基于D类的数字功率放大器设计毕业设计论文.docx

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基于D类的数字功率放大器设计毕业设计论文

摘要

音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分，并且广泛应用于消费类电子产品中。

我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地，音频功放的需求日益增加，因此研究音频功率放大器具有非常重要的意义。

随着科学技术的不断发展，尤其是集成电路技术的发展，高速、大功率器件已越来越多，移动电话、数字媒体技术、平面电视、便携式数字产品等电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，人们对音频功率放大器的要求更加趋向于高效、节能和小型化。

因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效、节能、发热量少、体积小、便于集成。

传统的模拟音频功率放大器虽然具有很高的保真度，但是却存在功耗高、效率低等致命缺点，而且发热量大，不易解决散热问题。

而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，所以功放的效率很高。

与传统的AB类音频功率放大器相比，数字D类音频功放最大的优势在于具有高效率，实际转换效率能达到80％以上，理论转换效率可以达到100%。

因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积。

在这个能源节约的时代，凭借其高效率、低功耗的特点，数字D类音频功放正逐渐取代传统的模拟音频功率放大器，并越来越受到人们的重视。

本文论述了各种音频功率放大器的工作原理以及各自的性能特点，重点阐述了D类音频功率放大器的工作原理和脉宽调制工作原理，并在此基础上设计一款大功率输出、低功耗数字音频D类功率放大器。

关键词：

音频功率放大器；D类；脉宽调制

Abstract

AudiopoweramplifierisanimportantpartofPIC（PowerIntegratedcircuits）whichiswidelyusedinconsumerelectronicproducts，andChinaisthemostimportantmarketofconsumerproductsandthebiggestworldmanufacturecenteroftheconsumerproducts．Welaunchareachonaudiopoweramplifier．

Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,especiallythedevelopmentofintegratedcircuittechnology,highspeedandhighpowerdeviceshavemoreandmore,mobilephones,digitalmediatechnology,flat-screenTV,aportableelectronicproductssuchasdigitalproductisportabletothin,rapiddevelopment,audiopoweramplifierswilltendtobehighlyeffective,energy-savingandminiaturization.Becausemobiledevicesaffectedbythebatterycapacity,thermal,volumerestrictionsonaudiopoweramplifierrequiresefficient,energy-saving,lowcalorificvalue,smallsize,easeofintegration.

Traditionalanalogaudiopoweramplifieralthoughwithhighfidelity,butthereisahighpowerconsumption,lowefficiencyandsofatalflaws,andgetsveryhot,noteasytosolve.Andclass-damplifiersduetoworkonoroff,ascontrolcomponentsoftransistoritselflowerpowerconsumption,poweramplifierisveryefficient.UnliketraditionalclassABaudiopoweramplifiers,digitalclassDaudiopoweramplifier'sbiggestadvantageisthatyouhaveahighefficiency,theactualconversionefficiencycanreach80percent,andtheoreticalconversionefficiencycanreachupto100%.Soitcangreatlyreducetheenergyconsumption,reduceamplifiervolume.Intheenergy-savingstime,withitshighefficiency,lowpowerconsumptioncharacteristicsofClassDdigitalaudioamplifierisgraduallyreplacingtraditionalanalogaudiopoweramplifiers,andmoreandmoreattention.Thisarticlediscussestheworkingprincipleofaudiopoweramplifiersandtheirperformancecharacteristics,focusesontheclassDaudiopoweramplifieroftheworkingprincipleandprincipleofpulsewidthmodulation,andonthisbasis,designsahighpoweroutput,lowpowerconsumptionClassDdigitalaudioamplifiers.

