“设计并制作高效率音频功率放大器”毕业论文.pdf

1 设计并制作高效率音频功率放大器.2 1引言2 2设计总体方案 3 2.1 整体电路设计构思 3 2.2 单元电路及工作原理4 2.2.1 前置放大电路.4 2.2.2 PWM 调制电路 5 2.2.3 正反向放大电路.6 2.2.4 功率放大电路6 3电路的制作.7 3.1 功放电路的性能分析.7 3.2 电路制作过程中的注意事项8 4总结9 参考文献：9 致谢.10 附录.11 文献综述12 2 设计并制作高效率音频功率放大器设计并制作高效率音频功率放大器 摘要摘要：传统的音频功率放大器有 A（甲）类，B（乙）类，AB（甲乙）类，D 类等，这类 音频功放曾广泛应用于 MP3、手机等便携消费电子产品的扬声器驱动中。 伴随着科学技术的 迅速发展，生活水平的不断提高，人们对音频功率放大器的要求越来越高。采用高转换效率 的 D 类功率放大器取代传统的线性功放已成为一种必然趋势。D 类功率放大器是一种脉宽调 制(PWM)的开关功放，首先将音频信号通过高增益前置放大器放大,放大后的音频信号进而与 内部三角波相比较进行采样,从而将音频信号的幅度信息转化成 PWM 信号脉冲宽度的变化,然 后将变换得到的 PWM 波整形放大,输出的电流信号通过 LC 低通滤波器被还原成放大的音频信 号。由于功率管工作在开关状态,且导通电阻很小,因此,D 类功放具有很高的转换效率。 关键词关键词：音频功率放大器；高效率；PWM Abstract: The traditional audio amplifier is A, B, AB and D,etc, this kind of audio amplifier was widely used in MP3, mobile phones and portable consumer electronic products in the speaker drivers. With the rapid development of science and technology, and the continuous improvement of living standards, the people of audio amplifier are increasingly demanding. Adopting high conversion efficiency of D power amplifier instead of traditional linear amplifier has become an inevitable trend. D power amplifier is a pulse width modulation (PWM) switch power amplifier, will first audio signals through the preamplifier amplifier, enlarge high-gain ones.the after the audio signal and then compared with the internal triangular sampling, thus the audio signal amplitude information into a PWM signal pulse width, and then the changes of PWM waves will transform the current amplification, plastic output signal by LC lowpass filters and reduction of the audio signal amplifier. Due to the power tube, and work in the state of switch conduction resistance is very small, therefore, D conversion efficiency of high power amplifier. Key Words: Audio power amplifier；High efficiency； PWM 1引言 3 音频功率放大器简称为功放，是 19 世纪继收音机、电视机之后，随之出现的 又一类新型电子产品。其作用是将声源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生 足够大的电流推动扬声器进行声音的重放。可以说是音响器材中最大的一个家族 了。自从有了晶体管，它的第一个应用便是制作音频放大器，然而随着社会的进 步，人们因生活层次，文化习俗，音乐修养，欣赏口味的不同，对音视频设备的 性能也有了更高层次的要求。这种数字化浪潮以及人们对音视频设备节能，环保 的要求，迫使人们去开发高效，节能的音频功率放大器。 