1、1毕业设计开题报告电气工程与自动化D类高效率音频功率放大器设计一、选题的背景与意义随着微电子制造技术的不断发展，电子产品正向着薄型化、便携式迅速发展，人们对音频功放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，对音频功放要求高效、节能、发热少、体积小、便于集成。普通功放电路复杂，体积较大；而且效率较低，输出功率不可能做的很大。而D类功放工作于开关状态，理论效率可达100，实际运用时也可达到较高的效率。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可大大减小散热器的尺寸；功率MOS管有自保护电路，可大大简化保护电路，而且不会引人非线性失真；这样就可以极大地降低能源损耗，降低放
2、大器的体积。所以D类音频功放越来越受到人们的重视，正越来越多地被用在移动电话、PDA及其他类似便携式应用中，以取代AB类放大器。由于D类音频功率放大器具有更高的效率，这使得采用D类音频功率放大器可延长电池供电中断产品的工作时间，并产生更少的热量，从而解决设备的散热问题。近年来国际上加进了对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。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容1、话筒。主要用于将声音信号转化为电信号，以便后
3、续装置处理。2、前置放大模块。由话筒输入的信号一般都比较微小，为了能够与三角波进行比较，必须对信号进行放大，拟采用运放对输入信号进行放大。3、带通滤波模块。输入的音频信号难免会有干扰，为了去除干扰，需要对音频信号进行滤波。本设计采用有源滤波器滤除低频和高频干扰，实现对输入输出的隔离。24、三角波产生模块。系统需要使用三角波作为载波，对音频信号进行调制，根据奈奎斯特采样定理，产生的三角波的频率至少为基波最高频率的2倍，为了后级滤波的方便，载波的频率应尽可能大。5、PWM信号产生模块。系统需要用PWM信号来控制后续的功率放大模块。本设计拟采用比较器对处理后的音频信号和三角波进行比较来产生PWM控制
4、信号。6、功率放大模块。功率放大模块是由驱动电路和MOS管构成的H桥组成，由产生的PWM信号对其进行控制。拟解决的主要问题1、SPWM调制模块调制波形。2、功率放大模块的过流和过压保护。研究的方法与技术路线前置放大电路带通滤波电路话筒PWM调制电路驱动电路功率放大电路LC低通滤波喇叭1信号预处理话筒能够将声音信号转化为能够被处理的电信号，音频信号隔直后经过由运放LF353构成的单极性两级反向比例放大环节放大，由于人说话的频率在20HZ20KHZ之间，所以将放大后的信号通过巴特沃斯二阶有源滤波器滤除200HZ以下及20KHZ以上的干扰。2信号调制音频信号3ICL8083是一块高度集成的波形发生芯
5、片，拟采用这块芯片产生频率较高，能够满足要求的三角波作为载波。将作为载波的三角波与音频信号通过比较器进行调制，产生用于控制的PWM波，至此完成信号的调制部分。3功率放大功率放大模块由驱动电路和H桥组成，驱动电路采用IR2110。任意时刻，功率管不能同时导通，但由于功率管有个开启和关断的过程，在过渡过程中，必然有一瞬间，一个管子没有完全关断，另一个管子已经开始导通。此时，就有很大的电压和电流加在两个功率管，功耗非常大，器件温度升高很快，常常会烧坏管子，安全受到威胁，可靠性降低。因此，功率管需要一定的死去时间，IR2110能够提供一定的死区时间。本设计拟在输出端采用两个对称的巴特沃斯4阶低通滤波器
6、，在保证20KHZ4频带的前提下使负载上的高频载波电源得到充分衰减。三、研究的总体安排与进度12010年11月19日2010年12月31日在广泛查阅资料的基础上，完善课题研究方案，完成外文翻译、文献综述和开题报告等工作。22011年02月01日2011年3月15日确定系统总体方案，进行硬件电路的设计、制作与调试。32011年03月16日2011年03月31日进行整个系统的调试。42011年04月01日2011年04月30日设计任务结果的处理与分析等，完成毕业设计说明书或论文写作，进行毕业设计（论文）的审阅和修改完善。四、主要参考文献1童诗白，华成英模拟电子设计基础第三版M北京高等教育出版社，2
7、00112王兆安，黄俊电力电子技术【M】北京机械工业出版社，20083高吉祥全国大学生电子设计竞赛培训系列教程，模拟电子线路设计M电子工业出版社，2007054DOUGLASSELF著，薛国雄译音频功率放大器设计手册第四版M北京人民邮电出版社，2009105陈华编著，音频技术及应用M，西南交通大学出版社，成都20076段九州，王志新主编最新电子电路大全M中国计量出版社北京20087（日）小柴典居著白玉林译，放大电路设计科学出版社北京20008徐婷婷，浅谈D类音频放大器，信息与电脑（理论版）J，201049ERICGAALAAS,D类音频放大器设计概念、原理和方法，电子产品世界J,2006910
