基于D類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(xiàn)代社會高效、節(jié)能和小型化的發(fā)展趨勢，以D類功率放大器為核心，以單片機89C51和可編程邏輯器件(FPGA)進行控制及時數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)了對音頻信號的高效率放大。系統(tǒng)最大不失真輸出功率大于1 W，可實現(xiàn)電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)，并增加了短路保護斷電功能，輸出噪聲低。系統(tǒng)可對功率進行計算顯示，具有4位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5％。
關鍵詞：D類功率放大；PWM調(diào)制；高速開關電路；低通濾波

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

1 系統(tǒng)方案論證與選擇
1．1 整體方案
方案①：數(shù)字方案。輸入信號經(jīng)前置放大調(diào)理后，即由A／D采入單片機進行處理，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，進行放大。此種方案硬件電路簡單，但會引入較大數(shù)字噪聲。
方案②：硬件電路方案。三角波產(chǎn)生及比較、PWM產(chǎn)生仍由硬件電路實現(xiàn)，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。該電路的特點是采用恒流源對電容線性沖、放電產(chǎn)生三角波，波形線性度較好、頻率控制簡單，信號幅度可通過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(diào)整某些電阻值，控制簡單。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管的開合次數(shù)，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行放大調(diào)理后直接將其反向，再對處理后信號分別進行三角波比較，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負載電阻的電流，在對此電流進行處理，以判斷電路過不過流。
方案②：采樣電阻法。將一小值電阻串入電路中采出系統(tǒng)流過負載的電流，以判斷電路過不過流。該方案實現(xiàn)簡單，且接入小值電阻對此系統(tǒng)影響很小，故采用此方案。

2 系統(tǒng)總體設計方案及實現(xiàn)框圖
如圖1所示為系統(tǒng)的整體實現(xiàn)框圖，系統(tǒng)由高效率功率放大、信號變換電路、過流保護及功率測量4個主要模塊組成。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(qū)動電路、H橋互補對稱放大5部分構(gòu)成。輸入音頻信號經(jīng)過前置放大電路進行放大調(diào)理后，分上下部與兩路三角波信號進行比較，得到兩路相互對應的PWM波；即對音頻信號進行脈寬調(diào)制，而后經(jīng)驅(qū)動電路增加其信號的驅(qū)動能力，再給入H橋模塊，利用占空比的變化控制功率開關管的導通與截止，實現(xiàn)功率放大，之后再對負載上的輸出進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(zhuǎn)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(nèi)進行功率計算及顯示。系統(tǒng)還有過流保護功能，0．1Ω采樣電阻與負載串聯(lián)，采出流過負載的電流值，經(jīng)放大比較后，用繼電器控制功率放大部分的供電，從而實現(xiàn)保護作用。系統(tǒng)最大不失真輸出功率大于等于1 W，可實現(xiàn)電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)，因采用D類放大方案，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(gòu)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，可動態(tài)改變放大器的增益1～20倍增益連續(xù)可調(diào)。
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(gòu)成三角波電路，通過恒流源對電容C1實現(xiàn)線性充放電從而獲得三角波。開始工作時，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(gòu)成的恒流源通過D1對C1線性充電，當充電使C1兩端電壓達到2／3Vcc時，3號腳輸出電平發(fā)生反轉(zhuǎn)，變?yōu)榈碗娖?，此時D1、D2、D3、D4導通狀態(tài)也完全相反，由下方T3、T4、R2構(gòu)成的恒流源通過D2對C1線性放電，當放電使C1兩端電壓達1／3Vcc時，3號腳又反轉(zhuǎn)為高電平，如此循環(huán)往復，實現(xiàn)周期三角波信號產(chǎn)生。由C1兩端引出輸出，即可得到線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。