60年代已被提出，但由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM数字音频功放的基本结构，主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM。1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字音频功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器—数字音频功率放大器进入了工程应用领域，并获得了世界同行的广泛认可，市场日益扩大，数字音频功率放大器已经成为近年来的研究热点之一「7」。 1.2.2数字功放的发展历史
随着元器件的发展换代,功放也经历了电子管,晶体管,集成电路,场效应管四个阶段。制造出了上述四种放大器为主的功率放大器。
电路形式上则经历了从模拟到数字的发展过程。数字功放的概念早在二十世纪六十年代就被提出,由于当时技术条件的限制,进展较慢。1983年,M.B.Sandler等学者提出了D类放大器的PCM(脉码调制)数字功放的基本结构,主要技术要点是如何把PCM的信号变成PWM(脉冲调宽信号)。美国Tripass公司设计了改进的D类数字功放。取名为T类功放。1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的商业产品,从此,第四代音频功率放大器,数字功放进入了工程应用,并获得了世界同行的认可,市场日益扩大「8」。
即使是在数字处理时代,也在日新月异地产生,应用新的技术,如AV功放从诞生到现在,就经历了杜比环绕,杜比定向逻辑,AC-3,DTS的进程。 1.2.3数字功放领域的新技术
数字功放领域的新技术主要包括专业功放开关电源和H类电路功放两种，两种功放各有千秋，侧重不同，可根据使用需要按需选择。
1）专业功放开关电源：作为一种全新的功放专用开关电源,它在现代高频开关稳压电源的基础上,解除了其大环路反馈;消除了因稳压需要而调整开关脉宽造成开关转换速率突降,形成对功放大动态瞬间输出供电电力不足的矛盾。这种新型电源具有功率密度大,体积小,重量轻,高效率,高可靠性和低噪声,低污染的优良品质,极大的节约了电能,降低了耗材与成本,明显的减少了电磁干扰。有些功放再前级供电电路采用了这类电源。
2） H类电路功放根据供电电源的不同,这类功放工作时可在两个电压上切换,低功率时选低电压工作,高功率时选高电压。大家常称为二级功放(也有三级功放,如QSC4050是三级电源供电)。当低级组电压低于某一值时,即可切换到高压组电压供电,其中驱动切换电路的是用LM311比较器做的,这类功放的效率比AB类高「9」。 1.2.4数字功放是专业功放的主要发展方向
在专业功放领域,目前广泛应用的人然是晶体管模拟功放。这类功放技术成熟,电路稳定,款式,档次,种类非常多,价格优势大。数字功放的技术发展逐步完善,是集成了多种新技术的功放中的黑马,够符合专业功放的使用要求,具有大功率,高效率,智能化,网络化,高稳定性
3
等优点。缺点是有较大的失真度(数字功放参数标示)。因为价格的因素,目前主要应用在中高端及网络音频领域。
纯数字功放指除了音箱接口为模拟外,音频的输入,处理,放大都以数字形式进行的一类功放。不同于D类工作的模拟信号功放,这类功放工作方式与传统模拟功放完全不同,克服了模拟功放固有的一些缺点,并具备了一些独有的特点
「9」
。
1)过载能力和功率储备数字功放电路的过载能力软软高于模拟功放。模拟功放正常工作时功放管工作在线性区,随着过载量的增加,工作点进入功放管的饱和区,此时的非线性放大会产生大量谐波成分,谐波失真度急剧增加,音质变坏。数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区,只要功放管不损坏,失真度不会迅速增加。
2）高效率数字功放采用开关放大电路,效率极高,可达75%-90%(模拟功放效率仅为30%到50%),工作时基本不发热;没有模拟功放的静态电流消耗,能量几乎都转换为音频输出;无前后模拟放大,负反馈电路,有更好的瞬态响应。
3)无交越失真和匹配失真数字功放对开关管的配对无特殊要求,不需要严格的挑选即可使用,不存在交越失真和匹配失真;模拟功放为保证其电声指标,采用负反馈电路,为抑制寄生振荡,采用相位补偿电路,会产生瞬态互调失真。
4)易与扬声器匹配模拟功放中的功放管内阻较大,所以在匹配不同阻值的扬声器时,模拟功放电路的工作状态会受到负载(扬声器)大小的影响。数字功放内阻小于0.2Ω(开关管的内阻加虑波器内阻),相对于负载(扬声器)的阻值(4-8Ω)很小,与扬声器的匹配简单。
此外数字功放还具有体积小(1U高度的数字功放可以做到几千瓦输出功率),重量轻(只有十几公斤),声像定位准确,维修方便，生产调试简单等优点。谁在啊数字功放的不断改进,成本不断下降,其替代模拟功放大规模应用于音响领域将很快会实现「10」。
1.3 模拟音频功率放大器
传统的模拟音频功率放大器工作时，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。此外，模拟功率放大器还存在以下的缺点：
