高效率音频功率放大器的设计毕业设计说明书.docx
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高效率音频功率放大器的设计毕业设计说明书
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的设计
姓名：
日期：
20
毕业设计起讫时间：
摘要
本次设计是制作了一个高效率的音频功率放大器，它包括D类放大器、脉宽调制器、前置放大电路、驱动电路、H桥互补对称输出电路、低通滤波器、信号交换电路、功率测量及显示电路、短路保护电路、音量显示电路。
它的最大不失真输出功率≥1W，电压放大倍数1～20连续可调，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%。
关键词：
音频，前置放大，信号交换，功率测量，短路保护
第一章引言
全球音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。
此外，模拟功率放大器还存在以下的缺点：
（1）电路复杂，成本高。
常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路，体积较大，电路复杂。
（2）效率低。
目前有很多种不同种类的功放,如：
A类、B类、AB类等。
但D类功放与其不同的是基本是一个开关功放或者是脉宽调制功放。
在这种D类功放中，器件要么完全导通，要么完全关闭，大幅度减少了输出器件的功耗，效率达90-95%都是可能的。
音频信号是用来调制PWM载波信号，其载波信号可以驱动输出器件，用最后的低通滤波器去除高频PWM载波频率。
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。
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。
音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。
然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。
主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。
为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。
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。
第二章音频功率放大器的总体设计与分析
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及其参数的测量装置。
功率放大器：
a．3dB通频带为300Hz～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>10k，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%。
图2.1系统组成框图
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，如图1所示。
图2为D类放大器原理框图
图2.2D类放大原理框图
2.2方案论证与比较
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。
2.2.1高效率功率放大器
（1）高效率功放类型的选择
方案一：
采用A类、B类、AB类功率放大器。
这三类功放的效率均达不到题目的要求。
方案二：
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。
（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。
图2.3脉宽调制器电路
脉宽调制器电路采用图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。
高速开关电路的选择：
a.输出方式
方案一：
选用推挽单端输出方式（电路如图2.4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题目的基本要求。
图2.4高速开关电路
方案二：
选用H桥型输出方式（电路如图2.5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2.5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。
2.2.2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。
方案一：
采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。
方案二：
由于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。
2.2.3功率测量电路
方案一：
直接用A/D转换器采样音频输出的电压瞬时值，用单片机计算有效值和平均功率，原理框图如图2.6所示，但算法复杂，软件工作量大。
图2.6功率测量电路
方案二：
由于功放输出信号不是Hz频带内的任意波形，故必须采单一频率，而是20k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2.7所示），软件工作量小，精度高，速度快。
图2.7功率测量电路
第三章主要单元电路的设计
