時(shí)東陽

【關(guān)鍵詞】基于D類放大;高效率音頻功率放大器;設(shè)計(jì)

音頻功率放大器傳統(tǒng)類型設(shè)備中，甲類設(shè)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(shè)備輸入信號的整體周期范圍之內(nèi)功率器件導(dǎo)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(yīng)改變傳統(tǒng)的音頻功率放大器設(shè)計(jì)形式，基于D類放大設(shè)計(jì)高效率設(shè)備，保證相關(guān)放大器的設(shè)計(jì)效果、設(shè)計(jì)水平。

一、基于D類放大的高效率音頻功率放大器整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的過程中按照整體系統(tǒng)的情況設(shè)置高效率功率放大模塊、信號變換電路模塊、過流保護(hù)模塊、功率測量模塊。高效率功率放大模塊屬于整體架構(gòu)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(bǔ)對稱放大部分。將音頻信號輸入設(shè)備經(jīng)過前置放大的電路部分之后可以實(shí)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(yīng)的PWM波，準(zhǔn)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(jìn)入H橋的模塊，借助占空比的調(diào)整有效控制功率開關(guān)管，使得開關(guān)管的導(dǎo)通操作、截止操作符合要求，增強(qiáng)功率放大的效果。在此之后通過低通濾波的形式在負(fù)載輸出濾除原本音頻信號，設(shè)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(zhǔn)確性的完成測試任務(wù)。完成測試之后需在單端信號方面進(jìn)行有效值檢波處理，利用AD采樣技術(shù)措施處理之后輸入到單片機(jī)中，準(zhǔn)確計(jì)算功率數(shù)據(jù)值，將其顯示出來。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)完善的過流保護(hù)功能、模式，將采樣電阻控制為0.1，和負(fù)載之間相互串聯(lián)，將流過負(fù)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(shè)備針對功率放大的供電進(jìn)行有效控制，達(dá)到整體設(shè)備保護(hù)的目的。同時(shí)在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)措施，能夠增強(qiáng)設(shè)備的應(yīng)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(shè)計(jì)措施

（一）合理選擇整體的設(shè)計(jì)方案

1、總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程中，已經(jīng)開始應(yīng)用數(shù)字類型與硬件電路類型的設(shè)計(jì)方案，但是由于不同的總體設(shè)計(jì)方案內(nèi)容應(yīng)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(shè)計(jì)方案。利用前置部分進(jìn)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(jī)，利用軟件系統(tǒng)實(shí)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(jī)設(shè)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(shí)現(xiàn)放大的目的。雖然此類設(shè)計(jì)方案的硬件電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案。利用硬件電路實(shí)現(xiàn)三角波的形成、對比分析、PWM的產(chǎn)生，此類設(shè)計(jì)方式在應(yīng)用期間噪聲小，可以最高程度上提升幅值，應(yīng)用的效果很好，因此需要選擇此類設(shè)計(jì)方案。

2、三角波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)方案

不同設(shè)計(jì)方案的應(yīng)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(shè)計(jì)期間需要結(jié)合具體的狀況針對性、深人性的選擇最佳設(shè)計(jì)方案內(nèi)容。

（1）設(shè)計(jì)方案。此類電路主要是通過恒流源的形式進(jìn)行電容線的性沖處理、放電處理，最終形成三角波，此類設(shè)計(jì)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(shè)備嚴(yán)格性的控制信號幅度。

（2）方波積分的設(shè)計(jì)方案。此類產(chǎn)生三角波設(shè)計(jì)方案在應(yīng)用的過程中主要通過積分器設(shè)備、比較器設(shè)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(yīng)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(jìn)行控制。因此在三角波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)的過程中建議使用的設(shè)計(jì)方案，可以確保整體電路的良好應(yīng)用、三角波的高效化形成。

3、PWM波生成的設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)高效率音頻功率放大器的過程中應(yīng)結(jié)合D類放大的標(biāo)準(zhǔn)，合理選擇PWM波生成的設(shè)計(jì)措施。

（1）直接比較的設(shè)計(jì)方案。此類設(shè)計(jì)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(guān)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(shè)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(shè)計(jì)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(guān)閉次數(shù)，預(yù)防出現(xiàn)功率消耗量過高的問題，保證實(shí)際的效率。

（3）對音頻信號直接進(jìn)行反向處理的設(shè)計(jì)方案，通過放大器進(jìn)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(shè)計(jì)方案的應(yīng)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(shè)計(jì)方案。

4、短路保護(hù)設(shè)計(jì)方案

電路保護(hù)設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)確保方案內(nèi)容的合理性。

（1）電流互感器設(shè)計(jì)。使用先進(jìn)的電流互感器設(shè)備將負(fù)載所經(jīng)過的電阻電流感應(yīng)出來，處理電流之后準(zhǔn)確地確認(rèn)電路是否過流。

（2）采樣電阻的設(shè)計(jì)?？梢岳眯?shù)據(jù)值電阻串聯(lián)鏈路的形式，將負(fù)載電流數(shù)據(jù)值采集出來，明確電路是否過流，此類設(shè)計(jì)措施在應(yīng)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(shè)計(jì)方案。

（二）強(qiáng)化軟件部分的設(shè)計(jì)

根據(jù)基于D類放大的高效率音頻功率放大器的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)完善整體設(shè)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)傅里葉計(jì)算，達(dá)到液晶顯示頻譜的目的，將電流電壓數(shù)據(jù)信息采集，準(zhǔn)確計(jì)算功率數(shù)據(jù)指標(biāo)，健全其中的顯示功能。所有軟件系統(tǒng)需要使用C語言進(jìn)行編程，保證軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量水平。

（三）合理設(shè)計(jì)前置放大電路

設(shè)計(jì)工作中需要使用效率很高、噪聲很低并且具有軌對軌特點(diǎn)的運(yùn)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(diǎn)應(yīng)該做好串聯(lián)電容的設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)隔直耦合的目的。與此同時(shí)在設(shè)計(jì)期間應(yīng)考慮到如果屬于單電源供電的形式，就應(yīng)該在運(yùn)放同向端的位置設(shè)計(jì)偏置，指標(biāo)為2.5V。另外還需設(shè)計(jì)反饋電阻的部件，主要就是電位器設(shè)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(yīng)用符合標(biāo)準(zhǔn)。

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

三、結(jié)語

綜上所述，基于D類放大的高效率音頻功率放大器設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)重點(diǎn)對比選擇設(shè)計(jì)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(hù)功能，增強(qiáng)功率指標(biāo)與效率指標(biāo);確保整體設(shè)備、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，不會出現(xiàn)功率問題、效率問題與噪聲問題。