高效音频功率放大器

文献综述电子信息工程高效率音频功率放大器设计文献综述一、前言为了节约电路的成本，提高放大器的效率，采用普通的电子元器件设计高效率音频功率放大器的方法，使用基本的运算放大器，构成PWM路，形成D类功率放大器，实现了高效率，低失真的设计要求。

为了提高电路的抗干扰性能，在设计中使用了电压跟随器，差动放大器，有源带通滤波器等。

使设计获得了良好的效果。

二、主题在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。

所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。

音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。

（一）早期的晶体管功放半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。

自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。

　早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高，例如，共发射极截止频率fh的典型值为4kHz，大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。

这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其3dB截止频率通常在10kHz左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。

再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约，制作较大功率的OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管子，所以不得不采用变压器耦合输出。

变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。

“还是胆机规声”，这种看法的确事出有因。

（二）晶体管功放的发展和互调失真随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。

最初的大功率PNP管是锗管，而NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们更多采用的是图二所示的准互补电路，通过小功率硅管Q1与一只大功率的NPN硅管Q2复合，得到一只极性与PNP管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。

D类放大高效率音频功率放大器电路图原理为提高功放效率，以适应现代社会高效、节能和小型化的发展趋势，以D类功率放大器为核心，以单片机89C51和可编程逻辑器件（FPGA）进行控制及时数据的处理，实现了对音频信号的高效率放大。

系统最大不失真输出功率大于1W,可实现电压放大倍数1~20连续可调，并增加了短路保护断电功能，输出噪声低。

系统可对功率进行计算显示，具有4位数字显示，精度优于5%。

传统的音频功率放大器主要有A类（甲类）、B类（乙类）和AB（甲乙类）。

A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器件，它的优点是输出信号的失真比较小，缺点是输出信号的动态范围小、效率低，理想情况下其最高效率为50%.B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50%,它的优点是在理想情况下效率可达78.5%,但缺点是会产生交越失真，增加噪声。

AB类（甲乙类）功率放大器是以上两种放大器的结合，每个功率器件的导通时间在50%~100%之间，兼有甲类失真小和乙类效率高的特点，其工作效率介于二者之间。

传统音频功率放大器效率偏低，体积偏大的缺点与音频功率放大高效、节能和小型化的发展趋势的矛盾，催生了D类（丁类）音频功率放大器出现和发展。

本系统即采用D类功率放大实现，并用单电源供电，符合现代社会对电源小巧、便携要求的实际需要。

1系统方案论证与选择1.1整体方案方案①：数字方案。

输入信号经前置放大调理后，即由A/D采入单片机进行处理，三角波产生及与音频信号的比较均由软件部分完成，然后由单片机输出两路完全反向的PWM 波给入后级功率放大部分，进行放大。

此种方案硬件电路简单，但会引入较大数字噪声。

方案②：硬件电路方案。

三角波产生及比较、PWM产生仍由硬件电路实现，此方案噪声较小、且幅值能做到更大，效果较好，故采用此方案。

1.2三角波产生电路设计方案①：利用NE555产生三角波。

该电路的特点是采用恒流源对电容线性冲、放电产生三角波，波形线性度较好、频率控制简单，信号幅度可通过后加衰减电位器控制。

厦门大学硕士学位论文高效率、低失真的D类音频功率放大器姓名：叶春晖申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：冯勇建20090501摘要半导体技术的进步重新唤起了人们对Ｄ类音频功放的兴趣，尤其体现在便携器件等消费电子产品中Ⅲ。

本文对双声道Ｄ类音频功率放大器进行研究，通过使用双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术极大降低了静态功耗，从而将低输入状态下的芯片的效率提高Ｎ９０％。

同时将谐波失真降至０．０３％．并且通过独特的二阶反馈环路增大系统带宽，使系统在２０赫兹ｊ！ｌＪ２００００赫兹的音频范围内具有平坦的响应曲线。

就此本文主要开展了以下研究工作：１．综合考虑器件成本和性能的要求，选取了现代公司的０．６Ｕｍ线宽标准工艺，在保证合理的成本和芯片面积的前提下得到最优化的效率以及相应的输出功率性能。

