高效率音频功率放大器的研制
白林景,邵光存,李岸然,常兴连,王振伟
(山东省科学院激光研究所,山东济宁 272100)
摘 要:本设计以高效率D类功率放大器为中心,输出开关管采用高速场效应管,连接成互补对称H桥式
结构,兼有输出1: 1双变单电路和输出短路保护功能,比较理想地实现了输出功率大于2w,平均效率可达到
75%的高效音功率放大器。
关键词:D类音频功率放大器; PWM调制器; H桥功率放大器
中图分类号: TN722. 1 文献标识码:A
引言
全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频节能环
保的要求,要求我们尽快研究开发高效、节能、数字化的音
频功率放大器。传统的音频功率放大器工作于线性放大
区,功率耗散较大,虽然采用推挽输出,仍然很难满足大功
率输出;而且需要设计复杂的补偿电路和过流,过压,过热
等保护电路。D类开关音频功率放大器的工作于PWM模
式,将音频信号与采样频率比较,经过自然采样,得到脉冲
宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波,经过驱动
电路,加到MOS的栅极,控制功率器件的开关,实现放大,
放大的PWM信号送入滤波器,还原为音频信号。从而实
现大功率高效率的音频功率放大器。
系统电路
本文采用H型桥式D类功率放大电路,电路如图一
所示。
图一 音频功率放大器电路
(1) 三角波产生电路
利用NE555构成的多谐振荡器以恒流源的方式对电
容线性冲、放电产生三角波。接通电源瞬间,NE555芯片
的3脚输出高电平,二极管D2、D3 截止,D1、D4 导通, Vcc
通过T1 , T2 , R1 ,D1 对电容C1 恒流充电,当C1 上电压达到
2 /3Vcc时,NE555芯片的输出发生翻转,即3脚输出低电
平,此时,D2、D3 导通, D1、D4 截止,电容C1 通过D2 , T3 ,
T4 , R2 恒流放电,直到C1电压等于1 /3Vcc,电容又开始充
电,如此循环,电容C1上可以得到线性度良好的三角波。
为了提高带负载能力,输出通过由LM358A组成的电压跟
随器。
输出三角波频率的计算:电阻R1 上电压等于T1 的
VVbe≈ 0. 7V,故流过R1 的电流I = 0. 7V /300Ω = 2. 33
mA,忽略T1 的基极电流,则流过R1 的电流即为T2 的射
级电流,约等于T2 的集电极电流,故C1 的充电电流约为
2mA,同理, C1 的放电电流约为2mA。设充电时间为t1 ,放
电时间为t2 ,则有:
2
3
Vcc =
1
3
Vcc +
i ×t1
C
1
3
Vcc =
2
3
Vcc -
i ×t2
C
可得三角波的周期: T = t1 + t2 =
2Vcc ×C
3 ×i
故三角波频率为: f =
3 ×i
2Vcc ×C
(2)前置放大电路 前置放大电路采用低噪声、高速
运放的NE5532运算放大器,组成增益可调的同相宽带放
大电路。功放最大不失真输出时,负载上等效正弦波的电
压峰峰值为VP - P ,载波调制的调制波(正弦波)最大峰峰
— 27 —
值为VP - Pm ax ,对应的调制放大增益为AV2 =
VP - P
VP - Pm ax
,运算
放大电路中反馈电阻为R8 ,反相端电阻R7 ,则前置放大器
的增益AV1为:AV1 = 1 +
R8
R7
,通过选取调制波的峰值电压
VP - Pm ax和调整R8 的阻值,可实现整个功率放大单元的电
压增益连续可调。
(3)脉宽调制( PWM)电路 采用高速、精密的比较器
芯片,以音频信号为调制波,频率为f的三角波为载波,两
路信号均加上1 /2Vcc的直流偏置电压,通过比较器进行
比较,得到幅值相同,占空比随音频幅度变化的脉冲信号。
(4)驱动电路 驱动电路由施密特触发器芯片和三
极管组成,两个三极管组成的互补对称式射极跟随器。
PWM信号经过驱动电路后,形成两个前后沿更加陡峭的
