精密高速比较器。运行在更宽的电源电压上，其输出兼容RTL 、DTL 、TTL 以及MOS 电路，还可以驱动继电器。

其引脚封装形式和偏移调节电路分别如下图4-4和4-5：

1GROUND 2INPUT 3INPUT 4

8V+7OUTPUT

6BANLANCE/STROBE 5BALANCE

图4-4 LM311引脚封装形式

R 2

R LM311

图4-5 LM311偏移调节电路

二、三角波电路结构

三角波产生电路如图4-6所示。

220uF

1uF

C50.1uF

R111K

R710K

39K

R10100K

U2TLC4502

UIB LM311

+5V

+5V GND

GND

R620K

10K

三角波输出

图4-6 三角波产生电路

LM311构成迟滞比较器，其输出一个方波信号，然后通过由运放TLC4502组成积分电路，变换为三角波输出。该发生器产生高频线性三角波，用以把D 类功率放大器的总谐波失真（THD ）减小到最低程度。三、参数计算

三角波的电压幅度决定了被除数调制音频信号的最大幅度，在单电源供电为

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5V 时，将LM311的引脚3的电位调整为2.5V ，同时设定输出的对称三角波幅度为1V ，其中V V P P 2=-。

假如选择Ω=k R 10010，并且忽略比较器是高电平时11R 上的压降，则：

1100)5.25(R V

k V =Ω-,Ω=k R 409

取Ω=k R 399

载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路的实现，载波频率越高，输出波形失真越小，但功率放大电路的效率下降。一般载波信号（三角波）的频率与调制信号（取正弦）频率有如下关系：

(10~20)s T f f = （4-2）选择150kHz 的载波，使用四阶Bultterworth LC 滤波器，输出端对载频的衰减大于60dB ，能满足要求，所以选用载波频率为150kHz 。选择工作频率

kHz f 150=，并且假设Ω=+k R R 2076，则对电容恒流充放电电流：

6765.25.25R R V

R R V V I +=+-=

则电容两端的最大电压值为

141446701 2.5()

C V V Idt T C C R R ==?+? （4-3）其中1T 为半周期，1T =f

T 21

21=，由于4C V 的最大值为2V ，则

4672.51

2()2V V C R R f

pF f R R V C 3.20810

150410205

.24)(5.23

3764≈????=+=

取pF C 2204=，Ω=k R 107，6R 则采用20Ωk 的可调电位器，能使振荡频率f 在

150kHz 左右有较大的调整范围。

4.1.3 脉宽调制电路

脉宽调制电路的作用是把加在它输入端的模拟信号变成宽带或者占空比与输入信号正正比的脉冲。一、脉宽调制电路结构

电路结构脉宽调制电路实质就是一个电压比较器，采用高精密，高速度比较器芯片LM311构成，其电路如图4-7。

1 uF

R1210 K

R1310 K

R1410 K

R1510 K

R161K

U3LM311+5V

Port

+5V

Port

音频信号输入

三角波输入

P WM

图4-7 脉宽调制电路

同相输入前置放大器的输出信号电压，反相端输入三角波电压，这两个电

压经比较后，输出与音频信号幅度值成正比的脉宽信号。二、参数计算

由电路图4-7可知，因供电为5V 的单电源，为了使-+=V V 提供2.5V 的静态电位，取1512R R =,1413R R =且四个电阻的值均取10Ωk 。

由于三角波V V P P 2=-，所以要求音频信号的P P V -不能大于2V ，不然会产生失真。

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音频信号与三角波信号经比较器比较之后，输出与音频信号成正比脉宽调制信号。

4.1.4 驱动电路

驱动电路将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，其具有四方面要求：一是将PWM信号进行整形，形成前后沿更加陡峭的脉冲；二是将PWM 信号转换成相位相反两种信号，以满足H桥功率开关管的要求；三是要在两种相位相反信号之间存在一定死区时间，防止同一桥臂上的两功率管直通；四是应具有保护功能，及当负载出现过流或者短路时，应封锁两脉冲信号的输出。

一、电路结构

根据以上要求，驱动电路CD40106施密特触发器和2SC8050、2SA8550晶体管构成，电路如图4-8。

U6A

8050

8550

8050

U4A 40106U4B 40106

1234

U5C

40106

U5D

40106

U5E

40106

U5F

40106

U5A

40106

U5B

40106

12 34 56 78 910 1112

PWM输入

OUT1

OUT2

图4-8 驱动电路

CD40106施密特触发器并联，以获得较大电流输出，送给由晶体管组成互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保证快速驱动。