通过对输出级电路分析计算，确保芯片在该工艺条件下的运行安全性。

２．深入分析计算了以往各种采样技术的特点，设计了双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术作为Ｄ类音频信号调制器的核心技术，提高了系统线性度，极大降低了系统静态功耗。

３．设计独特的二阶反馈环路增大系统带宽。

建立传递函数模型，通过ＭＡＴＬＡＢ分析系统的线性与稳定性。

通过ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真，计算出系统的失真度。

４．设计并全差分结构的运算放大器作为组成音频信号调制器的核心放大器，以得到更高的集成度，并且不需要使用输入耦合电容对。

设计轨到轨的高反应速度的比较器作为脉宽高制信号发生器，从而将信号相移最小化，同时保证系统的稳定性。

５．完成包括Ｄ类音频调制器以及功率输出级在内的整个器件的所有具体电路设计与仿真验证；完成了器件的版图设计、后端生产以及性能测试。

所得到的产品在拥有高达９０％的效率与低至０．０３％的失真度，在效率与失真度方面性能优异，十分符合音频领域的应用要求。

该Ｄ类音频功率放大器的性能良好，拥有极高的效率以及低失真，同时还拥有占空间小，成本低的优势，适合于手机等便携式消费电子产品的音频应用，在国内处于领先地位，具有广泛的市场前景。

PA8157是一款高保真、高效率、低EMI、免滤波、5W单声道D类音频功率放大器。

PA8157内部集成智能增益控制（AGC）功能，通过检测输出信号的大小智能调整系统的增益，避免了过载对于扬声器的损害，防止了音量过大时破音，提高了听觉体验。

PA8157采用了全差分免滤波PWM调制的系统架构，具有较好的抗干扰能力。

其内部集成的过温保护、欠压保护、过流保护、“咔哒”杂音抑制等功能模块，给PA8157提供了更强壮的鲁棒性，使其拥有了更好的适应能力。

PA8157采用了典型的SOP_8封装。

图1.典型应用图应用蓝牙音箱便携式音响设备玩具特点免滤波D类集成（自动增益控制）AGC功能输出功率5W@2Ω（THD+N=10%，5.3V）工作电压域：2.5V～5.5V低失真THD+N=0.04%@1W，5VPOP声抑制效率最高达88%高PSRR=75dB@217Hz过流、过温、欠压保护全差分/单端输入低噪声70μVrms（GAIN=10V/V）失调电压<20mV静态电流6mA@5V关断电流<0.1μASOP_8封装图2.PA8157封装图管脚定义极限参数注1注1：超出以上所列极限参数，可能造成器件的永久损坏。

以上给出的仅是极限范围，在这样的极限条件下工作，器件的技术指标不予保证。

长期在极限条件下工作，会影响器件可靠性。

R IN=10KΩ，C IN=100nF，T A=25℃，VDD=3.8V，除非有特殊说明图3.谐波失真+噪声 Vs. 输出功率图4.谐波失真+噪声 Vs. 频率图5. 输出功率 Vs. 输入幅度图6. 增益 Vs. 频率图7. 效率 Vs. 输出功率图8. AGC触发时间图9. AGC释放时间图10. PA8157测试原理图PA8157为脉冲输出方式，如图9所示，需要在两个输出各接一个低通滤波器将开关调制频率滤除，然后测量滤波器的差分输出即可得到模拟输出信号，VOP和VON被低通过滤后的差分输出波形和相减后的波形如下图所示。

1 绪论随着时代科技的高速发展，大量的电子设备应运而生。

在现实生活中，绝大部分电子设备都离不开音频信号的处理，高效率音频放大器直接影响到了许多电子产品的质量。

传统的音频功放工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁。

功率输出受到限制。

低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。

高效率功率音频功率放大器设计的关键是功率放大器放大电路的研究，提高功放的效率的根本途径是减小功放管的功耗。

方法之一是减小功放管的导通角，增大其在一个信号周期内的截止时间，从而减小管子所消耗的平均功率，高频大功率放大电路中，功放工作处于丙类（C类）状态。

方法之二是使功放管工作处于开关状态（即D类状态），此时管子仅在饱和导通时消耗功率，而且由于管压降很小，故无论电流大小，管子的瞬时功率都不大，因此管子的平均功耗也就不大，电路的效率必然提高，但是应当指出，当功放中的功放管工作在C类或D类状态时，集电极电流将严重失真，因此必须采取措施消除失真，如采用谐振功率放大电路，从而使负载获得基本不失真的信号功率[1]。

