1、本科毕业论文（设计）题 目 高效率 D 类音频功率放大器 的设计作者学院 信息科学与工程学院专业 电子信息工程学号指导教师二 年 五 月 十 日诚信声明本人声明：所呈交的本科毕业论文（设计） ，是本人在指导老师的指导下，独立开展工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过的作品成果。对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 作 者 签 名 ：二 年 五 月 十 日I摘 要随着信息化时代的到来，以功放电路为设计核心的电子产品渐渐
2、地走进人们的生活，耳机、音响等音频功放类电子产品被现代人所迅速的接纳和青睐，随之音频功率放大器得到了快速的发展。本设计为高效率 D 类音频功率放大器。设计主要包括四个部分：前置增益放大电路、三角波产生电路、信号转换电路和显示电路。在输出信号无失真的情况下测量，3db 通频带为 3003400Hz，最大不失真功率达到 150mW，在此情况下测量的功率放大器效率明显大于 60%。设计中采用了高效率的 D 类功放为设计核心，以 D 类功放最新成果为设计思想，并配置 5V 便携式电源供电，完全符合产品市场化与用户需求。关键词：通频带；最大不失真功率；D 类功率放大器；效率IIABSTRACTWith
3、the advent of the information age to the core of the amplifier circuit design of electronic products gradually into peoples lives, headphones, audio and other audio amplifier electronics are modern and favor the rapid acceptance, along with an audio amplifier to get rapid development.The system is d
4、esigned is a high efficient Class-D Audio Power Amplifer.Design includes for parts: pre-gain amplifier circuit ,the triangular wave generating circuit,signal conversion circuit and display circuit.In the case of the output signal without distortion measure,3db passband of 3003400Hz,the maximum disto
5、rtion power of 150mW,the effciency measured in this case significantly greater than 60%.Design uses a high-efficiency Class D amplifier design core to the latest results for the Class D amplifier design ideas and configure 5V portable power supply products in full compliance with the market and cust
6、omer needs.Keywords:Passband; Class D power amplifier; Maximum power without distortion; EfficiencyIII目 录诚信声明 .I摘 要 .IIABSTRACT.III第一章 前 言 .11.1 设计背景 .11.2 音频功放的概述 .11.3 音频功放的分类 .2第二章 方案论证与比较 .42.1 高效率功率放大器 .42.1.1 功率放大器的选择 .42.1.2 功放核心实现电路的选择 .42.2 信号变换电路 .62.3 功率测量电路 .6第三章 各模块电路原理分析与计算 .83.1 调制电路
7、.83.2 高速开关桥式电路 .83.3 三角波产生电路 .93.4 驱动电路 .103.5 低通滤波器模块电路 .113.6 信号变换模块电路 .113.7 整体电路性能仿真 .12第四章 系统仿真测试及数据分析.144.1 测试仪器 .144.2 测试结果 .144.3 结果分析 .154.4 改进措施 .16第五章 电路调试.175.1 不通电检查.175.2 通电检查.17IV5.3 测试与调整 .175.4 整机联调 .18第六章 设计总结与心得 .196.1 设计总结 .196.1.1 原理图设计总结 .196.1.2 电路安装过程总结 .196.1.3 单元电路调试总结 .196
8、.1.4 PCB 设计总结 .196.1.5 整机调试总结 .196.2 设计心得 .20参考文献.21致谢.22附录 A：PCB 布线图.23附录 B：元器件清单.24V0第一章 前 言1.1 设计背景随着信息化时代的到来，以功放电路为设计核心的电子产品渐渐地走进人们的生活，耳机、音响等音频功放类电子产品被现代人所迅速的接纳和青睐，随之音频功率放大器得到了快速的发展。在过去十多年的功放发展进程中，根据电路的组成、器件的变化和信号输入输出方式的改变可以将其划分为以下几个大的发展阶段：电路从使用单管发展成如今流行的多管；所用的电子元器件从独立电子管进化为如今的集成电路；信号输出形式从变压器优化到
