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1、 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文高效率音频功率放大器的设计高效率音频功率放大器的设计指导老师姓名： 童建华专 业 名 称：电子信息工程技术班 级 学 号： 论文提交日期： 2014 年 12 月 20 日论文答辩日期： 2014 年 12 月 20 日2014 年 12 月 12 日摘摘 要要传统的音频功率放大器有 A 类,B 类,AB 类,D 类等，这类音频功放曾广泛应用于MP3,手机等便携消费电子产品的扬声驱动中。伴随着科学技术的迅速发展，生活水平的不断提高，人们对音频功率放大器的要求越来越高。采用高转换效率的 D 类功率放大器取代传统的线性功放已成为一种必然的趋势。D 类功率放大器是
2、一种脉宽调制（PWM）的开关功放，首先将音频信号通过高增益前置放大器放大，放大后的音频信号进而与内部的三角波相对比较进行采用，从而将音频信号的幅度信息转换成PWM 信号脉冲宽度的变化，然后将变换得到的 PWM 整波行放大，输出的电流信号通过 LC 滤波器被还原成放大的音频信号。由于功率管工作在开关状态，且导通电阻很小，因此，D 类功放具有很高的转换率。关键词：音频功率放大器，高效率,PWMAbstractAbstractThe traditional audio power amplifier with Class A, class B, class AB, class D, this kin
3、d of audio power amplifier has been widely used in MP3, mobile phone and other portable consumer electronic products speaker driver. With the rapid development of science and technology, the continuous improvement of living standards, people on the audio power amplifier of the increasingly high dema
4、nd. The use of high conversion efficiency of class D power amplifier to replace the traditional linear power amplifier has become an inevitable trend. Class D power amplifier is a pulse width modulation ( PWM ) of the switching power amplifier, the audio signal through a high gain preamplifier ampli
5、fying, the amplified audio signal and with the inside of the triangle wave relatively is adopted, thus the amplitude of the audio signal information into PWM signal pulse width changes, and then transform the PWM wave amplification, the output current signal through the LC filter was restored to the
6、 amplified audio signal. Because the power transistor operating in the state of the switch, and the resistance is small, therefore, class D power amplifier with very high conversion rate.Key words: audio power amplifier, high efficiency, PWM目录绪论绪论1 第一章第一章 D 类功率放大器类功率放大器21.1 D 类功放的工作原理 21.2 D 类放大器的系统
7、分析 3 第二章第二章 D 类音频功率放大器的设计类音频功率放大器的设计52.1 设计任务与要求5 2.1.1 设计任务5 2.1.2 设计要求52.22.2 各部分电路分析与计算各部分电路分析与计算5 2.2.1 三角波产生电路。5 2.2.2 比较器电路 7 2.2.3 前置放大器电路7 2.2.4 驱动电路8 2.2.5 H 桥互补对称输出电路 9 2.2.6 低通滤波器.10 2.2.7 系统整体分析10 第三章第三章 模块仿真模块仿真.113.1 前置放大电路 113.2H 桥互补对称输出及低通滤波电路 12结论结论14致谢致谢15参考文献参考文献16附录附录 A A 系统原理图系统
8、原理图 17附录附录 B B 系统系统 PCBPCB 图图 18附录附录 C C 实物图实物图 19绪论绪论随着目前市场上消费电子行业的快速发展以及音频功率放大器高效、节能和小型化的趋势，D 类音频功率放大器开始逐渐取代 AB 类进入可携式产品、家庭 AV 设备、专业影音、汽车音响、平板电视、媒体播放器笔记本电脑和汽车音箱等多个领域，在未来便携式和大功率音频视频领域中将具有广阔的发展前景，因此对高效音频功率放大器的设计具有十分重要的意义。可以说，在未来的很长时间内，D 类音频功率放大器将一直是研究的热点，设计出一款兼顾效率与保真度的 D 类音频功率放人器也会越来越成为众多研究机构和企业所关注的
