CN106921353A - 一种网络音频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络音频功率放大器,包括输入滤波电路、电源电路、信号调制电路、功率放大电路、输出滤波电路，其中输入滤波电路的输出端连接信号调制电路的输入端，信号调制电路的输出端连接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端连接输出滤波电路的输入端。该种网络音频功率放大器采用新型数字功放电路，该电路包含对音频进行400KHz高频调制，将含有高频载波信号的音频再推送到高频场效应管进行放大，采用特殊设计的变压器，直接滤除400KHz的高频，还原原本音频信号定压100V输出，通过定压喇叭进行播音，该放大器工作在开关状态，效率可以达到95%以上；另外，该放大器还增加了省电模式，当没有外部信号时，整机进入省电模式，节约能源。

Description

一种网络音频功率放大器

技术领域

本发明涉及音频信号处理技术领域，更具体地说，它涉及一种音频信号放大设备，尤其涉及一种网络音频功率放大器。

背景技术

目前普遍世面上的网络音频功率放大器一般采用定阻输出方式,这类网络音频功率放大器以固定的阻抗形式输出音频功率信号，这就要求音箱按规定的阻抗进行配接，才能得到额定功率的输出分配。这类网络音频功率放大器输出功率高、传输效率高、谐波失真小，音质好，但是不能出现轻载失配或重载失配的情况，否则会音箱扬声器的正常工作甚至会烧毁扬声器，因此定阻输出方式的网络音频功率放大器仅能适用于近距离传输的应用场景、例如家庭影院、舞台等，其应用场景不够广泛。

随着技术的发展，市面上出现了定压输出型的网络音频功率放大器。这类网络音频功率放大器要求负载的额定电压一定，其支持不同功率等级的扬声器加入系统，其输出电压信号高，信号传输损坏小，因此适合远距离传输的应用场景。但是现有的定压输出型网络音频功率放大器因为晶体管的开关损耗普遍存在效率低的问题，低效率的功率放大器严重影响系统的整体性能。

因此，设计高效率的网络音频功率放大器对于提高系统的稳定性、减少电源消耗、节约系统成本都有十分重大意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种网络音频功率放大器，其具有更高的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种网络音频功率放大器,其特征是：包括输入滤波电路、电源电路、信号调制电路、功率放大电路、输出滤波电路，其中输入滤波电路的输出端连接信号调制电路的输入端，信号调制电路的输出端连接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端连接输出滤波电路的输入端。

作为优选方案：所述输入滤波电路包括电容C26，电容C26、电阻R42、电阻R40、电容C27、电阻R41以及电阻R35依次串联，电容C26的另一端为音频信号的输入端，电阻R45的一端连接音频信号输入端且其另一端接地，电容C30的一端电阻R40和电阻R42的连接点连接，电容C30的另一端接地，电阻R40与电容C27的连接点输入滤波电路的第一输出端，电容C33与电容C34串联，电容C33的另一端与电容C27和电阻的R41的连接点连接，电容C34的另一端接地，电容C33与电容C34的连接点引出输入滤波电路的第二输出端。

作为优选方案：电源电路包括全桥整流电路，所述全桥整流电路的输出端连接有滤波整形电路。

作为优选方案：信号调制电路包括数字功放芯片U4，U4的型号为IRS2092，U4的3号脚与输入滤波电路的第一输出端连接， U4的4号脚与输入滤波电路的第二输出端连接。

作为优选方案：功率放大电路包括N沟道增强型的场效应管Q4A和Q4B，Q4A的栅极通过电阻R53连接U4的11号脚，Q4A的源极通过电容C59接地，Q4A的漏极连接U4的13号脚，Q4B的栅极通过电阻R48连接U4的14号脚，Q4B的源极连接Q4A的漏极，Q4B的漏极通过电阻R46连接U4的15号脚。

作为优选方案：输出滤波电路包括电感L1，电感L1的第一端连接U4的13号脚，电阻R50的一端连接L1的第二端且其另一端接地，电阻R52与电容C57串联，电阻R52的另一端连接L1的第二端，电容C57的另一端接地，电容C37的一端连接L1的第二端且其另一端接地。

