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毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 高效率音频功率放大器的设计高效率音频功率放大器的设计 指导老师姓名： 童建华 专 业 名 称：电子信息工程技术 班 级 学 号： 论文提交日期： 2011 年 12 月 20 日 论文答辩日期： 2011 年 12 月 20 日 2011 年 12 月 12 日 毕业设计论文 高效率音频功率放大器的设计 I 摘摘 要要 传统的音频功率放大器有 A 类,B 类,AB 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的趋势。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 频信号进而与内部的三角波相对比较进行采用，从而将音频信号的幅度信息转换成 PWM 信号脉冲宽度的变化，然后将变换得到的 PWM 整波行放大，输出的电流信号通 过 LC 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率。 关键词：音频功率放大器，高效率,PWM Abstract 毕业设计论 文 II AbstractAbstract The traditional audio power amplifier with Class A, class B, class AB, class D, this kind of audio power amplifier has been widely used in MP3, mobile phone and other portable consumer electronic products speaker driver. With the rapid development of science and technology, the continuous improvement of living standards, people on the audio power amplifier of the increasingly high demand. The use of high conversion efficiency of class D power amplifier to replace the traditional linear power amplifier has become an inevitable trend. Class D power amplifier is a pulse width modulation ( PWM ) of the switching power amplifier, the audio signal through a high gain preamplifier amplifying, the amplified audio signal and with the inside of the triangle wave relatively is adopted, thus the amplitude of the audio signal information into PWM signal pulse width changes, and then transform the PWM wave amplification, the output current signal through the LC filter was restored to the amplified audio signal. Because the power transistor operating in the state of the switch, and the resistance is small, therefore, class D power amplifier with very high conversion rate. Key words: audio power amplifier, high efficiency, PWM 毕业设计论文 高效率音频功率放大器的设计 III 目录 绪论绪论.1 第一章第一章 D 类功率放大器类功率放大器.2 1.1 D 类功放的工作原理 .2 1.2 D 类放大器的系统分析 .3 第二章第二章 D 类音频功率放大器的设计类音频功率放大器的设计.5 2.1 设计任务与要求.5 2.1.1 设计任务.5 2.1.2 设计要求.5 2.22.2 各部分电路分析与计算各部分电路分析与计算.5 2.2.1 三角波产生电路。.5 2.2.2 比较器电路 .7 2.2.3 前置放大器电路.7 2.2.4 驱动电路.8 2.2.5 H 桥互补对称输出电路 .9 2.2.6 低通滤波器.10 2.2.7 系统整体分析.10 第三章第三章 模块仿真模块仿真.11 3.1 前置放大电路 .11 3.2H 桥互补对称输出及低通滤波电路 .12 结论结论.14 致谢致谢.15 参考文献参考文献.16 附录附录 A A 系统原理图系统原理图 .17 附录附录 B B 系统系统 PCBPCB 图图 .18 附录附录 C C 实物图实物图 .19 毕业设计论文 高效率音频功率放大器的设计 1 绪论绪论 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， 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。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。 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。 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。 