開(kāi)關(guān)模式（D類）音頻功率放大器的設(shè)計(jì)及運(yùn)用

郭哲

（廣東省中山市中等專業(yè)學(xué)校，廣東中山，528400）

1 音頻功率放大器概述

音頻功率放大器是音響電路中不可缺少的、起重要作用的放大器，它的任務(wù)是對(duì)已放大的電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大，得到足夠大的輸出功率去推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，并且減少自身的損耗。傳統(tǒng)模擬放大器有甲類（A類）、乙類（B類）和甲乙類（AB類）等。一般的小信號(hào)放大都是A類功放，理論效率值最高為50%。B類放大理想效率高達(dá)78.5%，但信號(hào)失真嚴(yán)重。實(shí)際電路加一點(diǎn)偏置，就形成AB類功放，這樣一來(lái)效率也隨之降低。然而，若采用D類放大器，情況就有所不同了，此功放工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，理論狀態(tài)晶體管導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻為零，兩端沒(méi)有電壓，當(dāng)然沒(méi)有功率消耗；而截止時(shí)，內(nèi)阻無(wú)窮大，電流又為零，也不消耗功率。所以作為控制元件的晶體管本身不消耗功率，電源利用率就特別高，輸出效率能達(dá)到100%。也正因?yàn)槿绱耍恍枰崞Ψ朋w積可以做得更小。

2 D類音頻功率放大器的工作原理與設(shè)計(jì)

D類功放也稱數(shù)字功放，它不同于A類、B類和AB類工作方式，它采用切換電壓方式的同時(shí)利用PWM信號(hào)控制導(dǎo)通時(shí)間以放大信號(hào)。其輸出級(jí)的工作狀態(tài)要么完全導(dǎo)通，要么完全截止，因此輸出器件的功率甚小。由于D類功放利用晶體管快速切換的開(kāi)關(guān)特性，以開(kāi)關(guān)方式把模擬音頻信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制（PWM），使它的效率遠(yuǎn)比A類、B類和AB類要高得多。在電源電壓為額定值時(shí)，D類功放的效率達(dá)80%以上。D類放大器分為5個(gè)主要組成部分：音頻輸入電壓放大、基準(zhǔn)三角波裝置、PWM脈寬調(diào)制、功率放大輸出、低通濾波和負(fù)載。

D類放大器的輸出晶體管工作時(shí)處于完全導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，在“導(dǎo)通”與“截止”之間幾乎沒(méi)有線性區(qū)域，這就是D類放大器與傳統(tǒng)放大器的主要區(qū)別。輸入的音頻信號(hào)為模擬信號(hào)，在音頻放大模塊進(jìn)行電壓的放大調(diào)整，然后與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的等幅三角波進(jìn)行電壓比較，形成被調(diào)制的脈寬信號(hào)PWM，脈寬信號(hào)是一種脈沖寬度隨輸入信號(hào)的幅度大小變化而變化的方波信號(hào)。輸入信號(hào)電壓高，就意味著占空比高，此脈沖信號(hào)被功率放大器放大后送到濾波器進(jìn)行濾波（即解調(diào)），濾掉PWM的高頻載波，最后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)音。理論上，D類放大器能有100%的輸出功率，但是在實(shí)際的工作中受到種種原因、條件的影響與限制，輸出效率只能接近此理想值。

■2.1 電路設(shè)計(jì)制作參數(shù)要求

在實(shí)踐教學(xué)中，我要求學(xué)生按以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：(1)電路使用6V直流電源；(2)電路輸出功率為1W左右；(3)音頻放大器的頻率響應(yīng)范圍為50Hz～20kHz；(4)功放管應(yīng)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，音頻信號(hào)調(diào)制高頻信號(hào)，要求有低頻濾波器；(5)電源效率要不小于60%；(6)電路負(fù)載為8Ω。

■2.2 電路設(shè)計(jì)

D類放大器的各個(gè)模塊分別是音頻輸入放大、三角波發(fā)生器、電壓比較器、H橋形功率輸出和濾波器。

圖1

2.2.1 音頻輸入放大電路

圖1所示，本電路采用了TL062集成運(yùn)放，此運(yùn)放的高頻響應(yīng)較好，通頻帶理論值達(dá)到0～20kHz。電源消耗功率低，特別在待機(jī)狀態(tài)下電源供電時(shí)，該集成運(yùn)放內(nèi)部各點(diǎn)對(duì)地的電壓都將相應(yīng)提高，因而輸入電流小。另外本電路采用單電源供電，大大降低制作成本。但是雙電源的集成運(yùn)放由單電源供電，輸入電壓為零時(shí)，輸出不為零，這無(wú)法通過(guò)調(diào)零電路解決的。為使雙電源集成運(yùn)放在單電源供電下能正常工作，必須將輸入端的電位提升。

電路中的R22、R10是電位提升電阻（即偏置電阻），靜態(tài)時(shí)的輸出電平為R10Vcc/(R10+R22)=1/2Vcc。電容C14為隔直流電容。電路的放大倍數(shù)為Au=(R23+R24)/R14。為了使電壓放大倍數(shù)得到連續(xù)調(diào)整，將電阻R23設(shè)置成可變電阻。當(dāng)R23=0時(shí)，Au=R24/R14=1倍；當(dāng)R23=120k時(shí)，Au=38.5倍。

因?yàn)榉糯笃魍苿?dòng)的是一個(gè)變化的負(fù)載，那么為了在負(fù)載變化時(shí)保證放大器的輸出電壓比較穩(wěn)定，就在前級(jí)放大器后接入電壓跟隨器。電壓跟隨器具有極高的輸入阻抗和很小的輸出阻抗，因此音頻輸入放大電路的帶負(fù)載能力較強(qiáng)。