作为优选方案：还包括保护电路与省电模式电路，保护电路与省电模式电路包括NPN型的三极管Q9、Q11以及PNP型的三极管Q7、Q10，Q11的集电极连通U4的5号脚, Q11的基集与发射极之间连接有电容C61，三极管Q9的集电极通过电阻R79连接Q11的基集，Q9的集电极通过电阻R71接地，Q9的基集与发射极之间连接电阻R76，电阻R72的一端连接整流二极管D17的阳极，D17的阴极连接电源，三极管Q7的集电极通过电阻R80连接Q11的基集，Q7的基集接地，三极管Q10的发射极连接Q7的基集，Q10的集电极连接Q7的集电极，Q10的基集连接Q7的发射极，电容C62的一端连接Q10的基集且其另一端接地，电阻R81与电容C62并联，电阻R73的一端与Q10的基集连接，其另一端连接电感L1的第二端。

作为优选方案：信号指示电路包括LED1、LED2和LED3，LED1的正极通过电阻R91连接电源，LED1、LED2和LED3的负极并联接地。

与现有技术相比，本发明的优点是：该种网络音频功率放大器采用新型数字功放电路，该电路包含对音频进行400KHz高频调制，将含有高频载波信号的音频再推送到高频场效应管进行放大，采用特殊设计的变压器，直接滤除400KHz的高频，还原原本音频信号定压100V输出，通过定压喇叭进行播音。该放大器工作在开关状态，效率可以达到95%以上，极大的节约能源；另外，该放大器还增加了省电模式，当没有外部信号时，MCU检测到低电平信号，整机进入省电模式，除了MCU还有供电，其它所有电路断电，当检测到外部信号，整机在20ms内又自动恢复供电，实现节约能源目的。

附图说明

图1为网络音频功率放大器的电路原理图。

图2为输入滤波电路的电路图；

图3为电源电路的电路图；

图4为信号调制电路；

图5为保护电路与省电模式电路的电路图；

图6为输出滤波电路的电路图；

图7为信号指示电路的电路图。

具体实施方式

参照图1，一种网络音频功率放大器,包括输入滤波电路、电源电路、信号调制电路、保护电路与省电电路、功率放大电路、输出滤波电路以及信号指示灯电路。其中输入滤波电路的输出端连接信号调制电路的输入端，信号调制电路的输出端连接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端连接输出滤波电路的输入端。

参照图2，输入滤波电路包括电容C26，电容C26、电阻R42、电阻R40 、电容C27、电阻R41以及电阻R35依次串联，电容C26的另一端为音频信号的输入端，电阻R45的一端连接音频信号输入端且其另一端接地，电容C30的一端电阻R40和电阻R42的连接点连接，电容C30的另一端接地，电阻R40与电容C27的连接点引出节点a1，电容C33与电容C34串联，电容C33的另一端与电容C27和电阻的R41的连接点连接，电容C34的另一端接地，电容C33与电容C34的连接点引出节点b1。

该部分电路的工作原理和作用为：网络音频模拟信号经IN口输入，R45为旁路电阻，防止输入信号开路；C26为输入隔直电容，隔离前级直流；R42与C30组成高通滤波器，滤除100Hz以下低频信号。这样从高通滤波器的输出端就会输出频率在100HZ以上的高频信号。

参照图3，电源电路包括全桥整流电路，ACIN1为电源接头，用于连接市电，全桥整流电路的两个输入端分别连接电源接头的两个接线端，电容C38与电容C52串联，电容C38的另一端连接全桥整流电路的第一输出端V+，电容C52的另一端连接全桥整流电路的第二输出端V-，电容C39与电容C53串联，电容C39的另一端连接全桥整流电路的第一输出端，电容C53的另一端连接全桥整流电路的第二输出端。电容C38和电容C52的连接点与电容C39和电容C53的连接点连接，电容C38和电容C52的连接点接地。

