基于D类放大的高效率音频功率放大器设计

时东阳

【关键词】基于D类放大;高效率音频功率放大器;设计

音频功率放大器传统类型设备中，甲类设备的输入信号周期范围之内电流会持续性的流过功率放大器件，其优势在于输出信号失真问题发生率很低，但是输出信号动态范围很小，整体控制的效率难以提升。乙类设备输入信号的整体周期范围之内功率器件导通率在51%左右，优势在于效率较高，缺失就是很容易出现失真问题与噪声问题。在此情况下就应改变传统的音频功率放大器设计形式，基于D类放大设计高效率设备，保证相关放大器的设计效果、设计水平。

一、基于D类放大的高效率音频功率放大器整体架构设计

设计的过程中按照整体系统的情况设置高效率功率放大模块、信号变换电路模块、过流保护模块、功率测量模块。高效率功率放大模块属于整体架构中最为重要的核心部分，主要涉及到前置放大的部分、三角波产生电路的部分、比较器电路的部分、驱动电路的部分、H桥互补对称放大部分。将音频信号输入设备经过前置放大的电路部分之后可以实现放大调理的目的，并分成上部分、下部分与两路三角波信号之间相互对比，获得相应的PWM波，准确调制音频信号脉宽。在此之后通过驱动电路提升信号驱动的性能，进入H桥的模块，借助占空比的调整有效控制功率开关管，使得开关管的导通操作、截止操作符合要求，增强功率放大的效果。在此之后通过低通滤波的形式在负载输出滤除原本音频信号，设置信号变化的线路之后使得双端的信号能够转变成为单端类型的信号，利用截止频率在20赫兹的滤波器处理之后与测试仪表之间相互连接准确性的完成测试任务。完成测试之后需在单端信号方面进行有效值检波处理，利用AD采样技术措施处理之后输入到单片机中，准确计算功率数据值，将其显示出来。在系统中设计完善的过流保护功能、模式，将采样电阻控制为0.1，和负载之间相互串联，将流过负载的电流数据值采集出来，放大对比分析之后通过继电器设备针对功率放大的供电进行有效控制，达到整体设备保护的目的。同时在设计的过程中将不失真输出功率控制为1W以上，保证电压放大倍数在一到二十的情况下持续性可调。由于使用的是D类放大设计措施，能够增强设备的应用效率，减少噪声问题，从根本上避免出现功率显示误差的现象。

二、基于D类放大的高效率音频功率放大器设计措施

（一）合理选择整体的设计方案

1、总体设计方案的对比选择

目前在基于D类放大的高效率音频功率放大器设计过程中，已经开始应用数字类型与硬件电路类型的设计方案，但是由于不同的总体设计方案内容应用效果不同，因此需要按照具体情况优化性选择。

（1）数字化的设计方案。利用前置部分进行输入信号的放大调理以后通过A/D数据采集的方式采集信息输入单片机，利用软件系统实现三角波的形成和三角波与音频信号的对比，之后通过单片机设备将两路完全反向的PWM波输出并输入到后级功率放大的系统实现放大的目的。虽然此类设计方案的硬件电路设计形式具有简单性的优势，但是会出现数字噪声问题。

（2）硬件电路方面的设计方案。利用硬件电路实现三角波的形成、对比分析、PWM的产生，此类设计方式在应用期间噪声小，可以最高程度上提升幅值，应用的效果很好，因此需要选择此类设计方案。

2、三角波产生电路的设计方案

不同设计方案的应用对三角波的产生效果会产生不同程度的影响，因此在设计期间需要结合具体的状况针对性、深人性的选择最佳设计方案内容。

（1）设计方案。此类电路主要是通过恒流源的形式进行电容线的性冲处理、放电处理，最终形成三角波，此类设计方案所产生的三角波具有波形线性度高的优势，频率控制的效果较为良好，可以利用后加衰减电位器的设备严格性的控制信号幅度。

