高效率音频放大器毕业论文.doc

高效率音频放大器毕业论文目 录一、引言1二、音频功率放大器2（一）背景2（二）发展3（三）指标51、最大输出功率52、脉冲宽度调制53、转换速率7（四）分类71、A类放大器82、B类放大器93、AB类放大器104、D类放大器11三、D类功率放大器的原理12四、D类音频功率放大器的设计13（一）设计任务与要求131、设计任务132、设计要求13（二）方案论证14（三）各部分电路分析与计算141、脉宽调制电路142、前置放大电路193、短路保护电路204、驱动电路215、H型互补对称输出电路216、信号变换电路227、功率测量及显示电路22（四）部分电路的仿真电路221、前置放大器的仿真电路222、比较器的仿真电路23五、系统仿真数据23六、结论24参 考 文 献25致谢26一、引言电子信息技术几乎主宰了整个电器行业的发展，随着电子技术的进步发展在功率放大器的设计上功能也不断地更新。功率放大器在家电、数码产品中的应用也越来越广泛，与我们的日常生活有着密切的关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉、音质的享受，在大多数的情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促进消费者购买产品的一个重要因素。音频功率放大器作为音响等电子设备的后缀放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果，同时音频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。目前，音频功率放大器仍以模拟功放为主流产品，模拟功放经历了数十年的不断改进和完善，其技术已发展到了顶峰。模拟类功放是以线性放大为基础，功率放大器件有电子管和晶体管两类，按功放静态工作点的设置可分为A类放大、AB类放大和C类放大三种。晶体管功放的最大优点是电源转换效率高（C类功放最大可达55%）、体积小、重量轻、发热量不大、生产成本低；缺点是转换效率低、偶次谐波失真大，音质和可靠性指标都略逊于电子管功放。随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各种实用性指标和可靠性指标都有了很大的改善，并不断向更大的输出功率、更小的体积、更轻的重量、更多的功能和智能化方向发展。二、音频功率放大器（一）背景进入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。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。高保真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。音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz 20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。（二）发展D类工作模式在1959年由Baxandall首先提出，即使用脉冲形式的信号来驱动高速的功率开关，该脉冲信号一般都是脉宽凋制(PWM)信号，它的低频部分包含了调制信号的信息，通过一个低通滤波器以后，可以将调制信号重现。从60年代起，人们就开始尝试研制D类放大器，最早是想用真空管来研制D类放大器，但由于受到真空管在电压降和电流能力方面的限制，降低了放大器的效率，限制了放大器的输出。在60年代后期，双极型晶体管取代了真空管，此时研制低频高效D类放大器的条件已经成熟，然而由于D类放大器需要在高频条件下工作，其工作频率至少为20KHz音频频率的45倍，因此在这样的高频下，使用双极型晶体管会产生连续的开关损耗，这限制了D类放大器效率的提高。直到1970年金属氧化物半导体场效应管出现后，满足了D类放大器对高开关速度和低导通损耗的要求，实现了高性能的开关器件，这才开发出宽频带D类音频功率放大器，D类音频功率放大器从一经问世立即显示出其高效、节能、数 字化的显著特点，引起了电子工业界的广泛关注。由于现在设计技术的不断提高，D类音频功率放大器的性能得到了突飞猛进的改善，在音质方面已经逐渐追上了AB类的性能，这使得其近年来在市场上有极快的发展，根据专业调研公司的数据，2005年全球D类音频放人器销售总值己达2亿美元以上，2006年增长至约3.5亿美元，而2008年市场需求将会超过6亿美元，按照这样的增长速度，预计到2010年将达到10亿左右的规模，发展前景十分乐观。目前D类音频功率放大器市场中的主流产品几乎都来自欧美的各大半导体设计公司，如美国国家半导体(National)、德州仪器(TI)、美信(Maxim)和Tripath公司，此外还有欧洲的意法半导体(ST)、欧胜(Wolfon Micro)和飞利浦(PHILIPS)等，而包括台湾在内的中国半导体企业都极少有能够与他们竞争的产品。国际方面，首先介绍的是美国的Tripath公司，该公司拥有称为数码功率处理(DPPTM)的专利技术，此技术采用多种信号处理技术，包括自适应预处理、噪声整形、预失真处理和一调制电路，进一步减小了失真和噪声，确保了音频高保真性能的同时也完成了高效率的放大，Tripath公司将基于DPPTM原理设计的放大器称为T类放大器，该类放人器具有高保真、高效率、体积小、重量轻等特点，该类放大器在推动40hm 负载时功率可达90W，THD+N小于0.1，效率高达90。