D类音频功率放大器设计报告

D D类功率放大器类功率放大器 摘摘 要要 衡量一套音响设备的主要性能一是它的频率特性指标 包括频率响应 谐波失真度和互调失真度 二是它的时间特性指标 包括瞬态响应 瞬态互调失真和阻尼系数 三是信号噪声比 最大输出动态范围 最大功率和效率 尤其第三方面的性能指标主要由功率放大器实现 传统的功率放大器 主要有A类 甲类 B类 乙类 和AB 甲乙类 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件 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 情况下其效率为50 考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损耗 A类功率放大器的最高效率仅为45 左右 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45 它的优点是效率理想情况下可 达78 5 但缺点会产生交越失真 增加噪声AB类 甲乙类 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 此类放大器目前最为流行 它兼顾了效率和失真两方面的性能指标 在设计该功率放大器时要设置功率晶体管的静态偏置电路 使其工作 在甲乙类状态 随着半导体及微电子制造技术的不断发展 高速 大功率器件已越来 越多 人们对音频功率放大器的要求更加趋向高效 节能和小型化 所以D类 丁类 音频功率放大器越来越受到人们的重视 此类放大器的功率器件受一高频脉宽调制 PWM 脉冲信号的控制 使 其工作在开关状态 理论上其效率可达100 其不足之处会产生高频 干扰及噪声 但若精心设计低通滤波器及合理选择元件参数 其音质 效果完全能与AB类线性功率放大器相比拟 D类开关音频功率放大器的工作基于PWM模式 将音频信号与采样 频率比较 经过自然采样 得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变 化的PWM波 然后经过驱动电路 加到功率MOS的栅极 控制功率器件 的开关 实现放大 将放大的PWM信号送入滤波器 则还原为音频信号 D D类功率放大器的原理类功率放大器的原理 D类功率放大器的工作过程是 当输入模拟音频信号时 模拟音频 信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号 经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作 然后经过功率低通滤波器带 动扬声器发声 当输入PCM数字信号时 数字信号经PCM PWM转换器 转变成为PWM脉冲信号 经脉冲推动器驱动脉冲功率放大 器工作 然后经低通功率滤波器带动扬声器工作 音频PWM编码可以从两种途径获得 一是对模拟音频信号进行模数 变换直接生成PWM数字音频 二是对其他编码的数字音频 如CD的PCM 编码 通过数字信号处理技术变换成PWM音频编码 CD和DVD碟片上输 出的音频信号是数字化的 若采用普通的模拟功放机进行放大 则播 放机进行解码后再经过数模变换 变成模拟音频后再送到功放电路中 而采用数字功放 D类音频功放 后 就可把解码后的PCM数字音频信 号直接进入数字信号处理电路处理成PWM码进行放大 省去了播放机中 的数模变换和数字功放中的模数变换二个较贵重部分 这样不但音质 受损少 成本也可降低 D类功率放大器的电路工作方式为开关状态 其原理方块图如图1 波形图如图2所示 输入 输出 三角波信号 PWM信号 PWM信号 输入信号 三角波 输入 图2 将正弦波变为脉冲波的脉宽调制电路 输入 A D LFE RL 输出 图1 D类音频功率放大器原理方块图 从图1的结构可知 两个放大器反相连接 实际上构成推挽状态 起到开关的作用去控制与电源串联的负载回路 RL 低通滤波器LPF 可以滤去脉冲波的高频部分 得到基波成分 所以实际上成为数 模 D A 转换电路 