8、陈劲松，PWM技术在音频放大器中的应用，湖北汽车工业学院学报，2003年03期11AUDIOPOWERAMPLIFIERDESIGNHANDBOOKM,ENGLISHDOUGLASSEL,NEWMES2007512MUHAMMADHRASHIDPOWERELECTRONICS【M】POSTSPULSEWIDTHMOUNTAINEFFICIENCY12目录题目（中文）D类高效率音频功率放大器设计10摘要10DESIGNOFHIGHEFFICIENCYCLASSDAUDIOAMPLIFIERS错误未定义书签。ABSTRACT错误未定义书签。目录121绪论111音频功率放大器的发展112音频功率放大
9、电路分类1121A类功率放大电路1122B类功率放大电路2123AB类功率放大电路3124C类功率放大电路4125D类功率放大电路513D类音频功率放大器综述5131D类音频功率放大器的前景5132D类功率放大器的研究现状614本文研究主要内容62系统设计821系统总体框架822辅助电源设计823驻极体话筒824信号放大电路设计925滤波电路设计1026PWM调制电路12261PWM技术简介1213262PWM调制电路的谐波分析13263载波的选择14264载波信号的产生14265比较电路1627功率放大模块1728LC低通滤波电路1829保护电路设计193系统测试2031测试仪器2032前置
10、放大电路测试2033带通滤波器测试2034通频带测试2035最大不失真输出功率测试2036效率测试2137交流噪声测试2138结论214总结22参考文献23致谢错误未定义书签。附录241绪论11音频功率放大器的发展如今，音频功率放大器已经深入到人们生活的方方面面，我们随处可以看到它们的身影。经过人们几十年来的不断改进与创新，音频功放技术也越来越成熟，其发展主要体现在线路技术与元器件方面，这两方面又相得益彰，共同促进了音频功放不断地走向成熟。新技术的出现往往与元器件的革命息息相关。1906年10月25日，美国科学家德福宙斯特发明了真空三极管，这一器件的出现激发了人们研究音频技术的热情，各种音响技
11、术层出不穷。但这时的音响在失真方面不尽人意，直到后来贝尔实验室于1927年发明了负反馈技术之后，音频功放的发展才迎来了又一个春天。负反馈技术的应用使得放大器的失真显著降低，声音变得甜美、圆润。20世纪60年代晶体管的问世，是微电子革命的一个里程碑，也使得音频技术进入了一个更加广阔的天地。早期的锗晶体管由于工艺上的原因，使得以它为元器件制作的音频功放频率响应狭窄，在加上其耐压、电流、功耗方面的相互制约，不得不采用变压器耦合输出的功放在谐波失真方面得不到较好的抑制，这造成音质方面不尽人意。到了60年代末期，随着半导体技术的逐渐成熟、大功率硅管的逐渐商品化，无输出变压器的OCL或OTL电路对称性变好
12、，谐波失真得到抑制，音质方面得到了质的飞跃，其声音具有频率响应宽阔，层次细腻的特点，晶体管功放首次在数量上超过了早期的电子管功放。到后来瞬态互调失真等理论的进一步提出，使得晶体管功放不断地得到发展。到了70年代，场效应管的问世又促进了音频功率放大器的发展，数字音响技术开始出现在人们的视野之中。这类功放通过控制场效应管的开关来控制扬声器，在效率方面有着其他类型的功放难以比拟的优势。如今，人们对低碳生活的追求，绿色革命的狂潮使得这种高效率功放更加符合市场需求，对它的研究成为目前的热门课题1。12音频功率放大电路分类在很多情况下，往往需要放大电路的输出级能够输出足够大的功率来带动负载，能够向负载提供
13、足够信号功率的放大电路则被称为功率放大电路，简称功放。功放的主要技术指标为最大输出功率和转换效率，此外还要求其非线性失真要小，否则其他参数将失去意义。对于使用晶体管的放大器，按照在放大信号是的信号工作状态和三极管静态电流大小划分一般分为四种类型一是A类放大器电路，二是B类放大器电路，三是AB类放大器电路，四是C类放大器电路；此外还有使用场效应管来控制电路开关的D类放大器电路2。121A类功率放大电路A类放大器是给放大管加上合适的静态偏置电流，这样就可以用一只三极管同时放大信号的正半周和负半周，在工作期间不会产生开关失真以及交越失真，线性度良好。但是A类宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论
