D类功放毕业论文

临沂大学理学院 毕业论文 设计 D D 类功率放大器类功率放大器 姓 名 胡锦涛胡锦涛 学 号 200000000000200000000000 年 级 20082008 专 业 电子信息工程电子信息工程 系 院 理学院理学院 指导教师 奥巴马奥巴马 2012 年 5 月 15 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 摘 要 本文介绍了大功率 D 类音频放大电路的设计 比较了他们各自的优缺点 重点分析了音频放大器的原理 D 类音频放大器采用脉宽调制 PMW 信号而不 是 AB 放大器通常采用的线性信号 D 类放大器比 AB 类放大器效率高的多 利 用上述技术原理 输出级的损率变得极低 本文中的 D 类音频功率放大器的功率 器件受一高频脉宽调制信号的控制 使其工作在开关状态 理论上效率可达 100 但其不足之处在于会产生高频干扰及噪声 本文具体论述了一种基于晶体 管的 D 类音频功率放大器的设计组成 关键词 PWM 调制 功率放大 电压开关型驱动电路 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 ABSTRACTABSTRACT In this paper the design and application of the class D audio amplifier are described the theory of all kinks of audio power amplifiers is introduced emphatically The Pulse Width Modulation PWM signal is adopted in audio Class D amplifier which is a Switch Mode amplifier and the linear signal is adopted in audio Class AB amplifier The main advantage of class D amplifier is their efficiency which higher than that of class AB amplifiers In D in the article audio frequency power advice power of amplifier modulate the control of the signal by one high frequency pulse width originally make it work switch state its efficiency in theory can up to 100 but in a insufficient one it is it can produce high frequency interfere and noise to lie in to appear KeyKey words words PWM modulation D power amplifier the voltage switching drive circuit 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 目 录 1 1 引言引言 1 1 2 2 D D 类功放的简介类功放的简介 1 1 2 1 D 类功放的简介 1 2 2 D 类功放的发展历程 1 2 3 功率放大器的基本结构 1 2 4 对功率放大器的基本要求 3 3 3 D D 类功放的特点与电路组成类功放的特点与电路组成 3 3 3 1 功放的分类及特点 3 3 2 传统功放与 D 类功放的比较 5 3 3 D 类功放基本结构 6 3 4 D 类功放的特点 7 3 5 D 类功放的要求 8 4 4 结论结论 1010 参参 考考 文文 献献 1111 致致 谢谢 1212 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 精品文档 1欢迎下载 1 引言引言 D 类音频功率放大器 它是近年来刚发展起来的一种音频放大器 通常叫 做 D 类功率放大器 它的工作电压在 12 5V 30V 之间 工作效率在理想状态下为 100 它具有功率大 效率高 失真小的特点 在高保真音响设备中 功率放大器用来对各种音源输出的音频信号进行加 工处理和不失真地放大 使之达到一定的功率去推动扬声器发声 其中 如何对 音频信号进行功率放大 使之达到功率大 效率高 失真小 是功率放大器所 要解决的最主要问题 2 D 