数字功率放大器制作与设计方案.docx

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数字功率放大器制作与设计方案

数字功率放大器制作与设计方案

第1章任务与要求

1.1课题概述

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。

所以我们在所学知识研究这个课题：

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。

功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻。

1.1.1音频功率放大器的简介

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。

1.1.2音频放大器的分类

长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于A类（甲类）和AB类（甲乙类）。

其原因在于过去只有电子管这样的器件，B类（乙类）电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。

所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的A类（甲类）。

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（甲类）和AB类（甲乙类），而出现了更多类别的放大器。

为了使读者对此有所了解，这里仅就笔者所知的各种类别的放大器简介如下。

不过需要指出，就目前来说用于音频功率放大器的工作类别，A类（甲类）、AB类（甲乙类）和B类（乙类）这三类放大器仍覆盖着半导体放大器的绝大多数。

下面我们来着重介绍一下D类放大器：

D类放大器最初提出是在1958年，近年来日益受到欢迎。

消费类产品..0为线性放大器的一半。

AB类放大器的效率大约是50%左右，而D类放大器的效率在80%以上，甚至还可以达到90%。

在效率、体积以及功率消耗方面，D类放大器具有明显的优势。

而在广为诟病的音质方面，经过业界的努力，D类放大器的音质已与AB类放大器没有区别。

而在价格上，单从图中看似乎AB类放大器较为便宜，但是从系统方面考虑，由于AB类放大器要输出较大功率必然要有更大的功耗，因而其散热片也是必不可少的。

而D类放大器由于效率高、功耗小，因而可以省去散热片。

另外，由于AB类放大器的功耗大，就需要更大体积的电源对其供电，这样也会使其开销增加。

可以说，从系统方面考虑，它们的开销相差不多。

因而，D类放大器的优势是显而易见的。

对于传统的晶体管放大器，输出级包含多个晶体管，这些晶体管提供瞬时连续的输出电流。

音响系统的很多可能的实现方案都包括A类、AB类和B类放大器。

与D类放大器设计相比，甚至效率最高的线性输出级的功耗都很大，这一区别使D类放大器在很多应用中优点明显，这是因为功耗越小，产生的热量就越少，可节省电路板空间和成本，并可延长便携式系统的电池使用寿命。

1.2设计内容与要求

1）确定设计方案，绘制电路原理图。

2）设计印刷板电路。

3）试制本机（含外观设计）。

4）确定本机测试方案。

5）本课题组必须制作两组实物。

6）现场测试、写出测试报告

1.3参数要求

（1）功率放大器

　　　a．3dB通频带为300Hz～3400Hz，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1～20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%。

（2）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。

（3）设计并制作一个测量放大器输出功率的装置，要求具有3位数字显示，精度优于5%。

2.1研究背景

数字音频功率放大器的研究背景与发展现状，随着现代电子技术的不断发展，集成电路被广泛应用于各类电子电路中，随着近十几年来半导体技术的进步，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用，音频功率放大电路是原理上最为基本、应用上最为广泛的功率放大电路。

数字音频功放的概念早在20世纪60年代已被提出，但由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。

1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM数字音频功放的基本结构，主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM。

1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字音频功放的商业产品，从此，第4代音频功率放大器—数字音频功率放大器进入了工程应用领域，并获得了世界同行的广泛认可，市场日益扩大，数字音频功率放大器已经成为近年来的研究热点之一。

2.2论文研究目标和意义

本文分析了：

目前大部分音响系统中的功放都是模拟类型，传统的模拟功放按放大器的工作状态可分为：

A类、B类、AB类等形式。

A类、AB类功放是音响系统中最为常用的功放。

传统类音频放大器的一个共同缺点是效率很低，A类音频放大器的理论效率是25%，实际效率大约为15-20%;B类音频放大器的理论最大效率是78.5%;AB类音频放大器的理论效率75%，实际效率在50-70%之间。

无论A类，B类还是AB类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言、音乐时平均工作效率只有30%左右。

音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。

在半导体设计潮流走向轻薄短小之际，不仅半导体组件本身的封装要小，整个模块的尺寸也变成决定系统客户接受与否的关键规格。

全球音视频领域的数字化浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、易于与数字化设备接口的音频功率放大器。