1.1设计高效率功率音频功率放大器的目的和意义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。

这次音频功率放大器的设计为了达到高效率的设计，采用D类功率放大器，D 功放是基于脉冲宽度调制技术的开关放大器，包括脉冲宽度调制器，功率桥电路，低通滤波器。

这种类型的功放已经展示出了良好的性能，要想设计出并实现电源效率高于90%，THD低于0.01%，低电磁噪音的D类功率放大器，或者甚至包括能将高保真音质技术引入的D类的放大器[2]。

d类纯后级功放
D类纯后级功放是一种高效、高保真的音频功率放大器，它采用数字信号处理技术，能够提供高达90%以上的转换效率和接近1的功率因数。

与传统的A、B、AB类功放相比，D类功放具有更高的工作效率、更低的能耗和更小的体积，因此在家庭音响、汽车音响等领域得到了广泛的应用。

D类纯后级功放的主要特点是：
1. 高效率：由于采用了数字信号处理技术，D类功放能够将输入的模拟信号转换为数字信号进行处理，从而避免了传统模拟放大器中的失真和能量浪费问题，提高了放大器的效率。

2. 低功耗：由于D类功放的工作频率比传统的A、B、AB类功放高得多，因此其功耗也相应降低了很多。

这使得D类功放在使用相同电源的情况下可以提供更高的输出功率。

3. 小体积：由于D类功放的设计相对简单，没有像传统放大器那样的变压器、电容器等元件，因此其体积相对较小，便于安装和使用。

大功率e类功放1.引言1.1 概述大功率e类功放（Class E Power Amplifier）是一种高效率、高功率输出的功率放大器电路。

与传统的A类、B类、AB类功放相比，e类功放在功率转换效率上有着显著的优势。

其主要原理是通过将输入信号进行开关化处理，通过高频开关器件（如MOSFET）实现电能的高效转换和放大。

这种开关化处理使得功放器件在工作时基本处于两个极端状态（完全导通和完全关断），从而减少了功耗和热损失，提高了功率放大的效率。

大功率e类功放的关键特点包括：1. 高效率：相对于传统的A类、AB类功放，e类功放的功率转换效率更高。

因为功放器件在工作时处于导通或关断状态，能量的损耗更少。

2. 高输出功率：e类功放可以实现较高的输出功率，适用于需要大功率输出的场合。

它能够驱动各种负载，包括低阻抗的扬声器和复杂负载。

3. 低失真：e类功放在放大过程中减小了失真的程度，提供更加纯净和高保真的音频输出。

4. 小型化设计：e类功放电路结构相对简单，因此可以实现紧凑的设计和小尺寸的外观。

这使得它在一些对体积要求较高的应用中具有优势。

5. 广泛应用：由于大功率e类功放具有高效、高功率和低失真等特点，它在音频放大、无线电发射、电力传输等领域有着广泛的应用前景。

本文将介绍大功率e类功放的原理、工作方式、特点及其在不同领域的应用前景。

通过深入了解这一技术，我们可以更好地掌握和应用大功率e类功放，为相关领域的发展和应用提供有力的支持。

1.2文章结构1.2 文章结构本文按照以下结构进行阐述大功率e类功放的相关内容：第一部分，引言，主要概述本文的研究对象和研究目的，包括对大功率e类功放的概述、文章结构和研究目的的介绍。

通过引言来引出文章的主要内容和重点。

第二部分，正文，主要内容包括两个方面：什么是大功率e类功放和大功率e类功放的特点。

在第二部分中，我们将详细介绍大功率e类功放的定义、原理、工作方式以及其与其他功放类型的比较。

高效率音频功率放大器的设计作者：谭本军来源：《消费电子·理论版》2013年第07期摘要：本文是基于高效率的音频功率放大器出发，从功放类型的选择，D类功放的构成、PWM调制原理及具体电路的设计等多方面进行了具体的设计分析，并具体制作，设计调试效果理想，是一款很理想的音频功率放大器。