Keywords：

Audiopoweramplifier；Dclass；pulsewidthmodulation

引言

随着现代电子技术的不断发展，集成电路被广泛应用于各类电子电路中。

随着近十几年来半导体技术的进步，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。

音频功率放大电路是原理上最为基本、应用上最为广泛的功率放大电路。

目前大部分音响系统中的功放都是模拟类型，传统的模拟功放按放大器的工作状态可分为：

A类、B类、AB类等形式。

A类、AB类功放是音响系统中最为常用的功放。

传统类音频放大器的一个共同缺点是效率很低，A类音频放大器的理论效率是25％，实际效率大约为15-20％；B类音频放大器的理论最大效率是78.5％；AB类音频放大器的理论效率75％，实际效率在50-70％之间。

无论A类，B类还是AB类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言、音乐时平均工作效率只有30％左右。

音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。

在半导体设计潮流走向轻薄短小之际，不仅半导体组件本身的封装要小，整个模块的尺寸也变成决定系统客户接受与否的关键规格。

全球音视频领域的数字化浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、易于与数字化设备接口的音频功率放大器。

D类数字音频放大器就是在这样的背景下兴起的。

D类数字音频功率放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM（PulseCodeModulation，脉冲编码调制）数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通／断音频功率放大器，也称为开关放大器。

由于其开关管工作于开关状态，因此具有高效率、低功耗等优点。

目前，D类音频功率放大器在移动电话、平面电视、LCD显示器以及各种以电池供电的便携式游戏设备等消费类电子产品中已获得广泛的应用。

在手机、PDA、MP3Player等应用中，以D类取代AB类放大器的趋势便已相当明显。

数字音频功放的概念早在20世纪60年代已被提出，但由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。

1983年，M．B．Sandier等学者提出了D类放大的PCM数字音频功放的基本结构，主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM。

1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字音频功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器一数字音频功率放大器进入了工程应用领域，并获得了世界同行的广泛认可，市场日益扩大，数字音频功率放大器已经成为近年来的研究热点之一。

1绪论

1.1课题背景

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，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，人们对音频功率放大器的要求更加趋向于高效、节能和小型化。

因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效、节能、发热量少、体积小、便于集成。

普通功放发热量大，不易解决散热问题。

而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，功放的效率就高，可达到90％以上，因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积。

所以D类音频功率放大器越来越受到人们的重视。

高效率D类音频放大器正越来越多地被用在移动电话、智能电话、PDA及其他类似便携式应用中，以取代AB类放大器。

采用D类放大器可延长电池供电终端产品的工作时间，并产生更少的热量，从而解决设备的热设计问题。

在手机、DVD播放机、笔记本电脑及游戏机等便携式设备中集成音频，已经发展到这样一个程度，即设计人员正面临着如下考验：

一方面需要将MP3及流媒体等越来越多的特性集成到上述终端设备中，另一方面又必须保持或减少整体功率预算。

这导致采用很多新的产品技术，例如采用D类音频功率放大器。

这些放大器可使设计人员节省电池电量，因为D类放大器比传统AB类（或线性）放大器具有更高的效率。

近年来国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，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、商业界的特别关注。

不久的将来，D类音频功率放大器必将取代传统的模拟音频功率放大器。

D类功率放大器的显著特点是其输出级的工作状态不是完全导通，就是完全截止，输出器件功耗大大降低。

D类功率放大器的输出级只是瞬间通过一下线性区域，而大部分时间不是停留在饱和区就是截止区，上管饱和则下管截止，或者相反。

输出信号比输入信号变得更正或者更负，也就是输入信号被大大地放大了。

在常规的晶体管放大器中，输出级上的晶体管需要提供时刻连续的输出电流。

音响系统可以采用的多种实现形式包括A类、AB类和B类等，与D类功率放大器相比，这些电路中即使是效率最高的线性输出级，其功率的耗散也很大。

这一差异反衬出，D类功率放大器在许多应用方面具有显著的优势，因为其较小的功率耗散意味着更低的发热量、电路板空间及成本的节省和便携式系统的电池工作时间的延长等。

早些时候晶体管、集成电路的开关特性差，不能满足D类音频功率放大器的技术要求，因此对D类音频功率放大器的研究开发有相当的困难，研究开发仅停留在理论上。

随着金属．氧化物．半导体场效应