D题音频功率放大器.docx

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D题音频功率放大器

2014年重庆邮电大学电子设计竞赛

参赛人员：

陈旭2013210076通信与信息工程学院

王森2013210222通信与信息工程学院

朱俊2013210107通信与信息工程学院

参赛题目：

D题

时间：

2014年12月

目录

摘要

1绪论

1.1音频功率放大器的概述...........................................05

1.2本论文的主要工作及主要内容.....................................05

2音频功率放大器

2.1音频功率放大器的指标...........................................06

2.1.1THD+N指标....................................................06

2.1.2功率放大器的效率η...........................................07

2.1.3脉冲宽度调制（PWM）..........................................07

3D类功率放大器

3.1D类放大器原理..................................................09

3.2D类放大器的系统分析............................................10

4D类音频功率放大器的设计

4.1设计任务与要求.................................................12

4.1.1设计任务.....................................................12

4.1.2设计要求.....................................................12

4.1.3发挥部分.....................................................12

4.1.4说明........................................................12

4.2.1高速开关电路................................................13

4.3各部分电路分析与计算

4.3.1脉宽调制器...................................................14

4.3.2前置放大器电路...............................................16

4.3.3驱动电路.....................................................17

4.3.4H桥互补对称输出电路.........................................18

4.3.5低通滤波器...................................................18

4.3.6系统整体分析.................................................19

4.4模块仿真

4.4.1仿真软件介绍.................................................19

4.4.2比较器电路...................................................21

4.4.3H桥互补对称输出及低通滤波电路................................22

4.4系统测试.......................................................24

4.4.1测试步骤.....................................................24

4.4.2测试工具.....................................................24

5总结

5.1收获...........................................................25

5.2总结...........................................................26

参考文献

附录系统原理图

音频功率放大器

摘要

在音频功率放大器的市场上，AB类一直处于统治地位。

近年来D类音频功率放大器以高效率、低功耗、小体积的优点日益成为音响领域的主流，在未来便携式和大功率音频视频领域中将具有广阔的发展前景，因此对高效音频功率放大器的设计具有十分重要的意义。

音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平，在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。

音频频率范围约为20Hz～20kHz，因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应（当驱动频带有限的扬声器时频率范围减小，例如低音扬声器，高音扬声器）。

输出功率能力根据应用情况变化范围很宽，从数毫瓦（mW）的耳机，几瓦（W）的电视（TV）或个人计算机（PC）音频，几十瓦的“迷你”家庭音响和汽车音频，到几百瓦和几百瓦以上大功率的家用和商用音响系统，以及剧场或音乐厅音响系统。

本设计根据D类功放的工作原理设计的D类音频功率放大器，能对音频信号进行放大，放大器的通频带达到300~3400HZ，输出功率1W，输出信号无明显失真。

根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H桥互补对称输出及低通滤波模块等。

低通滤波器。

经过仿真和测试都达到了设计的要求。

关键词：

高效，音频，D类功放，放大器

1，绪论

1.1音频功率放大器的概述

音频功率放大器是MP3播放器、笔记本电脑、手机以及便携式DVD等消费类电子产品中应用最广泛的组件之一，有很大的市场。

传统音频功率放大器主要有A类（甲类）、

B类（乙类）和AB类（甲乙类）。

A类放大器主要特点是：

放大器工作点Q设定在负载线中点附近,晶体管在输入信号整个周期内均导通。

放大器可单管工作，也可以推挽工作。

由于放大器工作在特性曲线线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。

电路简单，调试方便。

但效率较低，晶体管功耗大，功率理论最大值仅有25％，且有较大非线性失真。

由于效率比较低现在设计基本上不在再使用。

B类放大器主要特点是：

放大器静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。

在输入信号正半周期内，三极管一个导通一个截止，输出端正半周正弦波；同理，当输入信号为负半波正弦波也是一样，所以必须用两管推挽工作。

其特点是效率较高（78%），但是-0.6V~0.6V之间时，两个三极管都无法导通而引起。

所以这类放大器也逐渐被因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。

所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

AB类功率放大器能够提供高品质的信号放大性能，所以已经被广泛的应用，然而AB类功率放大器工作时，由于直接对模拟信号进行放大，工作期问必须处于线性放大区，因此其功率耗散较大，在大输出功率情况下，AB类放大器会对功率器件构成极大威胁。

