高效率音频功率放大器的设计特点分析

王群群 余丽

摘 要 现阶段，随着社会的发展，人们的生活方式发生了改变。节能环保的理念思想越来越深入到我们生活的各个方面，目前的音频功率放大器在开机后，不管在有音频输入或无音频输入的状态下，均保持通电状态，使音频功率放大器在无信号输入的情况下长期耗电，缩短了寿命，甚至可能发生电器火灾危险，特别是在发烧音响设备中的音频功率放大器一般都是采用甲类功放的工作方式，甲类功放的工作方式下的功率放大器耗电很厉害。甲类功放在没有信号输入时的静态耗电非常大，整机的发热量也非常大。目前市场上用于音频功率放大器信号检测控制电路的基本上才是采用NE555组成的施密特电路翻转，通过继电器控制音响设备的工作电源从而达到自动关机的目的，该方案具有一定的局限性，不能有效隔离外部干扰信号。本设计方案是应用单片微机的方式配合外围电路软硬件相结合，控制方式灵活对音频功率放大器的开关机都是采用小电流控制大电流的间接控制方式，稳定可靠成本更低廉。

关键词 高效率音频功率放大器;设计特点;分析

引言

音频功率放大器是日常生活中和工作中常用的电子设备，广泛应用于会场、剧院以及个人娱乐中。该设备属于模拟电子技术理论范畴，所要求的技术能力在机电一体化技术、电气自动化技术专业开设的《电子产品制作调试》课程中已经得到培训与锻炼。本设备立足于小型音频功率放大器的制作，输出功率在20W以下，主要用来满足个人娱乐需要。制作过程力求节省成本，频率特性力求优良，小型轻便，美观实用。

1D类功放的构成

基于高效率音频功率放大器的D类功放主要由三角波发生器、放大与增益控制电路、比较器、低通滤波器以及开关放大电路这几个部分构成。在音频信号输入后，首先通过增益可变放大器进行放大，变化为大小一致但相位相反的差分信号。两路信号分别与三角波发生器所生成三角波进行对比，比较器所输出工作频率与三角波频率保持一致，音频信号幅度与脉冲波占空比呈线性相关性关系。两路信号为桥式互补高速开关电路提供驱动作用力，并借助于LC低通滤波器的方式滤除信号中的高频成分，最后搭载负载实现功率合成，恢复为正常音频信号[1]。

2高效率音频功率放大器的设计

2.1 带通滤波电路

输入的音频信号常有干扰，为了去除干扰，需要对音频信号进行滤波。人耳能够听到的音频范围为20～20KHz，所以采用由低通滤波器和高通滤波器级联而成的带通滤波器对输入信号进行滤波。由于RC有源滤波器具有截止频率调节方便;通带内可提供一定的增益;输出阻抗低，便于级联为高阶滤波器，或由低通及高通滤波器组合为带通滤波器等优点，同时为了能够在通频带内获得最大的平坦响应，本设计采用巴特沃斯型RC有源滤波器，通频带的频率为20～20KHz。

2.2 PWM控制器

在高效率音频功率放大器中，PWM控制器以音频信号为基准，通过与150kHz频率三角波进行比较的方式，得到占空比随音频幅度发生改变的脉冲信号，进而实现调制音频信號的目的。为了确保整个控制电路能够在低电压功耗条件下稳定运行，系统选用LM393作为比较器，工作电压低值可支持2.0V，且具有较强的驱动能力以及较低功耗。在LM393比较器中，选用3脚以及5脚作为音频信号输入端，按照系统放大与增益控制电路输入信号输入相位完全相反的音频信号。在此过程中，当所输入信号电压为负值时，输出占空比高于50%的脉冲波信号;当所输入信号电压为零值时，一路输入占空比高于50%的脉冲波信号，另一路则输入占空比低于50%的脉冲波信号;当所输入信号电压为正值时，输出占空比低于50%的脉冲波信号[2]。

2.3 系统控制电路的设计

系统的控制电路由电源电路、信号采集电路、单片机信号处理三部分组成。①电源电路采用传统的小功率变压器把220V的交流电转变成9V的交流电，然后经过桥式整流滤波电路变成直流12V的电压，该12V电压用于信号采集电路工作电源;12V的直流电源再通过低压差的HT7550稳压芯片输出稳定在5V电压提供给单片机芯片工作。②信号采集电路是采用两级信号放大和光耦隔离的方式最大程度的减少功率放大器和控制核心芯片直接的干扰。P2为信号输入端，音频信号通过C15耦合到三极管Q2放大，放大后的信号由光电耦合器传递到Q3进行二次放大并把该信号输出到单片机的检测芯片引脚。③单片机信号处理部分是对采集的音频信号进行分析判读的关键部分，芯片的工作电压是5V，S1是功放的开关机按键，LED1是功放接通电源的指示灯。KT是输出控制继电器的信号，而经过大后的音频信号输入到单片机的P00/INT0引脚。

2.4 系统软件设计

①在本项目中对输入的音频信号进行采样分析是关键所在，音频信号的频率范围是20～20KHz，一般情况下采样频率至少是被测频率的一倍以上。这就决定了我们采样的频率不得低于40KHz。②单片机程序对输入的两种信号进行设别判断，当开关按键按下时单片机检测到该信号后直接开启功放的电源，并且同时启动定时器计数当时间超过3分钟仍然没有检测到音频信号的输入（无信号超时），那么单片机会发出关闭功放电源的指令;如果3分钟内有音频信号输入单片机将计数器清零。信号变换电路在整个高效率音频功率放大器中，系统电路要求增益达到1.0，将双端输出调制为单端输出，选用宽带NE5532进行运放。在信号变化电路中，NE5532功放具有极强的带负载能力，因此对电路中输入阻抗的要求偏低，在各点输入阻抗为20.0kΩ的情况该，所对应增益可达到1.0，上限频率高于设计要求[3]。

3结束语

当前市场对电子产品的需求开始呈现出便携式以及薄型化的趋势，D类放大器具有发热少、音质好以及电源效率高等一系列优势，在电子产品制造领域开始得到广泛的应用。本文即通过引入D类功放的方式，在三角波PWM调制方法下针对高效率音频功率放大器的设计要点进行分析与总结，望能够引起相关设计人员的关注与重视。

参考文献

[1] 应建华，唐晓.一种带增益修正的音频功率放大器芯片[J].华中科技大学学报（自然科学版），2007，35（11）：109-112.

[2] 应建华，付增功，周欢欢，等.D类音频功率放大器中的死区控制电路设计[J].华中科技大学学报（自然科学版），2008，36（10）：98-101.

[3] 刘帘曦，杨银堂，朱樟明，等.一种无滤波器的高效立体声D类音频功率放大器[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2009，36（2）：308-313.