模拟电路课程设计音频功率放大器.docx

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模拟电路课程设计音频功率放大器

成绩

黄淮学院

课程设计报告

题目音频功率放大器

课程名称模拟电子技术课程设计

院系名称信息工程学院

专业电子信息工程

班级电信1601B

学生姓名田益博

学号**********

课程设计学时1周

指导教师陈淑静

摘要

目前便携式消费类电子产品（如：

手机、MP3、PDA、便携式GPS等）日益流行，这对电池工作时间和寿命的要求也日益增强，以效率高、低失真为特点的D类功率放大器就开始广泛地应用于这些产品中。

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。

音频放大器可分为A类、AB类、B类和D类放大器。

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。

而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，这样输出级的功耗极低。

D类放大器的功耗主要来自输出晶体管的导通阻抗、开关损耗和静态电流开销，这样使D类放大器对散热器的要求大为降低，甚至可省掉散热器，使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，节省印制电路板（PCB）面积和成本，并且能够延长便携本文对D类音频功率放大器与传统的音频功放进行了分析和比较，然后对D类音频功率放大器的工作原理、系统结构和两种拓扑结构进行了详细的分析和音频功率放大器的基本原理

绪论

1.1、课程设计的任务

基本要求：

（1）额定输出功率Po=10W，效率>60﹪；

（2）负载阻抗RL=8Ω；

（3）失真度γ≤3%；

（4）输出功率大小连续可调，即用电位器可调节音量大小；

（5）频率响应（fL～fH）；20Hz～20KHz；

（6）输入信号源为低阻话筒（20Ω），输出电压为5mV；

（7）Ri≥20kΩ。

发挥部分：

（1）扩展设计实现其他功能；

（2）能用硬件电路完成全部或部分功能

1.2、课程设计目的

通过本次课程设计所要达到的目的是：

增进自己对模拟集成电路方面所学知识的理解，提高自己在模拟集成电路应用方面的技能，树立严谨的科学作风，培养自身综合运用理论知识解决实际问题的能力。

通过电路设计初步掌握工程设计方法，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法，为后续课程的学习和今后从事的实际工作提供引导性的背景知识，打下必要的基础。

2、D类音频功放的工作原理

D类放大器通常包括PWM级,放大级、输出级3个部分,工作原理如图1所示。

采用PWM技术完成对输入音频信号的调制;PWM级产生的PWM信号用于驱动功放电路（通常为MOSFET桥）,将PWM信号进行放大;输出级为低通滤波器,它将放大的PWM信号解调,同时滤掉高频开关噪声,得到放大的音频信号,驱动扬声器输出。

3、各组成部分的工作原理

3.1、设计原理

音频功率放大器主要由输入级、放大级、输出级三个部分组成。

电路采用TDA2030A集成功率放大电路，具有输出功率大、保护性能完善、外围电路简单、使用方便等优点。

工作范围为±6-±18V。

输入级：

采用电容耦合输入。

用以去掉音频信号中的低频信号，与R1构成高通低频响应。

放大级：

采用TDA2030A集成芯片，输出功率大10W频率响应为10~1400Hz，输出电流峰值最大可达3.5A。

其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠。

TDA2030A功率放大管利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。

经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。

3.2、PWM比较器电路设计

PWM比较器是由前置运算放大器输出信号与三角波信号进行调制的核心电路，其性能直接影响到输出调制信号的准确度，即影响到输出信号的失真度。

图1PWM比较器电路设计

TN5-8为输入级的输入管，三角波信号Vtri和前置运放输出信号Vin分别从两个基极输入，再经由P8、10作为二极管负载输出到P7和P9，然后再由N32、N37、N38、N48、N49和N34、N41、N42、N44、N45构成的Latch结构送到输出级。

采

用三极管做输入管是因为三极管比MOS管更能够抑制闪烁噪声，同时三极管的跨导也比MOS器件大，工艺匹配度也高，因此能够带来较大的匹配性，减小比较器的直流失调，也可提高比较器的直流电压增益。

输入级则采用两级放大形式，负载管均采用二极管连接形式，它与恒流源负载相比，虽然在漏端产生的寄生电容多了一个栅电容，但大小相差不多，但它具有很小的输出阻抗，其在输出端口产生的极点将被推到离原点较远的地方。

输入级采用两级放大结构，可用来提高输入级的增益，提高比较器精度。

输出级由N33、N35~36、N39~40和它们后面的施密特触发器组成。

输出级有很小的负载电容，但要求SR+和SR-相等，且应足够高。

根据电流镜像，PWM比较器输入级的工作电流应该足够大，可以调节比例以将Ibias的电流按比例放大到输入级的恒流源水平，大电流同时能够提高跨导、增大匹配性和直流增益，也能提供高的SR。

要SR+和SR-相等，就要保证电流镜像的精准。

这里可将N34、N41～42同时接到N33、N39～40以减小沟长调制效应，保证P5和N35～36对寄生电容充放电电流相等，从而使得SR+和SR-相等。

施密特触发器的作用是整波，并使输出的方波更加稳定，同时也增大驱动能力，以便驱动下一级输入负载电容较大的电路。

OUT可反馈回N24、N25的栅极，L24是直流偏压的VCC/2，因此，N24～27可形成一个正反馈回路，从而使这个比较器形成迟滞。

3.3防脉冲电路设计

防脉冲电路在整个系统中的作用是防止PWM比较器输出的调制波形被外界因素干扰，从而使调制波形能够在传输到输出过程中保持精准度。

特别是对PWM比较器输出的调制波形。

这种窜扰或其它外部噪音会使调制信号产生误差脉冲信号，这种误差脉冲信号如果传输到输出端，就会增大输出信号的失真。

而设计防脉冲电路恰好可以抑制这种失真。

图2防脉冲电路设计图

L5是与三角波对应的周期性方波信号，当三角波处于上升沿时，L5为高电位，反之，则为低电位。

L7是防脉冲电路的输入端信号，它是PWM比较器输出的调制信号传输过来的，从PWM比较器输出到防脉冲电路，L7的信号在芯片版图中经历了有限距离的信号传输，因而它会受到扰动，其信号波形会随机产生误差脉冲，而无法完全等于PWM比较器输出的调制信号。