作为全球D类音频功率放大器行业的领先公司，TI于2005年5月推出较为先进20W单声道高功率数字输入D类音频放大器TPA3200D1，该芯片突破传统的模拟输入，向全数字化功放更进一步，该芯片在18V电源电压下推动80hm负载时功率可达20W，THD+N小于0.1，效率高达85以上。另外，NS，ST，PHILIPS，YAMAHA等公司也纷纷推出自主设计的D类音频功率放大器，如NS的l.M系列，ST的sTA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等等。国内方面，1998年11月，成都天奥公司发布了具有自主知识产权的D类音频功率放大器，并于2000年研制出6通道专用芯片DPPC2006，其转换效率达到了90以上，目前，该公司数字音频功放IC已广泛应用于DVD、汽车音响、家庭影院和背投电视等领域。2005年12月，成都华微数字音频功放芯片丌发与模块制造项目己成功通过国家电子信息发展基金办公室验收，并得到高度评价。同时诸多公司也己开始或者有计划向D类音频功放芯片化方向投入大量人力与物力，种种迹象表明，近几年，国内公司在 D类音频功率放大器开发方面将作出突破。因此，对D类音频功率放大器的相关技术进行研究具有非常重要的意义。（三）指标1、最大输出功率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。2、脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利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。 图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-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： （2-1）其中，xt是离散化的语音信号；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 = 处，在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波可以表示为： （2-2）其中， 。无需作频谱分析，由式（2-2）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10K，电压放大倍数120连续可调。 （d）低频噪声电压（20kHz以下）10mV，在电压放大倍数为10、输入端对地交流短路时测量。 （e）在输出功率500mW时测量功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）50。（2）设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路，将功率放大器双端输出信号转换为单端输出，经RC滤波供外接测试仪表用，如图4-1所示：图4-1信号变换原理框图（3）设计并制作一个测量放大器输出功率的装置，要求具有3位数字显示，精度优于5%。（4）还增加了短路保护功能。（二）方案论证根据设计任务与要求，D类放大的系统组成方框图如下图4-2所示，它有三角波发生器电路、比较器电路、驱动电路、开关功率输出电路和低通滤波器组成。 图 4-2 系统的组成方框图（三）各部分电路分析与计算1、脉宽调制电路电路以音频信号为调制波，频率为150kHz的三角波为载波，两路信号均加上2.5V的电流偏置电压，通过比较器进行比较，得到幅值相同、占空比随音频幅度变化的脉冲信号。比较电路采用高速、精密的比较器芯片LM311，由于比较器芯片LM311的输出级是集电极开路结构，输出端须加上拉电阻，上拉电阻的阻值采用芯片资料上的推荐阻值1K。常规PWM调制电路如下图4-3所示：图4-3 PWM调制电路（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。根据奈奎斯特采样定理，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。采用555芯片构成三角波产生电路。对555组成多谐振荡器的电容C1充放电特性加以改进，实现对电容C1的线性充放电获得三角波。利用T1、T2和R6构成恒流源对C1实现线性充电，利用T3、T4和R7构成的恒流源实现对C1的放电。电容C1上的三角波经U1同相跟随器输出。电路中电容C1选用漏电流很低的聚苯乙烯电容。电路工作原理如下：接通电源瞬间，555芯片的3脚输出高电平，二极管D3截止，D4导通，从而D2也截止，D1导通，电源通过T1、T2、R1，D1对电容C1恒流充电，当C1上的电压达到 时，555芯片的输出发生翻转，即3脚输出低电平，D3导通，D4截止，从而D1也截止，D2导通，电容C1通过D2、T3、T4、R2恒流放电，直到C1电压等于，电容又开始充电，如此循环，则C1上可以得到线性度良好的三角波，输出加一级电压跟随器，以提高带负载能力。