关键词：高效率；音频；功率放大器；PWM调制中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 14-0000-01一、引言音频功率放大器是指用于向扬声器提供功率的放大电路，是多级放大电路的最后一级。

要求具有较高的输出功率和较大的输出动态范围，衡量其性能好坏的主要指标有频率特性、时间特性、信号噪声比、最大输出动态范围、最大功率和效率，其中最大输出功率和效率主要由功率放大器实现。

传统的功率放大器主要有A（甲）类、B（乙）类、AB（甲乙）类和C（丙）类，一般的小信号放大都是甲类功放，其能量转换效率很低，理论效率最高才25%；乙类功放理想效率高达78.5%，但实际电路都要略加一点偏置，构成甲乙类，实际效率仅为50%左右；C类功放一般用在高频发射电路中，虽然效率可以更高，但电路复杂、音质更差，音频放大中一般都不采用。

在汽车功放、笔记本电脑、手机等小型便携式音响设备的音频系统和专业超大功率功放场合，以上类型的功放因效率偏低不能令人满意。

D（丁）类音频功率放大器是受高频脉宽调制（PWM）脉冲信号的控制，使其工作在开关状态，其理论效率为100%，实际可达80%～95%；其不足之处是易产生高频干扰及噪声，本文通过精心设计低通滤波器及合理选择元件参数，其音质效果完全能与A类线性功率放大器相比拟。