倒相脉冲,两脉冲之间有一定的死区时间,防止了桥式驱
动电路出现直通现象。
(5) H型桥式驱动电路 由场效应管组成的功率开
关管和四阶巴特沃兹LC滤波电路组成。T9、T12导通, T10、
T11截止时,负载上的电压降VM AB0 =Vcc; T10、T11导通,
T9、T12截止时,负载上的电压降VAB = - Vcc,因此,负载上
的电压降可达到2倍的电源电压。解调信号放大后经过
LC滤波送到扬声器。
(6)短路保护电路 短路(或过流)保护电路采用0. 1
过流取样电阻与扬声器串联方式, 0. 1电阻上的取样电压
经过由NE5532组成的减法放大器进行放大。电压放大
倍数为:
Av =
R19
R17
经放大后的音频信号再通过由D9、C9、R20组成的峰
值检波电路,检出幅度电平,送给电压比较器U7的“ + ”
端,U7的“—”端电平设置为5. 1v,由R22和稳压管D12组
成,比较器接成迟滞比较方式,一旦过载,即可锁定状态。
正常工作时,通过0. 1上的最大电流幅度Im =Vcc /
(R + 0. 1) , 0. 1上的最大压降为0. 1 ×Im ,经放大后输出的
电压幅值为Vim ×AV = 0. 1 ×Im ×AV ,检波后的直流电压
稍小于此值,此时比较器输出低电平, T13截止,继电器J1
不吸合,处于常闭状态,电源Vcc通过常闭触点送给功放。
一旦扬声器两端短路或输入电流过大, 0. 1上电流、电压
增大,经过电压放大、峰值检波后,大于比较器反相端电
压,则比较器翻转为高电平并自锁, T13导通,继电器吸合,
切断功放Vcc电源,功放电路得到保护。R21、C11、D10、D11
组成开机延时电路,防止开机瞬间比较器自锁,关机后C11
上的电压通过D10快速放掉,以保证再开机时C11的起始电
压为零。
讨论
D类放大器工作于开关状态,无信号输入时无电流,
而导通时,没有直流损耗。事实上由于关断时器件尚有微
小漏电流,而导通时器件并没有完全短路,尚有一定的管
压降,故存在较少直流损耗,实际效率在80% - 90% ,是
实用放大器中效率最高的。
参考文献:
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出版社.
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看看我以前回答过的一个问题，或许有帮助。
评价一个控制系统是否优越，有三个指标：快、稳、准。
所谓快，就是要使压力能快速地达到“命令值”（不知道你的系统要求多少时间）
所谓稳，就是要压力稳定不波动或波动量小（不知道你的系统允许多大波动）
所谓准，就是要求“命令值”与“输出值”之间的误差e小（不知道你的系统允许多大误差）
对于你的系统来说，要求“快”的话，可以增大Kp、Ki值
要求“准”的话，可以增大Ki值
要求“稳”的话，可以增大Kd值,可以减少压力波动
仔细分析可以得知：这三个指标是相互矛盾的。
如果太“快”，可能导致不“稳”；
如果太“稳”，可能导致不“快”；
只要系统稳定且存在积分Ki，该系统在静态是没有误差的（会存在动态误差）；
所谓动态误差，指当“命令值”不为恒值时，“输出值”跟不上“命令值”而存在的误差。不管是谁设计的、再好的系统都存在动态误差，动态误差体现的是系统的跟踪特性，比如说，有的音响功放对高频声音不敏感，就说明功放跟踪性能不好。
调整PID参数有两种方法：1、仿真法；2、“试凑法”
仿真法我想你是不会的，介绍一下“试凑法”
“试凑法”设置PID参数的建议步骤：
1、把Ki与Kd设为0，不要积分与微分；
2、把Kp值从0开始慢慢增大，观察压力的反应速度是否在你的要求内；
3、当压力的反应速度达到你的要求，停止增大Kp值；
4、在该Kp值的基础上减少10%；
5、把Ki值从0开始慢慢增大；
6、当压力开始波动，停止增大Ki值；
7、在该Ki值的基础上减少10%；
8、把Kd值从0开始慢慢增大，观察压力的反应速度是否在你的要求内；
