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1、高效率音频功率放大器的设计电子信息工程系毕业设计说明书课题名称: 高效率音频功率放大器的设计 姓名： 日 期： 20毕业设计起讫时间： 目 录摘 要2第一章 引 言3第二章 音频功率放大器的总体设计与分析52.1设计任务和基本要求52.2方案论证与比较62.2.1高效率功率放大器62.2.2信号变换电路72.2.3功率测量电路8第三章 主要单元电路的设计93.1 D类放大器的工作原理93.2 D类功放各部分电路分析与计算103.3信号变换电路143.4功率测量及显示电路143.5短路保护电路163.6音量显示电路17第四章 系统测试与数据分析184.1测试使用的仪器184.2测试数据184.3
2、测量结果分析18第五章 结论20参考文献21致 谢22摘 要本次设计是制作了一个高效率的音频功率放大器，它包括D类放大器、脉宽调制器、前置放大电路、驱动电路、H桥互补对称输出电路、低通滤波器、信号交换电路、功率测量及显示电路、短路保护电路、音量显示电路。它的最大不失真输出功率1W，电压放大倍数120连续可调，在输出功率500mW时测量的功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）50%。关键词：音频，前置放大，信号交换，功率测量，短路保护第一章 引 言 全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音视频节能环保的要求，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
3、字设备相连接的特点。模拟功率放大器通过采用优质的元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变的很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，它工作于开关状态下，符合上述的要求。传统的音频功率放大器工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁，功率输出受到限制。此外，模拟功率放大器还存在以下的缺点：（1）电路复杂，成本高。常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路，体积较大，电路复杂。（2）效率低。目前有很多种不同种类的功放,如：A
4、类、B类、AB类等。但D类功放与其不同的是基本是一个开关功放或者是脉宽调制功放。在这种D类功放中，器件要么完全导通，要么完全关闭，大幅度减少了输出器件的功耗，效率达90-95%都是可能的。音频信号是用来调制PWM载波信号，其载波信号可以驱动输出器件，用最后的低通滤波器去除高频PWM载波频率。D类开关音频功率放大器的工作基于PWM模式：将音频信号与采样频率比较，经过自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波，然后经过驱动电路，加到功率MOS的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的PWM信号送入滤波器，则还原为音频信号。D类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际
5、的运用也可达80%以上。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。功率MOS有自我保护电路，可以大大简化保护电路，而且不会引入非线形失真。 对于高电感的扬声设备，在设计电路的时候，是可以省去低通滤波器（LPF），这样可以大大的节省体积和花费。而且有更高的保真度，这一点，在国外的5V D类音频功率放大器中已经得到了运用，如：TEXAS公司的TPA2002D2。近几年，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进展，几家著名的研究机构及公司已经试验性地向市场提供了D类音频功率放大器评估模块及技术。这一技术一经问世立即显示出其高效，节
6、能，数字化的显著特点，引起了科研，教学，电子工业，商业界的特别关注。不久的将来，D类音频功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。 音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。 进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等
7、等。所有这些便携式的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电池供电的。都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。 高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。 音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的
8、音频信号，信号音量和功率级都要理想如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz 20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。 音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高(至少40dB)。如果反馈环包含正向增益，则整个环增益也很高。因为高环路增益能改善性能，即能抑制由正向路径
9、的非线性引起的失真，而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪声，所以经常采用反馈。第二章 音频功率放大器的总体设计与分析2.1设计任务和基本要求设计一个高效率音频功率放大器及其参数的测量装置。功率放大器：a3dB通频带为300Hz3400Hz，输出正弦信号无明显失真。b最大不失真输出功率1W。 c输入阻抗10k，电压放大倍数120连续可调。d低频噪声电压（20kHz以下）10mv，在电压放大倍数为10，输入端对地交流短路时测量。e在输出功率500mW时测量的功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）50%。高效率功率放大器信号变换电路外接测试仪器测试用RC滤波器796欧0.01uf输入图2
10、.1系统组成框图设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路，将功率放大器双端输出的信号转换为单端输出，经RC滤波供外接测试仪表用，如图1所示。图2为D类放大器原理框图PWM输入高速开关电路低通滤波8欧图2.2 D类放大原理框图2.2方案论证与比较根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图2.1所示。下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。2.2.1高效率功率放大器（1）高效率功放类型的选择方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这三类功放的效率均达不到题目的要求。方案二：采用D类功率放大器。D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC
11、低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。理论上为100，实际电路也可达到8095，所以我们决定采用D类功率放大器。（2）高效D类功率放大器实现电路的选择本题目的核心就是功率放大器部分，采用何种电路形式以达到题目要求的性能指标，这是关键。三角波产生器比较器驱动电路开关功率输出低通滤波PWM调制器高速开关电路8欧音频信号输入 图2.3脉宽调制器电路脉宽调制器电路采用图2.3所示方式来实现。三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作。高速开关电路的选择：a.输出方式方案一：选用推挽单端
12、输出方式(电路如图2.4所示)。电路输出载波峰-峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。驱动输出Vc图2.4 高速开关电路方案二：选用H桥型输出方式(电路如图2.5所示)。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰-峰值可达10 V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。+5VQ3Q4Q1Q2负载电阻驱动信号输入1驱动信号输入2L1L2C1C2图2.5高速开关电路b.开关管的选择。为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低损耗。方案一：选用晶体三极管、IGBT管。晶体三极管需要较大的驱动电流，
13、并存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大；IGBT管的最大缺点是导通压降太大。方案二：选用VMMOSFET管。VMOSFET管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用高速VMOSFET管。2.2.2信号变换电路由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为1。方案一：采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。方案二：由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。2.2.3功率测量电路方案一：直接用A/D转换器采样音频输出的电压瞬时值，用单片机计算有效值和平均功率
14、，原理框图如图2.6所示，但算法复杂，软件工作量大。 A/D采样接音频输出信号单片机处理系统LED显示 图2.6功率测量电路方案二：由于功放输出信号不是Hz频带内的任意波形，故必须采单一频率，而是20 k用真有效值变换电路。此方案采用真有效值转换专用芯片，先得到音频信号电压的真有效值。再用A/D转换器采样该有效值，直接用单片机计算平均功率(原理框图如图2.7所示)，软件工作量小，精度高，速度快。 接音频输出信号真有效值变换电路A/D单片机处理系统LED显示 图2.7功率测量电路第三章 主要单元电路的设计3.1 D类放大器的工作原理一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如图3.1所示。图3.2为工作波形示意图，其中(a)为输入信号；(b)为锯齿波与输入信号进行比较的波形；(c)为调制器输出的脉冲(调宽脉冲)；(d)为功率放大器放大后的调宽脉冲；(e)为低通滤波后的放大信号。三角波产生器比较器开关放大电 路低通滤 波V0输出V3V2V1音频信
