电子与信息工程毕业论文：高效率音频功率放大器设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计高效率音频功率放大器设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要进入 21 世纪以后，各种便携式的电子设备成为电子设备的一个重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的 MP3 播放器，已经成为近乎人人具备的便携式电子设备。所有这些便携式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由电池供电，都希一望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下，D 类音频放大器被开发出来了。它的最大特点就是能够在保持最低失真的情况下得到最高的效率。本 文 设 计 的 是 传 统

2、的 D 类 功 放 的 调 制 结 构 ， D 类放大器包括脉宽调制器和输出级。在本文里，分析了输出级的工作原理，并且提出了新的输出级结构，它是简单且有效的。并对放大器的各个模块的 设 计 ， 包 括 输 入 级 设 计 、 中 间 放 大 级 设 计 、 输 出 级 设 计 、 短 路 保 护 电路 、 信 号 转 换 电 路 、 功 率 显 示 电 路 、 音 量 显 示 电 路 等 。本 文 首 先 介 绍 了 功 率 放 大 器 的 分 类 和 工 作 原 理 ， 音 响 放 大 器 的 性 能 指 标 和 结 构 ， 再 具体 介 绍 D 类 功 率 放 大 器 的 工 作 原 理

3、。 通 过 对 D 类 功 放 的 工 作 原 理 的 分 析 ， 完 成 了 对 D 类 音频 功 率 放 大 的 各 个 模 块 的 设 计 。关 键 字 ： D 类 功 率 放 大 器 ； 脉 宽 调 制 ； 功 率 输 入 级 ； 功 率 输 出 级IIAbstractIn the 21st century, a variety of portable electronic devices become an important electronic equipment trends. From mobile phones as a communication tool, to ent

4、ertainment devices as MP3 players, has become available in almost all portable electronic devices. All of these portable electronic devices in common is that all audio output, that is, we need to have an audio amplifier; Another feature is that they are battery powered, have a look hope to have a lo

5、nger life. Is in the context of this demand, D audio amplifier is developed. Its greatest feature is the ability to maintain a minimum distortion in the case of the highest efficiency.This design is the traditional class D amplifier modulation structure, D amplifier including pulse-width modulator a

6、nd output stage. In this paper, the analysis of the output stage works, and made a new output class structure, it is simple and effective. Each module and amplifier design, including the input stage design, the middle zoom level design, the output level design, short circuit protection circuitry, si

7、gnal conversion circuit, the power display circuit, the volume display circuit.This paper introduces the working principle of the classification and power amplifier, audio amplifier performance and structure, more specific description D power amplifier works. Class D amplifier through the analysis o

8、f works completed Class D audio power amplifier for each module.Keywords: Class D Power Amplifier; Pulse width modulation; Power input stage; Power output stageIII目 录前言 .1第 1 章 音频功率放大器简介 .31.1 音频功率放大器的发展历程 .31.2 音频功率放大器的工作方式分类 .41.2.1 A 类功放 .41.2.2 B 类功放 .61.2.3 AB 类功放 .71.2.4 C 类功放 .91.2.5 D 类功放 .1

9、01.2.6 G 类功放 .101.2.7 S 类功放 .11第 2 章 音频功率放大器的性能指标及结构 .132.1 功率效率 .132.2 失真 .132.3 EMI 问题 .142.4 信噪比 .152.5 电源纹波抑制比（PSRR） .152.6 差动式放大器 .15第 3 章 D 类功率放大器的工作原理 .193.1 D 类放大器的特点 .193.2 D 类音频放大器工作原理 .19第 4 章 高效率 D 类功率放大器设计 .234.1 系统的输入设计 .234.2 中间电压放大级设计 .254.2.1 前置放大电路 .254.2.2 脉宽调制电路 .25IV4.2.3 驱动电路 .

