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1、大学2008届本科毕业设计说明书毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院、系：信息与通信工程学院通信工程系专 业：通信工程专业设 计 题 目：高保真音频放大器设计指导教师: 2008年03月20日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 课题研究背景声音的表现形态多样，主要有语言、音乐、音响1随着电声技术的发展，尤其是近年来数字多媒体技术的发展，多媒体计算机和网络已成为人们学习、工作和日常生活中不可缺少的组成部分。一种以电声技术为核心内容，把系统构成，音视频节目、多媒体和网络媒体制作及应用作为主要目的的综合
2、应用型学科音频技术，便应用而生2。 音频功率放大器3是构成电声系统必不可少的组成部分。几乎所有的电声设备中都包含有必要的放大电路，其类型有很多种，他们大都处在电声设备或电路系统的中间级位置，起着承前启后的作用，主要是将输入的音频信号进行放大（有时也做适当的处理）后，以足够的强度传输给后级的设备（或电路）。高保真、大功率、高效率是对功率放大器提出的普遍要求。音频功率放大器主要由前置级、音调级、功率放大级三部分组成。前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小；音调级对输入信号主要起到提升、衰减作用；功率放大级是音频放大器的主要组成部分，它决定输出功率的大小，要求输出效率高，输出功率大的特点。
3、对整机的要求是高保真、噪声低，由较好的扩音效果4。音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。音频频率范围约为20 Hz20 kHz5，因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应（当驱动频带有限的扬声器时频率范围减小，例如，低音扬声器或高音扬声器）。输出功率能力根据应用情况变化范围很宽，从数毫瓦（mW）的耳机，几瓦（W）的电视（TV）或个人计算机（PC）音频，几十瓦的“迷你”家庭音响和汽车音频，到几百瓦和几百瓦以上大功率的家用和商用音响系统，以及剧场或音乐厅音响系统。 一种音频放大器的直接模拟实现使用晶体管在线性工作方式下产生一个与输入
4、电压成比例的输出电压。正向电压增益通常很高（至少40 dB）。如果正向增益是反馈环路的一部分，那么总的环路增益也会很高。经常使用反馈环路，因为高环路增益可以改善性能，抑制由于正向路径中线性误差造成的失真，并且通过增加电源抑制（PSR）减少电源噪声。1.2 国内外发展现状随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。就放大器的类别而言，已不限于A类、B类和AB类，而出现了更多类别的放大器6。1.2.1A类放大器A类放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。 这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性
5、放大器。 A类放大器在结构上，还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作，其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过，而不使任一器件截止。这一措施的最大优点是它不会突然地耗尽输出电流，如果负载阻抗低于标定值，放大器会短期出现截止现象，在失真上可能略有增加，但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流源型(VCIS)，它本质上是一个单独的射极跟随器，并带有一个有源发射极负载，以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时，需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器
6、可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，且有较大的非线性失真。由于效率比较低现在设计基本上不在再使用。1.2.2 B类放大器B类放大器拓扑结构没有DC偏置电流，所以功耗大大减少。其输出晶体管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流。由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。但是B类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差（交越失真）。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。1.2.3
7、 AB类放大器AB类放大器是A类放大器和B类放大器的组合折衷，它也使用DC偏置电流，但它远小于单纯的A类放大器。小的DC偏置电流足以防止交越失真，从而能提供良好的音质。其功耗介于A类放大器和B类放大器之间，但通常更接近于B类放大器。与B类放大器电路类似，AB类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。不幸的是，即使是精心设计AB类放大器也有很大的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。由于漏源极之间的电压降很大，所以会产生很大的瞬时功耗IDSVDS。1.2.4 D类放大器以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功率损耗。无信号
8、时电流愈大则直流损耗大，效率低。为此，要提高效率则应降低工作点，使无信号时，无直流损耗。但是，信号导通角愈小波形失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求矛盾。如果输入波形其他边沿很陡直，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣化不大而效率可以提高。波形陡直的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形无论偏置如何变化，由于前后沿是垂直升降的，导通状态都不会变化，这样就诞生了工作与脉冲放大状态的D类放大器。D类放大器首次提出于1958年，近些年已逐渐流行起来7。D类放大器工作与开关状态，无信号时无电流，而导电时，期间并未完全短路，尚有一定管压降，故存在较少直流损耗，效率不能达100%，实际在80