14、文）2功放的电路效率比较低，功率输出管发热量很大，电路在安全性和可靠性设计方面存在问题。在理想的情况下，A类功率放大电路的最高效率只有50在功放输出级的放大电路中，A类放大器功放管的静态工作电流设置的比较大，要设置在放大区的中间，以便于给信号正、负半周提供相同的线性范围，这样当信号的幅度太大时超出了放大管的线性工作区域，信号正半周进入三极管的饱和区而被削顶，信号负半周进入三极管的截止区而被削顶，此时对信号的正半周和负半周的削顶量就会相同。A类放大器的主要特点如下1在音响系统之中，A类功率放大器的音质是最好的。由于信号的正半周和负半周仅使用一只三极管来进行放大，信号的非线性失真就变得很小，这使得
15、它提供的音质非常平滑，音色给人以圆润温暖的感觉，这是A类功率放大器的最主要优点。2信号的正半周、负半周使用同一只三极管进行放大，使放大器的输出功率受到了一定限制，即在一般情况之下A类放大器输出功率不可能做得很大。图121A类放大器原理图122B类功率放大电路所谓B类放大器就是用两只性能对称的三极管来分别放大音频信号的正半周和负半周，这样三极管的导通时间就由A类功放的整个周期变为了半个周期，然后正、负半周再经由放大器的负载将正、负半周的信号合成一个完整的周期信号。这样的话在没有信号输入时，放大器的功率损耗就降为零，当输入信号变大时，电源供给功率随之增大，电源的供给功率以及管耗都会随着输出功率改变
16、，改善了A类放大器效率低的状况。但是B类放大器没有给功放输出管加入静态电流，在两个三极管交替工作时会产生交越宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）3失真，使得声音变得粗糙，对音质产生严重的破坏。所以，B类放大器电路一般是不能用在音频功率放大器电路之中的。图122B类放大器原理图123AB类功率放大电路为了克服B类功放的交越失真问题，必须使输入信号能够避开三极管的截止区域，于是AB类功放应运而生。AB类放大器可以看成A类功放和B类功放的折中。它给三极管加入了一个很小的静态偏置电流，使得输入信号“骑”在这个很小的静态偏置电流上，这样就可以避开三极管的截止区域，防止信号的交越失真。AB类放大
17、器电路的主要特点如下1这种放大器介于A类和B类放大器之间，但更接近于B类放大器电路，也是使用两只三极管分别用于放大输入信号的正半周和负半周，但由于给两只三极管加入了很小的静态偏置电流，使得每个晶体管的工作时间大于半个周期但是又小于一个周期，导通角度在90度到180度之间。大部分时间内只有一个三极管工作，在交越点附近，两个三极管同时工作。2由于三极管所加的静态直流偏置电流非常小，所以在无输入信号时放大器对电源功率的消耗比较小比起A类放大器要小得多，这样就具备了B类放大器的省电优点，同时又因为加入了偏置电流，使AB类放大器避开了三极管的截止区域，克服了对信号产生的交越失真。所以，总体来说AB类放大
18、器同时具备了A类放大器和B类放大器的优点，又克服了这两类放大器存在的缺点。正是因为AB类放大器不存在交越失真，又同时具备了输出功率宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）4大和省电等优点，所以才会被广泛地应用在音频功率放大器电路中。图123AB类放大器原理图124C类功率放大电路C类放大器的原理如图124所示，其中RL为负载，电感L和电容C构成匹配网络，它们和负载一起组成了并联的谐振回路3。在C类功放之中，栅极的偏压使晶体管在小于半个周期的时间内导通。因此，漏极的电流是由周期性的一系列脉冲构成。当驱动信号足够强的时候，晶体管进入饱和状态，输出级输出与输入信号相同频率的脉冲信号，晶体管则以
19、信号的频率对电源的导通和关断进行控制，输出的信号相对于输入的信号会产生相当严重的失真，因为输出级的信号之中包含了输入信号中的很多谐波成分，必须对输出信号进行滤波，从中分离出信号的输入频率。C类功放是一种失真非常高的功放，只适合在通讯用途上使用，不适用于汽车音响。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）5图124C类放大器原理图125D类功率放大电路D类功放则是指D类音频功率放大器（有时也被称为数字功放）。D类放大器理论的首次提出是在1958年，近些年来已逐渐流行起来。与一般的线性AB类功放电路相比，D类功放具有效率高、体积小等特点。D类功放是指放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。在没
