1、本 科 毕 业 设 计音频功率放大器的设计所在学院 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 II摘要一直以来，电信技术都主宰着整个电器业的发展，伴随电子技术不断的发展与进步，功率放大器在设计与功能方面也一直在不断的创新。功率放大器也广泛应用在在数码产品、家电当中，与我们日常生活关系密切。音频功率放大器作为音响等许多电子设备的放大电路，它主要的作用是把前级的音频信号进行功率放大来推动负载工作，以便能得到良好的声音效果。在功率放大器中，放大电路的效率是一个值得关注的参数。甲类（A 类）功率放大器的效率最低，甲乙（AB 类）类功率放大器的理想效率可达到 78%，但
2、实际电路不可能超过 50%，效率还是不够高，因此，D 类功率放大器就应运而生。与传统音频功率放大器（A 类、B 类、AB 类）相比，基于开关模式的 D 类音频功率放大器有高效率、低失真、低功耗、小尺寸等优势，在这个节约能源的世界里，D 类音频功率放大器的市场肯定会越来越大，以其优势将会在便携式和大功率音频领域中具有广阔的发展前景。基于设计要求，本文介绍了一种 D 类音频功率放大器的设计。基于 D 类音频功率放大器的原理与结构特点，分别进行了锯齿波产生电路、PWM 调制电路、信号放大电路和低通滤波电路等的设计。在此基础上，设计出了符合设计要求的直流稳压电源。并有效地把各部分进行结合，最后绘制了总
3、原理图。关键词：D 类音频功率放大器；三角波； PWM 比较器；直流稳压电源IIIAbstractAll along, the development of the entire electrical appliance industry is dominated by telecom technology ,along with the development and progress of electronic technology, the design and the function of power amplifiers has also been in constant inno
4、vation. PA is widely used in digital products, household appliances, it has very close relationships to our daily lives. Audio power amplifier is used in many electronic devices amplifier circuit such as audio amplifier, its main role is to amplify the power of the input to make the work of the load
5、 , so as to get good sound effects. In the power amplifier, amplifier efficiency is an unignored parameter. The efficient of Class A is the lowest, the ideal efficiency of B (AB type) power amplifier can reach 78%, but in actual circuit it can not beyond 50%, its efficiency is not high enough yet, t
6、herefore, D power amplifier is developmented.Compraed With traditional audio power amplifier (class A, class B, class AB), the audio power amplifier of class D based on the switch mode has the merits of high efficiency, low distortion, low power consumption, small size etc, In the world of energy co
7、nservation, the market of D audio power amplifier must be larger and larger, with its advantages will be in the field of portable audio and high-power and has broad prospects for development.According to the requirements of the design, the thesis introced the design of a type of class D audio power
