基于Pspice的高效率音频功率放大器设计与仿真【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 Pspice 的高效率音频功率放大器设计与仿真 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 D类音频功率放大器具有高效率，低失真等优点。高效率会带来很多的好处，例如延长电池使用时间，发热低， 这些优点使其多媒体设备上具有广阔的发展前景。在便携设备中具有 广泛应用 。 与体积庞大的传统线性放大器相比，使用 D类放大器并不影响音质却能够实现产品的小型化，因此市场对电子产品薄型化、便携式的需求趋势造就了传统放大器向数字放大器的转化。 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数字信

2、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 的 音频功率放大器，也称为开关放大器。 本文采用的 D 类功放主要由脉宽度调制器、开关放大器和低通滤波 器等三部分组成，并运用 PSPICE 软件实现 D 类功放的仿真调试。 关键词： D 类音频功率放大器，效率，应用，便携设备 - 2 - Abstract Class D audio power amplifier has advantages such as high efficiency, low distortion. Efficiency wil

3、l bring many benefits, such as battery life, low fever, these advantages make multi-media devices have broad prospects for development. In the portable device has a wide range of applications. Compared with the huge traditional linear amplifiers, the use of Class D amplifier does not affect the soun

4、d quality, but was able to achieve product miniaturization, so the market for the demand for electronic products to be thin, portable created traditional amplifiers into digital amplifiers. Class D amplifier (digital audio power) is a kind of audio power amplifier that turned the input analog audio

5、signal or PCM digital information into the (pulse width modulation) or PDM (pulse density modulation) pulse signal, and then use PWM or PDM pulse signal to control a large Power switch devices on / off, also known as switching amplifiers. Class D power amplifier used in this paper mainly composed by

6、 the pulse width modulator, switching amplifiers and low pass filter of three parts, and use PSPICE software to achieve simulation and debugging of Class D amplifier. Key words: D audio power amplifier, efficiency, applications, portable devices - 3 - 目 录 1 引言 . 1 2 总体设计 . 4 2.1 课题研究的主要内容和预期目标 . 4 2

7、.2 方案论证与比较 . 4 3 具体电路设计 . 8 3.1 前置放大器 . 8 3.2 三角波产生器 . 9 3.3 脉宽调制器 . 10 3.4 驱动电路 . 11 3.5H 桥互补对称输出、低通滤波电路 . 12 3.6 系统整体电路 . 12 4 电路仿真调试 . 14 4.1 前置放大器 . 14 4.2 三角波产生器 . 15 4.3 脉宽调制器 . 15 4.4 驱动电路 . 17 4.5H 桥互补对称输出、低通滤波电路 . 18 6 结论 . 20 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 21 - 1 - 1 引言 音频放大器出现已经快有一个世纪了， 广泛应用于家庭影

8、院、音响系统、立体声唱机、伺服放大器等电子系统中。 近几年，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展。 人们在追求高保真度音频功放的同时 ,也希望功放有大的输出功率和高效率。因此，设计一种失真度小 ,输出功率大 ,效率高的音频功放也有很重要的现实意义。 音质好、电源效率高、发热少的 D类放大器成为市场的需求。并且由于 D类放大器的耗电低、发热少等诸多特点，越来越得到日益强调环保的市场的认同。同 时，便携电子设备的工作时间一直是厂商全力追求的最重要的性能指标，新的无滤波器 D类放大器在几瓦特的功率级别上正在取代原先固定的 AB类器件。与体积庞大的传统线性放大器相比，使用 D类放大器并不影响音频信号的

9、音质却能够实现便携产品的小型化，因此市场对电子产品薄型化、便携式的需求趋势造就了传统放大器向数字放大器的转化。 功率放大器通常按照其工作状态分为五类，即 A类、 B类、 AB类、 C类和 D类。 A 类放大器的主要特点是：放大器的工作点 Q 设定在负载线的中点附近 ,晶体管在输入信号的整个周期内均导通，换言之，总有偏置电流流过输 出器件。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的线性范围内，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，功率的理论最大值仅有 25，且有较大的非线性失真。由于效率比较低现在设计基本上不再使用。 B类放大器的主要特点是：

10、放大器的静态点在 (VCC， 0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在 Vi的正半周期内， Q1导通 Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当 Vi为负半波正弦波 (如图虚线部分所示 )，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高 (78%)，但是因放大器 有一段工作在非线性区域内，故其缺点是 “ 交越失真 ” 较大。即当信号在 -0.6V 0.6V之间时， Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。 AB 类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

11、 AB 类放大器结合了上述两种放大器的优点，也- 2 - 是目前普遍采用的一类功率放大器。其所用的两个器件可以同时导通，但在交越点仅有导通较短时间。因此每个器件导通时间多于半个周期，但又少于整个周期，克服了 B类放大器的非线性失真问题和 A 类放大器效率低的缺点。 A B 类放大器的效率可达到 50。 C类 (丙类 )放大器，是指器件导通时间小于 50的工作类别。这类放 大器，一般用于射频放大 。 C 类放大器的导通角小于 90 度，即功率管工作时间小于半个周期，功率管在每个周期中导通一定时间，而不是半周期工作。 C 类放大器的工作效率高于 A 类和 B 类放大器。它是一种用谐振系统作为匹配网