该部分电路的工作原理和作用为：BR1为全桥桥堆，内部为4个二极管组成，通过二极管的单向导电性，将交流电转换成有正负极的直流电，再通过C39、C53、C38、C52通过并联构成滤波整形电路，过滤掉整流后残留的交流电，还能起到整形的作用，利用电容器的充放电特性使全桥整流电路的输出电压稳定于一平滑平均值。这样，电源电路可以向网络音频功率放大器提供稳定可靠的工作电源。

参照图4，信号调制电路包括数字功放芯片U4，U4的型号为IRS2092。U4的3号脚引出节点a2,U4的4号脚引出节点b2，节点a1与节点a2连接，节点b1与节点b2连接。U4的1号脚与P沟道增强型的场效应管Q5的源极连接，Q5的漏极引出节点e1,Q5的栅极连接U4的5号脚。电阻R61的一端连接Q5的栅极，其另一端引出节点c1。整流二极管D10的阴极连接U4的1号脚且其阳极接地，电容C31与D10并联，电阻R36的一端连接U4的1号脚且其另一端接地。U4的2号脚接地，U4的6号脚连接电阻R62，电阻R62的另一端引出电源接点V-。整流二极管D14的阳极连接U4的6号脚且其阴极接地，电容C58与D14并联，电容C25的正极连接U4的5号脚且其负极连接U4的6号脚。U4的8号脚通过电阻R58连接电源接点V-，U4的7号脚通过电阻R57连接其8号脚。

U4的9号脚通过电阻R59连接电源接点V-，U4的10号脚连接电源接点V-。U4的12脚通过电阻R54连接其9号脚，电容C36的正极连接U4的12且其负极连接U4的10号脚。NPN型的三极管Q6的发射极通过电阻R55连接U4的12号脚，Q6的集电极通过电阻R66接地，整流二极管D15的阴极连接Q6的基集且其阳极接地，电容C60与D15并联，电阻R60的一端连接Q6的基集且其另一端接地。

U4的13号脚引出节点g1，二极管D11的阴极连接U4的15号脚且其阳极连接电阻R56，电阻R56的另一端连接三极管Q6的发射极。U4的13号脚通过电阻R34连接其3号脚，电容C28的一端连接U4的15号脚且其另一端连接U4的13号脚。电阻R47的一端连接U4的13号脚且其另一端连接U4的16号脚。

信号调制电路的工作原理和作用为：经过高通滤波电路滤波后的网络音频模拟信号分别从U4的IN-脚和COMP脚输入，信号调制由U4完成，经过信号调制电路的作用后，网络音频模拟信号被信号被转化成PWM的数字信号。

功率放大电路包括N沟道增强型的场效应管Q4A和Q4B。Q4A的栅极通过电阻R53连接U4的11号脚，Q4A的源极通过电容C59接地，Q4A的漏极连接U4的13号脚。电容C72与电容C59并联。Q4A的源极引出电源接点V-。Q4B的栅极通过电阻R48连接U4的14号脚，Q4B的源极连接Q4A的漏极，Q4B的漏极通过电阻R46连接U4的15号脚。二极管D3的阴极连接Q4B的漏极，二极管D3的阳极连接电阻R43，电阻R43的另一端U4的16号脚。电阻R44的一端连接D3的阳极且其另一端连接U4的15号脚。电容C29的一端连接Q4B的漏极且其另一端接地，电容C70与电容C29并联。Q4B的漏极引出电源接点V+。电容C71的一端连接Q4B的漏极且其另一端连接Q4A的源极。电容C32与电阻R49串联，电容C32的另一端连接Q4B的漏极，电阻R49的另一端连接U4的13号脚。电容C56与电阻R51串联，电容C56的另一端连接Q4A的源极，电阻R51的另一端连接U4的13号脚。

功率放大电路的工作原理和作用为：Q4A与Q4B组成推挽升压电路，在U4输出的控制下，Q4A与Q4B交替导通，将U4传过来的PWM信号进行功率放大。由于是PWM信号控制，Q4A与Q4B都分别工作在导通或截止状态，而不会处于放大状态。在此状态下Q4A和Q4B是不耗电的，因为饱和时只有电流没有管压降，因此没有功耗；当电力电子器件工作在截止状态时只有压降没有电流，也没有功耗。