8、amplifier. According to the working principle and the structural characteristics of D class audio power amplifier, the thesis design sawtooth wave generating circuit, PWM modulation circuit, signal amplifier circuit and low pass filter circuit. On this basis, the direct current and stabilivolt power
9、 source which accords with the requirements of the thesis is designed. Finally the circuit diagram is drawed.Keywords: Class D audio power amplifier; Triangle wave; PWM comparator; DC Power SourceIV目 录第 1 章 绪论 .11.1 各类功率放大器的简介 .11.2 D 类功率放大器 .2第 2 章 D 类音频功率放大器的原理 .32.1 锯齿波发生电路 .32.2 脉宽调制电路 .32.3 脉冲功
10、率放大电路 .42.4 低通滤波电路 .5第 3 章 D 类音频功率放大器的设计 .63.1 脉冲功率放大电路的设计 .63.2 输出滤波电路 .83.3 PWM 调制电路 .93.4 音频前置放大电路 .173.5 直流稳压电源设计 .173.6 总原理图 .20结论 .22致谢 .23参考文献 .241第 1 章 绪论1.1 各类功率放大器的简介音频功率放大器设计与制作的技术已经相当成熟，很多年来，人们一直为它的发展而不懈的努力，现在无论从线路技术方面还是原器件方面，甚至从思想和认识上都取得了重大进步。随着半导体和微电子制造技术的持续发展，高速、大功率器件已越来越多，各种电子产品正在朝微薄
11、化、便携式快速发展，人们对音频功率放大器的要求更是越来越高。既要高效、节能，又要小型化。移动音频设备因为受到电池容量、散热、体积等的限制，所以就必须要使音频功率放大器更加高效、更加节能、发热少、体积小，还要便于集成。在所有功率较大的放大器中，效率都是一个极为关键的参数。A 类功率放大器的效率最低， AB 类功率放大器的理想效率可达到 78%，但实际电路不可能超过 50%，效率依然不够高，因此，需要对使用的放大器提高效率。提高效率即是要减少功率器件自身的功率损耗。器件的功率损耗为P=UI。如果加电压 U 时把电流 I 减至最小，或者通电流 I 时将电压 U 降至最低，则 P 就可以降低。在这种使
12、用需求越来越高的情况下 D 类功率放大器就应运而生。1.1.1 A 类功放A 类功率放大器的输出级中两组晶体管一直处在导电的状态，即不管有没有讯号输入它们都会保持通电，并且能让这两个电流等同于交流电峰值，此时交流电会在信号最大情况下流入负载5。当没有信号时，两个晶体管会流通等量的电流，所以会使输出中心点上无不平衡的电流或电压，因此就没有电流输入扬声器。当信号趋向正极，上方的输出晶体管会流入较多电流，下方的输出晶体管会流入相对较少的电流。由于开始时的电流不是平衡状态，于是流入扬声器后会促使扬声器发声。A 类功放的工作方式能达到最佳的线性状态，每个输出晶体管都会完全放大讯号全波，完全不会失真，即便
13、是不使用负反馈，它的失真仍然会非常低，因此 A 类功放被称为音频最为理想的放大线路设计方式。但这种设计也有不足之处，A 类功放最大的缺点就是效率低，原因是无讯号时仍有满电流流入，此时电能会转为高热量。当信号增加时，有一部分功率会进入负载，但仍会有许多转变为热量。A 类功放最适合用于播放音乐，因为它能提供非常柔美的音质，不仅音色饱满而且高音透彻，这些优点可以弥补它的缺点。A 类功率功放发热量很大，为了能有效处理散热的问题，必须在使用时采用大型散热器。由于它的效率低，供电器一定要能提供足够的电流。一部50W 的 A 类功放供电器的供电量至少够 200 瓦 AB 类功放使用。所以 A 类功放的体积和