类功放的简介 2 1 D 类功放的简介 D 类功放指的是 D 类音频功率放大器 有时也称为数字功放 通过控制开 关单元的 ON OFF 驱动扬声器的放大器称 D 类放大器 D 类放大器首次提出于 1958 年 近些年已逐渐流行起来 已经问世多年 与一般的线性 AB 类功放电路 相比 D 类功放有效率高 体积小等特点 2 2 D 类功放的发展历程 传统的音频功率放大器有 A 类 B 类 AB 类等几种 几十年在音频领域中 它们一直占据统治地位 音频功率放大器发展经历了这样的几个过程 所有器件 从电子管 晶体管到集成电路的过程 电路组成从单管到推挽的过程 电路形 成从变压器输出到 OTL OCL BTL 的形式过程 其基本类型是模拟音频功率放大 器 它的最大缺点是效率太低 全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频 设备的环保要求 迫使人们开发 高效 节能 环保 数字化的音频功率放大器 它应该具有工作效率高 便于与其它数字化设备相连接的特点 D 类功率放大器 就是 PWM 型功率放大器 它基本符合上面的要求 近几年来 国际上对 D 类功放 的研究与开发已经有了很大的发展 几家著名的研究机构与公司已经成功的研制 出好几种此类的音频功率放大器 这一技术显示了它高效 节能 环保 数字化 的特点 现在这一技术正在迅猛发展 前景一片光明 2 3 功率放大器的基本结构 在高保真音响电路中 功放电路通常由两个或两个以上的音频声道所组成 每个声道分为两个主要的部分 即前置放大器和功率放大器 两部分电路可分设 在两个机箱内 也可组装在同一个机箱内 后者称为综合放大器 由于左 右声 道完全相同 所以在双声道电路中只介绍其中一路 电路组成框图如图 1 所示 图中左侧为前置放大器 右侧为功率放大器 3 4 精品文档 2欢迎下载 图 1 功率放大器电路组成框图 1 前置放大器的组成 前置放大器具有双重功能 它要选择所需要的音 源信号 并放大到额定电平 还要进行各种音质控制 以美化声音 这些功能由 均衡放大 音源选择 输入放大和音质控制等电路来完成 音源选择 音源选择电路的功能是选择所需的音源信号送入后级 同时关 1 闭其他音源通道 各种音源的输出是各不相同的 通常分为高电平与低电平两类 调 谐器 录音座 CD 唱机 VCD DVD 影碟机等音源的输出信号电平达 50 500mV 称为高电平音源 可直接送入音源选择电路 而动圈式和动磁式电 唱机的输出电平仅为 0 5 5mV 称为低电平音源 须经均衡放大后才能送入音 源选择电路 线路输入端又称为辅助输入端 可增加前置放大器的用途和灵活性 供连接电视信号和其他高电平音源之用 输入放大 输入放大器的作用是将音源信号放大到额定电平 通常是 1V 2 左右 输入放大器可设计为独立的放大器 也可在音质控制电路中完成所需要的 放大 音质控制 音质控制的目的是使音响系统的频率特性可以控制 以达到高 3 保真的音质 或者根据聆听者的爱好 修饰与美化声音 有时还可以插入独立的 均衡器 以进一步美化声音 音质控制包括音量控制 响度控制 音调控制 左 右声道平衡控制 低频噪声和高频噪声抑制等 2 功率放大器的组成 虽然功率放大器的电路类型很多 但基本上都由 激励级 输出级和保护电路所组成 激励级 激励级又可分为输入激励级和推动激励级 前者主要提供足够的 1 电压增益 后者还需提供足够的功率增益 以便能激励功放输出级 输出级 输出级的作用是产生足够的不失真输出功率 为了获得满意的频 2 率特性 谐波失真和信噪比等性能指标 可在输出级与激励级之间引入负反馈 保护电路 保护电路用来保护输出级功率管和扬声器 以防过载损坏 此 3 外 一个完备的高保真功率放大器 还必须设置直流稳压电源及电平显示电路 等 精品文档 3欢迎下载 2 4 对功率放大器的基本要求 1 输出功率要大 为了得到足够大的输出功率 功放管的工作电压和电 流接近极限参数 功放管集电极的最大允许耗散功率与功放管的散热条件有关 改善功放管的散热条件可以提高它的最大允许耗散功率 在实际使用中 功放管 都要按规定安装散热片 2 效率要高 扬声器获得的功率与电源提供的功率之比称为功率放大器 的效率 功率放大器的输出功率是由直流电源提供的 由于功放管具有一定的内 阻 所以它会有一定的功率损耗 功率放大器的效率越高越好 3 非线性失真要小 由于功率放大器中信号的动态范围很大 功放管工 作在接近截止和饱和状态 超出了特性曲线的线性范围 必须设法减小非线性 失真 3 D 类功放的特点与电路组成 3 1 功放的分类及特点 传统的功率放大器主要有 A 类 甲类 B 类 乙类 AB 类 甲乙类 除此之外 还有工作在开关状态下的 D 