D类数字音频放大器就是在这样的背景下兴起的。

D类数字音频功率放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM（PulseCodeModulation,脉冲编码调制）数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。

由于其开关管工作于开关状态，因此具有高效率、低功耗等优点。

目前，D类音频功率放大器在移动电话、平面电视、LCD显示器以及各种以电池供电的便携式游戏设备等消费类电子产品中已获得广泛的应用。

在手机、PDA、MP3Player等应用中，以D类取代AB类放大器的趋势便已相当明显。

所以研究一种高效率、环保、廉价的数字放大器具有很深的现实意义。

2.3论文章节安排

本论文大致可分为三部分：

第一部是课前预热，包括摘要、目录；第二部分包含第四章至第六章，给出课题具体制作过程及设计原理；第三部分包括第七章，是论文总结及未来相关展望。

本文的内容组织安排如下：

第一章主要讲述论文的研究背景、论文研究目标以及章节安排。

第二章系统地介绍设计原理及制作过程，包括电路方案设计与选取，电路原理，制作指导步骤，程序编排，分步调试，整体调试。

第3章方案论证与设计

3.1总体设计分析

本课题设计是利用运放芯片TEA2025和各元器件组成音频功率放大电路，有保护电路，电源只需接+5v，另一端接地，最大不失真输出功率≥1W。

图3-1系统方框图

3.2方案的选择与设计

3.2.1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类放大器。

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。

方案二：

采用B类放大器。

B类放大器的主要特点是：

放大器的静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。

在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波（如图虚线部分所示），所以必须用两管推挽工作。

其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。

即当信号在-0.6V至0.6V之间时，Q1Q2都无法导通而引起的。

所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

方案三：

、采用AB类放大器。

AB类放大器的主要特点是：

晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。

可以避免交越失真。

交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。

有效率相对提高，晶体管功耗也较小。

方案四：

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80％～95％，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。

①脉宽调制器（PWM）

方案一：

可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制，不利于本题发挥部分的实现。

方案二：

采用图2-2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，故选用此方案。

、

图3-2脉宽调制器电路

②高速开关电路

a.输出方式

方案一：

选用推挽单端输出方式（电路如图3-3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。

图3-3高速开关电路

方案二：

选用H桥型输出方式（电路如图2-4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10V，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。

图3-4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，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。

③滤波器的选择

方案一：

采用两个相同的二阶巴特沃兹低通滤波器。

缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。

方案二：

采用两个相同的四阶巴特沃兹低通滤波器，在保证20kHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。

3.2.2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。

3.2.3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，原理框图如图2-5所示，但算法复杂，软件工作量大。

图3-5功率测量电路

方案二：

由于功放输出信号不是单一频率，而是20KHz频带内的任意波形，故必须采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3-6所示），软件工作量小，精度高，速度快。

图3-6功率测量电路

2.3方案确定

D类放大器的架构有对称与非对称两大类，在此讨论的D类功放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。

通过以上各方案论证D类放大器由PWM电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图2-7所示。

它采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。

采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。

全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。

实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。

其输出电压是叠加变大的，经过低通滤波器后，仍存在较大的负载电流，特别当滤波器设计不好时，流过负载的电流就会更大，从而导致负载损耗大，降低放大器效率。

音频输入

图2-7系统组成框图

第4章硬件电路设计

4.1原理分析

D类功率放大器的工作过程是：

当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器发声。

当输入PCM数字信号时，数字信号经PCM-PWM转换器，转变成为PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经低通功率滤波器带动扬声器工作。

4.1.1脉宽调制器

①三角波产生电路。

该电路我们用555芯片构成三角波产生电路，如图3-1所示。

本设计利用555组成多谐振荡器的电容C41充放电特性加以改进，实现对电容C41的线性充放电获得三角波。

利用QN9、QN10和R22构成恒流源对C41实现线性充电，利用QN7、QN8和R23构成的恒流源实现对C41的放电。

电容C41上的三角波经QN6射极跟随器输出。

电路中电容C41选用漏电流很低的聚苯乙烯电容。

该振荡器振荡频率:

2/3Vcc=1/3Vcc+I*T1/C;1/3Vcc=2/3Vcc-I*T2/C;F=1/（T1+T2）=3I/2Vcc*C。

我们要得到一个线性很好、频率约100KHZ、峰峰值为2.18V的三角波，将其输入到脉宽调制比较器的一个输入端。

图4-1三角波产生电路

电路工作原理如下：

接通电源瞬间，555芯片的3脚输出高电平，二极管D3

截止，D4导通，从而D2也截止，D1导通，电源Vcc通过QN9，QN10，R22，D1对电容C41恒流充电，当C41上电压达到2/3Vcc时，555芯片的输出发生翻转，即3脚输出低电平，D3导通，D4截止，从而D1也截止，D2导通，电容C41通过D2，QN7，QN8，R23恒流放电，直到C41电压等于1/3Vcc，电容又开始充电，如此循环，则C41上可以得到线性度良好的三角波，输出加一级电压跟随器，以提高带负载能力，其仿真波形如图4-2所示。

图4-2三角波波形图

②比较器

常规PWM调制电路如图3-3所示，电路以音频信号为调制波，频率为150kHz的三角波为载波，两路信号均加上2.5V的直流偏置电压，通过比较器进行比较，得到幅值相同，占空比随音频幅度变化的脉冲信号。

比较电路采用高速、精密的比较器芯片LM311。

由于比较器芯片LM311的输出级是集电极开路结构，输出端须加上拉电阻，上拉电阻的阻值采用芯片资料上的推荐阻值1k。

其仿真波形如图4-4所示。

图4-3比较器电路

4.1.2前置放大电路

前置放大电路如图4-5所示。

设计要求整个功率放大电路的增益从1～20连续可调，考虑到设计要求功率放大单元的电源为单电源+5V，故取载波（三角波）的峰峰值为2.18V。

当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8Ω负载上等效正弦波的电压峰峰值为V′p-p=8V，此时送给比较器音频信号的最大峰峰值为Vp-pmax=2V，则对应的调制放大增益为4（实际上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于4），由于设计要求电压放大倍数1～20连续可调，因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。

电路中运算放大器通过低噪声、高速运放OP-37为核心，加上相关元件构成反相比例放大器。

选择反相放大器是为了容易实现输入电阻Ri≥10kΩ的要求，取V+=VPP/2=2.5V要求输入阻抗Ri大于10KΩ,反馈电阻采用R3=51KΩ,反相端电阻R1=10KΩ,则前置放大器的最大增益Av为

Av=R3/R1=51/10=5.1

调整R3使其Av增益约为8，则整个功放的电压增益从1～20可调。

图4-5前置放大电路

4.1.3驱动电路

如图4-6所示。

将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用CD40106施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，送给由晶体三极管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保证了快速驱动。

驱动电路晶体三极管选用8050和8550对管。

图4-6驱动电路

4.1.4H桥互补对称输出及低通滤波电路

H桥互补对称输出电路对VMOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。

因输出功率稍大于1W，属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRF120和IRF9120VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。

实际电路如图3-7所示。

互补PWM开关驱动信号交替开启Q5和Q8或Q6和Q7，分别经两个4阶巴特沃兹滤波器滤波后推动喇叭工作。

图4-7H桥互补对称输出及低通滤波电路

低通滤波器采用四阶巴特沃兹LC滤波电路，如图3-7所示。

对滤波器的要求是上限频率≥20kHz，在通频带内特性基本平坦。

通过实验，从而得到了一组较佳的参数：

L1=22μH，L2＝47μH，L3=22μH，L4=47H。

19.95kHz处下降2.464dB，可保证20kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；100kHz、150kHz处分别下降48dB、62dB，完全达到要求。

4.1.5信号变换电路

由于负载两端的电压是浮动的，须将此双极性信号变为单极性信号，然后才能通过A/D和单片机作采样处理。

由于对这部分电路的电源电压不加限制，可不必采用价格较贵的满幅运放,故信号变换电路采用低噪声、高速运算放大器芯片NE5532。

题目要求电路增益为1，选取R1＝R2＝R3＝R4＝20kΩ，电路如图4-8所示。

图4-8信号变换电路

4.1.6功率测量

信号分压后先经过真有效值转换芯片AD637，AD637输出信号的有效值模拟电平，然后通过A/D采集送到单片机，直接计算功率放大器的输出功率、效率，然后把计算结果送显示单元显示即可。