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为工作波形示意图，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。
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类功放各部分电路分析与计算
（1）脉宽调制器
①三角波产生电路：
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。
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/R9
R9=100/2.5=40KΩ
取R9为39kΩ。
图3.3三角波产生电路
选定工作频率为f=150kHz，并设定R7+R6=20kΩ，则电容C3的计算过程如下:
对电容的恒流充电或放电电流为：
I=（5-2.5）/（R7+R6）=2.5/（R7+R6）
其中T1为半周期，T1=T/2=1/2f。
Vc4的最大值为2V，则2=2.5/[C4（R6+R7）]*1/2f，取C4=220pF，R7=10kΩ，R6采用20kΩ可调电位器。
使振荡频率f在150kHz左右有较大的调整范围。
图3.4比较器电路
②比较器。
选用LM311精密、高速比较器，电路如图3.4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。
（2）前置放大器电路
如图3.5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3.5前置放大器电路
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）驱动电路和H桥互补对称输出电路如图3.6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。
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。
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3.6驱动器与开关功率放大电路
开关功率放大电路由双路跟随驱动器MOSFET组成的互补全桥式放大器构成，为了使MOSFET的开关时间小于100ms，采用双路跟随器（由T1，T2，T3，T4组成）。
由于脉冲波的前后沿不可能理想的陡直，而有斜坡状，致使管子的交替工作的瞬间出现相互重叠的导通部分，如图3.7。
图3.7脉冲波
此时将出现短路导通。
这不仅会影响能量的无效损耗，而且容易使器件因短路时电流过大而烧坏。
但是实验证明，开关功率放大器在5V下工作时，只消耗十几毫瓦，所以不需要加相应的辅助电路。
本桥式放大器选用由互补对称的irf9540和irf540构成。
其结电容小、开关速度快、静态电流小，从而提高电路的整体性能。
（4）低通滤波器
本电路采用4阶Butterworth低通滤波器。
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。
3.3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3.8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，选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。
图3.8信号变换电路
3.4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）真有效值转换器
选用高精度的AD637芯片（图3.9），其外围元件少、频带宽，精度高于0.5％。
图3.9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，并对转换结果进行运算处理，最后送显示电路完成功率显示。
其中EPM7128完成地址译码和各种控制信号的产生，62256用于存储数据的处理。
键盘显示电路用于调试过程中的参数校准输入，主要由显示接口芯片8155，4×4键盘及8位数码管显示部分构成。
（3）软件设计
本系统用软件设计了特殊功能键，通过对键盘的简单操作，便可实现功率放大器输出功率的直接显示（以十进制数显示），精确到小数点后4位，显示误差小于4.5％。
本系统软件采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立。
软件主体流程图如图3.10所示。
系统初始化：
加电后完成系统硬件和系统变量的初始化。
其中包括变量设置、标
志位设定、置中断和定时器状态、设置控制口的状态、设置功能键等。
等待功能键输入：
由键盘输入命令和校准参数。
控制测量：
由单片机读取所设定的数值，进行数据的处理。
显示测量结果：
AT89C51控制8155显示接口芯片，使用8位数码管显示测量的输出功率。
图3.10软件主体流程图
3.5短路保护电路
短路（或过流）保护电路的原理电路如图3.11所示。
0.1Ω过流取样电阻与8Ω负载串联连接，对0.1Ω电阻上的取样电压进行放大（并完成双变单变换）。
电路由U1B组成的减法放大器完成，选用的运放是NE5532。
R6与R7调整为11kΩ，则该放大器的电压放大倍数为Av=R9/R7=560/11=51。
图3.11短路保护电路
经放大后的音频信号再通过由D1、C2、R10组成的峰值检波电路，检出幅度电平，送给由LM393组成的电压比较器“+”端，比较器的“-”端电平设置为5.1V，由R12和稳压管D6组成，比较器接成迟滞比较方式，一旦过载，即可锁定状态。