其特点是：

1．效率低，其输出功率不可能很大；2．大功率输出时，通常需要散热器，因此系统体积较大。

随着科技的进一步发展，更多、更新的便携式多媒体产品都要求其中的音响系统具有更小的外形设计和更大的电池容量，所以上述缺点都成为AB类功率放大器的致命弱点，限制了AB类音频功放的进一步发展。

1.2本论文的主要工作及主要内容

本论文的目标就是设计一款便携式电子产品中的高效率、高保真度、小体积的D类音频功率放大器。

在论文工作期间，我们查阅了大量有关D类音频功率放大器方面的资料，较系统地研究了D类音频功率放大器的结构和性能，设计了一款工作于5V电源电压的D类音频功率放大器，并完成了D类音频功率放大器的版图设计。

本文采用PWM调制技术来实现D类音频功率放大器，主要研究工作有：

（1）研究了基于PWM调制技术的D类音频功率放大器的系统结构；

（2）各个模块的电路设计；（3）原理图设计与系统仿真；（4）系统调试；（5）PCB图的设计。

本文的主要内容为：

第一章为引言，指出了本论文的研究意义。

第二章介绍了音频功率放大器的分类，分析了各自工作原理，比较了各自的优缺点。

第三章介绍了所设计D类音频功率放大器的系统结构的分析。

第四章讨论了所设计各个模块的具体电路实现、仿真结果及系统测试结果。

第五章对相关工作的总结和对自己以后工作的要求。

2音频功率放大器

2.1音频功率放大器的指标

2.1.1THD+N指标

THD+N是英文TotalHormonicDistortion+Noise的缩写，译成中文是“总谐波失真加噪声”。

它是音频功率放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定输出功率的一个条件。

总谐波失真THD（TotalHarmonicDistortion）是指用信号源输入时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分（通常用%来表示）。

噪声发生是一个随机过程，它的大小在任何时候都不能被预测。

但在很多情况下，噪声的平均功率还是可以被预测的。

我们通常需要把几个主要噪声源的影响相加来获得总噪声，得到我们关注的平均噪声功率。

这里特别要指出的是THD+N这个指标是在Fin=1kHz下给出的，在实际上音频范围是20Hz～20kHz，则在20Hz～20kHz范围测试时，其THD+N要大得多。

例如，某音频功率放大器在1kHz时测试，其TDH+N=0.08%。

若FIN改成20Hz-20kHz,，其他条件不变，其THD+N变为小于0.5%。

对于音频功率放大器来说，THD+N指标越小越好。

2.1.2功率放大器的效率η

功串放大的实质是通过晶体管的控制作用，把电源提供给放大器的直流功率转换成负载上的交流功率。

交流输出功串和直流电源功率息息相关。

一个功率放大器的直流电源提供的功率究竟能有多少转换成交流输出功率呢？

我们当然希望功率放大器最好能把直流功率（PE=EcIc）百分之百转换成交流输出功率（Psc＝Uscisc）实际上却是不可能的[1-5]。

因为晶体管自身要有一定的功率消耗，各种电路元件（电阻、变压器等）要消耗一定的功率，这就有个效率问题了。

放大器的效率η指输出功率Psc与电源供给的直流动率PE之比：

η=Psc/PE（2-1）

通常用百分比表示：

η=Psc/PE×100%（2-2）

效率越高，表示功率放大器的性能越好[2][9]。

2.1.3脉冲宽度调制（PWM）

脉冲宽度调制（PWM），是英文“PulseWidthModulation”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Ts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。

