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1、高效音频功率放大器的设计_毕业设计 高效音频功率放大器的设计摘 要本次设计的音频功率放大器采用D类功率放大器形式用音频信号的幅度去线性调制高频脉宽的宽度然后通过LC低通滤波器后输出音频信号再通过差动式的减法电路构成信号变化电路将双端输出变为单端输出最后通过真有效值转换芯片和单片机完成功率的测量该电路性能良好效率高成本较低关键词This design using the audio power amplifier power amplifier form of D with audio signal amplitude modulation high-frequency pulse width
2、to linear width and then through the LC lowpass filter output audio signal after Again the subtraction circuit by differential circuit a signal changes will double the output into the ocl output finally the true RMS conversion chips and single-chip commputer completes power measurement This circuit
3、has good performance high efficiency and low cost Key words Audio power amplifier D class power amplifier True RMS transformation Microcontroller 目录摘 要IABSTRACTII第1章 前 言1第2章 设计要求和方案选择221 设计任务和基本要求222 设计方案223 方案确定2231 高效功率放大电路的选择2232 信号变换电路4233 功率测量电路4第3章 D类功率放大器的基本原理631 D类功率放大器基本原理632 D类功率放大器的性能633
4、D类功率放大器的主要性能指标7第4章 硬件电路的设计941 功率放大器的设计9411 音频前置放大电路9412 三角波产生电路12413 脉宽调制电路15414 驱动电路16415 功率输出电路17416 滤波电路1742 信号变换电路和功率测量电路的设计19421 信号变换电路19422 功率测量电路2043 电源电路设计2244 系统总图22第5章 软件设计24第6章 结束语26致 谢27参考文献28附 录 1系统总图29附 录 2源 程 序30第1章 前 言音频功率放大器简称音频功放它用于放大20kHz20kHz的音频信号推动扬声器发声凡发声的各类消费电子产品中都要用到音频功放比如免提电
5、话手机便携GPSMP4播放器笔记本电脑电视机音响设备等音频功率放大器具有特点有1输出功率大2失真小3噪声低几十年来再音频领域中A类B类AB类音频功率放大器一直占统治地位其发展经历了几个过程电路形成从变压器输出到OTLOCLBTL形成过程其基本类型是模拟音频功率放大器它的最大缺点是效率太低全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求迫使人们尽快开发高效节能数字化的音频功率放大器它应具有工作效率高便于与其他数字化设备相连接的特点D类音频功率放大器是PWM型功率放大器它符合上述要求D类放大器是一种输出开关状态信号的放大器当输出功率开关管导通开关管所承受的压降很小在理想情况下值应是零并
6、且当输出功率开关管关闭流过放大器的电流为零所以无论在开关导通还是关闭消耗在放大器内部的功率都很小这就提高了效率需要更少的电能消耗和更小的散热器D类功率放大器工作于开关状态理论效率可达100实际运用可达80以上功率器件的耗散功率小产生热量少可以大大减少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不会引起非线性失真近几年来国际上加紧了对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能数字化的显著特点引起了各领域的特别关注在不久的将来D类功率放大器必然取
7、代传统的模拟音频功率放大器第2章 设计要求和方案选择21 设计任务和基本要求设计一个高效率音频功率放大器功率放大器的电源电压为5V电路中其他部分的电源电压不限负载为8电阻技术参数1234图2-1 高效音频功率放大器的系统组成框图23 方案确定231 高效功率放大电路的选择目前功率放大器的种类很多常见的如下几种选择一方案一A类功率放大器A类放大器也称为甲类放大器在整个周期内处在导通状态这种结构失真最小基本上是线性的但效率也最低大约为20二方案二B类功率放大器B类放大器也称为乙类放大器其功率器件导通时间只有半个周期在没有信号输入时功率损失为零与A类不同B类放大器的电源供给功率和管耗都会随着输出功率
8、的大小而改变也改善了A类放大器放大效率低的状况在理想情况下理想的效率值为785因为产生的热量比A类低可以使用较小的散热器这种功放和A类功率放大器刚好相反其输出器件仅只导通半个正弦波周期这类功放效率很明显优于A类大约为50但存在交越失真等非线性问题三方案三AB类功率放大器AB类功率放大器晶体管工作时间是半个周期至一个周期之间导通角在180到360之间其最大优点是改善了B类放大器的非线性消除了交越失真AB类放大器综合上述两种放大器的优点克服B类放大器非线性失真问题和A类放大器效率低缺点四方案四D类功放D类放大器是直接从数字音频数据实现功率放大而不需要进行模拟转换又称为数字功率放大器D类率放大器通过