12、络的非线性功率放大器，一般用于对失真度要求不高或调谐输出的场合。例如无线发射机中，用 C 类放大器对载波信号或高频己调波信号进行功率放大。 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。 D 类放大或数字式放大器利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的，所以 D类放大器 具有效率高的突出优点 。 前四种属于线性功率放大器， D类属于非线性功率放大器。 D类音频功放不同于 A类、 B类和 AB类工作方

13、式，它采用切换电压方式利用 PWM信号控制导通时间以放大信号。该类放大器输出级的工作状态在完全导通和完全截止两状态 间转换，因此输出器件的功耗很小。由于 D类功放利用晶体管快速切换的开关特性，以开关方式把模拟音频信号进行脉宽调制，使其效率远高于其他类功率放大器。 D类功放的最大优势在于其电源功率转换效率，理论上可以达到 100%。与 AB类放大器相比， D类放大器需要更小的电源电流，因此具有更长的电源使用时间或者更低的电源使用成本 ;另外， D类放大器更低的发热量使得更小的封装成为一可能，同时去掉了 AB类放大器中所使用的降温设备。基于这两个优点，对于消费类电子来说， D类功率放大器的高效率成

14、为最好的选择。 除了高效率外， D类放大器还具有 大功率、低失真的优点。虽然其他种类的模拟功率放大器也可以通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但却不能同时获得大功率和高效率。工作在开关状态下的 D类功率放大器却很容易实现大功率，高效率，低失真。 - 3 - D类放大器是在 1958年由泰勒提出的，当时它的提出是为了被应用于振荡电路。与前四类功率放大器相比较， D类功率放大器的特点是，输出级 MOS管工作于相继开关状态，这对功率放大器效率有极大提高。 D类功率放大器是一项意义深远的创新技术，具有广阔的发展前景，并对消费电子产生巨大的冲击作用， D类功放在音频 和非音频领域

15、都具有广泛的应用。如便携式 DVD播放机、 mp4播放器、Av接收机、便携式电视机、手机、等离子显示器、汽车音响、 PC机、 PDA、 CD耳机、收录机，以及专业音频设备等。与其他几类功放相比， D类功放在获得更高的效率可以降低芯片尺寸，所以在便携式音频设备中有着重要的地位。统计表明，D类放大器目前以每年超过 50%的速度在迅猛增长。 D类放大器在过去的几代产品中，已经得到了巨大的发展，系统设计者极大地改善了系统的耐用性，并提高了其音频质量。实际上，对大多数应用者而言，使用这些放大器所带来的好处已经远远超过了 它们的不足。在传统 D 类放大器中，用控制器将模拟或数字音频信号在被集成到功率后端设

16、备中的功率 MOSFET管放大之前，转换成 PWM 信号。这些放大器效率很高，使用很小的散热器或根本不需要散热器，且降低了对电源输出功率的要求。然而，与传统的放大器相比，它们本身也存在固有的成本、性能和 EMI 方面的问题，解决这些问题就是 D 类放大器的发展新趋势，其中包括：（ 1）降低 EMI（ 2）改善音频质量（ 3）降低系统成本（ 4）电源反馈。 - 4 - 2 总体设计 2.1 课题研究的主要内容和预期目标 设计任务 ： 设计一个高效率音频功率放 大器。 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 8 设计 要求： （ 1）通频带为 300 3400Hz，

17、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 （ 4）在输出功率为 500mW 时测量功率放大器的效率 50% 预期目标：完成硬件设计及基于 Pspice 的仿真。 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。 图 2-1 D 类功放系统框图 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

18、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- 5 - 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 2-2 脉宽调制电路 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。 方案二：采用图 2-2所示方式来实现。 最简单的只需用一只运放 LM311构成比较器即可完成。输入原始音频信号和一个三角形波信号，通过比较器 ， 输

19、出矩形波。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为 PWM（ Pulse Width Modulation脉宽调制）或 PDM（ Pulse Duration Modulation脉冲持续时间调制）波形。音频信息被调制到脉冲波形中。 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。 高速开关电路 a. 输出方式 方案一：选用推挽单端输出方式 (电路如图 2-3 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。 - 6 -

20、 图 2-3 高速开关电路 方案二：选用 H桥型输出方式 (电路如图 2-4 所示 )。此方式 可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。在 +5V 的单电源供电情况下， H 型桥式电路负载上电压峰峰 值接近电源电压的 2 倍。电路工作原理为：当 M1、 M4 同时导通时， M2、 M3 同时截止，此时加在负载上的电压降 VA =VB ；当 M2、 M3 同时导通时， M1、 M4同时截止，此时加在负载上的电压降 VA =-VB ，因此，负载上的电压降可达到 2倍的电源电压。由于电路中含有 LC 无源滤波电路，故实际加在负载上的压降略小于 2 倍的电源电压。 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 2-4 高速开关电路