D类音频功率放大器的设计毕业设计论文Word下载.docx
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指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性;
技术线路的可行性;
设计方案的合理性
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
建议成绩:
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
二、论文(设计)水平
评阅教师:
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩:
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
教学系意见:
系主任:
摘要
数字功率放大器具有模拟功率放大器不可比拟的优势,代表着音响技术数字化的新台阶。
本系统以高效率D类功率放大器为核心,输出开关管采用高速VMOSFET管,连接成互补对称H桥式结构,最大不失真输出功率大于1W,平均效率可达到70%左右。
D类放大器包括脉宽调制器和输出级。
本文首先介绍了声音的基本特性、音响放大器的技术指标、放大器分类和D类放大器的工作原理,接着进行了D类功放的仿真分析,包括PWM波的形成、频谱分析等等;
然后根据D类功放的设计要素,设计了基于MAXIM公司的10W立体声/15W单声道集成芯片MAX9703/MAX9704的D类放大器,并对D类功放的发展与技术展望进行了描述。
在本文里,对放大器的各个模块包括放大电路、比较器电路、三角波产生电路、驱动电路等进行了设计和仿真,且达到了预先设定的指标。
关键词:
D类放大器脉宽调制高速开关电路低通滤波
1引言
音响技术发展到今天,音响设备中大部分已实现了数字化,如作为音源的CD、DAT、MD、DVD等,数字调音台以及数字效果器、压限器、激励器等周边设备也被一些专业场所使用。
而作为音响系统最后环节的功率放大器和扬声器却长期在数字化的大门外徘徊。
人们对音响重放高保真度的追求是永无止境的,而模拟功率放大器经过了几十年发展,在技术上已经相当成熟,可以说已难于有新的突破。
随着生活水平的提高,环保与能量的利用率也渐渐成为人们所关注的问题,正因为这样,人们再一次把目光投向数字功放。
其实早在20世纪60年代末期就有人着手数字放大器的研究,为什么在这数十年以来的音响发展历程,一直不见其产品面市?
究其原因,是在数字音频放大器的设计与制作过程中,最大的难题就是高速转换控制系统。
因为其需要极高的精确度,但在如何解决脉冲调制放大在工作时提供持续稳定的线性响应,以及如何避免产生辐射脉冲干扰等方面难以取得突破,故一直使脉冲调制型放大器在音响应用领域停滞不前,举步维艰。
如今,随着脉冲调制放大电路的技术瓶颈被逐渐解决,数字放大器的优点日渐突显,新品不断推出,也越来越受到人们的关注了。
低失真,大功率,高效率是对功率放大器提出的普遍要求。
模拟功率放大器通过采用优质元件,复杂的补偿电路,深负反馈,使失真变得很小,但大功率和高效率一直没有很好的解决。
工作在开关状态下的D类功率放大器却很容易实现,大功率,高效率,低失真。
传统的音频功放工作时,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,输出功率不可能做的很大。
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有自保护电路,可以大大简化保护电路,而且不会引入非线性失真。
对于高电感的扬声器,在设计电路时,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SVD类功率放大器中已经开始运用,如:
TEXAS公司的TPA2002D2。
近年来,国外的公司对D类功率放大器进行了研究和开发,提出了一些方案,但是尚存在了较大的难度,由于采用PWM方式,为了提高音质,降低失真,必须提高调制频率,但是在较高频率下,会产生一定的问题,同时,D类功率放大器对器件的要求较高,不利于降低成本。
2音响的基础知识
2.1声音的基本特性
音量:
它与声波的物理量“振幅”有关,声波的振幅大,人耳就感觉声音响,音量大,反之,则声音轻,音量小,音量的大小是人耳听音的主观感觉。
音调:
是人耳对声音调子高低的主观感觉,声调的高低与声音的物理量“频率”对应人耳的听觉范围:
20hz~20KHz称之为可听声,低于20Hz称为次声,高于20KHz称为超声,人耳对3K~4K的声音最敏感。