重新将脉冲波还原成为弦波 从电路结构看 当两支 形状短路阻抗为0 开路阻抗无穷大时 电路的效率为100 因为扬声 器是感性负载 对于高电感的扬声器如中频扬声器 D类功放可以不用 接低通滤波器 直接与扬声器相联 图2表示如何将正弦波转化为脉冲波 让脉冲波的宽度受正弦波幅度的 调制 称为PWM信号 即 脉宽调制 信号 这里没有应用一般概念的 A D变换电路 而是用一个幅度与放大的正弦信号近似的三角波 共同 作为变换器输入 相当于反相比较器 当三角波幅度大于正弦波幅度 部分 变换电路输出 1 而三角波幅小于正弦波幅时 变换电路均 输出 0 这样即将输入的正弦信号变为宽度随正弦信号波幅度变化 的PWM波 D类功率放大器使用的开关管采用功率型MOSFET 即大功率场效应 管 并为保证足够的激励电压而设有驱动电路 使FET能充分的开启和 关断 其电路结构如图3 图4是PWM波的频谱 当放大单一的频率正弦波时 其频谱中除低 频段存在与输入信号相同频率的基波成分外 还存在各次谐波的频谱 因此用LPF低通滤波器就可以滤去高频谐波而得到正弦基波成分 因 此 可使数模转换电路非常的简化 三角波 输入 输出 输入信号 电平 图3 功率输出级结构说明 图4 PWM波频谱 由上可知D类功率放大器效率高 发热损耗小 可以降低电源容量 减小体积和自身散热器的体积 D D类放大器的设计类放大器的设计 当前的电子器件倾向于便携和小的尺寸 音频功率放大器采用了D类技 术 D类功率放大器由于它的高效率 理论上可以达到100 而受到关 注 D类放大器的输出级是CMOS的功率晶体管组成 提供扬声器负载需 要的大量的电流 这些晶体管工作在或者是截止状态 或者是线形区 而不是饱和区 由于晶体管只是工作在周期间的一小部分是激活的 减小了开关的导通损耗 高的效率也因此成为可能 效率受D类输出 级的晶体管的导通电阻 Ron 影响 1 1 前置放大电路前置放大电路 前置功率放大器的目的在于对输入功率放大器的各种信号进行加工处 理 使其能和功率放大器的输入灵敏度相匹配 简单的前置放大器它 由外接输入耦合电容Cin确定放大器增益的输入电阻Rin级反馈电阻Rf 及内部提供的共模电压VCM组成 这部分与一般的单电源前置放大器不 同之处在于其共模电压不是1 2Vcc 由Cin及Rin决定了高通滤波器 3dB截止频率f 3dB f 3dB与Rin Cin的关系为 f 3dB 1 2 Cin Rin 放大器增益AVD与Rin及Rf的关系为 AVD Rf Rin 图5为采用差分输入方式的前置放大器的结构 音频信号U1由左端 输入 经过阻直电容输入结形场效应管的栅极 结形场效应管采用3DJ 4F 运算放大器采用低噪声 高速器件NE5532 电阻 电容选用高精 度 高稳定度及高质量的元件 经实际测试其技术指标为 输出噪声 电压小于25 V 频带宽度50 50000Hz 谐波失真小于0 02 转换速率大于10 s V 3DG4F 3DG4F 15K 15K 51K 20K 2K 20K 300pF 10uF 56K 100uF NE5532 470K 10uF 图5 前置放大器电路 2 2 三角波产生电路三角波产生电路 本电路设计所采用的三角波发生器如图6 通过使用一种定时器电 路 ICM7555 来实现 ICM7555在最高达1 0MHz的可变频率范围上产 生一个12Vp p方波 然后通过集成电路变换成为三角波输出 该电路由运算放大器 HA5221 和电阻器电容网络组成 2 3 74 6 1 8 HA5221 10K R7 10K R1 10K R3 1uF C3100PF C2 R2 50K 5K R6 10K R5 0 5uF C5 10K R3 10K R4 1uF C4 VCC 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 ICM7555 D 1N5404 C6 0 1uF C1 250pF 图6 三角波产生电路 3 3 脉冲调制电路脉冲调制电路 对于脉冲调制电路其实质就是一个电压比较器 我采用高精密 高速度比较器LM111 