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tk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tk-kTs<

如果假定采样为均匀采样，第k个矩形脉冲可以表示为：

（2-3）

其中，x{t}是离散化的语音信号；Ts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=kTs处，

在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波xp（t）可以表示为：

（2-4）

其中，

。

无需作频谱分析，由式（2-4）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

<<

时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。

PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

3D类功率放大器

3.1D类放大器原理

D类放大器是一种完全不同的放大器，它并不只是放大器工作点的选择，因此也称之为“数字音频放大器”。

因为有一种D类放大器可以接收数字输入而省去D/A变换。

D类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术（PWM）。

所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。

如图3-1所示，一个模拟音频信号就与三角波（或锯齿波）通过比较器，就形成一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。

只要对这系列的脉冲信号放大就可以了。

而原来的模拟信号就被调制为宽度不同的等幅信号。

这个信号经过开关输出电路放大，将被放大的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。

其工作波形图如图3-2所示。

---------------------------------------------------------------------

如上图3-2所示为脉宽调制D类功放的原理框图，三角波产生器产生的三角波V1与音频输入信号通过比较器比较产生数字信号V2，V2经开关功率放大后经过滤波后输出V0。

3.2D类放大器的系统分析

功率放大器的输出呈开关状态，即输出为一方波波形，由傅利叶级数分析知：

=

（3-1）

高次谐波经由低通滤波器滤除后，输出信号最大值为

，因此负载所能得到的最大功率

为：

=

（3-2）

而电路的平均输入电流为：

（3-3）

电源的输入功率为：

（3-4）

由上可知：

=

（3-5）

所以D类放大器理想的效率可以达到100﹪，但是由于元器件并非理想器件，所以器件中等效电阻会损耗功率，假设功率晶体管的导通电阻为

所有其它无源电阻为

，滤波器电阻为

，负载电阻为

，其效率为：

（3-6）

晶体管开关损耗：

（3-7）

是载波频率，

和

是功率晶体管的开断时间，考虑电阻损耗和开关损耗，其效率为：

（3-8）

故负载电阻相对其他电阻的比值越大则效率越高。

假设CMOS晶体管导通电阻是0.3Ω，则有输出接4Ω的喇叭，其效率大概在87%左右；输出接8Ω的喇叭，其效率为93%。

除了导通电阻的损耗以外，还有前面提到的开关损耗、偏置电流损耗、输入电容充电损耗等，所以一般的D类放大器在8Ω负载时效率为85%左右。

可以看出，D类放大器的效率仍要比目前市场上广泛采用的AB类放大器效率高很多。

输出功率为10W时，D类放大器只需12W左右的功率，而AB类则需20W左右的功率。

故选用D类放大器可节省功耗。

由以上分析可以看出，D类放大器的效率高达85%左右，这样在相同输出的情况下，就节省了电源的功率，延长电池的寿命，另外由于D类放大器体积小，容易散热等诸多优点，正逐渐成为便携式音频设备的主流。

4D类音频功率放大器的设计

4.1设计任务与要求

4.1.1设计任务

设计并制作一个音频功率放大器，对音频信号的放大效果良好，不失真、声音洪亮；并能够进行功率、效率参数的测量、显示装置。

4.1.2设计要求

（1）输入信号幅度值为1~200mV，3dB通频带为300Hz～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>10k，电压放大倍数1～20连续可调，调整步进为1和5。

（4）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。

（5）在输出功率500mW时测量的功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）≥50%。

（6）功率放大器的整体供电为锂电池，电压为3.6~4.3V/1.5~2A（电路其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻，或8Ω喇叭。