输出三角波频率的计算：电阻R1上电压等于T1的0.7V，故流过R1的电流约为=0.7300=0.233mA,忽略T1的基极电流，则流过R1的电流即为T2的射级电流，也约等于T2的集电极电流，故C1的充电电流约为2mA，由电路理论知识，设充电时间为，放电时间为，则有：=+ （4-1）= （4-2）可得三角波的周期：故三角波频率为：KHZ该电路的特点是采用恒流源对电容线性充、放电产生三角波，波形比方波经阻容电路或者积分电路得到的三角波效果好。由方波直接经阻容电路得到的三角波波形是指数函数，方波经积分电路得到的波形虽然是线性，但是积分电路存在积分漂移，得到的三角波中含有一定的直流分量，而且该直流分量与积分电路中积分电容的初始条件有关，是一个随机的量，常规的做法是在积分电容上并联一个开关，当积分电路开始工作时，先把开关按下给电容放电，让积分电路的初始电荷为零，如此来控制积分电路的直流分量为零。三角波产生电路如下图4-4所示：图4-4三角波产生电路三角波波形图如下图4-5所示：图4-5 三角波形图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 Butterworth 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。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： （4-3）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： （4-4）则电容两端的最大电压值为： （4-5）其中为半周期，=。的最大值为2V，则 （4-6） （4-7）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4-6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=2V，所以要求音频信号的不能大于2V否则会使功放产生失真。图4-6 比较器电路2、前置放大电路设置前置放大器，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=8V，此时送给比较器音频信号的值应为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），因此必须对输入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10k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，要求输入电阻大于10k，故取R1=R2=51k，则=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： (4-8)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。电路图如下图4-7所示：图4-7 前置放大电路 3、短路保护电路过流采样电阻取0.1与8负载进行串联，该电路中前级放大电路的增益为：=75经放大后的信号在经过由D1、C1、R5构成的峰值检测电路，输出直流电平，送给由D5、R7和比较器LM311构成的迟滞比较器进行比较，一旦过载就立即锁定。由D2、D3、R6、C2构成开机延迟电路，防止开机瞬间比较器进入自锁状态。电路图如下图4-8所示：图4-8短路保护电路4、驱动电路经前面脉宽调制得到的PWM信号不能直接驱动功率开关器件，需加强PWM信号的驱动能力，首先，让PWM信号通过施密特触发器芯片74HC14进行波形整形，然后把两路脉冲信号分别输入到由晶体三极管组成的互补对称式射级跟随器，增强信号的驱动电流，使之能够有效、快速地驱动功率开关管。5、H型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，IRF9540 和IRF540 VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。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。6、信号变换电路由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。7、功率测量及显示电路功率测量及显示电路由有效值转换电路和单片机系统组成。有效值转换器选用高精度的AD637，单片机系统主要有89C51单片机、AD转换器AD574和键盘显示接口电路等组成。（四）部分电路的仿真电路1、前置放大器的仿真电路图4-9 前置放大器仿真电路2、比较器的仿真电路图4-10 比较器仿真电路五、系统仿真数据表1 功率测量（1）最大不失真输出功率 仿真数据如下表1所示：F20Hz100Hz300Hz1.6kHz3.4kHz10kHz20kHz25kHz8.218.218.228.168.108.057.025.821.051.051.061.041.031.010.770.53（2）效率的测量 仿真数据如下表2所示：表2效率测量200mW500mW1000mW3.58V5.68V8.00V68mA147mA278mA596872六、结论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。通过本次