CN2792024Y - 音频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及音频功率放大器，包括音频信号放大器，喇叭，和所述音频信号放大器的输出端相连、用于将所述音频信号放大器输出的音频信号进行脉宽调制的脉宽调制模块，和所述脉宽调制模块的输出端相连、用于将所述脉宽调制模块输出的脉宽调制信号进行功率放大的功率放大模块，所述功率放大模块的输出端和所述喇叭相连。由于本实用新型的音频功率放大器采用将音频信号通过脉冲宽度调制，然后再对脉冲信号进行放大的方式，功率放大电路完全工作于开关放大状态，工作效率非常高，完全克服了普通功率放大器的非线性失真和瞬态失真，以及饱和失真。另外，流过喇叭的电流是脉动电流，喇叭的灵敏度非常高。

Description

音频功率放大器

技术领域

本实用新型涉及音频放大器，具体涉及一种音频功率放大器。

背景技术

目前市场上销售的家用电视机大多数都是CRT显像管电视机，其伴音输出功率都不大，一般机内喇叭的输出功率都在10瓦左右。随着人们文化素质的不断提高，人们对电视机的图像质量和伴音的要求也相应提高。新一代高清平板显示电视机，如：PDP、LCD等平板显示电视机正在不断出现，同时，人们对电视机的体积和功率损耗也提出了更新的要求，就是要求电视机屏幕大，机壳厚度薄，电源损耗小。因此，原有的模拟音频功率放大器很难满足现在新一代高清平板显示电视机的要求。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种输出功率大、体积小的音频功率放大器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种音频功率放大器，包括音频信号放大器，其特征在于，还包括和所述音频信号放大器的输出端相连、用于将所述音频信号放大器输出的音频信号进行脉宽调制的脉宽调制模块，和所述脉宽调制模块的输出端相连、用于将所述脉宽调制模块输出的脉宽调制信号进行功率放大的功率放大模块，所述功率放大模块的输出端用于和一喇叭相连。

在本实用新型所述的音频功率放大器中，所述脉宽调制模块为采用谐振方式的双边调宽电路或采用555电路的脉宽调制电路。

在本实用新型所述的音频功率放大器中，所述脉宽调制模块包括用于检测输入音频信号有无，并在没有音频输入时关闭所述脉宽调制电路输出信号的检测控制电路。

在本实用新型所述的音频功率放大器中，所述脉宽调制模块的脉冲频率大于音频信号最高频率的三倍。

在本实用新型所述的音频功率放大器中，所述功率放大模块采用丁类放大器电路。

在本实用新型所述的音频功率放大器中，所述功率放大模块采用单路功率放大电路。

在本实用新型所述的音频功率放大器中，所述功率放大模块采用双路功率放大电路。

在本实用新型所述的音频功率放大器中，所述功率放大模块采用单电源放大电路或者正负电源放大电路。

在本实用新型所述的音频功率放大器中，所述功率放大模块还包括用于使得喇叭上的电压包络基本和音频输入波形相同的滤波电路。

本实用新型的有益效果是，由于将音频信号通过脉冲宽度调制，然后再对脉冲信号进行放大，功率放大电路完全工作于开关放大状态(丁类放大)，因此，工作效率非常高，大于90％，输出功率很大，并且功率放大器不需要任何负反馈电路，可以直接进行放大，完全克服了普通功率放大器的非线性失真和瞬态失真，以及饱和失真。由于这种丁类功率放大器不存在饱和失真，所以功率放大器的工作电压可高可低，改变功率放大器工作电压就可以改变输出功率的大小，使用非常方便。另外，这种丁类功率放大器输出是超音频脉冲波，流过喇叭的电流是脉动电流，喇叭的振幅只是跟随脉动电流的平均值曲线作变化，因此喇叭的灵敏度非常高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的音频功率放大器的工作原理示意图；

图2是本实用新型的音频功率放大器中的脉宽调制模块的第一种实施方式的电路图；

图3是本实用新型的音频功率放大器中的脉宽调制模块的第二种实施方式的电路图；

图4是本实用新型的音频功率放大器中的功率放大模块的第一种实施方式的电路图；

图5是本实用新型的音频功率放大器中的功率放大模块的第二种实施方式的电路图；

图6是本实用新型的音频功率放大器的功率放大模块的三种实施方式的电路图；

图7是本实用新型的音频功率放大器的功率放大模块的第四种实施方式的电路图；

图8是本实用新型的音频功率放大器的功率放大模块的第五种实施方式的电路图；

图9是本实用新型的音频功率放大器的输入输出波形示意图；

图10是本实用新型的音频功率放大器的最高音频信号时的调制脉冲宽度波形。

具体实施方式

结合图1所示的音频功率放大器的工作原理示意图，描述本实用新型的音频功率放大器的工作原理。输入音频信号首先经过放大，然后进行脉冲宽度调制和功率放大，最后向喇叭输出脉冲宽度随着音频幅度变化的矩形脉冲信号，喇叭的振幅会跟随脉冲信号的平均值曲线作变化，并发出声音。

