高效音频放大器设计-毕业论.doc

成都理工大学工程技术学院毕业论文高效音频功率放大器设计作者姓名：专业名称：指导教师： 讲师高效音频功率放大器设计摘要在音频功率放大器的市场上，AB类一直处于统治地位。近年来，随着MP3、DVD 和移动电话等便携式消费电子产品的普及，D类音频功率放大器以高效率、低功耗、小体积的优点日益成为音响领域的主流，在未来便携式和大功率音频视频领域中将具有广阔的发展前景，因此对高效音频功率放大器的设计具有十分重要的意义。 本设计根据D类功放的工作原理设计的D类音频功率放大器，能对音频信号进行放大，放大器的通频带达到3003400HZ，输出功率1W，输出信号无明显失真。根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H 桥互补对称输出及低通滤波模块等。其中三角波产生器及比较器共同组成脉宽调制（PWM）模块，H 桥互补对称输出电路采用驱动电流小、低导通电阻及良好开关特性的VMOSFET 管，滤波器采用两个相同的四阶 Butterworth 低通滤波器。学习音频放大器的设计，以及开发思路和方法，能够更好的学习放大器的电路设计原理及其方法，为以后正式步入设计岗位奠定基础，一次本次设计不仅仅具有实用价值，而且更重要的是在能力提升和经验积累的内在意义。关键词：音频 放大器 高效 电路 PWMAbstractIn the audio power amplifier market, the AB class has been in a dominant position. In recent years, with the popularity of the MP3, DVD and mobile phones, portable consumer electronic products, class D audio power amplifier with the advantages of high efficiency, low power consumption, small size has increasingly become the mainstream of the sound field, has broad prospects for the development of portable and high power audio in the future in the field of video will, therefore the design of high performance audio power amplifier has very important significance. This design according to the working principle of class D amplifier design of class D audio power amplifier, the audio signal can be amplified, the frequency band of the amplifier to reach 3003400HZ, output power 1W, the output signal without significant distortion. According to the principle of class D amplifier, pre amplifier module, triangular wave generation module, comparator module, driver module, H bridge complementary symmetrical output and low pass filter module are designed. The triangle wave generator and a comparator composed of pulse width modulation (PWM) module, H bridge complementary symmetry circuit of output used to drive a small current, low resistance and good switching characteristics of VMOSFET pipe, filter uses two identical fourth-order Butterworth low-pass filter.Learning audio amplifier design and development ideas and methods to better learning amplifier circuit design principle and method, for the later formally entered the post design to lay the foundation. The design not only has practical value, but more important is the ability and experience accumulation in the inner meaning.Key words: high efficiency, audio, amplifier ,circuit ,PWM目录摘要IAbstractII目录IV前言11 绪论21.1高效音频功率放大器的简介21.2 音频放大器的发展31.3 音频放大电路的基本原理51.4 本文主要任务和内容52 音频功率放大器72.1音频功率放大器的指标72.2功率放大器的分类92.3 D类功率放大器的原理分析103 音频放大器的电路设计123.1硬件开发平台介绍123.2电路整体方案设计133.3部分电路设计143.3.1脉宽调制器电路设计153.3.2前置放大器电路设计173.3.3 驱动电路与输出电路设计184 系统调试与仿真214.1测试步骤和工具介绍214.2测试过程214.3测试结果分析22总结24参考文献25致谢26附件1 系统原理图27- IV-前言在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。