如图4-1所示：

4.1.3发挥部分

（1）3dB通频带扩展至300Hz～20kHz。

（2）在供电不变，保证放大效果情况下，尽量增大输出功率，尽量提高转换效率。

（3）增加输出短路保护功能。

（4）其他。

4.1.4说明

制作时参数获取用正弦波信号；测试时，用正弦波检测指标，同时用电脑的音频输出信号作为本系统的输入，测试放大效果。

4.2.1高速开关电路

（1）输出方式

方案一：

选用推挽单端输出方式（电路如图4-2所示）。

电路输出载波峰-峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率远达不到设计的要求[7]。

方案二：

选用H桥输出方式,此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波峰-峰值可达10V，有效地提高了输出功率，且能达到设计的要求，故选用此方案。

其电路如图4-3所示：

（2）开关管的选择：

为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速，低导通电阻，低损耗。

方案一：

选用晶体三极管、IGBT管。

晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在存储时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大；IGBT管的最大缺陷是导通压降太大，不利于提高效率。

方案二：

选用VMMOSFET管，VMOSFET管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，符合设计的要求，有利于提高效率，故选用VMOSFET管。

（3）滤波器选择

方案一：

采用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器。

缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。

方案二：

采用两个相同的四阶Butterworth低通滤波器，保证20KHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减，有利于提高功放的音质，故选用此方案。

4.3各部分电路分析与计算

4.3.1脉宽调制器

（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Nyquist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20Hz~20kHz，说明三角波的频率应在40kHz以上，为确保音频信号的采样，可取三角波的频率为150kHz。

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。

该电路我们采用满幅运放TLC4502及高速精密电压比较器LM311来实现，电路图如图4-4所示。

TLC4502不仅具有较宽的频带，而且可以在较低的电压下满幅输出，保证能产生线性良好的三角波[8]。

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150kHz的载波，使用四阶BultterworthLC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150kHz。

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2.5V，同时设定输出的对称三角波幅度为1V（Vp-p＝2V）。

若选定R10为100kΩ，并忽略比较器高电平时R11上的压降，则R9的求解过程如下：

（4-1）

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：

（4-2）

则电容两端的最大电压值为：

（4-3）

其中

为半周期，

=

。

的最大值为2V，则

（4-4）

（4-5）

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4-5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10kΩ。

由于三角波Vp-p=2V，所以要求音频信号的Vp-p不能大于2V否则会使功放产生失真。

4.3.2前置放大器电路

如图4-6所示。

设置前置放大器，可使整个功放的增益从1～20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8Ω上的电压Vp-p=8V，此时送给比较器音频信号的Vp-p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）[7]。

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。

图4-6前置放大电路

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Ri≥10kΩ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Ri大于10kΩ，故取R1=R2=51kΩ，则Ri=51/2=25.5kΩ，反馈电阻采用电位器R4，取R4=20kΩ，反相端电阻R3取2.4kΩ，则前置放大器的最大增益Av为：

（4-6）

调整

使其增益约为8，则整个功放的电压增益从0~32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。

4.3.3驱动电路

如图4-7所示。

将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用CD40106施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，送给由晶体三极管组成的互补对称式射极

4.3.4H桥互补对称输出电路

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，IRFD120和IRFD9120VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。

实际电路如图4-8所示。

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[1-8]。

这个H桥具有两个半桥开关电路，它们为滤波器提供相反极性的脉冲，其中滤波器包含两个电感器、两个电容器。

每个半桥包含两个输出晶体管，一个是连接到正电源的高端晶体管MH，另一个是连接到负电源的低端晶体管ML。

全H桥电路通常由单电源（VDD）供电，接地端用于接负电源端（VSS）。

四个高频MOSFET功率管，当PWM信号为高电平时,Q5、Q8导通,Q6、Q7截止，电流从电阻的正极流向负极；当PWM信号为低电平时，Q5、Q8截止，Q6、Q7导通，电流从电阻的负极流向正极。

功率管开关的频率等于PWM信号的频率。

对于给定的VDD和VSS，H桥电路的差分方式提供的输出信号是单端方式的两倍，