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高效率音频功率放大器设计说明书

电子信息工程系

毕业设计说明书

课题名称:

高效率音频功率放大器

日期：

毕业设计起讫时间：

指导教师评语

指导教师（签字）：

　　　　　　年月日

摘要……………………………………………………………………………………4

第一章引言……………………………………………………………………………5

第二章方案论证与比较…………………………………………………………………6

2.1设计任务……………………………………………………………………………...….…6

2.2设计要求………………………………………………………………………...............….6

2.3高效率功率放大器…………………………………………………………….............….7

2.4信号变换电路……………………………………………………………………………....9

2.5功率测量电路……………………………………………………………………………….9

第三章主要电路工作原理分析与计算………………………………………………………10

3.1D类放大器的工作原理…………………………………………………………………..10

3.2D类放大器基础……………………………………………………………………………11

3.3D类功放各部分电路分析…………………………………………………………..……11

3.4D类放大器设计因素…………………………………………………………..........……15

3.5信号变换电路……………………………………………………………………..……....15

3.6功率测量及显示电路………………………………………………………….....……...16

3.7音量显示电路…………………………………………………………………...………...17

第四章系统测试………………………………………………………………………18

4.1测试使用的仪器………………………………………………………………..................18

4.2测量结果分析………………………………………………………………......................18

4.3输出级保护………………………………………………………………………...............18

结论………………………………………………………………………………………………….20

参考文献………………………………………………………………………………………………21

致谢…………………………………………………………………………………………………22

摘要

本次设计中介绍一种以D类功率放大器作为功放类型的高效率音频功率放大器。

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。

关键词：

D类功率放大器，PWM模式，低通滤波。

第一章引言

全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效，节能，数字化的音频功率放大器。

它应该具有工作效率高，便于与其他数字设备相连接的特点。

模拟功率放大器通过采用优质的元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变的很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。

D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，它工作于开关状态下，符合上述的要求。

传统的音频功率放大器工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁，功率输出受到限制。

D类开关音频功率放大器的工作基于PWM模式：

D类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际的运用也可达80%以上。

功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，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，而且不会引入非线形失真。

对于高电感的扬声设备，在设计电路的时候，是可以省去低通滤波器（LPF），这样可以大大的节省体积和花费。

而且有更高的保真度，这一点，在国外的5VD类音频功率放大器中已经得到了运用，如：

TEXAS公司的TPA2002D2。

近几年，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试验性地向市场提供了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，引起了科研，教学，电子工业，商业界的特别关注。

不久的将来，D类音频功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。

音频放大器背景：

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，低音扬声器或高音扬声器）。

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。

一种音频放大器的直接模拟实现使用晶体管在线性工作方式下产生一个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）。

如果正向增益是反馈环路的一部分，那么总的环路增益也会很高。

经常使用反馈环路，因为高环路增益可以改善性能，抑制由于正向路径中线性误差造成的失真，并且通过增加电源抑制（PSR）减少电源噪声。

D类放大器的优点：

在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。

实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器，AB类放大器和B类放大器。

与D类放大器设计相比较，即使是最有效的线性输出级，它们的输出级功耗也很大。

这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著优势，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板（PCB）面积和成本，并且能够延长便携式系统的电池寿命。

线性放大器、D类放大器和功耗：

线性放大器输出级直接连接到扬声器（有些情况下通过电容器连接）。

如果输出级使用双极性结型晶体管（BJT），它们通常工作在线性方式下，具有大的集射极电压。

输出级也可以用互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管实现，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）。

AB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，AB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AB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。