类 丁类 功放 A 类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器 其晶 体管总是工作在放大区 并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性 放大区域 它的优点是输出信号的失真比较小 缺点是输出信号的动态范围小 效率低 理想情况下的效率为 50 考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的 损耗 A 类功率放大器的效率仅为 20 左右 1 2 如图 2 图 2 A 类功放工作曲线 精品文档 4欢迎下载 B 类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为 50 因为其 晶体管只有在输入信号的正半周期工作在放大区 在输入信号的负半周是截止 的 它的优点是在理想的情况下其效率为 78 5 比 A 类提高了很多 其缺点是 非性失真比 A 类功放大 而且会产生交越失真 增加噪声 如图 3 图 3 B 类功放工作曲线 AB 类功率放大器是以两类的结合 是每个功率放大器的导通时间在 50 100 此类功率放大器流行过一段时间 它兼顾了失真与效率两方面的性能指 标 在设计该功率放大器是要设置晶体管的静态偏置电路 使其工作在甲乙类状 态 这类放大器的失真要比乙类的小 但其效率比乙类功放要低一些 如图 4 精品文档 5欢迎下载 图 4 AB 类功放工作曲线 3 2 传统功放与 D 类功放的比较 功率消耗在所有线性输出级 因为产生输出电压 vout 的过程中不可避免地 会在至少一个输出晶体管内造成非零的 ids 和 vds 功耗大小主要取决于对输出 晶体管的偏置方法 A 类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流 dc 电流源 能够提供扬 声器需要的最大音频电流 A 类放大器输出级可以提供优良的音质 但功耗非常 大 因为通常有很大的 dc 偏置电流流过输出级晶体管 这是我们不期望的 而没有提供给扬声器 这是我们期望的 B 类放大器拓扑结构没有 dc 偏置电流 所以功耗大大减少 其输出晶体 管是以推拉方式独立控制 从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流 而低端 晶体管吸收负电流 由于只有信号电流流过晶体管 因而减少了输出级功耗 但 是 B 类放大器电路的音质较差 因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之 间切换时会造成线性误差 交越失真 A B 类放大器是 A 类放大器和 B 类放大器的组合折衷 它也使用 dc 偏 置电流 但它远小于单纯的 A 类放大器 小的 dc 偏置电流足以防止交越失真 从而能提供良好的音质 其功耗介于 A 类放大器和 B 类放大器之间 但通常更接 近于 B 类放大器 与 B 类放大器电路类似 A B 类放大器也需要一些控制电路以 使其提供或吸收大的输出电流 不幸的是 即使是精心设计 A B 类放大器也有很大的功耗 因为其中等 范围的输出电压通常远离正电源或负电源 由于漏源极之间的电压降很大 所以 会产生很大的瞬时功耗 ids vds D 类放大器由于具有不同的拓扑结构 其功耗 远小于上面任何一类放大器 D 类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从 而产生一串电压脉冲 这种波形有利于降低功耗 因为当输出晶体管在不导通时 具有零电流 并且在导通时具有很低的 vds 因而产生较小的功耗 ids vds 3 3 D 类功放基本结构 D 类功放的电路组成可以分为三个部分 PWM 调制器 脉冲控制的大电流开 关放大器 低通滤波器 电路结构组成如图 5 所示 5 8 精品文档 6欢迎下载 a D 类功放简图 驱动 开关式 功放 PWM调制器 低通 滤波器 比较器 模拟音频输入 三角波 发生器 高频振荡 几百kHz 数字音频输入 等比特 调制器 数字内插 滤波器 D类放大 PWM信号 LC网络 b D 类功放内部结构 图 5 D 类功放的组成 第一部分为调制器 最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成 把原始 音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端 另通过自激振荡生成一个 三角形波加到运放的负输入端 当正端上的电位高于负端三角波电位时 比较器 输出为高电平 反之则输出低电平 