1、高效音频功率放大电路设计摘要当今家庭影院、音响系统、立体声唱机、MP3、MP4 等已经深入了人们的生活，各类功率放大器在电子产品中更是得到了巨大发展，人们在追求高保真度音频功放的同时，也希望功放兼有大的输出功率和高效率。因此，设计一种失真度小、输出功率大、效率高、低成本的音频功放具有很重要的现实意义。论文首先对音频功放电路进行了研究，比较了各种功放电路的优缺点，根据设计要求，确定了符合要求的功放电路形式.ABSTRACTAudio Power Amplifier is widely used in high performance audio systems，stereophotographs
2、，servo amplifiers,MP3 and MP4.Nowadays,people emphasize highpower andhigh efficiency as well as high fidelity feature of audio power amplifier.So its worth to designan Audio Power Amplifier with the features of high power and high efficiency.Firstly,I conducts the research and concrete analysis to t
3、he audio frequency poweramplifier that contains dependence sources,including concrete program flow and Definitionform of circuit.2音频功率放大器的分类及特点音频功率放大器，从电路结构上来分有:OTL、OCL、BTL;从电路的工作点来分:A 类、B 类 C 类和 D 类。A 类、AB 类、B 类和 C 类是线性功率放大器又称经典功率放大器，它们的差别在于偏置情况不同。2.1 A类功率放大器A 类功率放大器在功率放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，也称
4、甲类放大。工作在 A 类放大状态的功率放大器，电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时，这些能量全部消耗在放大器件上，并将转换为热量的形式耗散出去；当有信号输入时，其中一部分转换为有用的输出功率，信号越大，输送给负载的功率越多。在理想情况下，A 类功率放大电路的效率较低，最高也只能达到 50%？计算一下。尤其是当功率放大的输出管的发热量很大，其中有用的音频信号仅为 20%左右，其余 80%的无用功率都将通过巨型散热器以热能形式散发出去。故甲类功放不仅非常耗电，效率特低。甲类功放缺点虽多，但多年来一直以失真最小（无开关失真和交越失真） 、保真度高而著称。仅从失真的角度来看，它是一种优质的线性放大
5、电路，其声音表现是相当不错的。由于较小的非线性失真，使得 A 类功率放大器一般都用在较高档次的音响系统中。A 类功率放大器的典型电路如图所示。下图不对要重画图 2.1 A 类功率放大A 类功率放大器的典型工作状态：图 2.2 A 类功率放大器输入波图纵轴坐标不对图 2.3A 类功率放大器输出波形图2.2 B类功率放大器B 类功率放大在输入信号的半个周期内，晶体管导通；在另外半个周期内，晶体管截止。即晶体管的导通时间正好等于输入信号的半个周期， B 类放大也被称为乙类放大。B 类功率放大器的典型工作状态如图所示。图 2.4 B 类功率放大器输入波形图纵轴坐标不对图 2.5 B 类功率放大器输出波
6、形图一般地，B 类功率放大器的静态工作电流选在接近零点处，当有激励信号输入时，其功率管仅有半周导通，使得输出与输入有着半周相近的信号波形。可见，与 A 类功率放大器相比，B 类在无信号输入时无能量消耗，功率转换效率也比较高，最高能达到 78.5%。写出计算过程但这种状态失真度就很大了。为了减少 B类功率放大器的失真，一般 B 类放大器都用双管做成推挽式互补对称结构。B 类互补推挽式功率放大器如图所示。图 26 B 类互补推挽式功率放大器该电路 Vi 为零时，Vo 也为零，此时两管都截止。随着 Vi 的正向增大，Q1基极和发射极间电压 Vbe 也增大，直到大于 Vbe(on)时 Q1 中才会有电
7、流流过。这时 Vo 约等于零，呈现射极跟随器的特点，故随着 Vi 的增加 Vo 线性增加。当Vi0 时，Q2 基极和发射极之间的电压为反向偏置而使得 Q2 截止。Vi 的继续增大最终会使 Q1 达到饱和状态。如果 Vi 负向变化也会有类似的结果，Ql 由于反向偏置而截止，Q2 呈现射极跟随器的特点。该电路在静态时无工作电流，而在有信号时，Q1 和 Q2 轮流导通，两个管子互补对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为互补对称电路。由于采用双电源，不需要耦合电容，故称它为 OCL（output capacitorless） ，即无输出电容互补对称放大电路，简称 OCL 电路。接下来对 B 类
8、放大器做性能分析：图 2.7 输入波形图图 2.8 输出波形图不难发现，当输入电压小于 be 间开启电压时，Q1 管与 Q2 管均处于截止状态。也就是说，只有当电压高于开启电压时，输出电压才跟随输入电压变化。因此，当输入电压为正弦波时，在输入过零附近输出电压降产生失真，波形如上图所示，这种失真称为交越失真。与一般电路相同，消除失真的方法是设置合适的静态工作点。可以设想，若在静态时两管均处于临界导通或微导通（即有一个微小的静态电流） ，则当输入信号作用时，就能保证至少有一个管子导通，实现双向跟随。为减小和克服交越失真，在两基极间加上补偿二极管及相应电路，以供给 Q1和 Q2 两管一定的正向偏压，