真有效值变换电路如图4-9所示，采用美国模拟器件公司（AnalogDevices）髙精度真有效值变换芯片AD637，所需外围元件少，频带宽，测量误差≤±（0.2读数＋0.5mV），能计算任何复杂波形的真有效值、平均值、均方根值、绝对值，当输入信号大于1V时测量信号的频率上限高达8MHz。

图4-9真有效值变换电路

4.1.7保护电路

保护电路的原理如图4-10所示,0.1Ω过流取样电阻与8Ω负载串联连接，对0.1Ω电阻上的取样电压进行放大（并完成双变单变换）。

电路由U1B组成的减法放大器完成，选用的运放是NE5532。

R6与R7调整为11kΩ，则该放大器的电压放大倍数为Av=R0/R7≈51。

经放大后的音频信号再通过由D1、C2、R10组成的峰值检波电路，检出幅度电平，送给由LM393组成的电压比较器“+”端,比较器的“-”端设置为5.1V，由R12和稳压管D6组成，比较器接成迟滞比较方式，一旦过载，即可锁定状态。

正常工作时，通过0.1Ω上的最大电流幅度Im=5/（8+0.1）=0.62A，0.1Ω上的最大压降为62mV。

经放大后输出的电压幅值为Vim×Av=62×51≈3.2V，检波后的直流电压稍小于此值，此时比较器输出低电平，Q1截止，继电器不吸合，处于常闭状态，5V电源通过常闭触点送给功放。

一旦8Ω负载端短路或输出过流，0.1Ω上电流、电压增大，经过电压放大、峰值检波后，大于比较器反相端电压（5.1V），则比较器翻转为高电平并自锁，Q1导通，继电器吸合，切断功放5V电源，使功放得到保护。

要解除保护状态，需关断保护电路电源。

为了防止开机瞬间比较器自锁，增加了开机延时电路，由R11、C3、D2、D3组成。

D2的作用是保证关机后C3上的电压能快速放掉，以保证再开机时C3的起始电压为零。

图4-10短路保护电路

4.2原理图

4.3.PCB

第5章电路调试

要求：

正确的调试系统才能使各模块电路正常工作，实现高稳定性的显示。

5.1调试的设备

为了方便调试，找出电路相关电路故障及测量相关数据，我们使用了很多专业调试设备，如表5-1所示。

表5-1调试设备

DC电源

XG17232L

一台

示波器

DS5022M

一台

电烙铁

30W

一套

信号发生器

SFG-1003

一台

万用表

UT39B

一块

喇叭

8Ω

一个

5.2调试步骤

（1）通频带的测量：

在放大器电压放大倍数为10，输出电压幅值最大值为1V，实测3dB通带的上、下边界频率值。

通频带测试时应去掉测试用的RC滤波器。

（2）最大不失真输出功率：

放大倍数为10，输入1000Hz正弦信号，用毫伏表测量放大器输出电压有效值，计算最大输出功率Po-max。

（3）输入阻抗：

在输入回路中串入10KΩ电阻，放大器输入端电压下降应小于50％。

（4）噪声电压：

在测试用RC滤波器输出端，用毫伏表替代测试噪声电压，记录实测值。

（5）效率测量：

输入1000Hz正弦波，放大倍数为10时，使输出功率达到

500mW，测量功率放大器的电源电流I（不包括测试用变换电路和显示部分的电流）。

要求电源电压V的范围为5×（1+1%）V。

效率为：

500mW%V×I。

5.2.1电路调试

一：

模拟电路调试方法

1.不通电检查

检查连线电路安装完毕后，不急于通电，先认真检查接线是否正确，包括错线（连线一端正确，另一端错误）、少线（安装时漏掉的线）和多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）。

多线一般是因接线时看错引脚，或者改接线时忘记去掉原来的旧线造成的，在实验中时常发生，而查线时又不易发现，调试时往往会给人造成错觉，以为问题是由元器件造成的。

2.通电观察

把经过准确测量的电源电压加入电路，电源接通之后不要急于测量数据和观察结果，首先要观察有无异常现象，包括有无冒烟，是否闻到异常气味，手摸元件是否发烫，电源是否有短路现象。

如果出现异常，应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。

然后再测量各元件引脚的电压，而不是只测量各路总电源电压，以保证元器件正常工作。

3.分块调试