1)电路复杂，成本高。常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路，体积较大，电路复杂。
2)效率低，输出功率不可能做的很大。 1.3.1模拟音频功率放大器分类
1)A类放大器：A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，
4
晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，效率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。由于效率比较低。
2)B类放大器：B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是“交越失真”较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时，Q1、Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。
3)AB类放大器：AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。
1.4 数字功放和模拟功放对比详解
1)过载能力与功率储备：数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。模拟功放电路分为A类、B类或AB类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管工作在饱和区，出现谐波失真，失真程度呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功放管不损坏，失真度不会迅速增加。
2)交越失真和失配失真:模拟B类功放在过零失真，这是由于晶体管在小电流时的非线性特性而引起的在输出波形正负交叉处的失真。而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。
3)功放和扬声器的匹配:由于模拟功放中的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载（扬声器）大小的影响。而数字功放内阻不超过0.2Ω(开关管的内阻加滤波器内阻)，相对于负载（扬声器）的阻值（4~8Ω）完全可以忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。
4)瞬态互调失真:模拟功放几乎全部采用负反馈电路，以保证其电声指标，在负反馈电路中，为了抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而会产生瞬态互调失真。数字功放在功率转换上没有采用任何模拟放大反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。
5)声像定位:对模拟功放来说，输出信号和输入信号之间一般都存在着相位差，而且在输出功率不同时，相位失真亦不同。而数字功放采用数字信号放大，使输出信号与输入信号相位完全一致，相移为零，因此声像定位准确。
6)升级换代:数字功放通过简单地更换开关放大模块即可获得大功率。大功率开关放大模块成本较低，在专业领域发展前景广阔。
5
7)生产调试:模拟功放存在着各级工作点的调试问题，不利于大批量生产。而数字功放大部分为数字电路，一般不需调试即可正常工作，特别适合于大规模生产。
6
第二章 工作原理
2.1 系统概述、设计思路
功率放大器的作用是给音响放大器的负载（扬声器）提供一定的输出概率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能高。功放常见的电路形式有OTL（Output Transformer less）和OCL(Output Capacitor less)电路。有用集成运算放大器和晶体管组成的功放，也有专用集成电路功放。
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻或电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，工作电压范围宽,4-12V or 5-18V，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,且外围元件少。
设计功放电路由输入级、中间级和输出级三部分组成的：
输入级是由100uF的耦合电容及100k的电位器组成的，它具有隔直、调节音量及增益的作用；
中间级是由集成运放LM386以及由R1、RV4、C2等组成的可调增益放大电路； 输出级是由低通滤波器及扬声器组成的，其中L1为高频扼流圈；
由于该电路为双声道功率放大器，所以下部分电路与上部分电路完全对称，故电路原理同上「11」。
2.2 系统组成与工作原理
2.2.1 LM386的工作原理
LM386内部电路原理图如图2.1所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。
7