类d音频功率放大器的设计大学毕设论文文档格式.docx

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指导教师：

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摘要

在过去的近一个世纪的时间里，音频功率放大器随着电子器件的制作工艺越来越精湛也在不断发展更新。

主要经过了电子管阶段，晶体管阶段，集成电路阶段及场效应管四个阶段。

在工作方式上，功率放大器从最初的A、B类不断发展到在现今占有统治地位的AB类放大器以及具有更高效率的D类音频功率放大器。

基于D类功放具有效率高、散热小、体积小、适用于大功率放大器等特点，其在未来必定逐渐抢占AB类放大器的市场。

D类功率放大器件因其受脉冲PWM信号的控制，使其处于开关的工作状态。

在理想情况下，其工作效率可达100%。

本课题的目的主要是完成一个D类音频功率放大器的设计。

完成对输入的音频信号进行放大，输出功率设置在0~5W之间，且输出信号无明显的失真，并完成对其功率及音量的大小进行显示输出等功能。

关键词

D类放大器；

脉冲宽度调制；

功率

Abstract

Inthepastonecentury'

stime,thedevelopmentofaudiopoweramplifierinthematerialwiththeproductionprocessofelectronicdevicesmoreandmoreexcellentalsointhecontinuousdevelopmentandrenewal.Mainlythroughthetube,transistorstage,integratedcircuitandFETfourstages.Inthework,fromtheinitialA,classBamplifierdevelopmentclassABamplifieroccupiesadominantpositioninthecurrentandclassDaudiopoweramplifierhashigherefficiency.BasedonclassDamplifierwithhighefficiency,lowheatdissipation,smallsize,suitableforhighpoweramplifierandotherfeatures,inthefuturewillgraduallytoseizetheABclassamplifiermarket.

Dclasspoweramplifierdevicebecauseofitscontrolofthepulsesignal,sothatitisintheworkingstateoftheswitch.Underidealcircumstances,theworkingefficiencycanreach100%.ThemainpurposeofthisprojectistocompletethedesignofaclassDaudiopoweramplifier.Amplificationoftheaudiosignaltotheinputandoutputpowersettingsin0~5W,andtheoutputsignalshavenoobviousdistortion,andthecompletionofthepowerandthesizeofthevolumedisplayoutputfunction.

Keywords

ClassDamplifier;

Pulsewidthmodulation;