2.2.2 三角波發(fā)生器電路

三角波是最適合作為載波信號(hào)，正如上所述，載波頻率的選擇必須在好的高頻輸出波形和大的開(kāi)關(guān)損耗之間權(quán)衡。也就是說(shuō)載波頻率的選擇必須兼顧好解調(diào)輸出波形和高的電源效率。降低載波頻率能減少開(kāi)關(guān)損耗，提高載波頻率則更有利于輸出濾波器的解調(diào)。本電路采用100kHz的載波頻率。

本電路是由三級(jí)門電路CD4069B組成的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)三角波，一般壓控振蕩器都用正負(fù)電源，而本電路只用一個(gè)電源，電路如圖2所示。R2這可變電阻起三角波幅值的微調(diào)作用，當(dāng)采用CD4000B系列反相器時(shí)，振蕩頻率在150kHz以內(nèi)為宜。電容C1應(yīng)該是無(wú)極性的電容器，且漏電應(yīng)該十分小，所以選用瓷片電容。電路的振蕩頻率為f=R8/4CR11(R1+R2)×{1-[(2R11/R9)×(2R11/R9)]×[(Ei/VCC-1/2)×(Ei/VCC-1/2)]}。其中 Ei是輸入電壓。

圖2

2.2.3 電壓比較器電路

本電路如圖3所示，采用LM339集成塊作為電壓比較器的核心元件。該集成芯片具有較高的轉(zhuǎn)換速率，適應(yīng)電壓范圍較廣，約在2～36V范圍；響應(yīng)時(shí)間為300ns。利用它能將三角波、信號(hào)波形轉(zhuǎn)換成為矩形波，能獲得比較理想的上升沿和下降沿，即使頻率高達(dá)250kHz也能勝任。

由于電源電壓為單電源（+6V），所以兩個(gè)輸入端均使用了分壓比為1/2的分壓器，將輸入端電位定為電源電壓的一半。C2、C3用來(lái)隔直流。

圖3

2.2.4 H橋形功率輸出級(jí)電路

為了加快開(kāi)關(guān)速度，降低功率的消耗，選用了增強(qiáng)型VMOS對(duì)管IRF9540和IRF540構(gòu)成H橋功率輸出級(jí)。如圖4所示，這種三極管的導(dǎo)通電阻很小，約在0.5Ω以下，這就使得三極管對(duì)后面8Ω的負(fù)載的影響就微乎其微。同時(shí)MOS管的開(kāi)關(guān)速度也非常高，在用CD4069做驅(qū)動(dòng)的情況下輸出矩形波的上升沿與下降沿非常陡，另外所選的VMOS管的擊穿電壓都很高，要求≥400V，所以電路中省掉了過(guò)壓保護(hù)電路。

另外為了簡(jiǎn)化電路，將H橋的左橋臂的輸出直接連接到右臂的輸出端，這樣便省去了一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，事實(shí)證明這是完全可行的。H 橋工作原理：當(dāng)CD4069驅(qū)動(dòng)電路輸出低電平時(shí)，Q1的VGS<0(Q1、Q2的1腳為G極，2腳為S極，3腳為D極)，Q1導(dǎo)通，Q4的VGS>0，（Q3、Q4的1腳為G極，2腳為D極，3腳為S極），Q4導(dǎo)通。信號(hào)流向是從Q1的S、D極→L1→L3→R17→C13→L4→L2→Q4的D、S極→地；當(dāng)CD4069驅(qū)動(dòng)電路輸出為高電平時(shí)，Q3的VGS>0，Q3導(dǎo)通，Q2的VGS<0，Q2導(dǎo)通，信號(hào)流向是從Q2的S、D極→L2→L4→C13→R17→L3→L1V→Q3的D、S極→地。

2.2.5 輸出濾波器電路

圖4

如圖5所示,放大后的音頻脈沖電流，經(jīng)過(guò)4級(jí)的巴特奧茲低通濾波器，濾除PWM產(chǎn)生的高頻干擾。這種濾波器對(duì)幅頻響應(yīng)的要求是：在小于截止頻率的范圍內(nèi)，具有最平幅度的響應(yīng)，而在大于截止頻率時(shí)，幅頻響應(yīng)迅速下降。電路中L1=L2=50μH；L3=L4=11.5μH。 公 式 為C=1.414/(RL×4×3.14×fo)，L=1.414×RL/4×3.14×10)，F(xiàn)o是濾波器的截止頻率。

圖5

3 技術(shù)展望

由于D類放大器的開(kāi)關(guān)特性，從實(shí)用的角度來(lái)說(shuō)，只要PWM有足夠的精度和頻率，就有可能獲得可接受的控制特性及不錯(cuò)的音頻效果。精度應(yīng)該是16位（或更大），PWM載波頻率應(yīng)不低于音頻帶寬的12倍，最好是25倍。跟其它音頻設(shè)備一樣，提高動(dòng)態(tài)范圍的精度也很重要。標(biāo)準(zhǔn)CD播放器的精度是16位。另外由于PDM（脈沖密度調(diào)制）方式的數(shù)字放大器的開(kāi)發(fā)，D類放大器在音響HI-FI領(lǐng)域中前景一片光明。

* [1]華中工學(xué)院工業(yè)電子學(xué)教研室編，康華光主編：電子技術(shù)基礎(chǔ)—模擬部分（第三版）[M]，高等教育出版社.1997,6.

* [2]沈嗣昌 蔣璇 臧春華主編，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第二版）[M]，航空工業(yè)出版社，1996.

* [3]朱達(dá)成 張寶玉 張文駿編著,模擬集成電路的特性及應(yīng)用[M]，航空工業(yè)出版社，1994.

* [4]段九州主編,振蕩電路實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]，遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002,8.