若音频输入信号为零 直流偏置三角波峰值 的 1 2 则比较器输出的高低电平持续的时间一样 输出就是一个占空比为 1 1 的方波 当有音频信号输入时 正半周期间 比较器输出高电平的时间比 低电平长 方波的占空比大于 1 1 负半周期间 由于还有直流偏置 所以比 较器正输入端的电平还是大于零 但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大 为减少 方波占空比小于 1 1 这样 比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被 音频信号幅度调制后的波形 称为 PWM Pulse Width Modulation 脉宽调制 或 PDM Pulse Duration Modulation 脉冲持续时间调制 波形 音频信息被调 制到脉冲波形中 第二部分就是 D 类功放 这是一个脉冲控制的大电流开关放大器 把比较 精品文档 7欢迎下载 器输出的 PWM 信号变成高电压 大电流的大功率 PWM 信号 能够输出的最大功率 有负载 电源电压和晶体管允许流过的电流来决定 第三部分为由 LC 网络构成的低通滤波器 其作用是将大功率 PWM 波形中的 声音信息还原出来 利用一个低通滤波器 可以滤除 PWM 信号中的交流成份 取 出 PWM 信号中的平均值 该平均值即为音频信号 但由于此时电流很大 RC 结 构的低通滤波器电阻会耗能 不能采用 必须使用 LC 低通滤波器 当占空比大 于 1 1 的脉冲到来时 C 的充电时间大于放电时间 输出电平上升 窄脉冲到 来时 放电时间长 输出电平下降 正好与原音频信号的幅度变化相一致 所 以原音频信号被恢复出来 D 类功放的工作原理见图 6 原音频 信号波形 比较器上的 两个波形 比较器输出 的PWM信号 LPF后的恢 复信号波形 图 6 D 类功放原理图 3 4 D 类功放的特点 1 效率高 在理想情况下 D 类功放的效率为 100 实际效率可达 90 左右 B 类功放的效率为 78 5 实际效率约 50 A 类功放的效率才 50 或 25 按负载方式而定 这是因为 D 类功放的放大元件是处于开关工作状态的 一种放大模式 无信号输入时放大器处于截止状态 不耗电 工作时 靠输入信 号让晶体管进入饱和状态 晶体管相当于一个接通的开关 把电源与负载直接 接通 理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电 实际上晶体管总会有很小的饱和 压降而消耗部分电能 精品文档 8欢迎下载 2 功率大 在 D 类功放中 功率管的耗电只与管子的特性有关 而与信 号输出的大小无关 所以特别有利于超大功率的场合 输出功率可达数百瓦 3 失真低 D 类功放因工作在开关状态 因而功放管的线性已没有太大 意义 在 D 类功放中 没有 B 类功放的交越失真 也不存在功率管放大区的线性 问题 更无需电路的负反馈来改善线性 也不需要电路工作点的调试 4 体积小 重量轻 D 类功放的管耗很小 小功率时的功放管无需加装 体积庞大的散热片 大功率时所用的散热片也要比一般功放小得多 而且一般的 D 类功放现在都有多种专用的 IC 芯片 使得整个 D 类功放电路的结构很紧凑 外接元器件很少 成本也不高 3 5 D 类功放的要求 1 对功率管的要求 D 类功放的功率管要有较快的开关响应和较小的饱 和压降 D 类功放设计考虑的角度与 AB 类功放完全不同 此时功放管的线性已没 有太大意义 更重要的是开关响应和饱和压降 由于功放管处理的脉冲频率是音 频信号的几十倍 且要求保持良好的脉冲前后沿 所以管子的开关响应要好 另 外 整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗 所以 管子的饱和压降小不但 效率高 且功放管的散热结构也能得到简化 若干年前 这种高频大功率管的价 格昂贵 限制了 D 类功放的发展 现在小电流控制大电流的 MOSFET 已在 Hi Fi 功放上得到广泛应用 9 11 2 对 PWM 调制电路的要求 PWM 的工作原理图如图 7 图 7 PWM 的工作原理 PWM 调制电路也是 D 类功放的一个特殊环节 要把 20kHz 以下的音频调制 成 PWM 信号 三角波的频率至少要达到 200kHz 三角波的频率应在音频信号频 精品文档 9欢迎下载 率的 10 20 倍以上 当频率过低时要达到同样要求的 THD 总谐波失真 标准 则对无源 LC 低通滤波器的元件要求就高 结构复杂 如果三角波的频率高 输 出波形的锯齿小 就能更加接近原波形 使 THD 小 而且可以用低数值 小体 积和精度要求相对差一些的电感和电容来构成低通滤波器 