power

第一章引言

1.1研究背景与现状

自从近半个世纪以前提出D类功放的理论，D类功放的发展就与电子器件的发展一起更新换代。

音频放大器就是电子管放大器历史上的第一个应用。

在早期晶体管与集成电路还未发展到如今高度集成化的状态时，发展D类功率放大器的技术还无法满足要求。

因此，在那一段时间D类音频功率放大器的研究发展几乎停留在理论阶段。

而21世纪以来，音频领域的数字化在世界掀起了巨大的浪潮。

人们在生活中对音、视频的品质要求越来越高，从而人们不得不加快研究开发高效高质与数字化的音频功率放大器的脚步。

随着各种移动设备发展更新越来越快，但却受电池体积、散热、容量的限制。

所以人们对音频功率放大器的品质要求逐渐趋向于更高效率、更绿色化、更小的发热量、更小的体积、更便于携带等特点。

传统的模拟功率放大器存在电路设计复杂，制作花费高，效率低下等特点，主要是因为其通过选用高质量的元件，设计复杂的补偿电路与负反馈电路等方式来尽可能的减小失真。

而现今要求音频功率放大器一方面应具有工作效率高，功能多的特点，而另一方面又要保持或减少功率的输出。

D类音频功率放大器就满足了上述要求。

传统的音频功率放大器在工作时，是直接放大模拟信号，放大器必须工作在线性放大区，其耗散功率会很大。

但D类音频功率放大器与传统的功率放大器不同的是D类功法为PWM型功率放大器，工作在开关状态。

这种功率放大器要么完全导通，要么完全关闭，即大幅度减少了输出的功率，其效率完全有可能达到90%以上。

D类功率放大器在应用中存在许多方面的优势，其较小的耗散功率则代表着更低的热量散失，更低的成本，更小的空间以及便携式电池更长的工作时间等。

D类音频功率放大器凭借其高效率的特点，已经开始在汽车电子，家庭影音等市场领域逐渐取代AB类功率放大器。

这些应用对D类功率放大器的要求多种多样，从而使D类功率放大器的产品更趋于多样化。

各大半导体公司也在纷纷推出性能越来越完善的D类音频功率放大器的设计产品。

D类功率放大器的销售总值也在逐年快速上涨。

1.2设计目的与意义

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。

就是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。

高效率的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。

音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压。

正向电压增益通常很高（至少40dB）。

如果反馈环包含正向增益，则整个环增益也很高。

因为高环路增益能改善性能，即能抑制由正向路径的非线性引起的失真，而且通过提高电源抑制能力（PSR）来降低电源噪声，所以经常采用反馈。

1.3论文主要内容

本课题主要研究D类音频功率放大器的原理及电路硬件的实现。

利用5V与12V的电源分别对单片机控制模块与功放模快进行供电，输出功率可达5W，效率不低于80%。

本文各章节的内容安排如下：

第一章为引言，介绍本课题的研究背景及现状，设计的目的及意义，以及论文的主要内容安排。

第二章介绍音频功率放大器的类型及其原理，通过各种运放的比较来提出本文的设计结构。

第三章介绍D类功率放大器的结构与工作原理并对单片机STC12与LCD1602液晶显示的基础知识进行简单介绍。

第四章对设计中运用到的各种电路模快进行说明。

分别包括对TDA2030音频放大整体电路，负反馈电路，电源电路，STC12芯片控制电路，液晶显示电路等的设计。

讲述设计中各个元件的功能及所起到的作用。

第五章提出D类音频功率放大器系统显示电路模块的软件设计。

第二章功率放大器的简介

2.1放大器的性能指标

1、增益又称放大倍数，衡量放大电路放大电信号的能力。

最常用的电压增益：

（2-1）

2、输入电阻，从放大电路输入端看进去的等效电阻。

输入电压反映了放大电路从信号源汲取电压的能力。

输入电阻等于输入电压与输入电流之比：

（2-2）

3、输出电阻，放大电路负载开路时从输出端看进去的等效电阻。

输出电阻反映了放大电路带负载能力，越小，则放大电路带负载能力越强，电路输出越接近恒压源的输出。

4、额定功率，音响放大器输出失真度小于某一数值（γ＜1%）的最大功率成为额定功率：

（2-3）

为负载两端的最大不失真电压，为额定负载阻抗。

5、频率响应，放大器的电压增益相对于中音频（1KHz）的电压增益下降3dB时所对应的低音音频和高音音频称为放大器的频率响应。

测量条件如下：

调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的50%，输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率从20Hz—20KHz（保持=20mV不变）测量负载电阻上对应的输出电压。

6、噪声电压，使输入为零时，输出负载上的电压称为噪声电压。

测量：

使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载的电压波形，用交流电压表测量其有效值。

2.2功率放大器的种类

2.2.1A类功率放大器原理

A类放大器（又称甲类放大器）的特点是不论是否输入信号，其输出电路恒有电流流通，而且这种放大器通常是在特性曲线的线性范围内操作，如图2-1所示，以求放大后的信号不失真。

所以它的优点，是失真度小，信号越小传真度越高，最大的缺点是“功率效益”（PowerEfficiency）低，最大只有25%，不输入信号时丝毫不降低消耗功率，极不适合做功率放大。

但因其高传真度，部分高级音响器材仍采用A类放大器。

图2-1A类功率放大器的特性曲线

2.2.2B类功率放大器原理

B类功率放大器（乙类）是工作点在特性线极端处的一种放大器，如图2-2所示。

当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。

根据定义，这种零偏压的电路就是一种B类放大器。

然而，由于它的静态点在（VCC，0）处，因此，对于一个正弦波输入信号，它的输出端波形只剩半个周期是可以预期的。

解决上述问题的方法，是将另一半周期的信号以一PNP型BJT与原射级跟随器相接，形成所谓的“互补式射级跟随器”（ComplementaryEmitterFollower），又称为“B类推挽式放大器”（ClassBPush-PullAmplifier），如图2-2所示。

其动作原理，在Vi的正半周其间，Q1导通且Q2截止，所以，形成图2-3的输出端正半周正弦波；

同理，当Vi为负半周时，Q1截止而Q2导通，结果形成输出端负半周正弦波，如图2-3虚线部分所示。

图2-2B类功率放大器电路图

图2-3B类功率放大器特性图

2.2.