二、D类功放的构成本文设计的D类功放由放大与增益控制电路、三角波发生器、比较器、开关放大电路和低通滤波器构成。

输入的音频信号先经增益可变的放大器放大，并变换成大小相同、相位相反的差分信号。

这两路信号分别与三角波发生器产生的三角波进行比较，比较器输出频率与三角波相同，但占空比与音频幅度对应的脉冲信号、音频信号的幅度与脉冲波的占空比成比例。

音频功率放大器的分类音频功率放大器是将音频信号放大到足够驱动扬声器的电路。

根据放大电路的形式和工作原理，音频功率放大器可以被分为许多不同的类别。

在本文中，我们将介绍几种常见的音频功率放大器。

A类放大器A类放大器是一种最常见、最基本的放大器。

它的工作原理是将音频信号通过放大电路进行放大。

A类放大器的主要特点是其输入信号和输出信号完全相同。

它可以提供最高质量和最低形变的音频信号，但相比其他的放大器，A类放大器的效率较低，因为其功率大部分用于产生热量而非音频输出。

由于较低的效率，A类放大器适用于低功率电路、音质要求高的音频设备和灵敏度要求高的音频应用。

B类放大器B类放大器是一种相对于A类放大器而言更为高效的放大器。

B类放大器的原理是在AC信号的零点时关闭放大器，而在正弦波的峰值（正或负）点时打开放大器，将正弦波的上半部分或下半部分放大输出。

这样的输出会产生总体形变，因为放大器仅工作在正弦波的上半部分或下半部分。

然而，B类放大器的效率高于A类放大器，因为它仅在放大信号时启用放大器。

B类放大器适用于高功率电路、需要较高的能量效率的音频设备和不要求超高音质的音频应用。

AB类放大器AB类放大器是一种介于A类放大器和B类放大器之间的放大器类型。

它是通过在负载处添加一个偏置电压来保持控制电路处于开启状态，但是通过控制电路来限制偏置电压。

由于控制电路的存在，AB类放大器能够更好地平衡功率效率和音质。

这种放大器通常用于大功率音频放大器和需要高保真度的音频应用。

C类放大器C类放大器是一种工作于无方式的放大器。

它仅在信号高于某个阈值时才会使放大器开启并输出信号。

这种放大器需要非常快速的开关器件，而且工作在尽可能高的电流和低的电压下，从而达到更高的功率效率。

尽管C类放大器具有很高的效率，但其音质通常较差，并产生比其他放大器更多的形变，因为它只保留信号的高频部分。

C类放大器广泛应用于功率放大器、汽车音响和PA系统等高功率应用。

D类音频功率放大器分析D类音频功率放大器是一种高效的功率放大器，主要用于音频设备中提供高功率输出。

它的工作原理是在输入信号的周期性周期内，对电流进行开关调制，从而将信号通过高频开关电路进行放大。

与传统的A类、B类和AB类功率放大器相比，D类功率放大器具有更高的效率和较低的功耗。

D类音频功率放大器的基本结构包括输入级、放大级和输出级。

输入级主要负责将信号转换为宽幅脉冲，并将其输入到放大级中。

放大级中的高频电路将宽幅脉冲进行放大，并通过输出级输出到负载上。

输出级一般由功率MOSFET管组成，可以提供高功率输出。

D类音频功率放大器的工作周期包括两个状态：导通状态和截止状态。

在导通状态下，输入信号的正半周期会导致功率MOSFET管导通，负半周期则关断。

而在截止状态下，则正负半周期都会导致功率MOSFET管全部关断。

相比于传统的A类、B类和AB类功率放大器，D类功率放大器具有以下优点：1.高效率：由于D类功率放大器工作在开关状态，其功率损耗相对较小。

因此，其效率可以达到70%以上，远高于传统的功率放大器。

2.低功耗：由于高效率的特性，D类功率放大器的功耗相对较低。

这对于移动设备和电池供电的设备来说非常重要，可以延长电池使用时间。

3.尺寸小巧：D类功率放大器的尺寸相对较小，可集成到小型音频设备中，使其紧凑且易于携带。

4.低发热量：由于功率损耗较小，D类功率放大器产生的热量也相对较少。

这有助于减少设备散热需求，提高设备的可靠性。

然而，D类功率放大器也存在一些缺点：1.输出质量：由于开关调制的特性，D类功率放大器在放大音频信号时，很难完全重现输入信号的准确细节。

这可能导致一些畸变和噪音。

2.上电启动时间：由于开关电路的特性，D类功率放大器在上电启动时需要一定的时间来建立输出电压。

这可能导致一些短暂的音频延迟。

3.EMI干扰：由于高频开关电路的存在，D类功率放大器可能会引入一些电磁干扰（EMI），对周围的其他设备产生不良影响。

开题报告电气工程与自动化D类高效率音频功率放大器设计一、选题的背景与意义随着微电子制造技术的不断发展，电子产品正向着薄型化、便携式迅速发展，人们对音频功放的要求更加趋向于高效、节能和小型化。

因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功放要求高效、节能、发热少、体积小、便于集成。

普通功放电路复杂，体积较大；而且效率较低，输出功率不可能做的很大。

而D类功放工作于开关状态，理论效率可达100%，实际运用时也可达到较高的效率。

功率器件的耗散功率小，产生热量少，可大大减小散热器的尺寸；功率MOS管有自保护电路，可大大简化保护电路，而且不会引人非线性失真；这样就可以极大地降低能源损耗，降低放大器的体积。

所以D类音频功放越来越受到人们的重视，正越来越多地被用在移动电话、PDA及其他类似便携式应用中，以取代AB类放大器。

由于D类音频功率放大器具有更高的效率，这使得采用D类音频功率放大器可延长电池供电中断产品的工作时间，并产生更少的热量，从而解决设备的散热问题。

近年来国际上加进了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，这一技术一问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子、商业界的特别关注。

不久的将来，D类音频功率放大器必将取代传统的模拟音频功率放大器。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：研究的基本内容：1、话筒。

主要用于将声音信号转化为电信号，以便后续装置处理。

2、前置放大模块。

由话筒输入的信号一般都比较微小，为了能够与三角波进行比较，必须对信号进行放大，拟采用运放对输入信号进行放大。

3、带通滤波模块。

输入的音频信号难免会有干扰，为了去除干扰，需要对音频信号进行滤波。

本设计采用有源滤波器滤除低频和高频干扰，实现对输入输出的隔离。

4、三角波产生模块。

系统需要使用三角波作为载波，对音频信号进行调制，根据奈奎斯特采样定理，产生的三角波的频率至少为基波最高频率的2倍，为了后级滤波的方便，载波的频率应尽可能大。