本论文介绍了一种简易的音频放大器的设计方法和原理。对涉及音频放大器的相关资料问题进行深入分析和论述。另外，现在人们生活和生产过程中，人们对放大器的运用已经非常的成熟，特别是在模电，高频等领域，功率放大器的运用非常多，几乎不可避免的会用到。学习音频功率放大器，本设计根据D类功放的工作原理设计的D类音频功率放大器，能对音频信号进行放大，放大器的通频带达到3003400HZ，输出功率1W，输出信号无明显失真。根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H 桥互补对称输出及低通滤波模块等。其中三角波产生器及比较器共同组成脉宽调制（PWM）模块，H 桥互补对称输出电路采用驱动电流小、低导通电阻及良好开关特性的VMOSFET 管，滤波器采用两个相同的四阶 Butterworth 低通滤波器。经过仿真和测试都达到了设计的要求。对于初学者来说，可以更好的理解，功率放大器的原理和设计方法。1 绪论1.1高效音频功率放大器的简介音频功率放大器是MP3播放器、笔记本电脑、手机以及便携式DVD等消费类电子产品中应用最广泛的组件之一，有很大的市场。传统音频功率放大器主要有A类(甲类)、B类(乙类)和AB类(甲乙类)。A类放大器主要特点是：放大器工作点Q设定在负载线中点附近,晶体管在输入信号整个周期内均导通。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，功率理论最大值仅有25，且有较大非线性失真。由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。B类放大器主要特点是：放大器静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在输入信号正半周期内，三极管一个导通一个截止，输出端正半周正弦波；同理，当输入信号为负半波正弦波也是一样，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，两个三极管都无法导通而引起。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。AB类功率放大器能够提供高品质的信号放大性能，所以已经被广泛的应用，然而AB类功率放大器工作时，由于直接对模拟信号进行放大，工作期问必须处于线性放大区，因此其功率耗散较大，在大输出功率情况下，AB类放大器会对功率器件构成极大威胁。其特点是：1效率低，其输出功率不可能很大；2大功率输出时，通常需要散热器，因此系统体积较大。随着科技的进一步发展，更多、更新的便携式多媒体产品都要求其中的音响系统具有更小的外形设计和更大的电池容量，所以上述缺点都成为AB类功率放大器的致命弱点，限制了AB类音频功放的进一步发展。 近些年来，随着各领域数字化程度不断加深，D类音频功率放人器逐渐进入了人们 的视线，D类放大器的工作方式小不同与于A类、B类和AB类，它采用切换电压方式的同时利用数字信号控制导通时间以放大信号，其输输出级的工作状态不是完全导通就是完全截至，因此输出器件的功耗非常小，使它的效率远比A类、B类和AB类要高的多，同时D类放大器的效率和输入信号的大小无关，不像AB类放大器只有在很高的输出功率时才能达到比较高的效率，在电源电压为额定值时，D类放大器的效率高达8090以上，其平均效率大约要比AB类放大器高23倍，也就是说，通常系统电池的寿命可以延23倍，同时在输出功率一样的情况下，D类音频功率放大器的表面温度会远远低AB类，因此使用时不需或只需要一个很小的散热器，这就大大减小了D类音频功率放大器的体积。D类音频功放的特点：(1)节能，所需散热片小，这样可以节省空间，系统可以设计得较轻、较小，便于携带；(2)电源使用效率很高，可以延长系统电池的寿命。上述优点使得D类音频放大器和模拟音频放大器相比时具有很大的优势。随着目前市场上消费电子行业的快速发展以及音频功率放大器高效、节能和小型化的趋势，D类音频功率放大器开始逐渐取代AB类进入可携式产品、家庭AV设备、专业影音、汽车音响、平板电视、媒体播放器笔记本电脑和汽车音箱等多个领域，可以说，在未来的很长时间内，D类音频功率放大器将一直是研究的热点，设计出一款兼顾效率与保真度的D类音频功率放人器也会越来越成为众多研究机构和企业所关注的课题。1.2 音频放大器的发展随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国CROWN公司的MA-5000VZA功放，其最大输出功率可达4000W/8（桥接，单通道）；完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作，使得生产者可作3年免维护的保证；插入可编程的输入处理模块USP3；可对12000台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高，可与电子管功放媲美。 晶体管功放具有许多宝贵优点，它的失真低于万分之一，但其音质听感总不如电子管功放那么逼真，细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐，弦乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。