14、重量均比 AB 类大，这使得 A 类功放制造成本加大，售价高昂。一般来说，A 类功放的售价是功率相等的 AB 类功放的两倍。1.1.2 B 类功放B 类功放的工作方式是当没有信号输入时，输出晶体管不导电，不消耗功率。当有信号时，每对输出管各自放大一半的波形，一开一关轮流工作完成一个完整波的放大，在两个晶体管轮换工作时会发生交越失真，形成非线性。由于 B 类功放在信号很低时失真非常严重，会使使声音变得很粗糙，所以很少单独使用 B 类功放。B 类功放的平均效率约为 75%，产生的热量比 A 类功放低，允许使用较小的散热器。1.1.3 AB 类功放2与前两类功放相比，AB 类功在性能上得以综合。通常
15、情况 AB 类功放有两个偏压，在没有信号时也有少量电流通过晶体管。在讯号小时使用 A 类工作模式，以便得到最佳线性状态。当信号提高到某一水平时便会跳转成 B 类工作模式以便获得较高效率。AB 类功放在大部分时间是在 A 类功放模式下工作，只有出现音频瞬间增强时才会转为 B 类。此设计可以在得到较好的音质时提高效率并减少发热，是一种很理想的设计。1.1.4 C 类功放此类功放较少使用，因为它是一种失真很高的功放，只适合在通讯方面使用。1.2 D 类功率放大器D 类功放是指 D 类音频功率放大器。通过控制开关单元 ON/OFF 来驱动扬声器的放大器称为 D 类放大器 12。D 类放大器于 1958
16、 年被首次提出，近些年逐渐流行。与一般的 AB 类功放电路相比，D 类功放具有高效、体积小等特点。在此之前，人们认为 A 类功放声音保真度较高，音质也最为清新。所以在音响领域里一直使用 A 类功放。但是，A 类功放的低效率和高损耗是无法克服的。B 类功放虽然比 A 类功放的效率高了不少，但是 B 类功放的实际效率只有 50%左右，在如笔记本电脑音频系统、汽车音响系统、和超大功率功放等小型便携式音响设备中，它的效率仍然偏低，不能令人满意。所以，效率极高的 D 类功放开始受到了大家的重视。由于集成电路技术的飞速发展，原来很复杂的调制电路，现在无论是在技术上还是在价格上都已不是问题。而且数字音响技术
17、在近几年的飞速发展，人们发现数字音响与 D 类功放有许多相通之处，进一步体现 D 类功放有很大的发展优势。D 类功放是一种处于开关状态放大模式的原件。当没有信号输入时处于关闭状态，不耗电。工作时，输入信号使晶体管达到饱和，此时晶体管相当于一个连通的开关，把电源和负载相连通。理想的晶体管是没有饱和压降的，所以不耗电。但在实际情况中晶体管都会消耗很少的一部分电能。但是这种消耗只与晶体管的特性有关，与输出信号的大小无关，所以非常有利于大功率的功率放大器使用。在理想的情况下，D 类功放的效率达到100%，B 类功放的效率为 78.5%，A 类功放的效率根据负载方式的不同只有 50%或 25%。实际上
18、D 类功放早期被用于继电器和电机等的开关控制电路中。因为 D 类功放只有开关功能，然而，随着数字音频技术研究的深入，开关功能逐渐被广泛应用于 Hi-Fi 音频放大。20 世纪 60 年代，人们开始研究 D 类功放在音频放大方面的应用，在 70 年代 Bose 公司就能够生产出 D 类汽车功放。一方面狭小的空间使其不能放入大散热板结构的功放，另一方面汽车使用的蓄电池供电需要很高的效率，这两点限制使其不得不使用类似 D 类功放这样高效的放大器。这其中最为关键的一步就是对音频信号的调制。作为一种新型的高效率放大器，目前已有多种型号的专用 D 类功率放大集成电路推出。如 TDA7480、TDA7481
19、、TDA7482、MAX9714、MAX9712（配耳机用）等。此类电路将脉宽调制电路（PWM）和功率放大电路集成在一起，只需外接低通滤波电路即可。此类电路具有输出功率大，电路简单等，特别适合于大屏幕彩电的输出、车载立体声系统、多媒体电脑功放、音响系统中的重低音输出等。采用集成 D 类功率放大器外，也可以采用全分立器件组合而成，电路由锯齿波发生器、脉宽调制电路，脉冲功率放大电路、低通滤波电路四部分组成。3第 2 章 D 类音频功率放大器的原理在大功率放大器中，放大电路的效率是最值得关注的参数之一。甲类（A 类）功放的效率最低，甲乙（AB 类）类功放的理想效率可达 78%，但是实际电路不会超过
20、50%，效率依然不够高，因此，D 类功放应运而生。如图 2.1 所示，基本的 D 类功放是由锯齿波发声器，脉宽调制器，脉冲功率放大器以及低通滤波器构成。D 类功率放大器就是把音频信号转为脉宽变化的形式，由脉冲放大器放大输出，再通过低通滤波电路还原为音频信号。图 2.1 D 类音频功率放大器组成框图2.1 锯齿波发生电路锯齿波和正弦波、方波、三角波是常用的基本测试信号。图 2.2 锯齿波产生电路设 t=0 时接通电源，有 2 点电压等于 Dz处负电压，则 Dz处负电压经过 R4向 C1充电，使输出电压按线性规律增长。当 2 点电压上升到门限电压 VT+使 3 点电压等于 4 点电压等于 0 时，
