高效音频功率放大器的设计Word文档格式.doc
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高效音频功率放大器的设计
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章前言 1
第2章设计要求和方案选择 2
2.1设计任务和基本要求 2
2.2设计方案 2
2.3方案确定 2
2.3.1高效功率放大电路的选择 2
2.3.2信号变换电路 4
2.3.3功率测量电路 4
第3章D类功率放大器的基本原理 6
3.1D类功率放大器基本原理 6
3.2D类功率放大器的性能 6
3.3D类功率放大器的主要性能指标 7
第4章硬件电路的设计 9
4.1功率放大器的设计 9
4.1.1音频前置放大电路 9
4.1.2三角波产生电路 12
4.1.3脉宽调制电路 15
4.1.4驱动电路 16
4.1.5功率输出电路 17
4.1.6滤波电路 17
4.2信号变换电路和功率测量电路的设计 19
4.2.1信号变换电路 19
4.2.2功率测量电路 20
4.3电源电路设计 22
4.4系统总图 22
第5章软件设计 24
第6章结束语 26
致谢 27
参考文献 28
附录1：
系统总图 29
附录2：
源程序 30
第1章前言
音频功率放大器简称音频功放，它用于放大20kHz～20kHz的音频信号，推动扬声器发声，凡发声的各类消费电子产品中都要用到音频功放，比如免提电话、手机、便携GPS、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等。
音频功率放大器具有特点有：
（1）输出功率大；
（2）失真小；
（3）噪声低。
几十年来再音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占“统治”地位，其发展经历了几个过程：
电路形成从变压器输出到OTL、OCL、BTL形成过程。
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节能环保的要求，迫使人们尽快开发高效、节能、数字化的音频功率放大器，它应具有工作效率高，便于与其他数字化设备相连接的特点。
D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，它符合上述要求。
D类放大器是一种输出开关状态信号的放大器。
当输出功率开关管导通，开关管所承受的压降很小，在理想情况下值应是零，并且当输出功率开关管关闭，流过放大器的电流为零。
所以无论在开关导通还是关闭，消耗在放大器内部的功率都很小，这就提高了效率，需要更少的电能消耗和更小的散热器。
D类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际运用可达80%以上。
功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减少散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦，功率MOS有自我保护电路，可以大大简化保护电路，不会引起非线性失真。
近几年来，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进展，几家著名的研究机构及公司已经向市场提供了D类音频功率放大器评估模块及技术。
这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了各领域的特别关注。
在不久的将来，D类功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。
第2章设计要求和方案选择
2.1设计任务和基本要求
设计一个高效率音频功率放大器，功率放大器的电源电压为+5V（电路中其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻。
技术参数：
（1）通频带为300～3400Hz，输出正弦信号无明显失真；
（2）最大不失真输出功率≥1W；
（3）输入阻抗＞10KΩ，电压放大倍数1～20连续可调；
（4）低频噪声电压（20kHz以下）≤10mV
2.2设计方案
根据设计要求，高效音频功率放大器的组成框图如图2-1所示：
图2-1高效音频功率放大器的系统组成框图
2.3方案确定
2.3.1高效功率放大电路的选择
目前功率放大器的种类很多，常见的如下几种选择。
一、方案一——A类功率放大器
A类放大器也称为甲类放大器，在整个周期内处在导通状态，这种结构失真最小，基本上是线性的，但效率也最低，大约为20%。
二、方案二——B类功率放大器
B类放大器也称为乙类放大器，其功率器件导通时间只有半个周期。
在没有信号输入时，功率损失为零。
与A类不同，B类放大器的电源供给功率和管耗都会随着输出功率的大小而改变，也改善了A类放大器放大效率低的状况，在理想情况下，理想的效率值为78.5%，因为产生的热量比A类低，可以使用较小的散热器。