音色:
又叫音品或音质,它是由声音的波形决定的,电子管功放的偶次谐波多,奇次谐波少,声音柔美,甜润,晶体管功放奇次谐波多,声音冷艳,清丽。
2.2音响的结构及参数
前置放大器和功率放大器,前置放大器承担控制任务为主,对各种节目源信号进行选择和处理,对微弱信号放大到0.5-1V,进行各种音质控制,以美化音色。
功率放大器,承担放大任务,是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大,以推动扬声器发声。
有电压放大,电流放大,要求是宏亮而不失真。
2.3放大器的技术指标
1.额定功率:
音响放大器输出失真度小于某一数值(r<
1%)的最大功率称为额定功率,表达式;
P
=U
/R
U
为负载两端的最大不失真电压,R
为额定负载阻抗。
测量条件如下:
信号发生器输出频率为1KH,电压U
=20mV正弦信号。
功率放大器的输出端接额定负载电阻凡(代替扬声器),输入端接U
,逐渐增大输入电压U
,直到U
的波形刚好不出现谐波失真(r<
1%),此时对应的输出电压为最大输出电压。
测量后应迅速减小U
,以免损坏功率放大器。
2.频率响应
放大器的电压增益相对于中音频f
(1KHz)的电压增益下降3dB时所对应的低音音频f
和高音音频f
称为放大器的频率响应。
调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的50%输入端接音调控制器,使信号发生器的输出频率f
从20Hz-20KHz(保持U
=20mV不变)测出负载电阻上对应的输出电压U
。
3.输入灵敏度
使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压(有效值)称为灵敏度。
4.噪声电压
使输入为零时,输出负载凡上的电压称为噪声电压U
测量:
使输入端对地短路,音量电位器为最大值,用示波器观察输出负载RL的电压波形,用交流电压表测量其有效值。
3放大器的简介
功率放大器通常根据其工作状态分为五类。
即A类、AB类、B类、C类、D类。
在音频功放领域中,前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入,放大后将此信号用以推动扬声器发声。
D类放大器比较特殊,它只有两种状态,不是通就是断。
因此,它不能直接输入模拟音频信号,而是需要某种变换后再放大。
1.A类放大器
我们略去电路直接从特性曲线来讨论工作状态,见图3-1中左边为晶体管输入特性,固定置偏所形成的工作点在Q点,当正弦音频信号输入时,其幅度未超出线性范围,集电极工作状态处于截止区和饱和点之内,集电极电流为完整的全周导通的正弦波,此时导通角为180度,(导通角是以最小值至最大值之间占全周的部分来计算,全周导通时为180度)。
这种放大状态失真度较小,只受器件特性曲线的影响,若器件线性好则失真最小,但是,当无交流输入时,有约一半幅度(Q点)的直流电流,其损耗为I
×
V
,故效率是最低的,低于50%,所以这种A类功率放大仅用于很小功率的收音机,助听器中,也有用于高级的Hi-Fi功放中。
图3-1A类放大器
2.B类放大器
图3-2B类放大器
静态置偏为Q点,处于截止点上,因此信号输入时,只有半周导通(导通角为90度),如图3-2所示,。
集电极输出半个正弦波。
这种状态失真度就很大了,所以一般乙类放大器都用双管做成推挽式,每管工作半周构成完整的正弦波以减少失真。
乙类状态的最大优点是无信号时原则上没有直流电流,因而没有直流功率损耗,效率超过50%,但由于曲线起始端的非线性,常将推挽放大器的两管均少量正向置偏,其导通角大于半周,故效率不能做得很高达60%-70%.工作介于AB之间,故又称AB类功放。
其情况如图3-3,3-4。
图3-3推挽电路形式
图3-4AB类放大和B类放大
3.C类放大器
情况如图3-5,静态置偏点在截止点之下,当信号输入时只有超过偏置点部分管子才导通(导通角小于90度),效率更高,但由于失真过大,难用于音频功放,多用于高频功放作为倍频用,集电极电流呈脉冲状,谐波丰富,再用高Q电路调谐于基波频率,滤处谐波成分,使输出完整波形的正弦波。
C
图3-5C类放大器
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,信号导通角逾小波形失真则愈大,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又可以提高。