9、-90%，是实用放大器中效率最高的。正是由于D类放大器的效率高，100瓦输出的设备，直流损耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，连电路板可作的很小，大大减少了体积重量，并且由于工作比音频高10余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响很小8。在低频功率放大器中，为提高效率，往往采用乙类或甲乙类推挽放大电路。在高频功率放大器中，则常工作在丙类，以求得到比乙类更高的效率9。丙类放大器工作在开关状态，它只处理正半周信号，也就是处理脉动直流信号。“低频”就是从“音频”的含义演化而来10的。而音频信号是正负都有的交流信号，使用丙类放大器会产生严重的失真。放大器的技术指标11(1)额定功率（2）频率响应（3
10、）输入灵敏度（4）噪声电压。未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一，便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长；其二，高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器；其三，由于性能和价格压力持续上扬，因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。新应用对运放提出诸如高速、低功耗、高集成度等新的技术要求。降低噪声与提高集成度是未来运放发展的瓶颈12。1.3 课题的设计任务本设计以高保真音频功率放大器为主要的研究方向，分析其发展及应用，熟悉背景，进行相关资料的英文翻译。在掌握音频放大器工作原理及其相关的电路知识的基础上设计出系统硬件电路，画出系统原理框图，并用Protel99 SE
11、画出电路原理图。 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1本课题要研究的问题音频放大器又称声频放大器、低频放大器或扩音机，是放大音频电信号的装置。由于各种信号源输入的信号都很微弱，他们不足以推动扬声器发出大功率的声音，因此必须将这些很弱的信号进行放大。从高保真角度来讲，要求放大器如实地放大原信号。但从广义上讲，为了使声音更动听，又常常对信号进行适当的修饰和加工。失真机理: 失真机理包括调制技术或调制器实现中的非线性，以及为了解决冲击电流问题输出级所采用的死区时间。其它失真源包括：输出脉冲上升时间和下降时间的不匹配，输出晶体管栅极驱动电路时序特性的
12、不匹配，以及LC低通滤波器元器件的非线性。2.2拟采用的研究手段按音频放大器中各部分的功能不同，常常将其分为两部分：其一称为前置放大器（也称前级放大器）；其二称为功率放大器（也称后级放大器）。图1为模拟音频放大器的基本组成框图。前置放大器还可细分为信号源前置放大器和主控放大器。目前，常常用高品质的集成运放为核心构成的前置放大器，性能优异、稳定可靠，且价格低廉。左声道输入tVcmVoCinVoVcmRinRf+-音频输入tttV短路波形下管波形上管波形至滤波网络上管+12PWM12V比较器正弦信号开关放大器MOSFET滤波电路LPF音频信号输入负反馈死区校正（某些结构可以省去）和驱动电路三角波发
13、生器扬声器低通滤波器均衡及节目选择器音响、响度、音量控制滤波及放大电路功率放大器平衡控制展宽控制电源均衡及节目选择器音响、响度、音量控制滤波及放大电路功率放大器右声道输入图1 音频放大器组成框图 前置放大器前置放大器接收多种信号源（传声器、调谐器、电唱机、录音机、激光唱机、MP3等）的信号，并对不同信号源的信号进行相应的处理，以便为后级放大器准备适宜的电信号，使后级放大器得以稳定地工作。功率放大器的作用是将来自主控放大器的信号放大到能足够推动相应扬声器所需的功率。就其功能的项目来说远比前置放大器简单，就其造价和消耗的电功率来说远大于前置放大器。功率放大的本质就是将电源电能“转化”为音频信号电能
14、。功率放大器的组成方框图如图2所示。输入级前置激励级激励级功率输出级电源电路保护功率指示输入信号负反馈图2功率放大器的组成方框图根据题目要求，决定采用D类功率放大器。当前的电子器件倾向于便携和小的尺寸，音频功率放大器采用了D类技术，D类功率放大器由于它的高效率，理论上可以达到100%，而受到关注。D类放大器的输出级是CMOS的功率晶体管组成，提供扬声器负载需要的大量的电流，这些晶体管工作在或者是截止状态，或者是线形区，而不是饱和区，由于晶体管只是工作在周期间的一小部分是激活的，减小了开关的导通损耗。高的效率也因此成为可能，效率受D类输出级的晶体管的导通电阻（Ron）影响。前置放大器输入端脉宽调
15、制发生器低通滤波器扬声器图3 D类功率放大器的简单框图图3是D类功率放大器的简单框图，D类音频功率放大器在工作方式上与产生控制PWM电压信号的开关电源相似。电路的工作原理是用“振荡发生器”输出的三角波与来自外部的模拟音频信号进行比较，在“脉宽调制（PDM）13比较器”输出端产生一个其脉款变化与音频信号幅值成比例的可变脉宽方波。虽然实现功率放大的电路很多，但A、B、C、类放大器的效率很低，在实际电路运用中很难达到题目要求。而D累放大器虽有较大难度但可大大提高效率，且失真很小，波形放大效果良好。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。这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。为什么要这样做呢？因为这时候，要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放放大就可以了。而原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的宽度之中。只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。在没有
