音频功率放大器的设计【文献综述】.docx
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毕业设计文献综述
电子信息工程 音频功率放大器的设计
1. 前言
音频功率放大器设计与制作的技术已经相当成熟,很多年来,人们一直为它 的发展而不懈的努力,现在无论从线路技术方面还是原器件方面,甚至从思想和 认识上都取得了重大进步。
随着半导体和微电子制造技术的持续发展,高速、大 功率器件已越来越多,各种电子产品正在朝微薄化、便携式快速发展,人们对音 频功率放大器的要求更是越来越高。
既要高效、节能,又要小型化。
移动音频设 备因为受到电池容量、散热、体积等的限制,所以就必须要使音频功率放大器更 加高效、更加节能、发热少、体积小,还要便于集成[ 1] 。
在所有功率较大的放大 器中,效率都是一个极为关键的参数。
A 类功率放大器的效率最低, AB 类功率 放大器的理想效率可达到 78%,但实际电路不可能超过 50%,效率依然不够高, 因此,需要对使用的放大器提高效率。
提高效率即是要减少功率器件自身的功率 损耗。
器件的功率损耗为 P=UI 。
如果加电压 U 时把电流 I 减至最小,或者通电 流I 时将电压 U降至最低,则 P 就可以降低。
在这种使用需求越来越高的情况下 D类功率放大器就应运而生[ 2] 。
所谓 D类功率放大器,就是将音频信号转成脉宽变化的形式,再由脉冲放大 器放大输出,然后通过低通滤波电路还原成音频信号[ 2] 。
由于脉冲放大器工作在 开关状态,电路本身的损耗只限于三极管(或场效应管)导通时饱和压降引起的 损耗和元件开关损耗,适当选择元件,可以使得总损耗较小,因而电路工作效率 较高。
2.主体部分:
2. 1 A类功放
A类功率放大器的输出级中两组晶体管一直处在导电的状态,即不管有没有 讯号输入它们都会保持通电,并且能让这两个电流等同于交流电峰值,此时交流 电会在信号最大情况下流入负载[ 5] 。
当没有信号时,两个晶体管会流通等量的电 流,所以会使输出中心点上无不平衡的电流或电压,因此就没有电流输入扬声器。
当信号趋向正极,上方的输出晶体管会流入较多电流,下方的输出晶体管会流入
相对较少的电流。
由于开始时的电流不是平衡状态,于是流入扬声器后会促使扬 声器发声。
A类功放的工作方式能达到最佳的线性状态,每个输出晶体管都会完 全放大讯号全波,完全不会失真,即便是不使用负反馈,它的失真仍然会非常低, 因此 A类功放被称为音频最为理想的放大线路设计方式。
但这种设计也有不足之 处,A类功放最大的缺点就是效率低,原因是无讯号时仍有满电流流入,此时电 能会转为高热量。
当信号增加时,有一部分功率会进入负载,但仍会有许多转变 为热量。
A类功放最适合用于播放音乐,因为它能提供非常柔美的音质,不仅音色饱 满而且高音透彻,这些优点可以弥补它的缺点。
A类功率功放发热量很大,为了 能有效处理散热的问题,必须在使用时采用大型散热器。
由于它的效率低,供电 器一定要能提供足够的电流。
一部50W的 A 类功放供电器的供电量至少够 200 瓦 AB 类功放使用。
所以 A类功放的体积和重量均比 AB 类大,这使得 A类功放制 造成本加大,售价高昂。
一般来说,A 类功放的售价是功率相等的 AB 类功放的 两倍。
2. 2 B 类功放
B 类功放的工作方式是当没有信号输入时,输出晶体管不导电,不消耗功率。
当有信号时,每对输出管各自放大一半的波形,一开一关轮流工作完成一个完整 波的放大,在两个晶体管轮换工作时会发生交越失真,形成非线性[ 9] 。
由于 B类 功放在信号很低时失真非常严重,会使使声音变得很粗糙,所以很少单独使用 B 类功放。
B 类功放的平均效率约为 75%,产生的热量比 A 类功放低,允许使用较 小的散热器。