10、274.3 输出级设计 .274.4 短路保护电路 .284.5 信号转换电路 .294.6 功率显示设计 .304.7 音量显示电路 .31结 论 .32致 谢 .33参考文献 .341前言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，

11、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，己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

12、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

13、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管(MOSFET)的出现，其

14、开关特性很好，一工作效率高，开关速度快，管压降小，功耗低，适合用于 D 类音频功率放大器的研究开发。近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的 MOSFET 也已用得很普遍，该管开关特性、导通饱和压降和截止漏电流特性都大大改善，应用到音频开关放大器上，能大大提高其可靠性和保真度。故 D 类放大器在便携式设备上的应用具有一很大的优势，受到许多开发商的青睐。有关 D 类功放的理论提出已有近半个世纪。在 1970 年，MOSFET 出现后才投入实际性开发。早期的主要缺点是失真度高，后来在控制芯片和功率器件模块化后性能有所提高，才2得以投放市场。全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频设备节能环保的要求，

15、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。D 类音频功率放大器符合上述要求。历史上出现过三代 D 类放大器设计：第一代是由托卡塔设计的 TacTMillennium ，证实了 D 类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代 D 类放大器向着实用性的方向发展。第二代 D 类放大器把一个用于模拟源信号的 PWM(脉冲宽度调制 )信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功

16、耗性能上接近甚至超过了 AB 类放大器，从而获得了一定的应用。第三代是最近一段时间，现有的 D 类数字放大器较以前的技术已有所改善，他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。最后还不能忽视新的架构技术。国内，由于起步较晚，到 2004，2005 年才有几家公司开始 D 类音频功率放大器芯片的研发，现在龙鼎微电子、埃派克森微电子等少数几家 IC 设

17、计公司已经在中小功率特别是 20 W 以下的功率段有产品面向市场。很多集成电路设计公司己经意识到消费类产品 AB 类功放向 D 类功放转型的趋势，并加入到 D 类功放的研究开发中。加速该类产品的自主研发是国内IC 设计行业发展的大势所趋。3第 1 章 音频功率放大器简介1.1 音频功率放大器的发展历程几十年来在音频领域中，A 类、 B 类、AB 类音频功率放大器一直占据重要地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路的过程；电路组成从单管到推挽的过程；电路形式从变压器输出到 OTL，OCL， BTL 形式的过程。其基本类型是模拟音频功率放大器，它最大的缺点是效率太低。模拟

18、功放是以线性放大为基础，功率放大器件有电子管和晶体管两种。按功放静态工作点的设置可分为 A 类功放，B 类功放和 AB 类功放等。A 类功放的失真最小，音质好，但电源的转换效率最低，器件的发热量大，生产成本高，一般用于输出功率较小的 Hi-FI 发烧级功放。B 类功放的失真比 A 类大些，尤其是在小信号放大时(1/100 输出功率)音质一般用于输出功率大的专业功放。AB 类功放的特点介于 A 类和B 类之间，多用于家庭影院的 AV 功放。A 类音频功率放大器的最高工作效率为 50% ， B类音频功率放大器的最高工作效率为 78.5%， AB 类音频功率放大器的工作效率介于二者之间。无论 A 类

19、、B 类或 AB 类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定功率时，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。电子管由于它的转换速率高(影响高音品质的参数) ，工作可靠，偶次谐波失真小 (听觉对偶次谐波失真特别敏感)，音质好等因素，一直被人们宠爱，但缺点是电源利用率极低，电子管 A 类放大的效率不到 10%，C 类为 15%17% ，大部分电能变为热量耗散掉。由于耗电大，发热高，体积和重量大，耗材多，成本高等缺点，在专业音响系统中己被晶体管所替代。晶体管功放的最大优点是电源转换效率高(C 类功放最大可达 55%)，体积小，重量轻，发热量不大，生产成本低，缺点是转换速

20、率低，偶次谐波失真较大，音质和可靠性指标都略逊于电子管功放。随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国 CROWN 公司的 MA-SOOOVZA 功放，其最大输出功率可达 4000W/8SZ（桥接，单通道） ；完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作，使得生产者可作三年免维护的保证，插入可编程的输入处理模块 USP3，可对 12000 台功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高，可与电子管功放媲美。晶体管功放具有许多宝