20、有信号输入时，放大器处于截止状态，不消耗电能。工作的时候，靠输入信号使晶体管进入到饱和状态，晶体管的作用相当于一个接通的开关，把电源与负载连接起来。理想状态下的晶体管由于没有饱和压降而不耗电，但是实际上晶体管总会存在很小的饱和压降而消耗一部分电能。这种耗电只与充当开关的管子的特性相关，而和输出信号的大小无关，所以很适合超大功率的场合。在理想情况下，D类功放的效率能达到100。13D类音频功率放大器综述131D类音频功率放大器的前景随着半导体和微电子制造技术的发展，高速大功率器件也越来越多，电子产品朝着薄型化、便携式的方向发展，人们对音频功放的期望趋于高效、节能以及小型化5。由于便携式设备受电池
21、容量、体积和散热限制，对音频功放要求高效、节能、体积小。普通功放产热大，散热问题不易解决。这方面D类功放有着极大的优势。D类功放工作在开关状态，作为控制元件的场效应管本身功耗低，功放的效率就很高，理论上可以达到100，这就极大地降低了损耗，也减小了散热器的体积，使得产品的体积可以做的较小。因此D类功放越来越受到重视，被越来越多的应用在手机、MP3、宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）6MP4、车载音响、DVD、笔记本电脑等便携式产品之中。由于人们对“低碳”生活越来越推崇，国际上近些年来与加紧了对D类功放的研发，D类功放凭借其高效、节能、数字化的特点，引起了各个领域的关注。不久的将来，
22、D类功放极有可能取代传统的模拟音频功放。以前由于晶体管的开关特性较差，不能满足D类功放的要求，因此对D类功法的研发有一定的难度，研发多停留在理论上。伴随着场效应管的出现，其良好的开关特性，使得D类功放的研发进入了一个春天。最近几年，工控快速低压控制大电流的场效应管的使用变得普遍，该管在导通饱和压降、开关特性和截止电流特性等性能都得到很大改善，大大提高了D类功放的可靠性和保真度。因此，D类功放在便携式设备方面的应用有着极大的优势，受到市场的青睐。132D类功率放大器的研究现状关于D类功放理论的提出已经有半个多世纪。MOSFET的普遍应用使得D类功放投入到了实际性的开发，早期D类功法的主要缺点是失
23、真度较高。后来由于控制芯片以及功率器件得以模块化使得其性能有了较大的提高，才得以进入市场。音频领域数字化的潮流和人们对音频设备环保节能的要求，增大了人们对于高效、节能、数字化的功放的研究热情。D类功放在效率和数字化方面的特点符合了人们的要求。从D类功放理论的提出到现在一共出现过三代D类功放的设计6第一代功放是由托卡塔设计的TACTMILLENNIUM，这一设计证实了D类功放的可行性，但是这一技术在性能方面还不尽人意。第二代D类功放把脉冲宽度调制信号和一个输出级以及滤波器集合在一起。这些放大器要求源选择，平衡和音调控制等一系列复杂的前端功能，这就增加了电路的复杂性。但是由于其在低功耗方面接近甚至
24、超过了AB类功放，而且价格方面变得可以接受，从而获得了一定的应用。第三代D类功放与以前相比在技术方面有了很大的改善，在音质、性能、封装方面都取得了重大进展。为了音频的精确，输入晶体管要在动态范围内的两端都能够同样工作出色，以帮助精确实现准确的功率分配。通过一个简单但拥有强大功能的内部控制逻辑系统来改善音频的输出，并且额外增加了一套输入晶体管，这些可以实现对音频信号输入更精细的控制。14本文研究主要内容拟采用D类音频功率放大电路设计并制作一个单通道的D类音频功率放大器，要求其1最大不失真输出功率1W；23DB通频带为20HZ20KHZ，输出正弦信号无明显失真。3在额定功率下和BW内的非线性失真系
25、数5。4在额定功率下的效率75；宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）75在前置放大级输入端交流短接到地时，RL8上的交流电压功率小于20MW。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）82系统设计21系统总体框架D类音频功率放大器主要由话筒、前级放大电路、滤波电路、信号调制电路、驱动电路、功率放大电路、LC低通滤波电路和喇叭等部分构成。其中话筒主要负责将声音信号转化为电信号，本质上是起到了传感器的作用。前级放大电路和滤波电路主要负责信号的处理，滤除杂波并使信号可以被调制。PWM调制电路是本设计的一个重点，负责对模拟信号进行调制，将模拟信号的幅值转化为脉冲的宽度，相当于一个模数转换
26、的过程。驱动电路用于驱动后级场效应管，使MOS管可以按照调制后的PWM脉冲开关。功率放大电路由H桥组成，桥臂MOS管的开关由驱动电路根据PWM进行控制。LC低通滤波器能够将波形还原，相当于数模转换功能，还原后的信号驱动喇叭发声。前置放大电路带通滤波电路话筒PWM调制电路驱动电路功率放大电路LC低通滤波喇叭图21D类音频功率放大器系统框图22辅助电源设计由于本系统采用单电源供电模式，因此对于系统中用到的其他级别的电压需要使用辅助电源。系统中需要使用的辅助电源为5V和15V,主要用于对系统中的各类芯片供电。本设计中的辅助电源主要采用LM78系列三端稳压集成电路来获得，其具有输出稳定性好、使用方便、