正常工作时，通过0.1Ω上的最大电流幅度Im=5/（8+0.1）=0.62A，0.1Ω上的最大压降为62mV。
经放大后输出的电压幅值为Vim×Av=62×51≈3.2V，检波后的直流电压稍小于此值，此时比较器输出低电平，Q1截止，继电器不吸合，处于常闭状态，5V电源通过常闭触点送给功放。
一旦8Ω负载端短路或输出过流，0.1Ω上电流、电压增大，经过电压放大、峰值检波后，大于比较器反相端电压（5.1V），则比较器翻转为高电平并自锁，Q1导通，继电器吸合，切断功放5V电源，使功放得到保护。
要解除保护状态，需关断保护电路电源。
为了防止开机瞬间比较器自锁，增加了开机延时电路，由R11、C3、D2、D3组成。
D2的作用是保证关机后C3上的电压能快速放掉，以保证再开机时C3的起始电压为零。
3.6音量显示电路
音量显示电路由专用集成块TA7666P实现，通过多个发光二极管来直观指示音量的大小，电路如图3.12所示。
图3.12音量显示电路
第四章系统测试与数据分析
4.1测试使用的仪器
E51/L仿真机、VC201型数字式万用表、WD990电源、日立V-1065A100MHz示波器SGl643型信号发生器。
4.2测试数据
（1）最大不失真输出功率测试数据如表4.1所示：
表4.1输出功率测试数据表
f
20Hz
100Hz
300Hz
1.6kHz
3.4kHz
10kHz
20kHz
25kHz
Vop-p/V
8.21
8.21
8.22
8.16
8.10
8.05
7.02
5.82
Pmax/W
1.05
1.05
1.06
1.04
1.03
1.01
0.77
0.53
（2）测量输出功率200mW时的最低电源电压测量结果：
Vcc=4.12V。
（3）电压放大倍数的测量增益变化范围为0～31。
（4）低频噪声电压的测量噪声电压=8.1mV，满足≤10mV的指标要求。
（5）功率测量显示电路性能测试用公式Po=瑶/8计算理论功率，与测量结果进行比较，并对误差进行计算．计算结果测量误差小于4.5％。
4.3测量结果分析
（1）功放的效率和最大不失真输出功率与理论值还有一定差别，其原因有以下几个方面：
a．功放部分电路存在的静态损耗，包括PWM调制器、音频前置放大电路、输出驱动电路及H桥输出电路。
这些电路在静态时均具有一定的功率损耗，实测结果其5V电源的静态总电流约为30mA，即静态功耗P损耗=5×30=150mW。
那么这部分的损耗对总的效率影响很大，特别对小功率输出时影响更大，这是影响效率提高的一个很重要的方面。
b．功放输出电路的损耗，这部分的损耗对效率和最大不失真输出功率均有影响。
此外，H桥的互补激励脉冲达不到理想同步，也会产生功率损耗。
c．滤波器的功率损耗，这部分损耗主要是由流电阻引起的。
（2）功率测量电路的误差。
这里有1:
1变换电路的误差，真有效值转换电路的误差，A/D转换器及软件设计带来的误差。
尽管以上电路精度已很高，但每一部分的误差均不可避免，此外，还有测量仪器本身带来的测量误差。
第五章结论
时间过得很快，转眼间两个月的时间就过去了，看着自己手中的这份设计，真是有诸多想法。
毕业设计是学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的高效率音频功率放大器的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升，这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。
虽然在设计的时候我们不能像读书时那样面对面的进行交流合作，但我们分工明确，任务鲜明，在加上现代化的通讯手段使我们能够很方便的交流自己的一些想法和观点，在完成毕业设计的同时，还能在自己的设计当中学到更多东西。
提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。
回想刚开始时，拿着材料却无从下手，不知道该怎么去完成这份毕业设计，脑中一点概念都没有。
虽然在平时接触过放大器，但是都是现成的东西，对于自己设计而言，完全是不同概念，也不是同一等级的，现在需要设计的却是音频功率放大器。
因此在接下来的一段时间里面，我找了大量的材料，包括音频功率放大器由什么组成，还有放大器的原理等等。
然后就是对大量的材料进行整合研究，弄出一套属于自己的设计理念。
通过本次毕业设计，我懂得了音频功率放大器的原理与制作。
在设计的过程中，既复习了已学的专业知识，又学会到新的知识，是自己人生一次难得的学习经历，更是对自己综合能力的考验和提高！
参考文献
[1]赵广林.常用电子元器件识别/检测/选用一读通.北京：
电子工业出版社，2007.
[2]张庆双.音响设备集成电路维修资料手册.北京：
金盾出版社，2006.
[3]刘修文.图解影音技术要诀.北京：
中国电力出版社，2006.
[4]庞学民.音响产品集成电路.北京：
中国计量出版社，2005.
[5]王兆奇.电工基础.北京：
机械工业出版社，2000.
[6]莫正康.电力电子应用技术.北京：
机械工业出版社，2007.
[7]沈任元.常用电子原器件简明手册.北京：
机械工业出版社，2000.
[8]沈任元.模拟电子技术基础.北京：
机械工业出版社，2000.
致谢
在即将结束的大学生活里，这次的毕业设计对我们来说显的更为重要，它是对我们所学的知道的总结和归纳，在这三年中各位老师、同学在一起的的事情历历在目，感谢所有老师和同
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