这种功放和A类功率放大器刚好相反，其输出器件仅只导通半个正弦波周期，这类功放效率很明显优于A类，大约为50%，但存在交越失真等非线性问题。
三、方案三——AB类功率放大器
AB类功率放大器晶体管工作时间是半个周期至一个周期之间，导通角在180°
到360°
之间。
其最大优点是改善了B类放大器的非线性，消除了交越失真。
AB类放大器综合上述两种放大器的优点，克服B类放大器非线性失真问题和A类放大器效率低缺点。
四、方案四——D类功放
D类放大器是直接从数字音频数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，又称为数字功率放大器。
D类率放大器通过音频信号的幅度去线性制调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，具有极高的效率，实际电路也可达到80%-95%。
D类功放最大的优点是效率最高，几乎不产生热量，因此无需大型散热器，体积与重量显著减少，失真低，线性佳。
D类放大器具有高效率、低发热、低消耗电力的特点。
主要用于发生输出元件上复现输入音频信号提供所需的音量和功率水平，保证复现的重视性、高效率以及失真度。
五、方案选择
A类功率放大器提供了很好的线性度，但效率很低；
B类和AB类功率放大器通过减少一个周期中晶体管工作的时间来提高效率，同时保持了线性调制的可能性；
D类功率放大器提供的归一化功率传递能力近似于0.16，但由于开关速度不是无穷大，有较大的切换功耗。
各类功率放大器的主要性能指标如表2-1所示。
表2-1各类功率放大器性能比较
放大器工作状态
种类
保真度
最大效率
线性
A
极好
约20%
AB
好
50%
B
一般
约50%
开关
D
不好
100%
从表可知，D类放大器具有最高的工作效率，但是保真度比较低，这可以通过改进D类放大器控制结构来提高保真度，从而实现高效率。
经过比较，本设计采用D类功率放大器。
高效音频功率放大器采用D类功率放大器形式，D类功率放大器是用音频信号的幅度来线性调制高频脉冲的宽度，其功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号，因为输出管工作在开关状态，具有极高的效率。
2.3.2信号变换电路
信号变换电路采用差分式减法电路，因为功率放大器输出具有很强的带负载能力，所以对变换电路输出阻抗的要求不高，选用较简单的单运算放大器组成的差动式减法电路形式，可以满足具有双端变单端的功能，而且可以满足增益为1的设计要求。
2.3.3功率测量电路
方案一：
直接用A∕D转换器采用音频输入的电压瞬时值，用单片机计算有效值和平均功率，原理结构框图如下图2-2所示。
图2-2功率测量电路方案一的结构图
方案二：
因为功放输出信号不是单一频率，而是用20kHz频带内的任意波形，所以必须采用真有效值变换电路，其原理结构框图如图2-3。
图2-3功率测量电路方案二的结构图
方案一虽然可以用单片机计算有效值和平均功率，但是算法复杂，软件工作量大，所以不合适；
方案二采用真有效值转换专用芯片，先得到音频信号电压的真有效值，再用A∕D转换器采样该有效值，直接用单片机计算平均功率，软件工作量小，速度快，精度高。
所以本设计采用方案二的功率测量电路。
- 39 -
第3章D类功率放大器的基本原理
3.1D类功率放大器基本原理
D类功率放大器电路分为三级：
输入开关级、功率放大级及输出滤波级。
电路的基本结构如图3-1所示。
图3-1D类放大器的基本结构
D类放大器工作原理和PWM电源相似，将输入的正弦音频信号与高频三角波或锯齿波相比较产生一个PWM信号，将这个PWM信号用于驱动功率级产生放大的数字信号，最后采用低通滤波器过滤PWM载波，还原出正弦音频信号。
3.2D类功率放大器的性能
其主要性能如下：
1．极高的工作效率，在20W以内不需要散热器；
2．最少的外部工作元件；
3．很小的总谐波失真；
4．无外部滤波器时会产生电磁波辐射干扰；
5．才用与门的无滤波器D类放大器可以在没有输出滤波器的情况下，得到很小静点电流和很低的电磁干扰。
3.3D类功率放大器的主要性能指标
一、效率
通常与AB类放大器相比，D类放大器具有很高的效率，可以在很小的输出功率时就可以达到很高的效率，而不像在AB类放大器中只有在很高的输出功率时才能达到很高的效率。
D类功率放大器系统的效率由负载消耗功率与电源电压提供的功率之比。
（3-1）
D类放大器输出级工作在开关状态。
对于理想的开关，导通时电阻为零，关断时电阻无穷大，在此情况下D类功放的效率可以达到100%。
但是晶体管并不是一个理想的开关，在截止时电阻并不是无穷大，其电阻也不等于零。
D类放大器的效率实际上是由晶体管导通时的两端电压降和扬声器两端的电压决定的，因此，晶体管的导通电阻对于D类放大器的效率起着重要作用，这也是影响D类功率放大器的最主要的因素。
二、谐波失真THD
THD（TotalHormonicDistortion）总谐波失真，它是音频放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定电压输出的一个条件。
理想的音频功
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