而传统的功率放大电路，采用变压器来升压以放大信号，变压器本身会有涡流损耗，模拟音频信号的频率越高，变压器的涡流损耗就越大，另外，传统的功率放大电路由于是采用模拟信号（高低交替的连续电压信号）来控制场效应管，场效应管在切换导通、截止状态时不可避免会经过放大状态，场效应管工作在放大状态时，器件有管压降和电流，此时将会产生较大的功耗。

而本实施例中功率放大电路采用推挽升压电路，克服了变压器的损耗问题；另外，由于场效应管的开关损耗极小，使得该音频功率放大器的效率达到95%，比一般的音频功率放大器高出很多。该网络音频功率放大器具有更高的稳定性和整体性能。

参照图5，保护电路与省电模式电路包括NPN型的三极管Q9、Q11以及PNP型的三极管Q7、Q10。二极管D16的阴极连接三极管Q11的集电极，D16的阳极引出节点c2，节点c2连接节点c1,Q11的发射极连接电源VSS，Q11的基集与发射极之间连接有电容C61。开关S1的一端通过电阻R77连接Q11的基集，开关S1的另一端接地。整流二极管D18的阳极连接电阻R78，电阻R78的另一端连接Q11的基集，D18的阴极引出电源接点V+。三极管Q9的集电极通过电阻R79连接Q11的基集，Q9的发射极连接电源VSS，Q9的集电极通过电阻R71接地，Q9的基集与发射极之间连接电阻R76，电阻R72的一端连接整流二极管D17的阳极，D17的阴极引出电源接点V+。三极管Q7的集电极通过电阻R80连接Q11的基集，Q7的基集接地。三极管Q10的发射极连接Q7的基集，Q10的集电极连接Q7的集电极，Q10的基集连接Q7的发射极。电容C62的一端连接Q10的基集且其另一端接地。电阻R81与电容C62并联。电阻R73的一端与Q10的基集连接，其另一端引出节点d2和节点f1。

保护电路与省电模式电路的工作原理和作用为：

a. 输出直流保护：R73连接到功率放大电路的输出端，若功率放大电路输出端有直流输出，通过R73传到C62进行积分，达到阈值后，正压Q7导通Q10截止，负压Q10导通Q7截至，任意一个导通后，通过R80传一个正电压信号使Q11导通，触发U4保护，停止输出信号；

b. 过压欠压保护，D17、D18稳压管负极接电源正极，当电源电压高于设定值，D18反向击穿，通过R78传一个正电压信号使Q11导通，触发U4保护，停止输出信号。当电源电压低于设定值，D17不反向击穿，Q9失去正电压信号，通过R71、R79传一个正电压信号使Q11导通，触发U4保护，停止输出信号；

c. 过温保护，当温度超过设定值，S1闭合，通过R77传一个正电压信号使Q11导通，触发U4保护，停止输出信号；

d. 当没有外部音频信号输入时，MCU检测到低电平信号，整机进入省电模式，除了MCU还有供电，其他所有电路断电，当有外部音频信号输入时，MCU检测到高电平信号，整机又在20ms内自动恢复供电，实现节约能源的目的。

保护电路与省电模式电路一来可以防止网络音频功率放大器工作在异常状态，二来可以节省电能。

参照图6，输出滤波电路包括电感L1，电感L1的第一端引出节点g2，节点g2连接节点g1，L1的第二端连接接头H5。L1的第二端引出节点d1，接点d1连接节点d2。电阻R50的一端连接L1的第二端且其另一端接地。电阻R52与电容C57串联，电阻R52的另一端连接L1的第二端，电容C57的另一端接地。二极管D12的阳极连接L1的第二端且其阴极引出电源接点V+。二极管D13的阴极连接L1的第二端且其阳极引出电源接点V-。电容C37的一端连接L1的第二端且其另一端接地。

该部分电路的工作原理和作用为：L1与C37组成低通滤波器，将高频载波滤除，还原模拟音频信号，输出传至喇叭发声。R50为输出开路保护电阻，保证在没有接喇叭的情况下，输出仍然可以正常。R52、C57防止输出自激，滤除残余高频信号。D12、D13为输出钳位电路，保证输出信号不高于电源电压，同时电感与电容都是储能元件，为防止关机后仍有剩余能量在输出，通过D12、D13可将其放掉。

