基于D類放大的高效率音頻功率放大器設計

時東陽

【關鍵詞】基于D類放大;高效率音頻功率放大器;設計

音頻功率放大器傳統(tǒng)類型設備中，甲類設備的輸入信號周期范圍之內(nèi)電流會持續(xù)性的流過功率放大器件，其優(yōu)勢在于輸出信號失真問題發(fā)生率很低，但是輸出信號動態(tài)范圍很小，整體控制的效率難以提升。乙類設備輸入信號的整體周期范圍之內(nèi)功率器件導通率在51%左右，優(yōu)勢在于效率較高，缺失就是很容易出現(xiàn)失真問題與噪聲問題。在此情況下就應改變傳統(tǒng)的音頻功率放大器設計形式，基于D類放大設計高效率設備，保證相關放大器的設計效果、設計水平。

一、基于D類放大的高效率音頻功率放大器整體架構設計

設計的過程中按照整體系統(tǒng)的情況設置高效率功率放大模塊、信號變換電路模塊、過流保護模塊、功率測量模塊。高效率功率放大模塊屬于整體架構中最為重要的核心部分，主要涉及到前置放大的部分、三角波產(chǎn)生電路的部分、比較器電路的部分、驅(qū)動電路的部分、H橋互補對稱放大部分。將音頻信號輸入設備經(jīng)過前置放大的電路部分之后可以實現(xiàn)放大調(diào)理的目的，并分成上部分、下部分與兩路三角波信號之間相互對比，獲得相應的PWM波，準確調(diào)制音頻信號脈寬。在此之后通過驅(qū)動電路提升信號驅(qū)動的性能，進入H橋的模塊，借助占空比的調(diào)整有效控制功率開關管，使得開關管的導通操作、截止操作符合要求，增強功率放大的效果。在此之后通過低通濾波的形式在負載輸出濾除原本音頻信號，設置信號變化的線路之后使得雙端的信號能夠轉(zhuǎn)變成為單端類型的信號，利用截止頻率在20赫茲的濾波器處理之后與測試儀表之間相互連接準確性的完成測試任務。完成測試之后需在單端信號方面進行有效值檢波處理，利用AD采樣技術措施處理之后輸入到單片機中，準確計算功率數(shù)據(jù)值，將其顯示出來。在系統(tǒng)中設計完善的過流保護功能、模式，將采樣電阻控制為0.1，和負載之間相互串聯(lián)，將流過負載的電流數(shù)據(jù)值采集出來，放大對比分析之后通過繼電器設備針對功率放大的供電進行有效控制，達到整體設備保護的目的。同時在設計的過程中將不失真輸出功率控制為1W以上，保證電壓放大倍數(shù)在一到二十的情況下持續(xù)性可調(diào)。由于使用的是D類放大設計措施，能夠增強設備的應用效率，減少噪聲問題，從根本上避免出現(xiàn)功率顯示誤差的現(xiàn)象。

二、基于D類放大的高效率音頻功率放大器設計措施

（一）合理選擇整體的設計方案

1、總體設計方案的對比選擇

目前在基于D類放大的高效率音頻功率放大器設計過程中，已經(jīng)開始應用數(shù)字類型與硬件電路類型的設計方案，但是由于不同的總體設計方案內(nèi)容應用效果不同，因此需要按照具體情況優(yōu)化性選擇。

（1）數(shù)字化的設計方案。利用前置部分進行輸入信號的放大調(diào)理以后通過A/D數(shù)據(jù)采集的方式采集信息輸入單片機，利用軟件系統(tǒng)實現(xiàn)三角波的形成和三角波與音頻信號的對比，之后通過單片機設備將兩路完全反向的PWM波輸出并輸入到后級功率放大的系統(tǒng)實現(xiàn)放大的目的。雖然此類設計方案的硬件電路設計形式具有簡單性的優(yōu)勢，但是會出現(xiàn)數(shù)字噪聲問題。

（2）硬件電路方面的設計方案。利用硬件電路實現(xiàn)三角波的形成、對比分析、PWM的產(chǎn)生，此類設計方式在應用期間噪聲小，可以最高程度上提升幅值，應用的效果很好，因此需要選擇此類設計方案。

2、三角波產(chǎn)生電路的設計方案

不同設計方案的應用對三角波的產(chǎn)生效果會產(chǎn)生不同程度的影響，因此在設計期間需要結合具體的狀況針對性、深人性的選擇最佳設計方案內(nèi)容。

（1）設計方案。此類電路主要是通過恒流源的形式進行電容線的性沖處理、放電處理，最終形成三角波，此類設計方案所產(chǎn)生的三角波具有波形線性度高的優(yōu)勢，頻率控制的效果較為良好，可以利用后加衰減電位器的設備嚴格性的控制信號幅度。