27、输出过流、过热自动保护的特点。LM78系列三端稳压电路具体电路原理如图22所示图22LM78系列三端稳压电路原理图23驻极体话筒宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）9话筒主要用于将声音信号转换为电信号，比较常用的是驻极体话筒。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低等特点，被广泛用于声控等电路之中驻极体话筒的接法有两种源极输出与漏极输出。源极输出类似晶体三极管的射极输出。需要用三根引出线漏极D接电源的正极。源极S与地之间接一电阻RS来提供源极电压。信号由源极经电容C输出。编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于2K，电路比较稳定，动态范围大。但输出信号比漏极输出小。漏极
28、输出类似晶体三极管的共发射极放大器。只需要两根引出线。漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出。源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益。因而话筒灵敏度比源极输出时要高。但电路动态范围略小7。本设计采用漏极输出接法，具体电路如图22所示。图22驻极体话筒连接电路24信号放大电路设计驻极体话筒输入的音频信号一般都比较微小，为了方便后级对音频信号进行调制，必须对信号进行放大，对放大电路要求其低噪声、高信噪比、高转换速率和低输出电阻。本设计采用由运放LF353构成的两级反向比例电路。这种电路可以实现对增益的精确控制，输入阻抗大，输出阻抗小。由于信号的电压放大倍数较大，为此采用两
29、级放大电路来实现。其中第一级为固定增益20倍，第二级为增益可调，调节范围为1525倍。运放运放采用单电源工作方式，放大倍数为FURAR1具体电路如图23所示。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）10图23前级放大电路25滤波电路设计输入的音频信号难免会有干扰，为了去除干扰，需要对音频信号进行滤波。滤波电路是一种能够使有用的频率信号通过，同时能够抑制无用频率成分的电路。按照滤波电路的工作频带为其命名可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）和全通滤波器（APF）。其中低通滤波器是指低频信号能够通过而高频信号不能通过的滤波电路，而高通滤波
30、电路则与低通滤波电路相反，带通滤波电路是指能够通过某一频段的信号而其他频段的信号不能通过的滤波电路，带阻滤波电路的情况则刚好相反。此外，若滤波器仅仅由无源器件（如电容、电阻、电感）组成，则成为无源滤波电路。若滤波器由无源元件和有源元件（单极型管、双极型管、集成运放）组成，则被称为有源滤波器。另外按照滤波器逼近函数的不同，又分为切比雪夫（CHEBYSHEV）滤波器、巴特沃斯（BUTTERWOTH）滤波器和椭圆（ELIPTIC）滤波器8。本设计采用由R、C元件与运放共同组成的有源滤波器，即RC有源滤波器。和无源滤波器相比，RC有源滤波器的具有以下优点截止频率调节方便；通带内可提供一定的增益；输出阻
31、抗低，便于级联为高阶滤波器，或由低通及高通滤波器组合为带通滤波器。而且为了能够在通频带内获得最大的平坦响应，采用巴特沃斯型滤波器。由于人们能够听到的声音的频率为20HZ20KHZ，所以采用由低通滤波器和高通滤波器级联而成的带通滤波器。其中低通滤波电路中，传递函数为9222VCCCAASSSQ2宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）11高通滤波电路中，传递函数为10222VCCASASSSQ3为了使滤波器的幅频特性在通频带内具有最大的平坦特性，应该去品质因数Q0707。巴特沃斯型低通滤波器的一般结构如下图所示图241低通滤波器电路图分析可得，该电路的传递函数为12121221121111