20世纪80年代初，欧洲有些专业公司开始研究晶体管功放与电子管功放之间的性能差异及解决办法。电子管是一种电压控制器件，需要的控制功率极微，开关速率很快。晶体管是一种电流控制器件，需有较大的控制电流，转换速率较慢，这是最基本的差别。80年代中期欧洲首先推出了采用MOSFET音频场效应管功放。MOSFET场效应晶体管既具有晶体管的基本优点。但使用不久发现这种功放的可靠性不高（无法外电路保护），开关速度提高得不多和最大输出功率仅为150W/8等。90年代初，MOSFET的制造技术有了很大突破，出现了一种高速MOSFET大功率开关场效应晶体管。西班牙艺格公司（ECLER）经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的SPM专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两者优点结合的第3代功放产品，在欧洲市场上获得了认可，并逐步在世界上得到了应用。第3代MOSFET功放的中频和高频音质接近电子管功放，但低频的柔和度比晶体管功放差一些，此外MOSFET开关场效应管容易被输出和输入过载损坏。 数字功放的概念早在20世纪60年代就有人提出了，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（脉码调制）数字功放的基本结构。主要技术要点是如何把PCM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1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字功放的商业产品，从此，第4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，最终将替代各类模拟功放。1.3 音频放大电路的基本原理音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。 主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。 进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的，都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。 高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。1.4 本文主要任务和内容本文主要是论述一种D类高效音频功率放大器的设计，本论文的目标就是设计一款便携式电子产品中的高效率、高保真度、 小体积的D类音频功率放大器。在论文工作期间，作者查阅了大量有关D类音频功率放大器方面的资料，较系统地 研究了D类音频功率放大器的结构和性能，设计了一款工作于5V电源电压的D类音频功率放大器，并完成了D类音频功率放大器的版图设计。本文采用PWM调制技术来实现D类音频功率放大器，主要研究工作有： (1)研究了基于PWM调制技术的D类音频功率放大器的系统结构；(2)各个模块的电路设计；(3)原理图设计与系统仿真；(4)系统调试；(5)PCB图的设计。本文的主要内容为： 第一章为引言，指出了本论文的研究意义。 第二章介绍了音频功率放大器的分类，分析了各自工作原理，比较了各自的优缺点。 第三章介绍了所设计D类音频功率放大器的系统结构的分析。 第四章讨论了所设计各个模块的具体电路实现、仿真结果及系统测试结果。 2 音频功率放大器2.1音频功率放大器的指标1. THD+N指标THD+N是英文Total Hormonic Distortion +Noise 的缩写，译成中文是“总谐波失真加噪声”。它是音频功率放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定输出功率的一个条件。总谐波失真THD（Total Harmonic Distortion）是指用信号源输入时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分（通常用%来表示）。噪声发生是一个随机过程，它的大小在任何时候都不能被预测。但在很多情况下，噪声的平均功率还是可以被预测的。我们通常需要把几个主要噪声源的影响相加来获得总噪声，得到我们关注的平均噪声功率。这里特别要指出的是THD+N这个指标是在Fin=1kHz下给出的，在实际上音频范围是20Hz20kHz，则在20Hz20kHz范围测试时，其THD+N要大得多。例如，某音频功率放大器在1kHz时测试，其TDH+N=0.08%。若FIN改成20Hz-20kHz,，其他条件不变，其THD+N变为小于0.5%。对于音频功率放大器来说，THD+N指标越小越好2. 功率放大器的效率指标功串放大的实质是通过晶体管的控制作用，把电源提供给放大器的直流功率转换成负载上的交流功率。交流输出功串和直流电源功率息息相关。一个功率放大器的直流电源提供的功率究竟能有多少转换成交流输出功率呢？我们当然希望功率放大器最好能把直流功率（PE= EcIc）百分之百转换成交流输出功率（PscUscisc）实际上却是不可能的。因为晶体管自身要有一定的功率消耗，各种电路元件（电阻、变压器等）要消耗一定的功率，这就有个效率问题了。放大器的效率指输出功率Psc与电源供给的直流动率PE之比： =Psc/PE （2-1）通常用百分比表示： =Psc/PE100% （2-2）效率越高，表示功率放大器的性能越好。3. 最大输出功率指标输出功率反映音频功率放大器的负载能力，通常音频放大器厂家会提供产品的在一定工作电压和额定负载下的最大输出功率。芯片的效率在不同的条件下肯定也不相同。4. 脉冲宽度调制用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图2-1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。 