21、贵优点，它的失真低于万分之一，但其音质听觉效率总不如电子管功放那么逼真，细腻，尤其是在表现瞬态变化快而清脆的打击乐，弦乐和浑厚回荡的钢琴曲方面感觉最明显。20 世纪 80 年代初，欧洲有些专业公司开始研究晶体管功放与电子管功放之间的性能差异及解决办法。电子管是一种电压控制器件，需要的控制功率极微，开关速率很快。晶体管是一种电流控制器件，需有较大的控制电流，转换速率较慢，这是最基本的差别。80 年代中期欧洲首先推出了采用 MOSFET 音频场效应管的功放，MOSFET 具有晶体管的基本优点。但使用不久后发现这种功放的可靠性不高( 无法进行外电路保护) ，开关速度提高得不多和最大输出功率仅为 15

22、0W/8S2 等。90 年代初， MOSFET 的制造技术有了很大突4破，出现了一种高速 MOSFET 大功率开关场效应晶体管。西班牙艺格公司(ECLER)经多年研究，攻克了非破坏性保护系统的 SPM 专利技术，推出了集电子管功放和晶体管功放两者优点结合的第三代功放产品，在欧洲市场上获得了认可，并逐步在世界上得到了应用。第三代MOSFET 功放的中频和高频音质接近电子管功放，但低频的柔和度比晶体管功放差一些，此外 MOSFET 开关场效应晶体管容易被输出和输入过载损坏。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为热能，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。因此，模拟

23、音频功率放大器效率低，所需散热器大，笨重，不符合当前节能环保的要求。为了提高音频功率放大器的效率，科学技术人员做了大量的研究试验工作。早些时候人们己经论证了 D 类音频功率放大器的存在。数字功放的概念早在 20 世纪 60 年代就有人提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1983年，M.B.Sandler 等学者提出了 D 类放大的 PCM(脉码调制) 数字功放的基本结构。主要技术要点是如何把 PCM 信号变成 PWM 信号。美国 Tripass 公司设计了改进的 D 类数字功放，取名为“T ”类功放。1999 年意大利 Powersoft 公司推出了数字功放的商业产品，从此，第四代音

24、频功率放大器数字功放进入了工程应用领域，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放。1.2 音频功率放大器的工作方式分类1.2.1 A 类功放A 类放大器也称为甲类放大器，静态工作点选在负载线的中间，在输入信号的整个周期内电流连续地流过所有输出器件，工作期间不产生开关失真和交越失真，处于良好的线性工作状态。但电路效率较低，功率输出管的发热量很大，电路的安全性和可靠性设计存在问题。在理想情况下，A 类放大电路的效率最高只能达到 50%。当然，这类放大器只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种优质的线性放大器，具有良好的声音表现能力。A 类放大器结构可称为压

25、控电流源模型 (VCCS:Voltage Source)，本质上是一个单独的源极跟随器。简化电路图如图 1.1 所示。5图 1.1 A 类放大器原理图A 类放大器的工作偏置点如图 1.2 所示，在一个完整的信号周期中，A 类放大器的功率晶体管一直处于线性放大状态，即导通角 (在一个信号周期内，导通角度的一半定义为导通角) 。A 类放大器的偏置电流 大于输入电流，Q 点( 静态偏置点) 处于负载线的中心。I输出负载的平均功率 为：LP（1-LPRV211）电源输入功率为：（1-QCSIV22）工作效率 为： （1-%1041%0CPLQSLVRIP3）图 1.2 A 类放大器的固定偏置点又上式可

26、见，当 且 时，A 类放大器具有最大工作效率，为 25%。CPVLQPRI由于 A 类放大器效率较低，在实际应用中，当输入信号功率大于 1W 时，一般不采用 A 类放大器。A 类放大器的优点是线性度最好，失真最小。A 类功放输出级中两个(或两组)晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无信号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流电在最大信号情况下流入负载。当无信号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当信号趋向正极时，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。A 类功放的工作方式具有最佳的线性度，每个输出晶体管均放大信号全波，完全不存在交越失真(Switching Distortion)，即使不使用负反馈，它的开环失真仍十分低，因