结合图2所示的脉宽调制模块的一种实施方式的电路图，其中V4和V5是多谐振荡器电路的主要组成器件，改变V4和V5的工作点就可以改变多谐振荡器的工作频率，即输出方波的宽度或占空比(脉冲宽度与整个工作周期之比)。V2和V3是调控V4和V5工作点的器件，如果V2和V3同时导通或截止，就会使V4和V5的工作频率提高或降低，但在本实施例中的V2和V3并不是同时导通或截止，而是互相朝着相反的方向改变，因此V4和V5导通或截止的宽度也是互相朝着相反的方向改变，即多谐振荡器的工作频率或周期不变，只是占空比不断地改变。在本实施例中，这种脉冲调宽电路为双边调宽电路，这种双边脉冲调宽电路比一般的单边调宽或调宽又调频电路具有更大的脉宽调变范围，即调制度很大。D1、D2的作用也是为了提高脉宽调制度，如果没有D2(D1)，V5(V4)由导通变为截止的时候，由于C6(C5)需要通过R17(R12)充电，V5(V4)集电极输出波形的上升时间会变得很长，这样会降低输出波形的幅度和工作频率。接入D2(D1)之后就可以使V5(V4)集电极与C6(C5)的充电回路进行隔离，从而可以减少输出波形的上升时间和提高工作频率及脉宽调制度。V1是信号分相电路，把输入信号分成两路，之间相差180度。V6、V7、V8是信号检测和控制电路，当没有输入信号时V8导通，脉宽调制电路没有信号输出。控制电路的主要作用是，当有音频信号输入时，脉宽调制电路才有信号输出；没有音频信号输入时，脉宽调制电路没有信号输出，它相当于脉宽调制电路的工作开关。如果没有这个开关作用，当没有音频信号输入时，功率放大器还是要对输入信号进行放大，不过被放大的是一个占空比约等于0.5的等幅高频信号，喇叭虽然不做声，但功率放大器还是要损耗功率的。

如图3所示为脉宽调制模块的第二种实施方式的电路图，在本实施例中，利用集成电路U1(LM555、EC555)进行脉宽调制。集成电路U1的内部有两个电压比较器，通过内部两个基准电压与锯齿波进行比较，就可以产生不同宽度的电压方波，把音频信号叠加到一个电压比较器的基准电压上，再与锯齿波进行电压比较，就可以得到一个方波宽度受音频信号调制的脉冲信号输出。

V1是输入信号放大器(射随器)，集成电路U1的2和6脚分别是两个电压比较器的其中一个输入端，C2是锯齿波产生电容，5脚也是其中一个电压比较器的一个输入端，此脚在内部与基准电压连接，外接音频调制信号；3脚是脉宽调制信号输出，4脚是输出信号控制(高电平有效)；V3、V4是输入信号检测电路，有音频信号输入时V4有输出(高电平)，U1工作；D1的功能是周期快速恢复，主要作用是提高脉宽调制度，V2是信号输出放大器。

上述两种实施例相比较，图2所示电路的脉宽调制度(占空比的变化范围)要比图3电路大，即图2所示电路的调制性能要比图3电路好一些，但图3所示电路比图2电路简单，生产时要方便一些。

如图4所示为功率放大模块的一种实施方式的电路图，图5为功率放大模块的二种实施方式的电路图。图4与图5的区别是，图4所示的电路选用晶体管作为功率放大管，图5所示的电路选用场效应管作为功率放大管，由于场效应管需要推动的功率比晶体管小，所以图5所示电路要比图4所示的电路简单一些，并且效率更高，性能更好。

在图4中D1是防信号堵塞二极管，让耦合电容C1在负半周信号期间快速放电。D2、C2是自举电路，当V2、V3导通时，通过C2的作用可把R2两端的电压提高，给V2、V3提供足够的基极电流，让V2、V3能深度饱和导通，从而提高功率放大器的工作效率和输出功率。图5中D1和C1也是自举电路，其工作原理与图4中的D2、C2基本相同。

当图4中的V2、V3或当图5中的V1、V2轮流导通和截止时，加到喇叭两端的电压是一个幅度基本相等，但宽度不同的正负方波。如果把喇叭等效成一个电感L，流过电感的电流就是一个个互相迭加的小锯齿波，其表达式为：

$\text{i=\∫}\frac{e}{L}\mathrm{dt}+I\left(0\right)---\left(1\right)$ 即： $i=\frac{e}{L}t+I_0---\left(2\right)$

式中e＝E(t)，即e为t的函数，幅值E不变，但符号来回变化，幅值就是输出方波的幅值，在图4中E的最大值约等于电源电压的二分之一(小于1/2)，I₀是上一个方波结束时流过电感的电流，(2)式中前一项是锯齿波，E为正时表示上升，E为负时表示下降，方波越宽I₀就越大。

如果以t₀时刻I₀等于0开始计算t_i时刻的电流，则上面(2)式可变为：

$i=\frac{e}{L}{\mathrm{\τ}}_1+\frac{e}{L}{\mathrm{\τ}}_2+\·\·\·+\frac{e}{L}{\mathrm{\τ}}_i---\left(3\right)$

