毕业设计D类音频功率放大器设计.docx
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毕业设计D类音频功率放大器设计
摘要
本项目涉及高效节能、数字化、体积小、重量轻等特点的D类功率音频放大器。
适应便携设备高效及节能的客观要求。
顺应了市场的客观要求。
从而在音频集成领域具有很大的优势。
随着设计技术不断进步D类功率放大器的要求也在不断提高,本文通过基于CMOS工艺的D类功率音频放大器构成、驱动实现、失真度等方面的特性来进行电路的设计。
本课题的目标是设计一个D类音频功率放大器,能对音频信号进行放大,放大器的通频带达到300~3400HZ,输出功率1W,输出信号无明显失真。
根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H桥互补对称输出及低通滤波模块等。
其中三角波产生器及比较器共同组成脉宽调制(PWM)模块,H桥互补对称输出电路采用驱动电流小、低导通电阻及良好开关特性的VMOSFET管,滤波器采用两个相同的四阶Butterworth低通滤波器。
关键词:
D类功率放大器H桥驱动脉宽调制
Abstract
Thisprojectinvolvesahighefficiencyandenergysaving,digitization,smallvolume,lightweightandothercharacteristicsoftheclassDaudiopoweramplifier.Adapttotheportabledeviceandtheobjectiverequirementsofhighefficiencyenergysaving.Complywiththeobjectiverequirementsofthemarket.Thusintheaudiointegratedfieldhasagreatadvantage.WiththecontinuousprogressofdesigntechnologyofDtypepoweramplifierrequirementsarealsorising,basedonCMOStechnologyclassDaudiopoweramplifierstructure,drive,distortionandotheraspectsofthecharacteristicsofcircuitdesign.ThepurposeofthispaperistodesignaclassDaudiopoweramplifier,canamplifytheaudiosignal,theamplifierpassbandtoachieve300~3400HZ,1Woutputpower,outputsignalwithoutsignificantdistortion.AccordingtotheprincipleofclassDpoweramplifierarerespectivelydesignedpreamplifiermodule,trianglewavegeneratingmodule,comparatormodule,drivemodule,Hbridgecomplementarysymmetryoutputandlowpassfiltermodule.Thetrianglewavegeneratorandcomparatoriscomposedofpulsewidthmodulation(PWM)module,Hbridgecomplementarysymmetryoutputcircuitadoptsthedrivecurrentissmall,lowresistanceandgoodswitchingcharacteristicsofVMOSFETtube,filterusingtwoidenticalfourorderButterworthlowpassfilter.
Keywords:
classDpoweramplifierHbridgedriverpulsewidthmodulation
第1章任务与要求
1.1课题概述
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。
1.2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)具有输出短路保护功能。
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%。
第2章绪论
2.1研究背景
近几年,国际上加进了对D类音频功率放大器的研究与开发,并取得了一定的进展,各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善,并不断在向更大的输出功率,更小的体积,更轻的重量,更多的功能和智能化方向发展。
20世纪80年代初,欧洲有些专业公司开始研究晶体管功放与电子管功放之间的性能差异及解决办法。
电子管是一种电压控制器件,需要的控制功率极微,开关速率很快。
晶体管是一种电流控制器件,需有较大的控制电流,转换速率较慢,这是最基本的差别。
数字功放的概念早在20世纪60年代就有人提出了,由于当时技术条件的限制,进展一直较慢。
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。
2.2论文研究目标和意义