传统的模拟音频功率放大器保真度高，但效率低，能耗大，且要求有良好的散 热设备，主要有 A 类，B 类和 AB 类，A 类功放在整个输入信号周期内都有电流连续 流过功率放大器件，优点是输出信号失真比较小，缺点是输出信号动态范围小， 效率低，最高效率仅为 45%左右。B 类功放在整个输入信号周期内功率器件导通时 间为 50%，优点是效率在理想情况下可达 78.5%，但缺点是会产生交越失真，增加 噪声。AB 类功率放大器是以上两种放大器的结合，使每个功率器件的导通时间在 50%100%，它兼顾了效率和失真两方面的性能指标。随着半导体及微电子制造技 术的不断发展，高效率器件已越来越多。近几年，电子产品正在向薄型化，便携 式迅速发展。 传统的模拟音频功率放大器已不能满足电子视听类 LCDOLEDLCOS PDA 等绿色节能,高效,体积小等新发展趋势。而 D 类功放具有效率高、体积小、 输出功率大、低 EMI，具备多种工作模式等优点，逐渐成为了便携式设备中不可替 代的产品，因而欲设计、制造高效率的音频功率放大器，首选 D 类功率放大器D 类功率放大器工作在开关状态下，可以采用脉宽调制（PWM）模式，利用 PWM 能将 音频输入信号转换成高频开关信号，通过一个比较器将音频信号与高频三角波进 行比较，当反向端电压高于同向端电压时，输出为低电平，当反向端电压低于同 相端电压时，输出为高电平,D 类功放效率可达 90%。 2设计总体方案 2.1 整体电路设计构思 4 采用常规，通用元器件设计的 D 类功率放大器的基本组成框图如图 2.1.1 所 示： 图 2.1.1D 类功放基本组成框图 主要由脉冲宽度调制器，功率放大器和低通滤波器等三部分组成。我所设计的高 频率音频功放的结构示意图如图 2.1.2 所示： 图 2.1.2D 类功放结构示意图 首先，输入的音频信号进入前置运算放大器，输出一个被放大 10 余倍的音频 信号，并与三角波形成电路形成的三角波信号一同进入 PWM 调制电路，产生一个 随音频信号幅度变化的 PWM 波，分别经功率放大电路完成功率放大再经过低通滤 波器 LPF 滤去音频信号经调制后的各次谐波，之后经输出转换电路输出。 2.2 单元电路及工作原理 2.2.1 前置放大电路 前置放大器是在功率放大器之前而加入的一级放大电路，其目的是对输入功 率放大器的信号源进行加工处理，或放大，或衰减或进行阻抗交换，使其和功率 放大器的输入灵敏度相匹配，对其要保证低噪声，高信噪比，高转换速率，输出 电阻要小及频带要宽等要求，前置放大电路如图 2.2.1.1 所示： 5 图 2.2.1.1 前置放大电路 输入信号经 1/2IC2 组成 20db 同相放大器放大，送至 PWM 调制电路。 2.2.2 PWM 调制电路 PWM 调制电路如图 2.2.2 所示： 图 2.2.1.2PWM 调制电路 让输出脉冲波的宽度受调制波幅度调制的技术称 PWM 技术，即脉宽调制技术。 PWM 实质上是一个电压比较器，如图所示，它的同向端输入前置放大器的输出信号 电压，它的反相端输入三角波电压，这两个电压经比较后，输出与音频信号幅值 成正比的脉宽信号。在点以前，音频信号电压大于三角波电压，比较器输出高 电平，在点以后，点以前，三角波的电压高于音频信号电压，则比较器输出 低电平。在点以后，点以前，音频信号电压又高于锯齿波电压，则比较器输 出高电平。这样，由比较器输出脉冲宽度与音频信号幅值成正比的 PWM 信号。将 音频信号电压，锯齿波电压及比较器输出的 PWM 画在一起如图 2.2.2 所示： 6 图 2.2.2PWM 输出波形 2.2.3 正反向放大电路 由于功放级采用 BTL（全桥输出级，即用两个半桥输出交替驱动负载，这种类 型的负载连接被称为桥联负载）接法。所以需将一组信号源变换为正、负两组信 号源，推动后级。此控制电路的要求一是把 PWM 信号整形成前后沿更加陡斜的脉 冲，二是能倒向形成 PWM 和PWM 两路脉冲以满足全桥功率开关管的要求。正反相 放大器电路如图 2.2.3 所示： 图 2.2.3正反向放大电路 2.2.4 功率放大电路 功率放大电路分别对正负两个 PWM 信号进行功率放大，输出信号经过 LJ、 C6、L2、C7 组成的 LPF 网络作用后，滤去高频谐波，还原出音频信号，送至输出 电路，电路图如图 2.2.4 所示： 7 图 2.2.4功率放大电路 全桥输出 D 类功放除具有 AB 类 BTL 功放的优点外，还具有较高的效率，但其输出 端需要加一个外部 LC 滤波器，用于提取音频信号和防止在负载上耗散高频能量。 3电路的制作 3.1 功放电路的性能分析 因专业知识有限，此次音频功放电路的制作采用了 TDA2822 来实现，电路中 使用学生电源供电，用收音机作为音频信号的输入器材。TDA2822 是双声道音频功 率放大电路，应用非常广泛。它通常采用 1.815V 电源供电，因此，该电路适合 在低电源电压下工作，静态电流小，交越失真也小，适用于单声道桥式(BTL)或立 体声线路两种工作状态，采用双列直插 8 脚塑料封装。