第一章 D 类功率放大器 毕业设计论文 2 第一章第一章 D D 类功率放大器类功率放大器 1.1 D 类功放的工作原理类功放的工作原理 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 1-1 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 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 量过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 1-2 所示。 图 1-1 D 类功放的工作原理 框图 毕业设计论文 高效率音频功率放大器的设计 3 1-2 D 类放大器的工作波形示意图 如上图 1-2 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。 1.21.2 D D 类放大器的系统分析类放大器的系统分析 功率放大器的输出呈开关状态，即输出为一方波波形，由傅利叶级数分析知： = （1-1）)(tVo)7 7 1 5 5 1 3 3 1 ( 4 wtSinwtSinwtSinSinwt Vcc 高次谐波经由低通滤波器滤除后，输出信号最大值为，因此负载所能得到 Vcc4 的最大功率为： Lm P = （1-2） Lm P L CC L m R V R V 2 2 2 8 而电路的平均输入电流为： （1-3） L CCm av R VV I 2 82 第一章 D 类功率放大器 毕业设计论文 4 电源的输入功率为： （1-4） L CC avCCS R V IVP 2 2 8 由上可知： = Lm P S P （1-5） 所以 D 类放大器理想的效率可以达到 100，但是由于元器件并非理想器件， 所以器件中等效电阻会损耗功率，假设功率晶体管的导通电阻为,所有其它无源 ON R 电阻为，滤波器电阻为，负载电阻为，其效率为： P R F R L R （1-6） LPFON L SUPPLY OUT RRRR R P P 22 晶体管开关损耗： （1-7） onoffonOUTSWITCH RttfoscIP2)( 2 1 2 是载波频率，和是功率晶体管的开断时间，考虑电阻损耗和开关损 OSC f on t off t 耗，其效率为： （1-8） )()22( offonONOSCLPFON L SWITCHSUPPLY OUT ttRfRRRR R PP P 故负载电阻相对其他电阻的比值越大则效率越高。假设 CMOS 晶体管导通电阻是 0.3，则有输出接 4 的喇叭，其效率大概在 87%左右；输出接 8 的喇叭，其效 率为 93%。除了导通电阻的损耗以外，还有前面提到的开关损耗、偏置电流损耗、 输入电容充电损耗等，所以一般的 D 类放大器在 8 负载时效率为 85%左右。可以 看出，D 类放大器的效率仍要比目前市场上广泛采用的 AB 类放大器效率高很多。输 出功率为 10W 时，D 类放大器只需 12W 左右的功率，而 AB 类则需 20W 左右的功率。 故选用 D 类放大器可节省功耗。 由以上分析可以看出，D 类放大器的效率高达 85%左右，这样在相同输出的情况 下，就节省了电源的功率，延长电池的寿命，另外由于 D 类放大器体积小，容易散 热等诸多优点，正逐渐成为便携式音频设备的主流。 毕业设计论文 高效率音频功率放大器的设计 5 第二章第二章 D D 类音频功率放大器的设计类音频功率放大器的设计 2.1 设计任务与要求设计任务与要求 2.1.12.1.1 设计任务设计任务 设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。功率放 大器的电源为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为 8 电阻。 2.1.22.1.2 设计要求设计要求 输入信号频率范围：20Hz-20kHz； 1 功放电路的最大不失真输出功率：Pom1W。； 2 功放电路的效率 85%； 3 根据输出功率和电路形式，选择合适的电源电压供电电路； 4 可选用专用集成电路来实现上述要求和目标，特别是优选 D 类数字功放电路。 5 （2）发挥部分 在完成基本要求任务的基础上，进一步将效率提升到 90%以上； 1 在保持最大不失真输出的基础上，进一步降低电源供电的电压； 2 增加功率放大器输出短路保护功能。 3 2.2 各部分电路分析与计算各部分电路分析与计算 2.2.12.2.1 三角波产生电路。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 第二章 D 类音频功率放大器的设计 毕业设计论文 6 路图如图 3-2 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。 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： （2-1） KR R 40 5 . 2 1001 100 5 . 25 9 9 所以取为 39K。 9 R 选定工作频率为 f=150kHz，并设定，则电容的计算过程如下：kRR20 673 C 对电容的恒流充电或放电电流为： （2-2） 7667 5 . 25 . 25 RRRR I 则电容两端的最大电压值为： （2-3） 1 1 06744 4 )( 5 . 21 T RRC Idt c V T c 其中为半周期，=。的最大值为 2V，则 1 T 1 TfT212 4c V 图 2-1 三角波产生电路 毕业设计论文 高效率音频功率放大器的设计 7 fRRC2 1 )( 5 . 2 2 674 得出 （2-4）pF fRR C 3 . 208 1015041020 5 . 2 4)( 5 . 2 33 67 4 取=220Pf，取=10k，取为 20K的可变电位器。使电路的震荡频率 4 C 7 R 6 R 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。 