本文通过分析全球音频领域数字化的浪潮及人们对节能环保的要求,了解到时代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。
而且,它应该具有工作效率高,便于与其他数字设备相连的特点。
对于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,减少了功率器件的承受功率,但在较大的功率情况下,仍然对功率器件构成极大地威胁,功率输出受到限制。
模拟功率放大器还存在以下的特点:
电路复杂,成本高。
常常需要设计复杂的电路和过流,过压,过热等保护,体积较大,电路复杂。
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,经过自然采样,得到脉冲宽度与音频信号幅度成成正比变化的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,可以大大地减少散热器的尺寸,连续输出功率很容易达到数百瓦。
功率MOS有自我保护电路,可以大大的简化保护电路,而且不会引起非线性失真。
这样可以更好的跟上了音频领域数字化的浪潮同时也满足了人们对节能环保的要求。
具有一定的现实意义。
2.3论文章节安排
本论文大致可分为三个部分:
第一部分主要介绍了功率放大器的一些基本知识;第二部分包含第三章至第六章,介绍了D类功率放大器的制作与原理;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:
第一部分主要讲述论文的研究背景、论文研究目标以及章节安排。
第二部分系统地介绍了在整个项目制作过程中我们由设计方案的选择与确定到最终整个项目的完成过程中,我们所做的一些具体事项。
例如:
方案确定后我们对这个项目实施的一些安排与调试等情况。
第三部分对我们这个项目进行了总的一个概括,以及我们对整个项目的总结与心得。
第3章方案论证与设计
3.1总体设计分析
本课题设计的是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。
通过分析此项目可分为D类功率放大器、信号转换电路、及功率测量显示装置等模块完成并实现器功能。
3.2原理分析
3.2.1D类放大器的原理
D类功放是放大元件处于开关状态时的一种放大模式。
无信号输入时放大器处于截止状态,不耗电。
工作时,靠输入信号让晶体管进入饱和状体,晶体管相当于一个接通的开关,把电源与负载直接接通。
理想的晶体管因为没有饱和压降而不耗电,实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。
这种损耗只与管子的特性有关,而与信号输出的大小无关,所以特别有利于超大功率的场合。
D类功放按其结构可以分为三个部分。
第一部分为调制器,最简单的只需要用一个运放构成的比较器即可完成。
把原始的音频信号加上一定的直流偏置后放在运放的正输入端,在将一个有自激震荡生成的三角波添加到运放的负输入端。
当正向输入端上的电位高于负端三角波的电位时比较器输出为高电平,反之则输出低电平。
当音频输入信号输入时,正半轴期间,比较器输出高电平的时间比低电平的时间长,方波的占空比大于1:
1;负半轴期间,由于还有直流偏置,所以比较器正输入端的电平还是大于零,但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少,方波的占空比小于1:
1。
这样,比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形,成为PWM(PulseWidthModulation脉宽调制)或者PDM(PulseDurationModulation脉冲持续时间调制)波形。
音频信号被调制到脉冲波形中
第二部分就是D类功放,这是一个脉冲控制的大电流开关放大器,把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。
能够输出的最大功率有负载、电源和晶体管允许流过的电流来决定。
第三部分需要把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。
其方法也很简单,只需要用一个低通滤波器。
由于此时电流很大,RC结构的低通滤波器电阻会有很大损耗,所以采用LC低通滤波器。
当占空比大于1:
1的脉冲到来时,电容C的充电时间大于放电时间,输出电平上升;在小于脉冲到来时,放电时间长,输出电平下降正好与原音频信号的幅度变化相一致,所以原音频信号被回复出来。
3.3系统设计
通过对项目要求与实际情况的分析,我们决定采用脉宽调制方式实现的D类功率放大器和信号变换电路及显示电路组成。
系统原理框图如下图。
PWM脉宽调制
三角波发生器
音频信号输入
比较器
驱动电路
开关功率输出及低通滤波
信号变换
显示电路
高速开关电路
图3-1系统设计
3.4方案的设计与选择
3.4.1三角波模块方案的设计
方案一:
用普通PWM芯片做为三角波发生器。
虽然此类芯片可直接产生脉宽调制信号,但芯片中振荡发生的是锯齿波,不符合D类功放所要求的三角波,且振荡发生器是充放电电路产生波形,波形线性不好,难以达到要求。
所以此方案不行。
方案二:
根据要求,我们自行设计了三角波发生电路。
误差放大电路及电压比较器,从而达到脉宽调制的目的,其中关键是三角波发生器。
因为D类放大器要求三角波频率高、线性好。
这是一般积分微分电路难以达到的。
我们选用555定时器恒流源充放电产生三角波,受到很好的效果。