由于大多数音频信号不是脉冲串，因此必须包括一个调制器将音频输入转换为脉冲信号。

脉冲的频率成分包括需要的音频信号和与调制过程相关的重要的高频能量。

经常在输出级和扬声器之间插入一个低通滤波器以将电磁干扰（EMI）减至最小，并且避免以太多的高频能量驱动扬声器。

为了保持开关输出级的功耗优点，要求该滤波器是无损的（或接近于无损）。

低通滤波器通常采用电容器和电感器，只有扬声器是耗能元件。

大多数音频系统设计者都非常清楚，D类放大器与线性音频放大器（如A类、B类和AB类）相比，在功效上有相当的优势。

对于线性放大器（如AB类）来说，偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。

因为D类放大器的晶体管只是作为开关使用的，用来控制流过负载的电流方向，所以输出级的功耗极低。

D类放大器的功耗主要来自输出晶体管导通阻抗、开关损耗和静态电流开销。

放大器的功耗主要以热量的形式耗散。

D类放大器对散热器的要求大为降低，甚至可省掉散热器，因此非常适用于紧凑型大功率应用。

过去，基于PWM方式的典型D类放大器需要外部滤波元件，会产生EMI/EMC兼容性问题，并且THD+N性能较差，因此与线性放大器相比，它的高效优势大为失色。

然而，最新一代的D类放大器采用先进的调制和反馈技术，可很好地缓解上述问题。

第二章方案论证与比较

2.1设计任务

设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。

功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻。

2.2设计要求

①功率放大器

a．3dB通频带为300～3400Hz，输出正弦信号无明显失真。

b．最大不失真输出功率≥1W。

c．输入阻抗>10kΩ，电压放大倍数1～20连续可调。

d．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。

e．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％。

②设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路，将功率放大器双端输出的信号

转换为单端输出，经RC滤波供外接测试仪表用，如下图2.1所示。

测试用RC滤波器

外接测试仪表

信号变

换电路

高效率功率放大器

输出796Ω

0.01μF

8Ω

图2.1系统组成框图

③说明：

1）采用开关方式实现低频功率放大（即D类放大）是提高效率的主要途径之一，D类放大原理框图如下图2.2所示。

本设计中如果采用D类放大方式，不允许使用D类功率放大集成电路。

低通滤波

高速开

关电路

PWM

输入

8Ω

图2.2D类放大原理框图

2）效率计算中的放大器总功耗是指功率放大器部分的总电流乘以供电电（+5v），不包括“基本要求”中第

（2）、（3）项涉及的电路部分功耗。

制作时要注意便于效率测试。

3）在整个测试过程中，要求输出波形无明显失真。

根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图2.1所示。

下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。

2.3高效率功率放大器

1）高效率功放类型的选择

采用D类功率放大器。

D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，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。

由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。

理论上为100％，实际电路也可达到80％～95％，所以我们决定采用D类功率放大器。

D类功放中MOSFET的选择：

在功放中要达到高性能的关键因素是功率桥电路中的开关。

在开关过程中产生的功率损耗、死区时间和电压。

电流瞬时毛刺等都应该尽可能的最小化来改善功放的性能。

因此，在这种功放中开关要做到低的电压降，快速的开关时间和低杂撒电感。

由于MOSFET开关速度很快，对于这种功放它是你最好的选择。

它是一个多数栽流子器件，相对于IGBT和BJT它的开关时间比较快，因而在功放中有比较好的载阻抗，功率电路拓扑（如半桥梁或全桥）调制度（如89%-90%）

2）高效D类功率放大器实现电路的选择：

本题目的核心就是功率放大器部分，采用何种电路形式以达到题目要求的性能指标，这是关键。

PWM调制器高速开关电路

三角波产生器（或锯齿波）

低通滤波

开关功率输出

比较器

驱动电路

8Ω

音频信号输入

图2.3脉宽调制器电路

①脉宽调制器（PWM）

方案一：

可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制，不利于本题发挥部分的实现。

方案二：

采用图2.3所示方式来实现。

三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。

若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作，故选用此方案。

②高速开关电路

a.输出方式

选用H桥型输出方式（电路如图2.4所示）。

此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰-峰值可达10V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。

图2.4H桥型输出方式高速开关电路

b.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，并存在储存时间，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管的最大缺点是导通压降太大。

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，故选用高速VMOSFET管。

③滤波器的选择

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，在保证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，故选用此方案。

2.4信号变换电路

由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为1。

因为功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。

或选用另一种方法，采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。

2.5功率测量电路

由于功放输出信号不是单一频率，而是20kHz频带内的任意波形，故必须采用真有效值变换电路。

此方案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（原理框图如图2.5所示），软件工作量小，精度高，速度快。

真有效值变换电路

LED

显示

单片机处理系统

A/D

按音频输

出信号

图2.5功率测量电路

第三章主要电路工作原理分析与计算

3.1D类放大器的工作原理：

一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如图3.1所示。

图3.2为工作波形示意，其中（a）为输入信号；（b）为锯齿波与输入信号进行比较的波形；（c）为调制器输出的脉冲（调宽脉冲）；（d）为功率放大器放大后的调宽脉冲；（e）为低通滤波后的放大信号。