2. 3 AB 类功放
与前两类功放相比,AB 类功在性能上得以综合。
通常情况 AB 类功放有两个 偏压,在没有信号时也有少量电流通过晶体管。
在讯号小时使用 A类工作模式, 以便得到最佳线性状态[ 9] 。
当信号提高到某一高度时便会转为 B 类工作模式以便 获得较高效率。
一般情况下,AB 类功放在大部分时间都是在 A 类功放模式下工 作的,只有出现当音频瞬间增强时才会转为 B 类模式。
此设计可以在得到较好音 质的同时提高效率并减少发热,是一种很理想的设计。
2. 4 C 类功放
此类功放较少使用,因为它是一种失真很高的功放,只适合在通讯上使用。
2. 5 D类功放
D类功放是指D类音频功率放大器。
通过控制开关单元 ON/OFF 来驱动扬声 器的放大器称为 D类放大器[ 12] 。
D类放大器于 1958 年被首次提出,近些年逐渐 流行。
与一般的 AB 类功放电路相比,D类功放具有高效、体积小等特点。
在此之前,人们认为 A类功放声音保真度较高,音质也最为清新。
所以在音 响领域里一直使用 A类功放。
但是,A类功放的低效率和高损耗是无法克服的。
B 类功放虽然比 A 类功放的效率高了不少,但是 B 类功放的实际效率只有 50%左 右,在如笔记本电脑音频系统、汽车音响系统、和超大功率功放等小型便携式音 响设备中,它的效率仍然偏低,不能令人满意。
所以,效率极高的 D类功放开始 受到了大家的重视。
由于集成电路技术的飞速发展,原来很复杂的调制电路,现 在无论是在技术上还是在价格上都已不是问题。
而且数字音响技术在近几年的飞 速发展,人们发现数字音响与 D类功放有许多相通之处,进一步体现D类功放有 很大的发展优势。
D类功放是一种处于开关状态放大模式的原件。
当没有信号输 入时处于关闭状态,不耗电。
工作时,输入信号使晶体管达到饱和,此时晶体管 相当于一个连通的开关,把电源和负载相连通。
理想的晶体管是没有饱和压降的, 所以不耗电。
但在实际情况中晶体管都会消耗很少的一部分电能。
但是这种消耗 只与晶体管的特性有关,与输出信号的大小无关,所以非常有利于大功率的功率 放大器使用。
在理想的情况下,D类功放的效率达到 100%,B 类功放的效率为 78. 5%,A 类功放的效率根据负载方式的不同只有 50%或 25%。
实际上 D类功放早期被用于继电器和电机等的开关控制电路中。
因为 D类功 放只有开关功能,然而,随着数字音频技术研究的深入,开关功能逐渐被广泛应 用于 Hi - Fi 音频放大。
20 世纪 60 年代,人们开始研究 D类功放在音频放大方面 的应用,在 70年代 Bos e 公司就能够生产出 D类汽车功放。
一方面狭小的空间使 其不能放入大散热板结构的功放,另一方面汽车使用的蓄电池供电需要很高的效 率,这两点限制使其不得不使用类似D类功放这样高效的放大器。
这其中最为关 键的一步就是对音频信号的调制。
[ 13]
三.总结
通过以上几种音频功率放大器品质因数的比较,D类功放优势明显,不但功
率损耗小而且失真小,设计也简单,各种元器件的价格低等优点,所以市场应用 广泛,尤其在音频领域应用最多。
本课题将研究一种D类音频功率放大器的设计方法。
该功率放大器采用D类放 大器结构, 内部设有前置运算放大器、三角波振荡器、PWM比较器、防脉冲电路 和功率输出电路, 同时整个功率放大器可由增益调节电路调节其总闭环电压增 益。
该音频功率放大器可提供额定输出功率,且具有总谐波失真较小、输出效 率高、应用电源电压范围广等优点, 可应用于如MP3、MP4、PDA、笔记本电脑等 便携式多媒体电子设备中。
四.参考文献
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