21、比较器输出 2 电电压由负跳向正，同时门限电压下调到 VT-值。以后 2 电电压等于 DZ处正电压经过 R4和 D1、R 5两条支路向 C1反相充电，由于时间常数减小，V 0迅速小降到负值。当 V0下降到门限电压 VT-使 3 电电压等于 4 点电压等于 0 时，比较器输出 2 点电压又由正值下跳到负值。如此周而复始，产生振荡。由于电容 C1的正向与反向充电时间常数不相等，输出波形V0为锯齿波电压，2 点电压为矩形波电压。2.2 脉宽调制电路一般来说，器件的功率损耗为 P=UI。提高效率就是减少功率器件自身的功率损耗。若要让 P 降低，可以在加电压 U 时把电流 I 减至最小，或是通电流 I
22、时把电压 U 降到最低。脉宽调制 脉冲功率放大器器器低通滤波器音频信号输入锯齿波发生器音频信号输入4正如脉冲放大器在开关状态工作时，电路本身的损耗只是三极管或者场效应管导通时饱和压降引起损耗和元件开关的损耗，组件的适当选择，总损失可能变得更小，因此，该电路的效率更高。这类放大电路的实际是是在非线性状态下工作。为实现线性信号传输，采用 PWM 技术，即音频信号的幅度大小体现在脉冲信号的宽度中。脉冲宽度小就是音频信号幅度小；脉冲宽度大就表示音频信号幅度低。对正弦信号的负载进行调制，称为 SPWM 调制。调制以后的脉冲宽度体现正弦规律变化，如图 2.1 所示。图 2.1 SPWM 波形图这类电路的损
23、耗主要是开关器件的开关损耗。每一个开关管在每一个周期中都要开关动作一次，损耗量的大小受器件性能制约。在器件性能确定后，为了进一步减少损耗，可以采用 SSPWM 型调制方式。所谓 SSPWM 调制，是指对正弦信号进行单边调制，其理想的工作波形图如图 2.2 所示。在正弦信号的一个周期内，只有一半的开关元件处于开关工作状态，理论上可以使原功率电路的开关损耗减小一半。图 2.2 SSPWM 波形图2.3 脉冲功率放大电路脉冲功率放大电路一般采用桥式结构。图 2.3 所示的是 H 桥式功率输出电路，电路的上下左右均对称，看似英文字母 H，其栅极激励方式可以简单化，在 20V 以内较低的电源电压下，只要
24、将单边的两个场效应管栅极连接在一起，共用一个激励信号就可以实现上下两个场效应管的开通与截止的交换。这种激励方式归属于单边激励方式。虽然这种直接连接的单边激励方式简单，但也存在着无法留出死区时间的弊端，不能用于高速脉冲电路或 PWM 调制电路，只能用于比较稳定的开关方式处理，所以需要进一步设计。5图 2.3 H 桥电路基本模型2.4 低通滤波电路在输出电路中，还需要连接低通滤波电路，以滤除高频脉冲信号，保留原来的音频信号输出，防止开关脉冲影响声音质量。低通滤波电路的阶数越高，滤波效果越好，一般都采用二阶以上的滤电路。目前，只有在开关频率特别高的小功率 D 类功率放大器中，省略了后续的滤波电路。如
25、图 2.4 所示为四阶巴特沃斯滤波电路。图 2.4 四阶巴特沃斯滤波电路输入输入C1 C2 C3 C46第 3 章 D 类音频功率放大器的设计3.1 脉冲功率放大电路的设计这里的脉冲功率放大电路采用四只场效应管为核心，组成对称桥式输出电路，如图 3.1和 3.2 所示。这一结构的电路优点是能够充分利用电源电压值，其输出电压信号的峰值几乎等于电源电压值。这一输出方式称为平衡输出。场效应管又有输出大电流的能力，有利于提高输出功率。图 3.2 所示的是全桥式功率输出电路（电路左右对称而上下不对称） ，需要 4 个独立的栅极激励脉冲，在 PWM 调制中，可以将四个栅极激励信号分为两组，两个对角管共用一
26、组激励信号。栅极的激励电压是相对于源极而施加的，所以上半部场效应管栅极的激励电位必定要高于电源正极电位，这就要求给上管栅极激励电路设置一组独立的工作电源。同时，需要对上管栅极的激励信号采取隔离传送。隔离传送方式一般采用光电耦合器耦合或者采用脉冲变压器耦合方式。若采用光电耦合器耦合脉冲信号，存在电流激励能力不足、工作速度不够快等问题，需要强加电流放大，激励电路结构显得复杂；若采用脉冲变压器进行独立耦合，工作速度和激励电流比较容易处理，但会丢失频率较低的调制信号成份，有些场合不适用。图 3.1 全桥电路基本模型 图 3.2 H 桥电路基本模型图 3.2 所示的是 H 桥式功率输出电路（电路的上下左右均对称） ，由 P 沟道和 N 沟道场效应管互补组成。其栅极激励方式可以简单化，在较低的电源电压下（20V 以下） ，只要将单边的两个场效应管栅极连接在一起，共用一个激励信号就可以实现上下两个场效应管的开通与截止的交换。这种激励方式归属于单边激励方式。单边激励有三种方式：单管激励方式，如图 3.3 所示；共射互补方式，如图 3.4 所示；共集互补方式，如图 3.5 所示。单管激励时，因为只能输出电流或输入电流，脉冲的上升沿与下降沿的斜率不能同时兼顾，总会有一个边沿的变化速率不够快。互补方式的激励电路同时具有电流输出与输入的能力，使得脉冲的上升沿与下降沿的变化速率都能达到较快的要求。
