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500W数字功放设计论文

四川师范大学本科毕业设计

500W数字功放的设计

学生姓名

*波

院系名称

物理与电子工程学院

专业名称

通信工程

班级

2009级4班

学号

2009070454

指导教师

*文

完成时间

2013年5月11日

500W数字功放的设计

学生姓名：

*波指导老师：

*文

内容摘要：

数字功率放大器，也称为D类音频功率放大器，是一种脉冲调制型放大器。

它与传统的模拟音频功率放大器的主要差别在于功率晶体管的工作状态，即使用脉冲形式的信号来驱动高速的功率开关。

本文主要包括技术指标分析、系统方案论证、电路设计与原理分析等部分。

论文首先从数字功率放大器的市场分析入手，基于目前定压输出的大功率功放，着重研究应用于消防广播系统的数字功放；根据系统结构，从分析数字功率放大器的效率入手，确定各子电路的性能指标要求，经过电路结构的选择和优化，最终完成前置放大器、三角波产生电路、比较器、MOS管驱动级、LC无源滤波和各种保护及显示等电路模块的设计，并对上述子电路和整个系统进行仿真然后制作出实物。

实物测试结果表明这个数字功率放大器具有效率高、低功耗以及谐波失真低的特点，各项保护电路均满足消防功放的技术指标。

关键词：

数字功率放大器高效率PWM调制H桥驱动

DesignOfSignalProcessingSoftwareSystem

Abstract:

Digitalpoweramplifier,alsoknownasClassDaudiopoweramplifierisapulsemodulationamplifier.Themaindifferencewiththeconventionalanalogaudiopoweramplifierinthattheworkingstateofthepowertransistor,thattheuseoftheformofthepulsesignaltodrivethehigh-speedpowerswitching.

Thisarticleconsistsofthepartofthetechnicalindicatorsanalysis,systemdemonstrationprogram,circuitdesignandprinciplesofanalysis.Thepaperfirstanalyzesthemarketfromthedigitalpoweramplifier,digitalamplifierusedinfireradiosystem,focusingonthecurrentconstantvoltageoutputofthepoweramplifier;accordingtothesystemstructure,startingfromtheanalysisofdigitalpoweramplifierefficiency,todetermineeachsub-circuitperformancerequirementsaftertheselectionandoptimizationofthecircuitstructure,thefinalcompletionofthepre-amplifier,thetriangularwavegeneratingcircuit,acomparator,theMOStubedriverstage,LCpassivefilter,andavarietyofprotectionandadisplaycircuitmoduledesign,andtheabove-mentionedsub-circuitandthesimulationoftheentiresystemandthencreatetherealthing.Thephysicaltestresultsshowthatthedigitalpoweramplifierwithhighefficiency,lowpowerconsumptionandlowharmonicdistortion,theprotectioncircuittomeetthetechnicalspecificationsofthefirepoweramplifier.

Keywords:

DigitalpoweramplifierhighefficiencyPWMmodulation

Hbridgedrive

目录

1绪论1

1.1课题概述1

1.2D类功率放大器简介1

1.3研究背景2

1.4论文研究目标和意义2

2D类功率放大器的分析3

2.1其它类型的放大器的分析3

2.1.1A类功率放大器的优缺点3

2.1.2B类功率放大器的优缺点3

2.1.3AB类功率放大器的优缺点3

2.2D类功率放大器的原理3

2.2.1D类功率放大器的构成3

2.2.2D类功率放大器的工作原理4

2.2.3D类功率放大器的性能参数4

2.3D类功率放大器前景5

2.3.1D类功率放大器的优缺点5

2.3.2D类功率放大器的发展前景5

3方案论证与设计5

3.1总体设计分析5

3.2方案的选择与设计6

3.2.1高效率功放类型的选择6

3.2.2高效功放实现电路的选择6

3.3方案确定7

4硬件电路设计8

4.1原理分析8

4.1.1脉宽调制器9

4.1.2前置放大器电路11

4.1.3输入带通滤波电路12

4.1.4驱动电路14

4.1.5输出低通滤波电路15

4.1.6过温、过压、过载保护电路15

4.1.7散热电路和报警电路17

4.1.8紧急情况强切电路和音量、保护指示电路17

4.2全局电路图19

4.3样机测试记录20

5结论21

致谢22

参考文献22

附录23

500W数字功放的设计

1绪论

1.1课题概述

近几十年来在音频领域中，A类，B类，AB类音频功率放大器一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：

所用器件从电子管，晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形式从变压器到OTL，OCL，BTL形式过程。

其最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。

A类音频功率放大器的最高工作效率为50%，B类音频功率放大器的最高工作效率为78.5%，AB类音频功率放大器的工作效率则介于两者之间。

但是无论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，播放动态的语言和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。