9、构成 AB 类互补对称功放电路（下图） 。图 2.9 改进后的 AB 类互补对称功放电路2.3 AB类功率放大器为了克服 A 类功放功率过低的缺陷，我们可以调低末级功放的工作电流，使功放在有音频信号流过时有较大音频电流输出，没有音频信号时则工作在电流很小（一般仅为几十毫安）的导通状态，这就是现在大多数中低档普及型功放所采用的 AB 类电路。AB 类功率放大在输入信号的多半个周期内，晶体管是导通的；其余小半个周期内，晶体管是截止的。在没有输入信号时，虽然输出管存在静态电流，但此电流很小，接近于零，则称此放大电路为 AB 类放大或甲乙类放大。AB 类放大，可以认为是 A 类放大和 B 类放大的结合
10、，其静态工作点介于两者之间，具体取值取决于偏置电流的大小和输出电平。AB 类放大的偏置电路与 B 类的基本相同，但偏置电流要比 B 类的稍大，以便使功放进入 AB 类工作状态。AB 类放大与 B 类放大相比，虽然同样减小了静态功耗，提高了功率转换效率(介于 A 类与 B 类之间)，但同时也都出现了交越失真，尽管失真程度远小于 B 类。既要保持静态时管耗小，又要使失真不太严重，因此人们就提出采用互补推挽式电路结构。当驱动电平低于输出功率管的阈值时，管子均处于微导通状态，有一定的静态电流流过；当驱动电平高于输出功率管的阈值时，其工作状态与 B 类是一样的。虽然它此时的线性不及 A 类，但它可较好地
11、驱动低阻抗负载，是 A 类的补充。AB 类功率放大器的典型工作状态如下图所示。图 2.10 AB 类功率放大器输入信号波形图图 2.11 AB 类功率放大器输出信号波形图从理论上讲，AB 类功放的确是存在少量的开关失真和交越失真，保真度也因此略逊于甲类,而其最大的优点则是效率高达 80%左右，因而输出功率可以做的很大，相信随着电子元器件素质的进一步提高，特别是音频功率管特征频率已达到60 兆赫，只要在 AB 类电路上精心调校，下足功夫，并注意克服失真问题，AB 类音频功放的音质还是可以达到极高的水平的。2.4 C 类放大器C 类功率放大只有正半周的输入信号足够大时，晶体管才会导通，即晶体管的导
12、通时间小于半个周期，这就是 C 类放大的特点。C 类功率放大器的典型工作状态：图 2.12 C 类功率放大器输入信号波形图图 2.13 C 类功率放大器输出信号波形图C 类放大器可提供高效率，其功率转换效率大于 78.5%。这些放大器主要用于射频电器加上 RCL 调谐回路作为负载，可用于无线电台和电视发射系统。由于这些电路属于特？所以不适合用来作为音频放大器。2.5 D类功率放大器D 类放大是以离散时间放大器设计思想为基础，并且在很早以前就有人提出，但直到最近，随着半导体制造技术的进一步发展以及便携式设备和消费类电子的兴起，D 类音频功率放大器才重新受到重视。D 类功率放大的最大优势在于其电源
13、功率转换的效率很高，理论上可以达到 100%。与 AB 类放大器相比，D 类放大器需要更小的电源电流，因此具有更长的电源使时间或者更低的电源使用成本；另外，D 类放大器更低的发热量使得更小的封装成为可能，同时去掉 AB 类放大器中所使用的降温设备。基于这两个优点，对于消费类电子来说，D 类功率放大器显然更具有吸引力。另外，在一些特殊的应用场合，例如需要设计输出功率为10W 的音频功率放大器，A 类 B 类放大器过低的电源效率，将会使电源产生的功率 50%以上都消耗在电路里并以发热的形式散发出去，因此，对于高输出功率放大器而言，使用 A 类和 AB 类放大器将会产生极高的器件温度，必须使用特殊的
14、封装同时配备降温设备，这将占用系统大部分体积。D 类功放通常为推挽电路形式， D 类功率放大器的归一化功率传递能力？为0.32，这比 B 类和 A 类都好。D 类功率放大器虽然不能提供线性调制，但是它可以得到高效率并不会对器件产生过高的电压和电流。由于 D 类功放(包括其它所有开关功放)面临的一个实际问题是没有理想开关这样的部件，因此在开关过程中非零的饱和电压肯定会产生静态功耗，而有限的开关速度也意味着开关的 V-I积在过渡期间不为零，因此 D 类功放效率肯定不能达到 100%。从以上各类放大器的讨论可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的直流功率损耗。无信号时静态电流愈大则直流损耗大，效率
15、越低。为此，要提高效率则应降低静态工作点。但是，信号导通角逾小波形失真则愈大，输出信号中谐波成分越大，这是一对矛盾。如果输入波形边沿很陡直，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真变化不大而效率又可以提高，波形陡直的极端状态类似为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后沿是垂直升降的，导通状态都不会变化，这样就诞生了工作于脉冲放大状态的 D 类放大器。D 类放大器工作于开关状态，无信号时无电流。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时，器件并未完全短路，尚有一定管压降，故存在较少直流损耗，实际效率在 80 一90%。是实用放大器中效率最高的。正是由于 D 类放大器的效率高，100 瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，电路板可作的很小，大大减少了体积重量。并且由于工作在比音频高 10 余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响很小。由于 D 类音频功率放大器与传统的模拟功放相比，具有体积小，效率高，相对低的失真，所以具有广阔的发展前景。