（2）方波積分的設計方案。此類產(chǎn)生三角波設計方案在應用的過程中主要通過積分器設備、比較器設備的級聯(lián)方式，在比較器的支持下形成方波積分，最終獲得三角波，只需要利用電阻值的調(diào)整就可以簡單性的控制頻率、幅值，但是在應用期間很容易出現(xiàn)積分偏移的現(xiàn)象，難以有效地對其進行控制。因此在三角波產(chǎn)生電路設計的過程中建議使用的設計方案，可以確保整體電路的良好應用、三角波的高效化形成。

3、PWM波生成的設計方案

設計高效率音頻功率放大器的過程中應結合D類放大的標準，合理選擇PWM波生成的設計措施。

（1）直接比較的設計方案。此類設計主要就是按照輸入音頻信號的偏置情況合理選擇相同的偏置，通過幅度偏高的三角波信號和相關的音頻信號之間直接性的對比，最終會形成PWM波，之后利用方向器設備形成一路完全相反的信號，輸入到后級放大電路中。

（2）雙路比較的設計方案。選擇偏置存在差異性的兩路三角波信號，和其中的音頻信號上部分、下部分之間做出對比，此類措施在一定程度上能夠降低后級H橋電路之內(nèi)管的開啟、關閉次數(shù)，預防出現(xiàn)功率消耗量過高的問題，保證實際的效率。

（3）對音頻信號直接進行反向處理的設計方案，通過放大器進行音頻信號調(diào)理處置之后直接性的反向操作，之后對比處理以后的信號與三角波，形成兩路反向的PWM波。以上三種方案第二種設計方案的應用效率很高，可以起到共模噪聲的抑制作用，所以可以選擇第二種設計方案。

4、短路保護設計方案

電路保護設計的過程中應確保方案內(nèi)容的合理性。

（1）電流互感器設計。使用先進的電流互感器設備將負載所經(jīng)過的電阻電流感應出來，處理電流之后準確地確認電路是否過流。

（2）采樣電阻的設計?？梢岳眯?shù)據(jù)值電阻串聯(lián)鏈路的形式，將負載電流數(shù)據(jù)值采集出來，明確電路是否過流，此類設計措施在應用的過程中較為簡單，對系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響很小，因此可以使用此類設計方案。

（二）強化軟件部分的設計

根據(jù)基于D類放大的高效率音頻功率放大器的設計要求，應完善整體設備和系統(tǒng)功率的測量功能和顯示功能，基于成本考慮在硬件設計的過程中使用stm32 F103C8T6微處理器，基于kile開發(fā)軟件。A/D轉(zhuǎn)換意義在于利用模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式在stm32中實現(xiàn)傅里葉計算，達到液晶顯示頻譜的目的，將電流電壓數(shù)據(jù)信息采集，準確計算功率數(shù)據(jù)指標，健全其中的顯示功能。所有軟件系統(tǒng)需要使用C語言進行編程，保證軟件設計的質(zhì)量水平。

（三）合理設計前置放大電路

設計工作中需要使用效率很高、噪聲很低并且具有軌對軌特點的運放芯片部件，創(chuàng)建成為同相寬帶類型的放大電路系統(tǒng)，對于信號輸入的端點應該做好串聯(lián)電容的設計，使其能夠?qū)崿F(xiàn)隔直耦合的目的。與此同時在設計期間應考慮到如果屬于單電源供電的形式，就應該在運放同向端的位置設計偏置，指標為2.5V。另外還需設計反饋電阻的部件，主要就是電位器設備，能夠針對放大器的增益倍數(shù)連續(xù)性、動態(tài)性的調(diào)整，使得電路的應用符合標準。

完成所有電路、方案的設計工作之后還需使用函數(shù)信號發(fā)生器設備、數(shù)字示波器設備、直流電源系統(tǒng)、四位半數(shù)字多用表設備等進行設計成品的測試分析，測量所設計設備功率顯示誤差的情況、噪聲情況、效率情況、過流保護情況等，一旦發(fā)現(xiàn)問題必須立即整改設計方案內(nèi)容，確保整體設備和系統(tǒng)的高質(zhì)量設計。

三、結語

綜上所述，基于D類放大的高效率音頻功率放大器設計的過程中，應重點對比選擇設計方案，完善軟件系統(tǒng)和硬件部分，保證能夠?qū)崿F(xiàn)高效率功率放大的目的、信號高質(zhì)量變換的目的、功率合理測量與顯示的目的;完善其中的過流保護功能，增強功率指標與效率指標;確保整體設備、系統(tǒng)的設計水平，不會出現(xiàn)功率問題、效率問題與噪聲問題。