参照图7，信号指示电路包括LED1、LED2和LED3。LED1的正极通过电阻R91连接DC12V电源，LED1、LED2和LED3的负极并联接地，LED2的正极连接电阻R92，电阻R92的另一端引出节点f2，节点f2连接节点f1；LED3的正极连接电阻R93，电阻R93的另一端引出节点e2，节点e2连接节点e1。

LED1为电源指示灯，在打开电源的时候亮。

LED2为信号指示灯，在输出有信号的时候亮。

LED3为保护指示灯，在保护电路动作的时候会亮。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种网络音频功率放大器,其特征是：包括输入滤波电路、电源电路、信号调制电路、功率放大电路、输出滤波电路，其中输入滤波电路的输出端连接信号调制电路的输入端，信号调制电路的输出端连接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端连接输出滤波电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的网络音频功率放大器，其特征是：所述输入滤波电路包括电容C26，电容C26、电阻R42、电阻R40、电容C27、电阻R41以及电阻R35依次串联，电容C26的另一端为音频信号的输入端，电阻R45的一端连接音频信号输入端且其另一端接地，电容C30的一端电阻R40和电阻R42的连接点连接，电容C30的另一端接地，电阻R40与电容C27的连接点输入滤波电路的第一输出端，电容C33与电容C34串联，电容C33的另一端与电容C27和电阻的R41的连接点连接，电容C34的另一端接地，电容C33与电容C34的连接点引出输入滤波电路的第二输出端。

3.根据权利要求2所述的网络音频功率放大器，其特征是：电源电路包括全桥整流电路，所述全桥整流电路的输出端连接有滤波整形电路。

4.根据权利要求3所述的网络音频功率放大器，其特征是：信号调制电路包括数字功放芯片U4，U4的型号为IRS2092，U4的3号脚与输入滤波电路的第一输出端连接， U4的4号脚与输入滤波电路的第二输出端连接。

5.根据权利要求4所述的网络音频功率放大器，其特征是：功率放大电路包括N沟道增强型的场效应管Q4A和Q4B，Q4A的栅极通过电阻R53连接U4的11号脚，Q4A的源极通过电容C59接地，Q4A的漏极连接U4的13号脚，Q4B的栅极通过电阻R48连接U4的14号脚，Q4B的源极连接Q4A的漏极，Q4B的漏极通过电阻R46连接U4的15号脚。

6.根据权利要求5所述的网络音频功率放大器，其特征是：输出滤波电路包括电感L1，电感L1的第一端连接U4的13号脚，电阻R50的一端连接L1的第二端且其另一端接地，电阻R52与电容C57串联，电阻R52的另一端连接L1的第二端，电容C57的另一端接地，电容C37的一端连接L1的第二端且其另一端接地。

7.根据权利要求6所述的网络音频功率放大器，其特征是：还包括保护电路与省电模式电路，保护电路与省电模式电路包括NPN型的三极管Q9、Q11以及PNP型的三极管Q7、Q10，Q11的集电极连通U4的5号脚, Q11的基集与发射极之间连接有电容C61，三极管Q9的集电极通过电阻R79连接Q11的基集，Q9的集电极通过电阻R71接地，Q9的基集与发射极之间连接电阻R76，电阻R72的一端连接整流二极管D17的阳极，D17的阴极连接电源，三极管Q7的集电极通过电阻R80连接Q11的基集，Q7的基集接地，三极管Q10的发射极连接Q7的基集，Q10的集电极连接Q7的集电极，Q10的基集连接Q7的发射极，电容C62的一端连接Q10的基集且其另一端接地，电阻R81与电容C62并联，电阻R73的一端与Q10的基集连接，其另一端连接电感L1的第二端。

8.根据权利要求7所述的网络音频功率放大器，其特征是：信号指示电路包括LED1、LED2和LED3，LED1的正极通过电阻R91连接电源，LED1、LED2和LED3的负极并联接地。