其引脚图及其内部结构如 图 3.1.1 所示： 图 3.1.1TDA2822 内部结构 采用 TDA2822 制作的音频功放的电路图如图 3.1.2 所示： 8 图 3.1.2基于 TDA2822 的功放电路 该电路电源电压范围 1.8-15V,输出电流 1A,静态输出电压为 3V ,输入阻抗为 100 K功耗为 1.4W,失真度为 0.2%，闭环增益为 41dB. 3.2 电路制作过程中的注意事项 (1)焊接时先焊接跳线，再焊接电阻，再焊电容。必须注意焊接质量，应先在 废旧电路板上多练习几次，然后正式焊接。元件的排列方位尽可能保持 原理图相一致，布线方向最好与点路图走线方向一致。 (2)各元件排列、分布要合理和均匀，力求整齐、美观、结构严谨的工艺要求。 (3)电阻，二极管的放置方式分为平方与竖放两种：当电路元件数量不多，而 且电路板尺寸较大情况下，一般采用平放较好，但电路元件数较多，且电路板尺 寸不大的情况下，一般采用竖放。 (4)在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线， 并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装和检修。 (5)设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。 调试：本功放板调试特别简单，电路板焊好电子元件后，要仔细检查电路板有无 焊错的地方，特别要注意有极性的电子零件，如电解电容，一旦焊反即有烧毁元 器件之险，要特别注意，放大器的输出端先不接扬声器，而是接万用表，观察万 用表读数是否正常。最后接上音箱，输出音乐信号。旋转音量电位器，看音量大 小是否有变化，至此完成电路的组装与调试。 9 4总结 此次的毕业设计采用了 LM386 功放电路设计原理，完成了高效率音频功率放 大器的设计与制作。在此期间，我查阅了大量资料，找老师辅导，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的用途及工作原理。熟悉了音频功率放大器的设计步骤， 锻炼了设计实践能力，培养了自己独立的设计能力，此次毕业设计是我对专业知 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。 但是毕业设计也暴露出了自己专业基础的许多不足之处，比如缺乏综合应用 专业知识的能力，对材料的不了解等等，这次实践是对自己大学三年所学知识的 一次大检验，使我明白了自己知识还很不全面，马上要毕业了，自己的求 学 之 路还很长，以后更应该在工作实践中逐渐学习，努力使自己成为一个对社会有所 贡献的人。 参考文献： 1 茅于海：漫谈音频 D 类放大器J.电子技术应用，2006（5） 。 2 童诗白：华成英:模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社.2001。 3 姚福安：音频功率放大器设计，山东大学学报，2003 年 06 期。 4 牟小令：高效率音频功率放大器，西南师范大学学报，2003 年 01 期。 5 张平：关于音频功率放大器的应用，安阳大学学报，2002 年 02 期。 6 曾广兴：现代音响技术应用，广东科技出版社，1997 年 3 月。 7 方佩敏：音频功率放大器，电子世界，2003 年 08 期。 8 谢自美：电子线路设计 实验 测试，华中科技大学出版社 10 致谢致谢 本设计是在顾老师的精心指导和鼓励下完成的。顾老师深厚扎实的学识，严谨 的学风和真诚谦逊的品质，是我在这次设计过程中受益匪浅，在此，谨向顾老师 表示衷心的感谢！ 感谢所有支持和帮助过我的老师和同学!此外，我要感谢在我的论文中所有被 援引过的文献的作者们，他们是我的知识之源！最后，再次向所有给予我帮助和 鼓励的同学和老师致以最诚挚的谢意！ 11 附录附录 电路电子元件清单 论文题目设计并制作高效率音频功率放大器 实验工具电路板一块、电铬铁一个、松香、导线若干、学生电源。 电 路 元 件 序 号 元器件编号品名数量性能参数 1C1电容器20.1uF 2C2电容器1100 uF 3C3电容器2100.0 uF 4C4电容器2470.0uF 5C5电容器110.0 uF 6R1电阻2470 7RP电位器210K 8R6电阻21 10小喇叭232 指导教师 12 文献综述文献综述 传统的数字语音回放系统包含两个主要过程： （1）数字语音数据到模拟语音 信号的变换实现； （2）利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如 A 类、B 类和 AB 类放大器。从 1980 年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器， 这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转