造价相应降低 但是 晶体管的开关损耗会随频率的上升而上升 无源器件中的高频损耗 射频的聚 肤效应都会使整机效率下降 更高的调制频率还会出现射频干扰 所以调制频率 也不能高于 1MHz 而在实际的中小功率 D 类数字功放中 当三角波的频率达到 500kHz 以上时 也可以直接由扬声器的音圈所呈现的电感来还原音频信号 而 不用另外的 LC 低通滤波器 12 另外在 PWM 调制器中 还要注意到调制用的三角波的形状要好 频率的准 确性要高 时钟信号的抖晃率要低 这些参数都会影响到后面输出端由 LPF 所 复原的音频信号的波形是否与输入端的原音频信号的波形完全相同 否则会使 两者有差异而产生失真 3 对低通滤波器的要求 位于驱动输出端与负载之间的无源 LC 低通滤波 器也是对音质有重大影响的一个重要因数 该低通滤波器工作在大电流下 负载 就是音箱 严格地讲 设计时应把音箱阻抗的变化一起考虑进去 但作为一个功 放产品指定音箱是行不通的 所以 D 类功放与音箱的搭配中更有发烧友驰骋的 天地 实际证明 当失真要求在 0 5 以下时 用二阶 Butterworth 最平坦响应 低通滤波器就能达到要求 如要求更高则需用四阶滤波器 这时成本和匹配等问 题都必须加以考虑 近年来 一般应用的 D 类功放已有集成电路芯片 用户只需 按要求设计低通滤波器即可 4 D 类功放的电路保护 D 类功率放大器在电路上必须要有过电流保护及 过热保护 此二项保护电路为 D 类功率 IC 或功率放大器所必备 否则将造成安 全问题 甚至伤及为其供电的电源器件或整个系统 过电流保护或负载短路保护 的简单测试方法 可将任一输出端与电源端 Vcc 或地端 Ground 短路 在 此状况下短路保护电路应被启动而将输出晶体管关掉 此时将没有信号驱动喇 叭而没有声音输出 由于输出短路是属于一种严重的异常现象 在短路之后要回 到正常的操作状态必需重置 Reset 放大器 有些 IC 则可在某一延迟 Delay 时间后自动恢复 至于过热保护 其保护温度通常设定在 150 160 C 过热后 IC 自动关掉输出晶体管而不再送出信号 待温度下降 20 C 30 C 之后自动回复到正常操作状态 5 D 类功放的电磁干扰 13 15 D 类功率放大器必须要解决 AB 类功率放 大器所没有的 EMI Electro Magnetic Interference 电磁干扰 问题 电磁 精品文档 10欢迎下载 干扰是由于 D 类功率放大器的功率晶体管以开关方式工作 在高速开关及大电 流的状况下所产生的 所以 D 类功放对电源质量更为敏感 电源在提供快速变化 的电流时不应产生振铃波形或使电压变化 最好用环牛变压器供电 或用开关 电源供电 此外解决 EMI 的方案是使用 LC 电源滤波器或磁珠 bead 滤波器以 过滤其高频谐波 中高功率的 D 类功率放大器因为 EMI 太强目前采用 LC 滤波器 来解决 小功率则用 Bead 处理即可 但通常还要配合 PCB 版图设计及零件的摆 设位置 比如 采用 D 类放大器后 D 类放大器接扬声器的线路不能太长 因为 在该线路中都携带着高频大电流 其作用犹如一个天线辐射着高频电磁信号 有 些 D 类放大器的接线长度仅可支持 2cm 做得好的 D 类放大器则可支持到 10cm 4 结论 此次毕业设计是我大学生活重要的一步 通过这次毕业设计 我了解了音 频功率放大器的用途及工作原理是对我专业知识和专业基础知识检验和巩固 充 分认识了 D 类功率放大器的基本结构及特点 也让我对音频知识有了更深的认 识 但是毕业设计也是暴漏自己专业基础的很多不足之处 比如缺乏综合应用专 业知识的能力 对材料的不了解等等 正是这些经验教训使我们对 D 类放大器的 原理有了深刻的理解 对功放有了更深的认识 马上要毕业了 自己的求学之路 还很长 以后更应该在工作中不断学习 努力使自己成为一个对社会有贡献的 人 精品文档 11欢迎下载 参 考 文 献 1 李瀚荪 电路分析基础 M 高等教育出版社 2001 78 86 2 沈尚贤 电子技术导论 M 北京 高等教育出版社 1985 3 童建华 音响设备技术 M 电子工业出版社 2010 年 1 月 4 邹天汉 数字功放和音箱设计与制作 M 人民邮电出版社 2004 5 方佩敏 音频功率放大器 J 电子世界 2003 年 08 期 6 丁明 实作 D 类功率放大器 J 无线电与电视 2002 2 23 28 7 李定宣 开关稳定电源设计与应用 M 中国电力出版社 2006 8 8 胡斌 电子工程师识图 M 北京 电子工业出版社 2007 9 张义申 陆坤等 电子设计技术 M 西安 电子科技大学出版 1996 10 赵学良 张国华 电