9、 BTL、OTC等高效率输出形式。其原理实现表现为模拟功放的工作过程，由于它有体积偏大、效率太低等明显缺点，与音频功率放大高效、节能和小型化的发展趋势相矛盾，于是 D 类音频功率放大器的研究与开发得到了人们的重视和快速发展，并很快取得了突破性进展。我在此次的毕业设计中采用了高效率的 D 类功放为设计核心，以 D 类功放最新成果为设计思想，并配置 5V 便携式电源供电，完全符合产品市场化与用户需求 1。1.2 音频功放的概述功率放大器从狭义上来定义就是按需求放大电路的输出级，来达到驱动执行机构的目的。如耳机的发声、音响的发声、仪器仪表指针的偏转等。在低频放大电路中必须采用低频功率放大器获得满足条
10、件的输出功率。同理在高频电路中为了获得足够大的高频输出，就要采用高频功率放大器。此设计研究的核心是 D 类音频功放，主要需要涉及的指标或参数有：输出功率 P0、放大器效率n、总谐波失真 THD、电源抑制比 PS。下面对其一一进行分析：输出功率 P0：因为在设计中电源模块的功放管的极限参数如 Icm、P cm等因素的限制，功率放大器就要输出足够大的功率 P0，这样才能让电路各模块及负载正常工作，所以输出最大功率 P0 也将会受到限制。放大器效率 n：放大器的效率顾名思义就是功放的输出信号功率 P0 与直流电源供给功放的功率 PE 之比，即 n=(P0/PE)*100%。总谐波失真：总谐波失真是指
11、输出信号与输入信号多出的额外谐波成分之比，当然必须满足一个前提，即用信号源作为输入。电源抑制比：该参数是指电源电压的偏差耦合与输出信号上的比值，此信号为模拟电路的输出信号。一般来说，电源抑制比越大，音频功放输出的音质就越好。功放的主要参数指标为输出功率和效率，输出功率的大小和功放的效率值1越高，功放的性能越好。然而输出功率与功放的效率值不能兼顾，是设计中需要解决的矛盾。具体来讲，低频功放的特点是工作效率低，相对频带宽度较宽。相反，高频功放的工作频率高，相对频带宽度窄，相对频宽只有中心频率的 10%左右。由于高低频电路存在如此明显的差别，导致各自的工作状态与负载回路也大不相同。其中，高频功放除了
12、上述说的两点参数指标外，在设计中也需要注意谐波分量不能太大，否则会对其它输出波形的分量造成不必要的干扰。国际标准中对所有设计的功放和广播电台的谐波辐射有几个基本要求：对电台功率来说，不论输出功率有多大，在靠近电台的位置 2000m 范围内的谐波分量的场强不能大于 70uV/m。所以，通过计算只有谐波不大于 35mW 的前提下才满足设计要求，否则就会对其他频道产生明显干扰；一般我们生活中所使用的广播属于中波传输，不论距离发射源多远，必须满足各谐波场强与基波场强之比依次不能大于 0.2%。基于以上规定和限制，现在的广播信号都已经降到了 55dB 以下 2。综上所述，要想设计出高效率的音频功率放大器
13、，必须妥善的解决功放的效率值和输出功率的设计矛盾，给功率放大器选择合适的工作状态是解决这一矛盾的主要方法，不同的工作状态决定了不同的功放效率，也由此将功放分为了下面将要介绍的几大类。1.3 音频功放的分类功放的分类：传统的功率放大器主要有 A 类(甲类)、B 类(乙类)、AB(甲乙类)和 D 类(丁类)功放。众所周知，放大器工作时参数中通有电流流通角，不同的电流流通角可以区分不同的工作状态，对应为不同种类的放大器为甲类、乙类和丙类功放。甲类功放的电流流通角为 360，晶体管在整个周期内均处于放大区，所以输出信号的失真很小，常用于小信号的放大。这类功放的缺点是效率很低，理想情况下的效率值才 50
14、%左右，且输出信号的动态范围小，不适合大多数产品的推广和使用。乙类功放的电流流通角为 180，晶体管在一个周期内有一半时间处于放大区，即输入信号只在放大区内才导通，其它时间均处于截止状态。尽管如此，理想状态下效率仍可达到 78%左右，比甲类功放的效率高很多，常运用于大功率器件。此类功放的缺点是存在明显的非线性失真，会导致噪声大，干扰输出信号。丙类功放综合了前两种功放的优点，将晶体管的导通时间控制在甲、乙类功放之间，即 50%100%，因此兼顾了提高效率和减小失真，实现了比甲类功放效率高，比乙类功放失真小。是目前相对最流行的功放之一。不过由于其工2作原理依然和甲类、乙类功放没有本质区别，也需要采
15、用高精度的 ADC 进行输入信号的转换，生产成本高，不利于实现与推广 3。通过上面的分析比较可以看出，传统的功放，即介绍的前三类功放，其系统设计时主要包括两个工作过程：1、输入的数字语音数据到模拟语音信号的转换，该过程是通过高精度数模转换器 ADC 来转换实现的，不仅要求设计时将误差降到最低，其生产成本也很高；2、利用模拟功放进行输入信号放大，精度要求也很高，在以前的技术水平很难达到与实现。从上个世纪八十年代开始，许多致力于功放设计的厂家便开始开发自己的数字音频功放，不再使用传统的模拟功放，数字功放是直接将输入的语音数据实现放大而不用进行信号的转换，这样不仅节约了成本，更提高了功放的效率，后来
16、经过不断地发展，便有了此次设计的核心的丁类功放，国际上也称其为 D类高效率功放。本设计的核心是 D 类功放，D 类功放是目前所有功放设计方案中效率最高的。通过查阅相关资料，总结出了 D 类功放的主要特点：效率高，同时产生的热量小，可靠性高。耗电量仅为同功率模拟功放的1/3，而且电源实际使用效率高达九成。节约能源，符合环保要求；节能、体积小、重量轻、应用数字化，适应社会发展趋势；动态特性好。没有额外的负载反馈，没有了模拟放大信号源的影响，所以具备了更标准的输入输出特征；可以直接接收数字音频信号源输出的音频信号，并用模拟数字信号的方式进行信号放大，体现了功率放大器与数字音源的完美结合；1、失真大。同等条件 D 类功放的失真比较起其他几类功放来说，其失真度尤为明显，在设计中需要采取方法对其抑制；2、对采样信号的时钟抖动很敏感。时钟采样频率的细小抖动也会引来明显的失真。所以在设计过程中必须注意这点，在提高最大不失真功率的同时将失真抑制到最低 4。