因此A类，B类，AB类音频功率放大器效率低，体积大，并不是人们理想中的音频功率放大器。

而现在主流的D类音频功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号（PEM）的控制，使其工作在开关状态，理论上其效率可以达到100%，但其不足之处在于会产生高频干扰及噪声，但是若精心设计低通滤波器及合理的选择元器件参数，其音质噪声完全能够满足人们的需求。

本文则具体论述了一种基于MOS管的D类音频功率放大器的设计组成与实现方法。

1.2D类功率放大器简介

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：

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、效率低，输出功率不可能做的很大。

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。

国外对数字音频功率放大器领域进行了二三十年的研究。

在20世纪60年代中期，日本研制出8bit的数字音频功率放大器；1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构。

但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换。

随着数字信号处理（DSP）和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。

简单地说，历史上出现过三代D类放大器设计：

第一代的范例是由托卡塔设计的TacTMillennium，证实了D类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。

第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。

这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。

但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器，从而获得了一定的应用。

第三代是最近一段时间，现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善，他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。

为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。

通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。

最后还不能忽视新的架构技术。

国内外一些从事数字信号处理的技术人员，专门研究音频数字编码技术，在不损伤音频信号质量的情况下，尽量压缩数据库。

经过多次实验，终于将末级功放开关频率由没有压缩数据时的约2.8GHz减至小于100KHz，从而降低了对开关功放管的要求。

同时在开关功率放大部分，采用了驱动缓冲器和平衡电桥技术，实现了在不提高工作电压的情况下能够输出较大的功率，并且设计了完善的防止开关管击穿的保护电路。

1.3研究背景

学习模电数电以来，设计过模拟功放，只了解了一些理论上的概念及分析方法，加上模电部分的不确定性，所以通过此次D类功率放大电路的设计，复习模电和数电，去应用理论并加深理解，学会分析问题，解决问题，并从中学些解决问题的经验。

1.4论文研究目标和意义

功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。

功率放大器发展至今，有许多种类和应用，在工业方面，有在电力电子控制技术中的应用，有数控机床的电机驱动，也有应用于新型磁轴承开关。

在通讯方面，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。

而它的设计包含了电子电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。

因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。

实现兴趣与理论实践相结合，使整个设计过程不枯燥无味，从而既实现了对功率放大器的理论学习，又进行一次高性能智能型产品设计。

同时，通过实际设计与制作，进一步发挥和巩固四年来所学的知识，在实践中锻炼自己的专业水平。

2D类功率放大器的分析

2.1其它类型的放大器的分析

2.1.1A类功率放大器的优缺点

A类放大器的主要特点是：

放大器的工作点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再使用。

2.1.2B类功率放大器的优缺点

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。

2.1.3AB类功率放大器的优缺点

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。

2.2D类功率放大器的原理

2.2.1D类功率放大器的构成

图1D类功率放大器的构成

2.2.2D类功率放大器的工作原理

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。

如图2PWM（脉宽调制）的工作原理：

其中（a）为输入信号；（b）为三角波（锯齿波）与输入信号进行比较的波形；（c）为调制器输出的脉冲（调宽脉冲）；（d）为功率放大器放大后的调宽脉冲；（e）为低通滤波后的放大信号。

图2PWM（脉宽调制）的工作原理

2.2.3D类功率放大器的性能参数

（1）最大不失真功率：

3w×150（RL=4Ω，1KHz）

（2）频率响应（±3dB）：

150Hz～18KHz

（3）信噪比：

≥85dB

（4）总谐波失真度：

≤3％

（5）输入阻抗：

10KΩ

（6）定压120V输出

（7）安全方面符合国标GB88988的有关要求

（8）电磁兼容符合国标GBl3837一1997的有关要求

2.3D类功率放大器前景

2.3.1D类功率放大器的优缺点

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％。

2.3.2D类功率放大器的发展前景

目前便携式消费类电子产品（如：

手机、MP3、PDA、便携式GPS等）日益流行，这对电池工作时间和寿命的要求也日益增强，以效率高、低失真为特点的D类功率放大器就开始广泛地应用于这些产品中。

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，偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。

而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，这样输出级的功耗极低。

D类放大器的功耗主要来自输出晶体管的导通阻抗、开关损耗和静态电流开销，这样使D类放大器对散热器的要求大为降低，甚至可省掉散热器，使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，节省印制电路板（PCB）面积和成本，并且能够延长便携式系统电池的寿命。