（2）方波积分的设计方案。此类产生三角波设计方案在应用的过程中主要通过积分器设备、比较器设备的级联方式，在比较器的支持下形成方波积分，最终获得三角波，只需要利用电阻值的调整就可以简单性的控制频率、幅值，但是在应用期间很容易出现积分偏移的现象，难以有效地对其进行控制。因此在三角波产生电路设计的过程中建议使用的设计方案，可以确保整体电路的良好应用、三角波的高效化形成。

3、PWM波生成的设计方案

设计高效率音频功率放大器的过程中应结合D类放大的标准，合理选择PWM波生成的设计措施。

（1）直接比较的设计方案。此类设计主要就是按照输入音频信号的偏置情况合理选择相同的偏置，通过幅度偏高的三角波信号和相关的音频信号之间直接性的对比，最终会形成PWM波，之后利用方向器设备形成一路完全相反的信号，输入到后级放大电路中。

（2）双路比较的设计方案。选择偏置存在差异性的两路三角波信号，和其中的音频信号上部分、下部分之间做出对比，此类措施在一定程度上能够降低后级H桥电路之内管的开启、关闭次数，预防出现功率消耗量过高的问题，保证实际的效率。

（3）对音频信号直接进行反向处理的设计方案，通过放大器进行音频信号调理处置之后直接性的反向操作，之后对比处理以后的信号与三角波，形成两路反向的PWM波。以上三种方案第二种设计方案的应用效率很高，可以起到共模噪声的抑制作用，所以可以选择第二种设计方案。

4、短路保护设计方案

电路保护设计的过程中应确保方案内容的合理性。

（1）电流互感器设计。使用先进的电流互感器设备将负载所经过的电阻电流感应出来，处理电流之后准确地确认电路是否过流。

（2）采样电阻的设计。可以利用小数据值电阻串联链路的形式，将负载电流数据值采集出来，明确电路是否过流，此类设计措施在应用的过程中较为简单，对系统所产生的影响很小，因此可以使用此类设计方案。

（二）强化软件部分的设计

根据基于D类放大的高效率音频功率放大器的设计要求，应完善整体设备和系统功率的测量功能和显示功能，基于成本考虑在硬件设计的过程中使用stm32 F103C8T6微处理器，基于kile开发软件。A/D转换意义在于利用模数转换的方式在stm32中实现傅里叶计算，达到液晶显示频谱的目的，将电流电压数据信息采集，准确计算功率数据指标，健全其中的显示功能。所有软件系统需要使用C语言进行编程，保证软件设计的质量水平。

（三）合理设计前置放大电路

设计工作中需要使用效率很高、噪声很低并且具有轨对轨特点的运放芯片部件，创建成为同相宽带类型的放大电路系统，对于信号输入的端点应该做好串联电容的设计，使其能够实现隔直耦合的目的。与此同时在设计期间应考虑到如果属于单电源供电的形式，就应该在運放同向端的位置设计偏置，指标为2.5V。另外还需设计反馈电阻的部件，主要就是电位器设备，能够针对放大器的增益倍数连续性、动态性的调整，使得电路的应用符合标准。

完成所有电路、方案的设计工作之后还需使用函数信号发生器设备、数字示波器设备、直流电源系统、四位半数字多用表设备等进行设计成品的测试分析，测量所设计设备功率显示误差的情况、噪声情况、效率情况、过流保护情况等，一旦发现问题必须立即整改设计方案内容，确保整体设备和系统的高质量设计。

三、结语

综上所述，基于D类放大的高效率音频功率放大器设计的过程中，应重点对比选择设计方案，完善软件系统和硬件部分，保证能够实现高效率功率放大的目的、信号高质量变换的目的、功率合理测量与显示的目的;完善其中的过流保护功能，增强功率指标与效率指标;确保整体设备、系统的设计水平，不会出现功率问题、效率问题与噪声问题。