此方案的优点在于可产生合乎要求的脉宽调制信号,且全部期间可由+5V电源直接供电,各项指标也都符合要求。
3.4.2高速开关电路
方案一:
采用推挽单端输出方式,如图3-1所示,电路输出信号的峰峰值不可能超过电源电压,输出功率难以提高。
图3-1高速开关电路
方案二:
选用H桥输出方式(如图3-2所示)。
此方式浮动输出载波的峰峰值可达2Vcc,充放利用了电源电压有效提高了输出功率。
图3-2H桥
3.4.3滤波器的选择
方案一:
利用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器,缺陷是负载上的高频分量电压没用得到充分衰减。
方案二:
利用四个相同的二阶Butterworth低通滤波器,在保证同频带的前提下使负载的高频分量电压充分得到衰减。
3.4.4信号变换电路
方案一:
可采用三个运算放大器或单个运算放大器搭制双端信号变单端信号的电路,但是这样做很难达到电阻平衡且电路复杂。
方案二:
采用低噪音、高速运算放大器芯片NE5532设计该电路,
3.4.5功率测量电路
方案一:
使用模拟电路,将电压值转换为功率值。
通过一定的电路将其送至三位表头显示。
方案二:
使用单片机系统。
系统采集信号变换电路输出的单端信号的模拟量,经A/D转换为数字量,送至LED显示。
通过分析方案二的硬件电路更适合电路的制作与调试
第4章硬件电路设计
4.1硬件电路
4.1.1三角波发生器
图4-1三角波发生器
本设计采用555构成的多谐振荡器的C4的线性充放电获得三角波。
利用T1、T2和R6构成的恒流源对C4进行线性充电,T3、T4构成的恒流源对C4进行线性放电。
电容C4上的三角波经T5射极跟随器输出。
该振荡器的振荡频率为f≈0.33/(R6+R7)C4.按图中值我们可以得到一个线性很好、频率约为100KHz峰峰值约为2.18V的三角波。
4.1.2放大电路
图4-2放大电路
该部分的作用是将输入信号按比例放大以便于三角波进行比较,R2、R3共同分压将③脚的电压调制2.5V左右,这样可使得放大后的波形中点在2.5V左右,且上下对称无明显失真。
放大比例系数由R3、R1决定,即A=R3/R1,C1、C3起隔直的作用。
C2用来限制通频带的宽度。
C2越大,通频带越窄。
C2越小,通频带越宽。
4.1.3脉宽调制比较器
脉宽调制比较器电路主要芯片是LM311,此处要注意的是三角波与音频信号的电压线重合。
即正向端、反向端的电压相等。
其电压平衡我们通过使用相同大小的电阻来实现。
图4-3脉宽调制比较器
图4-4脉宽调制比较器输出波形
4.1.4驱动电路、H桥及低通滤波电路
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,IRFD520和IRFD9520CMOS对管的参数能够满足上述要求,故采用之。
实际电路如下图所示。
互补PWM开关驱动信号交替开启Q3和Q7或Q4和Q8,分别经两个4阶Butterworth滤波器滤波后推动喇叭工作
低通滤波器本电路采用4阶Butterworth低通滤波器对滤波器的要求是上限频率≥20kHz,在通频带内特性基本平坦。
通过仿真,得到了一组较佳的参数:
L2=L3=22μH,L1=L4=47μH,C8=C9=0.1μf,,C7=C10=1μf。
图4-5低通滤波器
4.1.5保护电路
图4-6保护电路
短路保护电路的原理电路如图4-6所示。
d、e两点从与负载串联的约0.1Ω小电阻上采取电压作为取样电压(并完成双边单变换)。
电路由NE5532组成的减法放大器来完成。
R6与R7调整为11KΩ,则该放大器的电压放大倍数为
Au=R9/R7=560/11≈51
经放大后的音频信号再通过由VD1、C2、R10组成的峰值检波电路,检出幅度点平,送给LM393组成的电压比较器“+”端,比较器的“—”端电平设置为5.1V,由R12和稳压管VD6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,经过放大后输出的电压幅值为Uim*Au=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,VT1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负载端短路或者输出过流,则比较器翻转为高电平并自锁,VT1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。
为防止开机瞬间比较器自锁,增加了开机延时电路,由R11、C3、VD2、VD3组成。
VD2的作用是保证关机后C3上的电路能快速放掉,以保证再开机时起始电压为零。
4.1.6信号变换电路
图4-7信号变换电路
电路要求增益为1,将双端变为单端输出,运放选用宽带运放NE5532,电路图如下。
由于这部分电路的电源电压不受限制,可不必采用价格较贵的满幅运放。
由于功放的带负载能力很强,所以对变换电路的输入阻抗要求不高,轩R1=R2=R3=R4=20K。
4.1.7真有效值转换电路
图4-7真有效值转换电路
该部分电路采用交直流专用转换芯片AD637来进行整流滤波,由于其元件的集成度比较高,所以可有效克服小信号带来的误差。
其最小输入信号可以达到0.5mV,测量误差较小,纹波系数可以小于+—1%,满足一般的高精度交直流转换。
被测量的信号多是交流电压信号,如果将其直接送单片机A/D进行处理,会增大系统误差,为把系统误差控制在题目要求的范围内,需要在信号输入及进行有效的处理。