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类放大器工作于开关状态,无信号时无电流,而导电时,没有直流损耗。
事实上由于关断时器件尚有微小漏电流,而导通时,器件并未完全短路,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80-90%,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,直流功耗就十几瓦,故散热器就几个平方厘米,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。
D类放大器与线性音频放大器(如A类、B类和AB类)相比,在功效上有相当的优势。
对于线性放大器(如AB类)来说,偏置原件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。
因为D类放大器的晶体管只是作为开关使用的,用来控制流过负载的电流方向,所以输出级的功耗极低。
D类放大器的功耗主要来自输出晶体管导通阻抗、开关损耗和静态电流开销。
放大器的功耗主要以热量的形式耗散。
D类放大器对散热器的要求大为降低,甚至可以省去散热器,因此非常适用于紧凑型大功率应用。
近年来,受以下两个主要因素的影响,这样的局面正逐渐扭转,使D类放大器在很多应用领域引起了人们的广泛关注。
首先,是市场需要。
D类放大器的某些优点推动了手机和LCD平板显示器这两个终端设备市场的迅速发展。
对于手机来说,扬声器和PTT(Push-to-Talk,一键通)模式需要D类放大器的高效率,以延长电池寿命。
LCD平板显示器的发展对电子器件提出了“低温运行(coolrunning)”的需求,这是由于工作温度的升高将影响显示颜色对比度。
而D类放大器的高效率意味着驱动电子设备时功耗更低,使LCD平板显示器工作时发热更少,图像显示效果更好。
影响D类放大器应用的第二个因素便是自身技术的发展。
根据市场需要,一些制造商改进了D类放大技术,使D类放大器具有更理想价格的同时,也具备了与AB类放大器相近的音频性能。
此外,一些新型的D类放大器输出调制方案还可以降低实际应用的EMI。
4D类功放的原理及仿真
4.1D类功放的工作原理
D类功率放大器的原理,首先将脉冲编码调制(PCM,PulseCodeModulation)音频数据流通过专门的等比特数字处理器(EquibitDSP)变换为脉宽调制(PWM,PulseWidthModulation)的数据流。
采用脉宽调制后,音频信号便成为一系列的用“0”和“1”表示的宽度可变的脉冲串,脉冲的宽度越宽,信号的幅度就越大。
将这些脉宽调制的数据流去推功率放大器的常规晶体输出管。
由于受到脉宽调制数据流的作用,晶体输出管将迅速地时而饱和导通工作,时而截止不工作。
晶体管导通工作时间越长,信号幅度便越大,于是晶体输出管为扬声器提供的电流也时而因管子导通而有电流流过,时而因管子截止而没有电流流过,音频信息便包含在这些接通、断开的周期过程中。
脉冲串在由晶体管放大后,便由LC低通滤波器进行平滑处理,从而恢复为原有的音乐波形。
D类放大器的电路工作方式为开关状态,作为放大音频正弦信号,还需模/数转换电路,将音频模拟信号先变为脉冲方波,从而进行放大。
其原理方块图如图4-1,波形图如图4-2。
图4-1D类放大器的原理方块图
图4-2将正弦波变为脉冲波的脉宽调制电路
从图4-1的结构可知,两个放大器反相连接,实际上构成推挽状态,起到开关作用去控制与电源串联的负载回路(RL),低通滤波器LPF可以滤去脉冲波的高频部分,得到基波成分,所以实际上成为数/模(D/A)转换电路,重新将脉冲波还原成为正弦波。
从电路看,当两支形状短路阻抗为0,开路阻抗为无穷大时,电路效率100%。
因为扬声器是感性负载,对于高电感的扬声器如中频扬声器,D类功放可以不用低通滤波器,直接与扬声器相联。
图4-2表示如何将正弦波变为脉冲波,让脉冲波的宽度受正弦波幅度调制,称为PWM信号,即“脉宽调制”信号。
这里没有应用一般概念的A/D变换电路,而是用一个幅度与放大的正弦信号近似的三角波,共同作为变换器输入,相当于反相比较器。
当三角波幅度大于正弦波幅部分,变换电路输出"
1"
;
而三角波幅小于正弦波幅处,变换电路均输出"
0"
这样即将输入的正弦信号变为宽度随正弦信号波幅变化的PWM波。
D类功放使用的开关管采用功率型MOSFET,即大功率场效应管,并为保证足够的激励电压而设有驱动电路,使FET能充分的开启和关断。
图4-3是PWM波的频谱,当放大单一频率正弦时,其频谱中除低频段存在与输入信号同频率的基波成分外,还存在各次谐波的频谱。