OUT是脉冲防止电路最终要输出到输出级的信号，这里要保证OUT完全滤除掉L7的误差脉冲，以使输入到功率输出级的信号与PWM比较器输出的调制信号完全匹配。

4、电路仿真结果

图3电路仿真图

4.1公式计算

R1是音量调节电位计，本电路采用22k电位计

C6是输入耦合电容（C1=1uf）由公式

C=

=1.5uf（公式1-1）

f取10Hz，R=R1/2=10kC=1.6uf实际中采用1uf电解电容。

C8取100uf电解电容，C2取0.1uf陶瓷电容

R4是TDA2030A同相输入端偏置电阻。

R2、R3为反馈网络电阻（R2=R3=R7=100KΩ）。

R6、R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。

该电路闭环增益为

Av=（R6+R5）/R6=（4.7+150）/4.7=30.0（公式1-2）

C1起隔直流作用,以使电路直流为100%负反馈。

静态工作点稳定性好。

D1、D2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030A，实际中采用1N4001二极管。

输出端接上电容C5=0.22uF的陶瓷电容，R7=1Ω串联接地。

4.2原理之推挽电路

图4推挽电路图

4.3如何提高放大器效率

一般的D类放大器为开环系统,通过反馈控制技术可以减小D类放大器失真。

假设放大器开环控制模型如图5所示,谐波失真Vn在传递函数Hff后被引入

开环控制时,输出

假设闭环控制时的反馈增益为G,建立D类放大器闭环控制模型如图6所示,则输出

比较等式2和5可以看出,闭环控制时THD为开环控制时THD的1（1+HfbG）,即闭环控制改善了放大器的THD。

在图6的反馈设计中,可采用求和积分器代替简单的加法器。

由于积分器实质上是一个低通滤器,因此可衰减反馈信号中的高频载波成分,增加低频反馈量,特别是直流成分,从而有效改善零输入时的占空比误差（由于输入信号直流电平与比较器门限电压的差异所形成）。

另外,还可采用电压、电流双环反馈的方案,电流反馈环为内环,电压反馈为外环,电压反馈环为电流反馈环提供参考信号。

这种双环反馈方式可改善放大器带宽,提高放大器效率。

图7功率放大电路图

5、设计结果与分析

5.1音频放大器的优点

本文介绍了一种D类音频功率放大器的设计方法。

该功率放大器采用免滤波的D类放大器结构，内部设有前置运算放大器、三角波振荡器、PWM比较器、防脉冲电路和功率输出电路，同时整个功率放大器可由增益调节电路调节其总闭环电压增益。

该音频功率放大器可提供2W的额定输出功率，且具有总谐波失真较小、输出效率高、应用电源电压范围广等优点，可应用于如MP3、MP4、PDA、笔记本电脑等便携式多媒体电子设备中。

5.2提高放大器的效率

反馈控制、动态补偿控制和单周控制技术主要适用于模拟式D类放大器。

反馈控制和动态补偿控制都可在一定程度上改善放大器的保真度,提高整体效率,但反馈网络的延时特性设计困难,动态补偿控制也同样难以实现主放大器与辅助放大器频率特性的一致,因此控制器设计难度大,整个放大器结构趋于复杂。

而单周控制技术则具有控制方法简单,动态性能好,抗干扰能力强的优点,更适合于D类音频功率放大器。

噪声整形技术、增强采样控制技术和补偿采样控制技术主要适用于数字式D类放大器。

噪声整形技术是减少数字音频信号长度、保持信噪比的有效方法,但过采样会使主开关工作频率很高,从而产生较大的功率损耗,导致放大器效率下降,因此噪声整形技术主要应用于小功率D类放大器中。

增强采样和补偿采样改善了数字式D类放大器的保真度。

增强采样在自然采样和统一采样之间达到优化,但还不能完全消除PWM频谱中的谐波信号和边带信号,放大器保真度会受到影响。

补偿采样实际是模拟了自然采样过程,克服了统一采样的谐波失真,也同样存在边带信号失真。

相比之下,补偿采样比增强采样算法更简单,更易于编程实现,实用性也更强

6、心得体会

总而言之，这一次的课程设计是我做的第一个课程设计，也是第一次自己从设计到原理再到制作和最后的调试都自己独立完成的一次学习体验。

通过这样的一次课程设计，在理论知识方面更好得巩固了相关知识点，同时，通过实践操作弥补了我很多知识上的漏洞，也学到了许多有用的新技能。

而做完整个课程设计后，我意识到严谨、自习、踏实的态度对于我们这一专业学习、实践的重要性。

在今后的学习生活中，我要牢记此次课程设计的教训和收获，不断努力，完善自己。

最重要的是，这样的一次课程设计让我对我们专业的功课和实验、实践有了更大的兴趣。

相信这一兴趣会促使我在专业学习上、实际操作中拥有更大的热情和激情。

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