9、课题。D 类音频功放的特点：(1)节能，所需散热片小，这样可以节省空间，系统可以设计得较轻、较小，便于携带；(2)电源使用效率很高，可以延长系统电池的寿命。上述优点使得 D 类音频放大器和模拟音频放大器相比时具有很大的优势。本论文的目标就是设计一款便携式电子产品中的高效率、高保真度、 小体积的 D 类音频功率放大器。在论文工作期间，作者查阅了大量有关 D 类音频功率放大器方面的资料，较系统地 研究了 D 类音频功率放大器的结构和性能，设计了一款工作于5V 电源电压的 D 类音频功率放大器，并完成了 D 类音频功率放大器的版图设计。本文采用 PWM 调制技术来实现 D 类音频功率放大器，主要研究
10、工作有：(1)研究了基于 PWM 调制技术的 D 类音频功率放大器的系统结构；(2)各个模块的电路设计；(3)原理图设计与系统仿真；(4)系统调试；(5)PCB 图的设计。第一章第一章 D D 类功率放大器类功率放大器1.1 D 类功放的工作原理类功放的工作原理D 类放大器是一种完全不同的放大器，它并不只是放大器工作点的选择，因此也称之为“数字音频放大器”。因为有一种 D 类放大器可以接收数字输入而省去D/A 变换。D 类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术（PWM）。所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。如图 1-1 所示，一个模拟音频信号就与三角波（或锯齿
11、波）通过比较器，就形成一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。只要对这系列的脉冲信号放大就可以了。而原来的模拟信号就被调制为宽度不同的等幅信 号。这个信号经过开关输出电路放大，将被放大的脉宽调制信号中所包含的低频分量过滤出来就可以得到放大以后的音频信号。其工作波形图如图 1-2 所示。图 1-1 D 类功放的工作原理 框图 1-2 D 类放大器的工作波形示意图如上图 1-2 所示为脉宽调制 D 类功放的原理框图，三角波产生器产生的三角波 V1 与音频输入信号通过比较器比较产生数字信号 V2，V2 经开关功率放大后经过滤波后输出 V0。1.21.2 D D 类放大器的系统分析类放大器的系统分析功率放大
12、器的输出呈开关状态，即输出为一方波波形，由傅利叶级数分析知：= （1-1）)(tVo)771551331(4 wtSinwtSinwtSinSinwtVcc 高次谐波经由低通滤波器滤除后，输出信号最大值为，因此负载所能得到Vcc4的最大功率为：LmP= （1-2）LmPLCCLm RV RV2228 而电路的平均输入电流为：（1-3）LCCm avRVVI282 电源的输入功率为：（1-4）LCC avCCSRVIVP228 由上可知： = LmPSP（1-5）所以 D 类放大器理想的效率可以达到 100，但是由于元器件并非理想器件，所以器件中等效电阻会损耗功率，假设功率晶体管的导通电阻为,所
13、有其它无源ONR电阻为，滤波器电阻为，负载电阻为，其效率为：PRFRLR（1-6）LPFONLSUPPLYOUT RRRRR PP 22晶体管开关损耗：（1-7）onoffonOUTSWITCHRttfoscIP2)(212是载波频率，和是功率晶体管的开断时间，考虑电阻损耗和开关损OSCfontofft耗，其效率为：（1-8）)()22(offonONOSCLPFONLSWITCHSUPPLYOUT ttRfRRRRR PPP 故负载电阻相对其他电阻的比值越大则效率越高。假设 CMOS 晶体管导通电阻是0.3，则有输出接 4 的喇叭，其效率大概在 87%左右；输出接 8 的喇叭，其效率为 93
14、%。除了导通电阻的损耗以外，还有前面提到的开关损耗、偏置电流损耗、输入电容充电损耗等，所以一般的 D 类放大器在 8 负载时效率为 85%左右。可以看出，D 类放大器的效率仍要比目前市场上广泛采用的 AB 类放大器效率高很多。输出功率为 10W 时，D 类放大器只需 12W 左右的功率，而 AB 类则需 20W 左右的功率。故选用 D 类放大器可节省功耗。由以上分析可以看出，D 类放大器的效率高达 85%左右，这样在相同输出的情况下，就节省了电源的功率，延长电池的寿命，另外由于 D 类放大器体积小，容易散热等诸多优点，正逐渐成为便携式音频设备的主流。第二章第二章 D D 类音频功率放大器的设计
15、类音频功率放大器的设计2.1 设计任务与要求设计任务与要求2.1.12.1.1 设计任务设计任务设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。功率放 大器的电源为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为 8 电阻。2.1.22.1.2 设计要求设计要求 输入信号频率范围：20Hz-20kHz； 1功放电路的最大不失真输出功率：Pom1W。； 2功放电路的效率 85%； 3根据输出功率和电路形式，选择合适的电源电压供电电路； 4可选用专用集成电路来实现上述要求和目标，特别是优选 D 类数字功放电路。 5（2）发挥部分在完成基本要求任务的基础上，进一步将效率提升到 90%以上；
16、1在保持最大不失真输出的基础上，进一步降低电源供电的电压； 2增加功率放大器输出短路保护功能。 32.2 各部分电路分析与计算各部分电路分析与计算2.2.12.2.1 三角波产生电路。三角波产生电路。三角波的作用是用来调制音频信号，对此有两方面的要求:其一,调制后的信号可以被完整地恢复。根据Nyquist采样定理，三角波的频率至少是音频信号最高频率的两倍，人类听到的声频范围是20 Hz20kHz，说明三角波的频率应在40 kHz以上，为确保音频信号的采样，可取三角波的频率为150 kHz。其二，三角波要有稳定的频率和幅度，否则，调制后的脉宽会产生变形，从而降低音频输出的信噪比，音质变差，噪声增大。该电路我们采用满幅运放 TLC4502 及高速精密电压比较器 LM311