32、111VVARRCCASSASRCRCRCRRCC4将上式和低通滤波器的传递函数相比，可得其性能参数表达式21211RCCCWR51221111CCWQRCRCR6巴特沃斯型高通滤波器的一般结构如下图所示宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）12图242高通滤波器电路图其性能参数表达式为22121CWRRC（7）根据以上资料设计带通滤波电路，具体电路如图243所示图243带通滤波电路图26PWM调制电路261PWM技术简介D类放大器一般采用脉冲宽度调制技术，即PWM技术。所谓的PWM（脉宽调制）技术就是把模模宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）13拟音频信号的幅值调制为矩形脉
33、冲的宽度。通过这种方法将模拟的音频信号转换为一系列宽度随模拟信号幅值变化而变化的等幅脉冲信号。PWM调制技术的基本工作原理为1通过高速转换开关的精确控制，将模拟信号转化为PWM脉冲宽度调制信号。转换开关的工作频率必须足够高。方波的宽度则随着输入音频信号的大小而改变。2PWM信号通过低通滤波器把超高频的成分滤除，还原为模拟的音频信号，用它来驱动扬声器发声。最简单实用的脉宽调制电路是采用一个比较器，使比较器一端输入原始的音频信号，而另一端则输入载波信号。但音频信号幅值大于载波幅值时，比较器输出高电平，反之，则输出低电平。这样就能够把输入音频信号的大小转变为输出脉冲的宽窄，相当于用输入信号去调制载波
34、信号。输出的矩形波具有和输入的载波相同的频率，只是它的脉冲宽度受到输入的模拟音频信号的调制，并且这个脉冲宽度与输入音频信号的幅值成正比。图251PWM波形产生原理262PWM调制电路的谐波分析使用载波对于正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量，因此有必要对PWM波形进行谐波分析。对调制信号进行傅立叶分解，其频谱可以用二维的傅里叶级数来表示。设载波信号的的角频率为CW，PWM波形幅值为单位1，对信号COSVMWT的调制波形进行傅里叶分解，表达式如下所示宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）1401111SINCOSSIN2SIN222VNVCCVMMMNJMMMWTJMMMNFTKW
35、TMWTMKMWTNWTMKMMM（8）式子中K为载波的平均幅值，JN表示第一类贝赛尔函数11。由上面的表达式可以看出，PWM波形的输出频谱之中，包含了输入信号，载波信号，载波谐波信号，以及输入信号与载波、输入信号谐波与载波谐波相互作用得到的边带信号，这些信号可能落入音频范围内造成音频信号的失真。因此应该尽可能的提高载波信号频率，这样既可以减少音频信号失真，又可以简化滤波器的设计。但是开关频率越高，后级放大器的损耗也越大。以上的分析都是在理想条件下进行的。但是实际的电路中，由于采样时刻的误差以及避免上下桥臂直通而设计的死区时间的影响，谐波的分布情况将更加复杂一些。一般来说，实际电路的谐波含量比
36、理想状况下要多一些，甚至还会出现少量的低次谐波。263载波的选择PWM调制电路总是需要一个载波信号，将它和瞬时输入的音频信号进行幅值比较。常用的采样信号有三种，分别是单边前缘锯齿波，单边后缘锯齿波，双边三角波。在模拟D类音频功率放大器中最为常见的载波信号为双边三角波。因为它的模拟电路中最为容易得到实现，而且双边模式可以更好的对音频信号进行还原12。对于载波的频率选择，理论分析表明，载波的频率越高，功率放大器输出级的高频干扰越容易被滤除，输出波形的失真度则越小；但是功率放大器的开关频率也随之升高，这就大大增加了开关器件的损耗，使得功率放大器的效率降低。因此，一般情况下载波信号的频率和调制信号的最
37、高频率满足以下的关系1020STFF（9）其中的FS为载波信号的频率，FT为调制信号的频率。264载波信号的产生ICL8038波形发生器是一个用最少的外部元件就能产生高精度正弦波,方波,三角波,锯齿波和脉冲波形的单片硅积体电路。利用不同的外接电阻或电容值，它能够产生的波形频率或重复率范围是0001HZ到300KHZ，利用外接电压可以完成频率调节和扫描13。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）15图252ICL8038测试电路外接电容C由两个恒定电源充电和放电。电源2由触发器打开和关闭，电源1一直打开。当触发器的状态使电源2处于关闭状态，电流I给电容充电，使其两端电压随时间线性增长。当
38、电压上升到电源电压的2/3时，比较器1引起触发器动作，状态改变，电源2放电。此电源的电流为2I，电容器处于放电状态，电容两端电压随时间线性下降，下降到电源电压的1/3时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。在基本发生电路中很容易获得4种函数信号。当电源分别被设置为I和2I，电容器冲放电时间相同。从而使电容器两端产生三角波，触发器将产生方波。这两种波形经由缓冲器后，从管脚3和管脚9输出。利用两个外接电阻能够调节电源的电流值。因此，通过设置电流值的不同可以在管脚3产生任意不对称的锯齿波，在管脚9产生从1到99的任意占空比的方波。把三角波反馈到一个非线性网