2.1 PWM原理与波形图通过图2-1的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻t k时的语音信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中tk-kTsTs的情况，均匀采样和非均匀采样差异非常小。如果假定采样为均匀采样，第k个矩形脉冲可以表示为： （2-3）其中，xt是离散化的语音信号；Ts是采样周期；是未调制宽度；m是调制指数。 然而，如果对矩形脉冲作如下近似：脉冲幅度为A，中心在t = k Ts处，在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波xp(t)可以表示为： （2-4）其中， 。无需作频谱分析，由式（2-4）可以看出脉冲宽度信号由语音信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。2.2功率放大器的分类根据不同的需要出现了各种类型的功率放大器，分为线性功率放大器和数字功率放大器（D类功率放大器和T类功率放大器），线性功率放大器按导通角又分为A类、B类、AB类功率放大器。下面简单介绍几种功率放大器。1. D类功率放大器D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点.数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成.D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。（1） 具有很高的效率，通常能够达到85%以上。 （2） 体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。 （3） 无裂噪声接通。 （4） 低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。D类放大器的原理，在三、四章节在详细叙述，它的主要特点是高效率高效率、低功耗、小体积；缺点是信号失真度相对较大，但是随着D类放大器的发展，必定会有所改善。2.T类功率放大器 T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。但它和普通D类功率放大器不同的是：（1）它不是使用脉冲调宽的方法，Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“Digital Power Processing （DPP）”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。从而使音质达到高保真线性放大。（2）它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。（3）此外，T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。DDP的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。在高保真方面，线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。2.3D类功率放大器的原理分析D类放大器是一种完全不同的放大器，它并不只是放大器工作点的选择，因此也称之为“数字音频放大器”。因为有一种D类放大器可以接收数字输入而省去D/A变换。D类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术（PWM）。所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。如图3-1所示，一个模拟音频信号就与三角波（或锯齿波）通过比较器，就形成一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。只要对这系列的脉冲信号放大就可以了。而原来的模拟信号就被调制为宽度不同的等幅信 图2.4D类功放的工作原理框图 号。这个信号经过开关输出电路放大，将被放大的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。其工作波形图如图2.4所示。 图2.5 D类放大器的工作波形示意图如上图2.5所示为脉宽调制D类功放的原理框图，三角波产生器产生的三角波V1与音频输入信号通过比较器比较产生数字信号V2，V2经开关功率放大后经过滤波后输出V0。3 音频放大器的电路设计3.1硬件开发平台介绍在本次毕业设计中，笔者的硬件开发环境是AD14，即Altium Designer 14硬件开发环境。AD14是Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。目前最高版本为Altium Designer 15.0.7 。电路设计自动化 EDA（Electronic Design Automation）指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成。如电路原理图（Schematic）的绘制、印刷电路板（PCB）文件的制作、执行电路仿真（Simulation）等设计工作。随着电子科技的蓬勃发展，新型元器件层出不穷，电子线路变得越来越复杂，电路的设计工作已经无法单纯依靠手工来完成，电子线路计算机辅助设计已经成为必然趋势，越来越多的设计人员使用快捷、高效的CAD设计软件来进行辅助电路原理图、印制电路板图的设计，打印各种报表。Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。 