LM111是一种新型的电压比较器 它与其他的电压比较器不同之处 在于 其一 该器件的输入误差电流很小 故可应用在高阻抗电路中 其二 应用灵活 它不但能驱动DTL TTL逻辑电路 而且还能与MOS 逻辑开关和FET模拟开关接口 其三 它能由单5V电源供电去驱动DTL 或TTL电路这就使得电路电源得以简化 该器件中主要使用了输入端的 PNP晶体管的缓冲而获得较低的输入电流 输出端V11为输出管 由于 该电压比较器的输出端与地端均与电路中其余点隔离 这就使得输出 方式变的极为灵活 既可以由输出端直接输出 亦可以从地端串入负 载输出 当V 端与地端相连时电路即可实现单电源供电 脉冲调制器的具体电路结构如图7所示 由前置放大器输出的音频信号送入比较器的同相端 由三角波产 生电路生成的锯齿波送入比较器的反相端 供电电压为5V的单电源 为给V V 提供符合要求的静态电位 取R12 R15 R13 R14 4个电阻均取10K R16构成负反馈电路 输入的两个信号经比较器比较之后 输出与音 频信号成正比的脉宽调制信号 3 2 8 1 7 6 5 4 U3 LM111 10K R12 10K R13 10K R14 10K R15 10K R16 图7 脉冲调制电路结构 4 4 驱动控制电路驱动控制电路 如前所述 驱动控制电路应具备4个方面的要求 一是将PWM信号 进行整形 二是将PWM信号转换成相位相反的两种信号 三是要在两种 相位相反的信号之间存在一定的死区时间 四是应具备保护功能 根 据以上要求 做出电路如图8所示 该电路采用5V电源供电 所有逻辑 器件均采用CMOS集成器件 当过流保护信号为高电平 1 时 驱动电 路正常工作 R C决定死区时间 当过流保护信号为低电平 0 时 驱动电路无脉冲输出 1 2 3 U A 4081 1 2 3 U A 4081 1 2 3 U A 4081 1 2 3 U A 4081 1 2 3 U A 4030 1 2 3 U A 4030 32 U A 4049 32 U A 4049 32 U A 4049 1 5K Rt 100 pF 图8 驱动控制电路 5 5 功率输出电路功率输出电路 功率输出电路我们采用H桥式功率放大电路 H桥式功率放大器电 路的任务是把PWM信号中的调制信号解调出来 即开关式功放就是一逆 变器电路 对逆变电路的设计首先要选择开关频率高 导通电阻小的 场效应管 其次应采用H桥式逆变器电路 目的是使输出电压摆幅可以 升高到接近于两倍的电源电压 增大功率放大器的最大不失真输出功 率 具体的功率输出电路结构如图9所示 整个放大器电路由四个输出 电容小 容易快速驱动的场效应管组成 在这里我们采用IRFD120 N 沟道 和IRFD9120 P沟道 组成 左面两的两个场效应管 上为IRFD 120 下面为IRFD9120 的栅极组成放大器的同相输入端 另外两个场 效应管 上为IRFD120 下为IRFD9120 的栅极组成功率放大器的反相 输入段 一路信号由放大器的左端 两个场效应管的栅极 输入 另 一路反相信号由放大器的右端 两个场效应管的栅极 输入 输出则 由两场效应管的漏极相连接组成 Q1 Q3 Q2 Q4 图9 表功率输出电路的结构 6 6 滤波器电路滤波器电路 由前面所述我们知道输出滤波器的功能就是将由功率输出电路送来的 信号中的基频和谐波 超高频 信号滤除 仅留调制音频信号 模拟信号 的部分 用以驱动扬声器 具体的电路结构如图10所示 由图可知该滤波器由两个电感 电容和一个电阻组成 功率输出 器输出的信号送入该滤波器的左端的两个输入端 右端接扬声器发声 当然对于高电感的扬声器可以省去该滤波电路 而直接接功率输出 电路的输出端 我们也可以采用四阶巴特沃斯低通滤波器 如图11所示 滤波 器的左右两个端均接功率输出电路的输出端 在该滤波器中个元器件 的参数如图11所示 对滤波器的要求是上限频率 20KHz 在同频带内 特性基本平坦 L1 22uH L4 47uH L3 22uH L2 47uH C1 1uF C2 0 68uF SPEAKER C3 0 68uF C4 1uF 