因此用LPF低通滤波器就可以滤去高频谐波而得到正弦基波成分,因此,可使数模转换电路非常简化。
图4-3PWM波的频谱
4.2D类功放的EDA仿真
4.2.1EDA仿真概述
EDA(ElectronicDesignAutomation)是指以计算机为工作平台,融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包。
主要能辅助进行三方面的设计工作,既IC设计、电子电路设计和PCB设计。
EDA技术经过了三个阶段的发展。
从70年代的(CAD)阶段和80年代的(CAE)阶段,到90年代的电子系统设计自动化(EDA)阶段。
EDA技术代表了当今电子设计技术的最新发展方向。
它不仅为电子技术设计人员提供了“自顶向下”的设计理念,同时也为教学提供了一个极为便捷的、科学的实验教学平台。
电工电子类专业课程中的电工基础、模拟电子技术、数字电子技术都可以通过EDA仿真软件,进行电路图的绘制、设计、仿真试验和分析。
本课题研究时采用简单易用的EWB软件,其操作简单、直观,对计算机的要求低,特别适合初学者和在校的学生使用。
图4-4给出了电路建模EDA仿真分析时一般的步骤根据流程图的步骤,重点应该做好课题建模、仪器的连接、运行仿真试验、分析结果等工作。
建模过程中,各级电路的元器件参数选择必须
准确,应防止节点的虚脱和注意地端的连接。
测试仪器的使用,应注意相关的对话框设置,做到各项选择符合其电路要求。
运行仿真试验的目的就是得出分析数据、电路波形特性及各种相关参数。
图4-4EDA仿真分析流程图
4.2.2D放大器原理仿真概述
根据上面的研究,D类音频功率放大器主要有三角波发生器、电压比较器、场效应管驱动电路和低通滤波器构成,现将仿真电路设计如下。
图4-5D类放大器的仿真电路
其中输入信号为1KHz的正弦波,抽样信号为200KHz由的三角波,由EWB中的信号发生器提供,幅度为2V,占空比为50%;
电压比较器采用EWB中的理想运算放大器,输出的极值为-5V~+5V;
场效应管驱动电路采用理想场效应管构成的开关放大电路;
低通滤波器为LC二阶滤波器。
4.2.3输入信号抽样――PWM波的形成仿真
图4-6PWM波的形成仿真
4.2.4输出信号PWM波的频谱仿真分析
图4-7傅里叶分析的设置
4.3D类功放的优点
在传统晶体管放大器中,输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。
实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器,AB类放大器和B类放大器。
与D类放大器设计相比较,即使是最有效的线性输出级,它们的输出级功耗也很大。
这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势,因为低功耗产生热量较少,节省印制电路板(PCB)面积和成本,并且能够延长便携式系统的电池寿命。
和模拟功率放大器相比较,D类功率放大器有以下明显优势:
(1)直接接收CD、DVD等数字音源输出的同轴或光纤数字音频信号,直接以数字信号进行放大,体现了与数字音源的完美结合。
(2)高、中、低频无相对相移,声音清晰透明,声像定位准确。
由于采用无负反馈的放大电路、数字滤波器等处理技术,可以将输出滤波器的截止频率设计得较高,从而保证在20Hz~20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。
(3)瞬态响应好,即“动态特性”好。
由于它不需传统功放的静态电流消耗,所有能量几乎都是为音频输出而储备,加之无模拟放大、无负反馈的牵制,故具有更好的“动力”特征。
(4)无过零失真。
传统功放一般都存在由于对管配对及各级调整不佳产生的过零、交越失真。
(5)能量转换效率极高,体积小,可靠性高。
耗电量仅为同功率等级模拟放大器的三分之一。
其电源使用效率高达90%以上,节约能源,也符合环保要求。
而B类放大器效率仅为78%(理论值),A类功放的效率就更低。
由于D类功放极高的效率,半导体器件的温升明显减小,失真率也就显著减小。
(6)适合于大批量生产。
产品的一致性好,生产中无需调试,只要保证元器件正确安装即可。
5D类功放的硬件设计
5.1D类功放的设计原理
在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地。
认为A类功放声音最为清新透明,具有很高的保真
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