低通

滤波

开关放

大电路

比较器

三角波

产生器

V1V2V3V0

输出

音频信

号输入Vi

图3.1D类放大器的工作原理

图3.2D类放大器的工作波形示意图

3.2D类放大器基础

现代D类放大器使用多种调制器拓扑结构，而最基本的拓扑组合了脉宽调制（PWM）以及三角波（或锯齿波）振荡器。

一个基于PWM的半桥式D类放大器。

它包括一个脉宽调制器，两个输出MOSFET，和一个用于恢复被放大的音频信号的外部低通滤波器（LF和CF）。

p沟道和n沟道MOSFET用作电流导向开关，将其输出节点交替连接至VDD和地。

由于输出晶体管使输出端在VDD或地之间切换，所以D类放大器的最终输出是一个高频方波。

大多数D类放大器的开关频率（fSW）通常在250kHz至1.5MHz之间。

音频输入信号对输出方波进行脉宽调制。

音频输入信号与内部振荡器产生的三角波（或锯齿波）进行比较，可得到PWM信号。

这种调制方式通常被称作"自然采样"，其中三角波振荡器作为采样时钟。

方波的占空比与输入信号电平成正比。

没有输入信号时，输出波形的占空比为50%。

为了从PWM波形中提取出放大后的音频信号，需将D类放大器的输出送入一个低通滤波器。

LC低通滤波器作为无源积分器（假设滤波器的截止频率比输出级的开关频率至少低一个数量级），它的输出等于方波的平均值。

此外，低通滤波器可防止在阻性负载上耗散高频开关能量。

假设滤波后的输出电压（VO_AVG）和电流（IAVG）在单个开关周期内保持恒定。

这种假设较为准确，因为fSW比音频输入信号的最高频率要高得多。

因此，占空比与滤波后的输出电压之间的关系，可通过对电感电压和电流进行简单的时间域分析得到。

3.3D类功放各部分电路分析：

1）脉宽调制器

三角波产生电路。

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（电路如图3.3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，既保证能产生线性良好的三角波，而且可达到发挥部分对功放在低电压下正常工作的要求。

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，能满足题目的要求，所以我们选用载波频率为150kHz。

比较器。

选用LM311精密、高速比较器，电路如图11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

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：

（5-2.5）/100=1/R，R9=100/2.5=40kΩ

取R9为39kΩ。

图3.3三角波产生电路

2）前置放大器电路

如图3.4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）。

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。

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：

图3.4前置放大器电路

Ar=1+R4/R3=1+20/2.4~=9.3

调整R4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Vom<2.5V,取Vom=2.0V,则要求输入的音频最大幅度Vim<（Vom/Av）=2/8=250mV。

超过此幅度则输出会产生削波失真。

3）驱动电路

如图3.5所示。

将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用CD40106施密特如图3.5所示。

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跟随器驱动的输出管，保证了快速驱动。

驱动电路晶体三极管选用2SC8050和2SA8550对管。

4）H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3.6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。

图3.5驱动电路

图3.6H桥互补对称输出及低通滤波电路

5）低通滤波器本电路

采用4阶Butterworth低通滤波器（如图3.6）。

对滤波器的要求是上限频率≥20kHz，在通频带内特性基本平坦。

采用了电子工作台（EWB）软件进行仿真，从而得到了一组较佳的参数：

L1=22μH，L2＝47μH，C1=l.68μH，C2=1μH。

19.95kHz处下降2.464dB，可保证20kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；100kHz、150kHz处分别下降48dB、62dB，完全达到要求。

3.4D类放大器设计因素.

虽然利用D类放大器的低功耗优点有力推动其音频应用，但是有一些重要问题需要考虑，包括：

1）输出晶体管尺寸选择。

2）输出级保护。

3）音质。

4）调制方法。

5）抗电磁干扰（EMI）。

6）LC滤波器设计。

3.5信号变换电路

电路要求增益为1，将双端变为单端输出，运放选用宽带运放NE5532，电路如图3.7所示。

由于对这部分电路的电源电压不加限制，可不必采用价格较贵的满幅运放。

由于功放的带负载能力很强，故对变换电路的输入阻抗要求不高Rl=R2=R3=R4=20kΩ。

其增益为Av=R3/R1=20/20=1，其上限频率远超过20kHz的指标要求。

R2R4

20kΩUA20KωR5

接功放RL3+1变换信号输出

输出端8Ω2-NE5532796ΩC

R1R30.01μF

20kΩ20kΩ

图3.7信号变换电路

3.6功率测量及显示电路

功率测量及显示电路由真有效值转换电路和单片机系统组成。

1）真有效果值传感器选用高精度的AD637芯片（图3.8），其外围元件少、频带宽，精度高于0.5％。

+12V+12

R7U1

Vim

AD637

Vout

114-12

50kΩ213

-12V312

信号输入C3411

4.7μFR8510

78+C4电压有效

4.7μF输出

1kΩ

图3.8真有效值转换电路

2）单片机系统本系统主要由89C5l单片机、可编程逻辑器件EPM7128、A/D转换器AD574和键盘显示接口电路等组成。

经AD637进行有效值变换后的模拟电压信号送A/D转换器AD574，由89C51控制AD574进行模/数转换，并对转换结果进行

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