39、络能够产生正弦波。利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升及下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。所有波形的对称性都可由外部时间电阻器来调整。最佳的结果是保持时间电阻器RA和RB的独立A。RA控制三角波和正弦波的上升部份，以及矩形波的高电平状态。三角波的大小被设置在1/3电源电压因此三角波的上升的部份是S111V3022066AASCRRCCVTIV（10）三角波和正弦波下降部分，以及0矩形波的低电平状态是S221V306622022022ABSSABBACRRCCVTVVIRRRR（11）当RARB时，占空比为50使用两个独立的定时电阻器，则频率为宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）
40、16121110662ABABFTTRCRRR（12）ABRRR（13）033FRC（14）根据以上资料，本设计采用ICL8038产生双边三角波占空比为50，具体电路如图253所示。图253三角波发生电路265比较电路将经过前级放大和带通滤波处理过的音频信号与产生的三角波进行比较就得到了PWM波，具体电路如图254所示。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）17图254比较电路原理图27功率放大模块功率放大模块由驱动电路和H桥组成，驱动电路采用IR2104。功率MOS管直接跨接于电源两端，任意时刻，功率管不能同时导通，但由于功率管有个开启和关断的过程，在过渡过程中，必然有一瞬间，一个管
41、子没有完全关断，另一个管子已经开始导通。此时，就有很大的电压和电流加在两个功率管，功耗非常大，器件温度升高很快，常常会烧坏管子，安全受到威胁，可靠性降低。因此，功率管需要一定的死去时间，IR2104能提供500NS的死区时间。驱动电路和H桥具体电路如图261和图262所示。图261驱动电路设计宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）18图262H桥电路设计28LC低通滤波电路全桥的输出需要用低滤波电路进行，以还原输入信号。由于输出信号属于高电压大电流的负载，而有源滤波电路一般只能用于信号的处理，故采用LC无源滤波电路。后级的LC滤波电路相当于一个简单的数模转换器，可以将放大后的PWM信号
42、解调。当脉冲宽大时，电容上的电压就累积得高，反之电压就低。这样即可以滤除高频开关噪声，又能够得到放大的音频信号，驱动扬声器发声。根据载波频率和音频信号截至频率的要求，确定LC的参数。LC滤波的截止频率为1412LFLC（15）LC低通滤波器具体电路如图27所示图27LC低通滤波电路宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）1929保护电路设计本设计采用了一个简单的保护电路来抑制H桥过流，即在H桥的接地端串联一个阻值很小的采样电阻，将采样电阻上的电压与预设的电压通过比较器进行比较，输出端连接到驱动芯片的使能端。若电流过大，则电阻上的电压超过预设电压，比较器输出高电平，则驱动芯片关断，场效应管
43、变为关状态，H桥停止工作。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）203系统测试31测试仪器MOS620B模拟示波器GDS2064数字示波器LPS305电源FG506A型数字合成函数信号产生器UT53型万用表DF2172A交流毫伏表GAD201G失真度仪BX8D2/1滑线变阻器32前置放大电路测试由FG506A型数字合成函数信号产生器产生峰峰值为10MV的正弦信号，用示波器测量前置放大电路的输出电压峰峰值VOPP,计算其电压放大倍数G，测试结果如下表所示。表32前置放大电路测试结果F/HZ202005001K5K10K15K20KVOPP/V30030030030030030030030