由于Altium Designer 在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer 对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。Altium Designer不仅拥有强大的PCB设计能力，而且还有强大的逻辑仿真分析能力，是一款特别适合初学者使用的PCB绘制软件。它的主要功能包括：1. 原理图设计；2.印刷电路板设计；3.FPGA的开发；4 .嵌入式开发；5. 3D PCB设计。3.2电路整体方案设计甲类功放的主要优点就是电路简单易行，非线性失真小，适用于小功率的线性音频放大器，现在甲类功放主要用在高档功放产品中。而乙类功放与甲类功放最主要的不同点就是静态电流小，因此无信号时消耗功率小，可获得较高的效率；但是，乙类功放在工作时，由于两只晶体管交替导通与截止，因而，在两管输出信号波形的衔接处，会产生交越失真；而且功放管在从反偏到零偏再转为正偏转换时，随着信号频率升高，输出信号就会在时间上延迟，出现所谓的开关转换失真。因此，在实际Hi-Fi高保真放音系统中，一般不采用乙类功放，而采用线性失真小的甲类功放或甲乙类功放。甲乙类功放是通过改变偏置的方法来减少交越失真，它将甲类功放的高保真度与乙类功放折衷，从而在一定程度上解决了上述效率高与失真大之间的矛盾。而且甲乙类功放的效率可达到78.5% ，故本次设计采用甲乙类功放。通过对设计要求和设计方案的分析，本课题觉得采用LM1875作为功率放大器。 前置放大级音调控制级功率放大级自制稳压电源负载图3.0系统组成框图 确定各级的增益分配方式，放大倍数Vs. dB数0dB：一般将信号电平（0dB）即0.775V作为衡量放大器灵敏度的参考标准。5mV的dB数为： （3-10）因为采用的集成芯片LM1875，其输出功率为20W，则负载上的电压为 ： （3-11）又话筒输入为5mV，则整个电路的增益为20lg（13/0.005）=68dB。考虑到音调级必要的衰减，增益为2dB左右。所以取整个电路的增益为70dB。则各级的增益如下：1.功放级：26dB（厂家给定的）；2.音调控制级：-2dB。3.前置放大级：44dB。3.3部分电路设计关于高效音频放大器的电路设计，分为多个模拟电路模块，其中包括脉宽调制电路、前置及放大电路和驱动电路以及输出电路几个部分。下面几个小节将会分别论述几个电路模块的设计方法和原理。3.3.1脉宽调制器电路设计（1）三角波产生电路。 三角波的作用是用来调制音频信号，对此有两方面的要求:其一,调制后的信号可以被完整地恢复。根据Nyquist采样定理，三角波的频率至少是音频信号最高频率的两倍，人类听到的声频范围是20 Hz20kHz，说明三角波的频率应在40 kHz以上，为确保音频信号的采样，可取三角波的频率为150 kHz。其二，三角波要有稳定的频率和幅度，否则，调制后的脉宽会产生变形，从而降低音频输出的信噪比，音质变差，噪声增大。该电路我们采用满幅运放 TLC4502 及高速精密电压比较器LM311来实现，电路图如图3.3所示。TLC4502 不仅具有较宽的频带，而且可以在较低的电压下满幅输出，保证能产生线性良好的三角波8。图3.3 三角波产生电路载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路的实现，选择 150 kHz 的载波，使用四阶 Bultterworth LC 滤波器，输出端对载频的衰减大于 60dB，满足设计的要求，所以我们选用载波频率为150 kHz。电路参数的计算：在 5V单电源供电下，我们将运放 5 脚和比较器3 脚的电位用R8调整为 2.5 V，同时设定输出的对称三角波幅度为 1 V(Vp-p2V)。若选定R10为 100 k，并忽略比较器高电平时R11上的压降，则R9的求解过程如下： （3-1）所以取为39K。选定工作频率为f=150kHz，并设定，则电容的计算过程如下：对电容的恒流充电或放电电流为： （3-2）则电容两端的最大电压值为： （3-3）其中为半周期，=。的最大值为2V，则 （3-4） （3-5）取=220Pf，取=10k，取为20K的可变电位器。使电路的震荡频率f在150KHZ左右可调。通过使产生的三角波，在以2.5V上下1V震荡。（2）比较器电路 选用LM311精密，高速比较器，电路如图3.4所示，因供电为5V单电源，为给V+=V-提供2.5V 的静态电位，取R12=R15，R13=R14，4个电阻均取 10 k。由于三角波Vp-p=2V，所以要求音频信号的Vp-p不能大于2V否则会使功放产生失真。图3.4 比较器电路3.3.2前置放大器电路设计 如图4.6所示。设置前置放大器，可使整个功放的增益从120连续可调，而且也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8上的电压Vp-p=8V，此时送给比较器音频信号的Vp-p值应为2V，则功放的最大增益约为4（实际上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于 4）7。因此必须对输入图3.6 前置放大电路的音频信号进行前置放大，其增益应大于 5。前放仍采用宽频带、低漂移、满幅运放TLC4502，组成增益可调的同相宽带放大器。选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻Ri10k的要求。同时，采用满幅运放可在降低电源 电压时仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求输入电阻Ri大于10k，故取R1=R2=51k，则Ri=51/2=25.5k，反馈电阻采用电位器R4，取R4=20k，反相端电阻R3取 2.4k，则前置放大器的最大增益Av为： (3-6)调整使其增益约为8，则整个功放的电压增益从032可调。