1211 RR 和 2.2.22.2.2 比较器电路比较器电路 选用 LM311 精密，高速比较器，电路如图 2-2 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。 2.2.32.2.3 前置放大器电路前置放大器电路 如图 2-3 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 图 2-2 比较器电路 第二章 D 类音频功率放大器的设计 毕业设计论文 8 此必须对输入 图 2-3 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： (2-5)3 . 9 4 . 2 20 11 3 4 R R AV 调整使其增益约为 8，则整个功放的电压增益从 032 可调。 4 R 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VV om 5 . 2 om V 输入的音频信号最大幅度。如果超过 250mV，则输出会 im VmVAV Vom 25082 产生波削失真。 2.2.42.2.4 驱动电路驱动电路 如图 2-4 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 2SC1815 和 2SA1015 对管。 毕业设计论文 高效率音频功率放大器的设计 9 图 2-4 驱动电路电路图 2.2.52.2.5 H H 桥互补对称输出电路桥互补对称输出电路 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 2-5 所示。互补 PWM 开关驱动信号交替开启 Q1 和 Q4 或 Q3 和 Q2，分别经两个 4 阶 Butterworth 滤波器滤波后推动喇叭工作。 图 2-5 H 桥互补对称输出及低通滤波电路原理图 第二章 D 类音频功率放大器的设计 毕业设计论文 10 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,Q1、Q4 导通,Q3、Q2 截止，电流从电阻的正极流向负极；当 PWM 信号为低电平时，Q1、Q4 截止，Q3、Q2 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。 2.2.62.2.6 低通滤波器低通滤波器 本电路采用 4 阶 Butterworth 低通滤波器(如图 2-5)。对滤波器的要求是 上 限频率20 kHz，在通频带内特性基本平坦。 采用了电子工作台(EWB)软件进行仿真，从而得到了一组较佳的参数： L1=22H，L247H，C21=l.68F，C20=1F。19.95 kHz 处下降 2.464 dB，可 保证 20 kHz 的上限频率，且通带内曲线基本平坦；100 kHz、150 kHz 处分别下降 48 dB、62 dB，完全达到要求。 2.2.72.2.7 系统整体分析系统整体分析 本设计的难点主要是在 PWM 脉宽调制模块和 H 桥互补对称输出模块，在脉宽调 制模块需要首先熟悉 TLC4502 和 LM311 芯片的使用方法，以防在使用时电路接错； 另一方面还需要注意在调节电位器是一定要细心，如果一直不起振，就仔细检查电 路、分析原理；然后在细心调节电位器，使其起震。H 桥互补对称输出模块时这里 面最难的部分，虽然原理简单，但是如有一点做不到位就会得不到理想的效果。所 以本设计除了理论分析外，实践更是不易，唯有细心加耐心，才能达到理想的效果。 毕业设计论文 高效率音频功率放大器的设计 11 第三章第三章 模块仿真模块仿真 仿真软件：-虚拟电子实验室 11.0.NI.Multisim.V11.0.1 汉化破 解版。 仿真步骤： （1） 画好原理图。 （2）设置好输入信号。 （3）在待测点接好示波器。 （4）运行程序，观察示波器的输出波形。 （5）分析波形，是否与理论相符，是否达到设计要求。 由于软件无法找到 TCL4502 芯片，所以一些模块无法仿真。下面分别介绍和分 析了各模块的仿真结果。 3.1 前置放大电路前置放大电路 图 3-1 前置放大器仿真 电路 如图 3-1 所示由于软件没有 TLC4502，则采用 TLE2022 代替，用函数信号发生 器给 5kHz 的信号，调节和用示波器观测其输出。 5 R 4 R 第三章 模块仿真 毕业设计论文 12 3-2 前置放大器仿真波形 如上图 3-1 所示调节和，用示波器测得器输出波形如图 3-2 所示，可以 5 R 4 R 看出其幅度明显被放大，调节和观察其放大倍数的范围满足设计的要求。 5 R 4 R 3.2H 桥互补对称输出及低通滤波电路桥互补对称输出及低通滤波电路 如图 3-3 所示，为了能给相位相反的两组方波信号，在 H 桥前的一组信号上加 一个反相器 CD40106，为了在时间上延迟相同在另一组信号上加一与门 74LS04。函 数信号 图 3-3 H 桥互补对称输出及低通滤波器仿真电路 毕业设计论文 高效率音频功率放大器的设计 13 发生器接输入端，用示波器的 A 端口接 H 桥互补对称输出端，B 端口接低通滤波器 的输出端。 先让函数信号发生器输入频率为 10kHz，占空比 50，振幅为 2的信号， PP V 示波器输出如图 3-4 所示。 改变输入频率为 20kHz，占空比 50，振幅为 1.5的信号，示波器输出如 PP V 图 3-5 所示。 图 3-4 H 桥互补对称输出及低通滤波器波 形 图 3-5 H 桥互补对称输出及低通滤波器 波形 结论 毕业设计论文 14 结论结论 此次的设计采用了 D 类功放电路设计原理，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，找辅导老师，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查和充实，通过这次实践，我了解了音频 功放率放大器的用