综合种种因素考虑，D类功率放大器在未来的市场发展应用中将有一个很广阔的发展空间。

3方案论证与设计

3.1总体设计分析

根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如下图所示。

下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。

图3系统方框图

3.2方案的选择与设计

3.2.1高效率功放类型的选择

方案一：

采用A类、B类、AB类功率放大器。

这三类功放的效率均达不到题目的要求。

方案二：

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％～98％，所以我们决定采用D类功率放大器。

3.2.2高效功放实现电路的选择

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。

（a）脉宽调制器（PWM）

方案一：

可选用专用脉宽调制集成块，但通常有电源电压限制。

方案二：

采用三角波产生器及比较器等集成芯片设计脉宽调制器，这样各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。

相比之下，选择本方案。

（b）高速开关电路

①输出方式

方案一：

选用推挽单端输出方式（电路如图4所示）。

电路输出载波峰-峰值不可能超过60V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。

图4高速开关电路

方案二：

选用H桥型输出方式（电路如图5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120V，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5高速开关电路

②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。

（c）滤波器的选择

方案：

采用两个相同的二阶巴特沃兹低通滤波器，在保证40kHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。

3.3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、效率都非常敏感的大功率应用，因此采用全电桥的对称型[7]放大器，以充分利用其单一电源、功率最大化化的特点。

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6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。

图6系统组成框图

H桥互补对称放大

4硬件电路设计

4.1原理分析

D类功率放大器如图7所示，其工作过程是：

当输入模拟音频信号时，经过放大和滤波作为调制信号，555电路产生的频率为200KHz的三角波为载波信号，同时输入给LM311调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经一个施密特触发器进行波形整形，将一路PWM信号变为两路互补对称的脉冲信号分别输入到IR2110的HIN,LIN两脚，使之能够有效快速的驱动功率开关管，经过H桥互补对称输出给LC低通滤波器，实现本系统的放大功能。

最后截取音频输出信号分别传递给LM339，TA7666P用于实现过压保护和音量指示电路；在末级供电电路中串联一个ACS712用于实现过载保护电路；在大功率芯片旁边添加一个温度传感器和风扇，用于监控功率芯片的温度，以实现过温保护功能；在音频输入端添加紧急强起功能，以实现在紧急情况下音量最大的输出状态。

图7系统结构框图

4.1.1脉宽调制器

（1）三角波产生电路。

三角波产生电路和波形如图8所示，采用555芯片构成三角波发生器，利用T1、T2和R1构成恒流源对C1实现线性充电，利用T3、T4和R2构成的恒流源实现对C1的放电。

电容C1上的三角波经V1同相跟随器输出。

电路中电容C1选用漏电流很低的聚苯乙烯电容。

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T1，T2，R1，D1对电容C1恒流充电，当C1上电压达到2VCC/3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C1通过T3，T4，R2，D2恒流放电，直到C1电压等于VCC/3为止，电容又开始充电，如此循环，则C1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。

输出三角波频率的计算：

电阻R1上电压等于T1的PN结压降Vbe=0.7V，故流过R1的电流i=0.7/300mA=0.233mA，忽略T1的基极电流，则流过R1的电流即为T2的射极电流，也约等于T2的集电极电流，故C1的充电电流约为2mA，同理可得放电电流也为2mA，设充电时间为t1,放电时间为t2，则有

（1）

可得三角波的周期

（2）

故三角波的频率为

（3）

该电路的特点是：

利用恒流源对电容线性充放电产生三角波，其波形比方波经阻容电路或者积分电路得到的三角波失真度小。

由方波直接经阻容电路得到的三角波波形是指数函数，由方波经积分电路得到的三角波波形是线性的，但是，积分电路存在积分漂移，得到的三角波中含有一定的直流分量，而且该直流分量与积分电路中积分电容的初始条件有关，是一个随机的量。

常规的做法是在积分电容旁边加一个开关，当积分电路开始工作时，先把开关按下给电容放电，让积分电容的初始电容为零，如此来控制积分电路的直流分量为零，其显然不容易实现，因而本系统采用的利用恒流源对电容充放电产生三角波是最好的方式。

波形图如图9，因为电容C22容量误差，时实际产生的波形频率只有245KHz。

图8三角波产生电路

图9三角波实际波形图

（2）比较器。

常规PWM调制电路如图10上图所示，电路以音频信号为调制波，频率为250kHz的三角波为载波，两路信号均加上6V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。

比较器采用高速、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，为了与后级电路阻抗匹配，这里采用R2,R9分压结构，保证输出信号的Vpp在5V以下。

芯片资料上的上拉电阻的阻值推荐阻值为1k，因而此处选用3K和2K配合使用，以实现LM311最优的性能。

根据PWM调制原理，音频信号幅度应小于三角波信号的幅度，否则会产生峰值失真，这样解调出来的信号就会消定，产生破音，因此音频输入信号峰值电压应低于3.5V。

其调制信号波形图如图10下图所示。

图10比较器电路和测试波形

4.1.2前置放大器电路

如图11所示。

设置前置处理电路，其一采用专用音频隔离变压器，使一次侧与二次侧的电气完