这里我们则选用由AD637为主要芯片的电路来实现其原理电路如图4.8所示。
AD637具有电源自动关断功能,也可以测出任意波形交变信号的有效值,实验数据表明,在电源为正负5V供电的情况下,当输入信号的频率不大于2MHz时,其输入信号的电压有效值在0.7V~4V范围内能保证测量误差。
第5章电路调试
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
表5-1调试设备、型号及数量
电源发生器
XJ17232L
一台
示波器
DS5022M
一台
信号/电源线
-
一套
信号源
SFG1003
一个
恒温烙铁
SBK9360
一个
数字万用表
UT39B
一块
5.2硬件电路调试步骤
5.2.1不通电检查
电路连线完成后,先检查接线是否正确。
包过错线、少线、多线。
这些问题一般是由于在焊接是看错引脚或在修改时忘记去掉先前的线路所造成的。
这是在操作过程中很常见的问题。
查线时又不容易发现。
调试是往往给人以错觉,让我们以为问题出现在元器件上。
对此,我们插线的时候要按照原理图逐一检查连线。
或者按照实际的安装图检查各个元器件引脚的连线是否在原理图上。
无论用什么方法检查,都要记得将已经查过的线路做个标记,同时也要注意元器件的各个引脚接线是否正确。
此外。
还需测量板子电源端与接地端的电阻,检查电路电源与接地端是否短路。
5.2.2通电检查
接通电源后首先观察电路是否有异常的现象,例如电路有无冒烟、是否闻到异味、手摸元件是否发烫、电源是否短路等现象。
如果出现异常现象应当立即关掉电源,待排除故障后方可重新接入通电,以保证电路正常工作。
5.2.3测试和调整
测试是指在安装完毕后,对电路参数及工作状态进行的测量。
调整则是再测试的基础上对电路的参数进行修正,使其符合要求。
本次项目我们采用的是边安装边调试的方法,就是把整个电路分成几个模块分别进行安装、调试。
这里主要用到了静态调试与动态调试的方案。
①静态调试静态调试一般指没有外加信号的条件下测试电路各点的电位。
如测模拟电路的静态工作点,数字电路的各输人、输出电平及逻辑关系等,测出的数据与设计值相比较,若超出允许范围,则应分析原因进行处理。
②动态调试动态调试可以利用前级的输出信号作为后级的输人信号,也可用自身的信号检查功能块的各种指标是否满足设计要求,包括信号幅值、波形的形状、相位关系、频率、放大倍数、输出动态范围等。
模拟电路比较复杂,而对于数字电路来说,由于集成度比较高,一般调试工作量不太大,只要器件选择合适,直流工作状态正常,逻辑关系就不会有太大问题。
一般是测试电平的转换和工作速度。
5.2.4整机联调
在分模块调试完成之后,将各模块的电路联接起来,观察其动态现象。
并把相关仪器设备测量的参数与设计指标相比较,找出其问题,并进行进一步修改。
直到符合要求为止。
在调试过程中不能单凭感觉和印象,要始终借助设备仪器观察。
5.3实际测试的参数
5.3.1三角波发生器电路
接通电源通过示波器观察三角波的参数与波形。
表5-2三角波测试参数
测试点
频率f
三角波峰峰值
实际参数
115.7KHz
2.14V
误差放大器
静态调试接通电源不接入音频信号测试同向端、反向端的、输出端的电位
表5-3放大电路静态参数
测试点
电源端
接地端
同相段
反相端
输出端
测试值
5.0V
0V
2.55V
2.55V
1.4V
动态调试接上5V电压接入1KHz的正弦波
表5-4放大电路动态参数
测试点
输入频率
输入幅度
输出幅度
放大倍数
测试值
100Hz
144mV
1.36V
测试值
1KHz
354mV
2.6V
测试值
5KHz
428mV
3.0V
测试值
10KHz
400mV
1.40V
5.3.2脉宽调制比较器
静态调试只接通电源不接入音频信号跟载波信号对电路进行测量
表5-5脉宽调制比较器静态参数
测试点
电源端()
接地端()
同相端()
反相端()
输出端()
测试值
5.0V
0V
2.51V
2.50V
动态调试只接入5V电源跟150K三角波不接入音频信号对电路进行测量
表5-6脉宽调制比较器接入三角波时的参数
测试点
输出波形
输出频率
输出幅度
测试值
方波
148.9Hz
3.2V
只接入5V电源和1KHz音频信号不接入三角波信号对电路进行测量。
表5-7脉宽调制比较器接入音频时参数
测试点
输出波形
输出频率
输出幅度
测试值
方波
995.0Hz
5.25V
5.3.3驱动电路
不加低频正弦波,将150KHz三角波接入脉宽电路,在将脉宽输出接入整形电路观察器波形的变化。
表5-8驱动电路工作时各点的参数
测试点
输入上升时间
输入下降时间
输出幅度
输出上升时间
输出下降时间
测试值
360ns
<100ns
14.3V
7.85ms
7.65ms
第6章使用说明与总结
6.1使用方法
接通5V电源加入音频信号。
6.1.2注意事项
在使用是注意电压的大小,避免在高温、高湿度环境下使用。
6.2故障分析
表6-1功放调试过程中常见的问题及解决方法
序号
故障现象
故障产生的原因
解决方法
1
三角波峰峰值过低,达不到要求
电路中整流用地二极管4007截止频率过低所致
将40087换成开关管的1N4148
2
三角波的频率过低
由于电路中充放电的电容过大C2过大
将C2电容由473换成472的电容
3
放大电路的放大倍数为负
芯片4脚没接地
将芯片4脚接地
4
放大后的音频信号干扰
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