式中τ为脉冲宽度，τ₁＝t₁-t₀，τ₂＝t₂-t₁，后面依次类推。从(3)式可以看出，如果τ_i为奇数时e的幅度为正值，τ_i为偶数时e的幅度为负值，且τ(奇数)大于τ(偶数)，则流过电感(喇叭)的电流平均值是在上升(平均值为前后两项电流值之和的二分之一)；如果τ(奇数)小于τ(偶数)，则流过电感(喇叭)的电流平均值是在下降。这就说明流过喇叭电流的平均值与音频的输入波形基本一致，只是落后一个相位角。

如图6所示为功率放大模块的第三种实施方式的电路图，图7为带有滤波输出的功率放大电路。图中L1和C4是滤波电路的关键器件，R3是阻尼电阻，降低喇叭产生振铃时间，正确选择它们的参数就可以输出一个与音频输入基本一致的电压波形。为了使加到喇叭上的电压包络基本和音频输入波形相同，也可以在图4、图5的功率放大电路中加入滤波电路，由于脉宽电压波形的平均值变化曲线正好与音频输入波形相同，因此只需把输出波形的平均值取出即可得到音频信号，但这样喇叭的发音灵敏度会降低很多。

如图7所示为功率放大模块的第四种实施方式的电路图，图8为功率放大模块的第五种实施方式的电路图，为了提高输出功率，可以选用图7所示的双功率放大电路(由两个图4或图5电路的功率放大器组成)，或图8所示的双电源电路。图7和图8所示电路都是属于桥式放大电路，图7所示电路的输出功率可达图4、图5的4倍，输出功率可达80瓦；图8所示电路的输出功率可达图4、图5的16倍，输出功率可达300瓦，这种功率放大电路可用于不同用途的音频电器之中。由于图4、图5中功率放大电路电源电压的利用律很低，只有电源电压的二分之一，所以输出功率一般不大，输出功率大约只有20瓦左右。

如图9所示为本实用新型的音频功率放大器的输入输出波形示意图，但实际上喇叭并不是一个纯电感，喇叭在产生振动的同时也会产生机械阻尼运动，这相当于电感量也在不断变化(受磁场强度调制)，同时它还有电阻，因此喇叭可等效为一个电感与一个电容(电容的特性与电感相反)并联及和一个电阻串联。由于喇叭有电阻，加到电感两端的电压要降低(等于输出电压减去电阻压降)，因此流过电感的电流实际上不是线性变化电流，而是指数变化的电流。所以，流过喇叭的电流实际上与图9还是有一些差别，但包络形状基本相同。

如图10所示为本实用新型的音频功率放大器的最高音频信号时的调制脉冲宽度波形。图2的音频功率放大器中脉宽调制电路，不管脉冲宽度怎样变化，但脉冲信号的周期是不变的，即频率不变。从图9可以看出，调制电路的脉冲频率越高，输出信号的包络失真就越小。另外，调制占空比的余量越大，输出信号的包络的幅度失真就越小，当输入信号的幅度为最大时，调制占空比也应该为最大，此时图2中的V2和V3一个接近饱和(但不能完全饱和)，另一个接近截止(但不能完全截止)。

调制占空比的最大值，受多谐振荡器的最窄脉冲宽度(约1微秒)和最宽脉冲宽度限制，最宽脉冲宽度又受音频信号的最高频率限制。图10是最高音频信号时的调制脉冲宽度波形，由图10可以看出脉冲频率必须是音频信号频率的3倍以上才不会产生失真。一般电视机中音频信号的最高频率为10KHz，因此，调制电路的最低脉冲频率为30KHz，即周期为33微妙。如取最窄脉冲宽度为3微妙，则调制度(最高输出电压与最低电压之比)正好为10倍，相当于20分贝(db)。音频放大器的主要指标为：音频最高频率——10KHz；峰值功率比——大于20分贝(db)；调制脉冲频率——大于30KHz；最窄脉冲宽度——小于3微秒。

Claims (9)

1、一种音频功率放大器，包括音频信号放大器，其特征在于，还包括和所述音频信号放大器的输出端相连、用于将所述音频信号放大器输出的音频信号进行脉宽调制的脉宽调制模块，和所述脉宽调制模块的输出端相连、用于将所述脉宽调制模块输出的脉宽调制信号进行功率放大的功率放大模块，所述功率放大模块的输出端用于与一喇叭相连。

2、根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于，所述脉宽调制模块为采用谐振方式的双边调宽电路或采用555电路的脉宽调制电路。

3、根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于，所述脉宽调制模块包括用于检测输入音频信号有无，并在没有音频输入时关闭所述脉宽调制电路输出信号的检测控制电路。

4、根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于，所述脉宽调制模块的脉冲频率大于音频信号最高频率的三倍。

5、根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于，所述功率放大模块采用丁类放大器电路。

6、根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于，所述功率放大模块采用单路功率放大电路。

7、根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于，所述功率放大模块采用双路功率放大电路。

8、根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于，所述功率放大模块采用单电源放大电路或者正负电源放大电路。

9、根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于，所述功率放大模块还包括用于使得喇叭上的电压包络和音频输入波形相同的滤波电路。

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