图10 输出低通滤波器的结构 图11 四阶巴特沃斯低通滤波器 7 电平指示电路 音量显示电路 电平指示电路 音量显示电路 根据要求电平指示电路要采用5端LED显示 故我们采用带放大器 电平指示电路 具体的电路结构如图12所示 Q1 3DG201 Q2 3DG201 Q3 3DG201 Q4 3DG201 Q5 3DG201 500 6 0 2 5 D1 2CP10 6 D2D3D4D5 GND D6 33uF 图12 五段电平指示电路 该电平指示电路可以认为是一个结果显示电路接在功率输出放大 器的输出端 功率放大器的输出信号由最左边的三极管的基极送入 该电路由分立元件组成 经倍压整流的音频电压达到0 5V 最右边的 晶体管先导通 其集电极上的发光二极管点亮 随着输入信号的增大 从右到左 发光二极管依次发光 我们也可以采用现成的集成电路来实现电平指示 图13就是采用 集成电路LB1405驱动 可以做输出电平指示或录音电平指示 调节电 位器 10K 可控制指示灵敏度 改变集成电路15角外接的4 7 F电 容大小 可以改变闪灯的响应频率 8 8 供电电源电路供电电源电路 音频功率放大器的供电问题 大都采用50Hz交流电力网供给 然 而其内部的用电器件却都采用直流供电 显然 这就需要将电力网供 给的交流电转换为直流电 以按照各自用电器件规定的电压和电流供 给 这就是我们将要介绍的音频功率放大器的供电电源 其内容涉及 到供电电源类型及优缺点 设计时需考虑的问题以及抗干扰等 由于整个系统即包括模拟电路 也有数字电路 为了减少相互干 扰 故采用自带4路电源 5V 5V 12V 12V 分别对各部分电路供电 2000uF 25V 470uF 25F 470F 25V 0 1uF 0 1Uf 13 2 VV GND INOUT 78L12 13 2 VV GND INOUT 79L12 0 1uF 0 1uF 13 2 VV GND INOUT 78L05 13 2 VV GND INOUT 78L05 0 1uF 0 1uF 0 1uF 5v 1 2 3 4 220V 12V 12V 5V 1 24 3 2200F 25V 0 1uF 图14 音频放大器供电电源电路结构 1 8 16 9 270 VCC 2K 1 33 GND 15K 100K 4 7 100K 51P 10K 4 7 20K SP LB1405 图13 采用集成电路LB1405的电平指示电路 D D类音频功率放大器的整体电路结构及结论类音频功率放大器的整体电路结构及结论 D类音频功率放大器的总体结构电路如下图所示 3 2 8 1 7 6 5 4 U3 LM111 10K R12 10K R13 10K R14 10K R15 10K R16 1uF C3 1uF C6 2 3 74 6 1 8 HA5221 10K R7 10K R1 10K R3 1uF C3 100PF C2 R2 50K 5K R6 10K R5 0 5uF C5 10K R3 10K R4 1uF C4 VCC 1 2 3 A 4081 1 2 3 A4081 1 2 3 U A 4081 1 2 3 U A 4081 1 2 3 U A 4030 1 2 3 U A 4030 32 A4049 32 A 4049 32 A4049 1 5K Rt 100 pF Q1Q3 Q2Q4 1uF 0 68 10k Q1 3DG201 Q2 3DG201 Q3 3DG201 Q4 3DG201 Q5 3DG201 500 6 0 2 5 D1 2CP10 6 D2 D3 D4 D5 GND D6 33uF 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 ICM7555 D 1N5404 C6 0 1uF 2000uF 25V470uF 25F470F 25V 0 1uF0 1Uf 13 2 VV GND INOUT 78L12 13 2 VV GND INOUT 79L12 0 1uF0 1uF 13 2 VV GND INOUT 78