考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值,取=2V，则要求输入的音频信号最大幅度。如果超过250mV，则输出会产生波削失真。3.3.3 驱动电路与输出电路设计如图3.8 所示。将 PWM 信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用 CD40106 施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，送给由晶体三极管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保证了快速驱动。驱动电路晶体三极管选用 2SC8050 和 2SA8550 对管。图3.8 驱动电路电路图 对VMOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。因输出功率稍大于 1W，属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRFD120 和IRFD9120 VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。实际电路如图 3.9 所示。互补PWM开关驱动信号交替开启Q5和Q8或Q6和Q7，分别经两个4阶 Butterworth滤波器滤波后推动喇叭工作。这个H桥具有两个半桥开关电路，它们为滤波器提供相反极性的脉冲，其中滤波器包含两个电感器、两个电容器。每个半桥包含两个输出晶体管，一个是连接到正电源的高端晶体管MH，另一个是连接到负电源的低端晶体管ML。全H桥电路通常由单电源（VDD ）供电，接地端用于接负电源端（VSS）。四个高频MOSFET功率管，当PWM信号为高电平时,Q5、Q8导通,Q6、Q7截止，电流从电阻的正极流向负极；当PWM信号为低电平时，Q5、Q8截止，Q6、Q7导通，电流从电阻的负极流向正极。功率管开关的频率等于PWM信号的频率。对于给定的VDD和 VSS，H桥电路的差分方式提供的输出信号是单端方式的两倍，并且输出功率是其四倍。半桥电路可由双极性电源或单极性电源供电，但单电源供电会对DC偏置电压产生潜在的危害，因为只有VDD/2电压施加到过扬声器，除非加一个隔直电容器。-29-4 系统调试与仿真4.1测试步骤和工具介绍1.测试步骤介绍（1）准备元器件（2）焊接电路（3）线路检测（4）模块测试（5）系统测试2.测试工具镊子、剪线钳、电烙铁、万用表、直流电源、数字信号发生器、示波器。4.2测试过程焊接好电路，检查无误后通电，用示波器观察输出波形，调节电位器使之起震并产生振幅为上下1V，频率为150kHz的三角波。其产生的信号用示波器观察如下图4.1所示：图4.1三角波发生器测试波形由上图4-17可以看出，三角波发生器产生了稳定的，频率为149.529kHz的三角波，因此本模块的设计不但能从仿真上达到目的，而且实践中也很好的达到了设计的目的。由示波器中显示波形可知，由三角波发生器和比较器组成了PWM调制器，将正弦信号调制成了宽度不同的等副信号，达到了设计的要求。然后，将测试好的三角波发生器和比较器相连接，在比较器的另一端输入在2.5V上下，振幅为2V，频率为3kHz的正弦信号，用示波器观察其输出。将前面测试好的PWM调制模块、驱动模块、低通滤波器模块都焊接好，检查无误后，将这三个模块连接起来，通电源，用函数信号发生器给不同频率的正弦信号，用示波器观察输出。4.3测试结果分析将所有模块连接在一起，用函数信号发生器给适当的输入信号，用示波器观察其输出。并记录其幅度，计算其最大不失真功率、效率.(1) 最大不失真输出功率测试数据如下表4-1所示：表4-1 输出功率f20Hz100Hz300Hz1.6kHz3.4 kHz10kHz20kHz25kHz8.218.218.228.168.108.057.025.821.051.051.061.041.031.010.770.53（2）效率的测量 测试数据如下表4-2所示：表4-2 效率的测量200mW500mW1000mW3.58V5.68V8.00V68mA147mA278mA596872功放的效率和最大不失真输出功率与理论值还有一定差别，其原因有以下几个方面：（a）功放部分电路存在的静态损耗，包括 PWM 调制器、输出驱动电路及 H 桥输出电路。这些电路在静态时均具有一定的功率损耗，实测结果其 5V 电源的静态总电流约为 30 mA，即静态功耗 P 损耗=530=150mW。那么这部分的损耗对总的效率影响很大，特别对小功率输出时影响更大，这是影响效率提高的一个很重要的方面。（b）功放输出电路的损耗，这部分的损耗对效率和最大不失真输出功率均有影响。此外，H 桥的互补激励脉冲达不到理想同步，也会产生功率损耗。（c）滤波器的功率损耗，这部分损耗主要是由 4 个电感的直流电阻引起的。 总结此次毕业设计是我大学生活重要的一步。从最初的选题，开题到写论文直到完成论文。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改论文，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。 通过这次实践，我了解了音频功率放大器用途及工作原理，熟悉了音频功率放大器的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。 毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的制作能力。 但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处