44、0G30030030030030030030030033带通滤波器测试信号经由前置放大电路之后通过由高通滤波器以及低通滤波器组成的带通滤波电路，用示波器测量输出信号的电压峰峰值VOPP并计算滤波电路的增益DB。表33带通滤波电路测试结果F/HZ202005001K5K10K15K20KVOPP/V2552612852902902812582增益/DB14112104502902906013135234通频带测试及波形失真度设定输入信号的峰峰值为10MV的正弦信号，在频率范围20HZ20KHZ的范围内抽取足够多的测试点，进行3DB通频带的测试。表34通频带测试结果FHZ202005001K5K1
45、0K15K20KVOPPV820821824825810805778702增益DB58285829583258335817581257825693失真度43234033132833639842143635最大不失真输出功率测试宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）21频率范围为20HZ20KHZ的正弦信号，在RL8负载上用示波器测量输出电压峰峰值VO825V（F1KHZ），利用公式28OOLVPR（16）计算出最大不失真输出功率106W。36效率测试输入频率为1KHZ的正弦信号，用示波器和万用表分别测量功率放大电路输出电流和电压，与其直流电源供给电流和电压，根据两者功率比值，从而计算其
46、电路效率。直流电压5V，直流电流026A，最大输出功率为13W。所以，效率8153。37交流噪声测试在前级放大级输入端交流短接到地时，RL8上的交流噪声电压158MV，则交流噪声功率为156MW。38结论从以上测试数据中可以看出，本文设计的D类音频功率放大器在通频带方面基本满足设计要求，在额定功率、效率和交流噪声方面能够达到设计要求，整体性能良好。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）224总结本文设计了一款经典的D类高效率音频功率放大器。整个系统包括了前级放大电路，带通滤波电路，三角波发生电路，PWM调制电路，驱动电路，功率放大电路，低通滤波电路等。本文各个部分电路设计的主要特点如下
47、1放大电路采用运放LF353为基础进行设计，实现对增益的精确控制，输入阻抗大，输出阻抗小。2带通滤波电路采用巴特沃斯型有源滤波器，这种设计具有截止频率调节方便，输出阻抗低便于级联，通频带内具有最大的平坦响应等特点。3以ICL8038为基础的三角波发生电路能够用最少的外部元件就能产生高精度三角波，减小了系统的体积。4功率放大电路采用由PWM信号控制的H桥，与单桥相比更适合开环设计，可以减小系统的非线性失真15。经过调试和测试结果表明，系统各项指标基本达到设计要求，系统整体性能良好。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）23参考文献1慧聪网影音行业频道音响知识专题及技术的发展历史R慧聪网，
48、20037。2童诗白，华成英模拟电子设计基础第三版M北京高等教育出版社，20065。3刘冬倩新型音频功率放大器设计D北京交通大学，20096。4陈新驻极体电容话筒的原理及应用J福建卫生学校，199545朱高峰，吴黎明D类音频功率放大器的关键技术J广东工业大学，200610。6陈泽宗，屠忠遂单片精密函数发生器应用J，武汉大学，200710。7JUNHONDA,JONATHANADAMSCLASSDAUDIOAMPLIFIERBASICM,APPLICATIONNOTEAN10718高吉祥全国大学生电子设计竞赛培训系列教程，模拟电子线路设计M电子工业出版社，200705。9陈劲松，PWM技术在音频
49、放大器中的应用，湖北汽车工业学院学报，2003年03期。10DOUGLASSEL,AUDIOPOWERAMPLIFIERDESIGNHANDBOOKM,NEWMES2007。11王兆安，黄俊电力电子技术M北京机械工业出版社，2008。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）24附录1信号预处理与调制电路12345678ABCD87654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEDDATE19MAY2011SHEETOFFILECUSERSLIXVRIDESKTOPPCBMYDESIGNDDBDRAWNBY32184U1ALF353567U1BLF35332184U2ALF3531122R3100K1122R210K1122R4100K1122R710K1122R6100KR850K113322RP1100KR1012K1122R1124K1122CJ3470NF1122CJ4470NF567U2BLF353R12510R132KCJ610NFCJ533NFVCC1122MK1MICROPHONE11122R122K