9、音频信号的幅度去线性制调制高频脉冲的宽度功率输出管工作在高频开关状态具有极高的效率实际电路也可达到80-95D类功放最大的优点是效率最高几乎不产生热量因此无需大型散热器体积与重量显著减少失真低线性佳D类放大器具有高效率低发热低消耗电力的特点主要用于发生输出元件上复现输入音频信号提供所需的音量和功率水平保证复现的重视性高效率以及失真度五方案选择A类功率放大器提供了很好的线性度但效率很低B类和AB类功率放大器通过减少一个周期中晶体管工作的时间来提高效率同时保持了线性调制的可能性D类功率放大器提供的归一化功率传递能力近似于016但由于开关速度不是无穷大有较大的切换功耗各类功率放大器的主要性能指标如表
10、2-1所示表2-1 各类功率放大器性能比较放大器工作状态种类保真度最大效率线性A极好约20AB好50B一般约50开关D不好100从表可知D类放大器具有最高的工作效率但是保真度比较低这可以通过改进D类放大器控制结构来提高保真度从而实现高效率经过比较本设计采用D类功率放大器高效音频功率放大器采用D类功率放大器形式D类功率放大器是用音频信号的幅度来线性调制高频脉冲的宽度其功率输出管工作在高频开关状态通过LC低通滤波器后输出音频信号因为输出管工作在开关状态具有极高的效率232 信号变换电路信号变换电路采用差分式减法电路因为功率放大器输出具有很强的带负载能力所以对变换电路输出阻抗的要求不高选用较简单的单
11、运算放大器组成的差动式减法电路形式可以满足具有双端变单端的功能而且可以满足增益为1的设计要求233 功率测量电路方案一 直接用AD转换器采用音频输入的电压瞬时值用单片机计算有效值和平均功率原理结构框图如下图2-2所示图2-2 功率测量电路方案一的结构图方案二 因为功放输出信号不是单一频率而是用20kHz频带内的任意波形所以必须采用真有效值变换电路其原理结构框图如图2-3图2-3 功率测量电路方案二的结构图方案一虽然可以用单片机计算有效值和平均功率但是算法复杂软件工作量大所以不合适方案二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AD转换器采样该有效值直接用单片机计算平均功率软件工作
12、量小速度快精度高所以本设计采用方案二的功率测量电路第3章 D类功率放大器的基本原理31 D类功率放大器基本原理D类功率放大器电路分为三级输入开关级功率放大级及输出滤波级电路的基本结构如图3-1所示图3-1 D类放大器的基本结构D类放大器工作原理和PWM电源相似将输入的正弦音频信号与高频三角波或锯齿波相比较产生一个PWM信号将这个PWM信号用于驱动功率级产生放大的数字信号最后采用低通滤波器过滤PWM载波还原出正弦音频信号32 D类功率放大器的性能D类率放大器通过音频信号的幅度去线性制调制高频脉冲的宽度功率输出管工作在高频开关状态具有极高的效率实际电路也可达到80-95其主要性能如下1极高的工作效
13、率在20W以内不需要散热器2最少的外部工作元件3很小的总谐波失真4无外部滤波器时会产生电磁波辐射干扰5才用与门的无滤波器D类放大器可以在没有输出滤波器的情况下得到很小静点电流和很低的电磁干扰33 D类功率放大器的主要性能指标一效率通常与AB类放大器相比D类放大器具有很高的效率可以在很小的输出功率时就可以达到很高的效率而不像在AB类放大器中只有在很高的输出功率时才能达到很高的效率D类功率放大器系统的效率由负载消耗功率与电源电压提供的功率之比 3-1D类放大器输出级工作在开关状态对于理想的开关导通时电阻为零关断时电阻无穷大在此情况下D类功放的效率可以达到100但是晶体管并不是一个理想的开关在截止时
14、电阻并不是无穷大其电阻也不等于零D类放大器的效率实际上是由晶体管导通时的两端电压降和扬声器两端的电压决定的因此晶体管的导通电阻对于D类放大器的效率起着重要作用这也是影响D类功率放大器的最主要的因素二谐波失真THDTHDTotal Hormonic DistortionTHD的值其值一般在0001-10之间D类功放非线性功放失真通常用总谐波失真来表示其产生的原因主要有以下因素采样使得脉宽误差和量化误差驱动管的死区和延时功率管的导通时间和二极管恢复输出滤波电感和电容的非线性其THD的计算公式如下 3-2D类功率放大器的原理框图411 音频前置放大电路一般功率放大器输入灵敏度是一样的不同的声音源信号
15、如果直接输入到功率放大器中对于输入过低信号功率放大器输入功率不足不能充分发挥功率放大器作用假如输入信号的幅值过大功率放大器输出信号将严重过载失真失去音频放大的意义因此音频功率放大系统需设置前置放大器适应不同输入信号或放大或衰减或进行阻抗变换使其与功率放大器输入灵敏度相匹配 前置放大器电路采用宽频带低漂移的运算放大器TLC4502组成增益可调的同相宽带运算放大器一TLC4502简介TLC4502具有较宽的频带而且可以在较低的电压下满幅输出既保证能产生线性良好的三角波而且可满足功放在低电压下正常工作的要求其引脚封装如图4-2所示图4-2 TLC4502引脚端封装形式各管脚的功能如表4-1所示表4-1 TLC4502引脚功能引 脚符 号功 能11OUT放大器1输出21IN-放大器1负输入31IN放大器1正输入4VDD-GND接地52IN放大器2正输入62IN-放大器2负输入72OUT放大器2输出8VDD正电源
