D类音频功率放大器的设计毕业设计论文数字功放.docx
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D类音频功率放大器的设计毕业设计论文数字功放
LiaoningNormalUniversity
(2010届)
本科生毕业论文(设计)
题目:
D类音频功率放大器的设计
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本人所呈交的毕业论文(设计)是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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摘要
数字功率放大器代表着音响技术数字化的新台阶具有模拟功率放大器不可比拟的优势,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
当今音响数字化技术以大部分应用在音响设备中。
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。
而音响系统最后环节的功率放大器和扬声器却仍然徘徊在数字化的大门外。
人们永无止境的追求音响重放高保真度,而模拟功率放大器经过了几十年发展以很难有新的突破,随着生活水平的提高,人们逐渐关注环保与能量的利用率的问题,因此,人们再一次把目光投向数字功放。
早在20世纪60年代末期其实就有人研究数字放大器,为什么音响发展了数十年,一直没有其产品面世?
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,故使脉冲调制型放大器在音响应用领域一直停滞不前。
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,推陈出新,人们越来越关注它了。
对功率放大器的普遍要求是低失真,大功率,高效率。
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,但大功率和高效率难以解决。
但工作在开关状态下的D类功率放大器却很容易实现。
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,但面对较大功率,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,输出功率不是很大。
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
响度:
人主观上感觉声音的大小(俗称音量),由“振幅”和人离声源的距离决定,振幅越大响度越大,人和声源的距离越小,响度越大。
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:
声音的特性又叫音品或音质,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,以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,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。
将电压放大,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。
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。
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
。
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(甲类)放大器
A类(甲类)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。
2.B类(乙类)放大器
B类(乙类)放大器,是指器件导通时间为50%的一种工作类别。
这类放大器可以说是最为流行的一种放大器,也许目前所生产的放大器有99%是属于这一类。
由于大家比较熟悉,这里不作详细介绍。
3.AB类[甲乙类)放大器
AB类(甲乙类)放大器,实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合,每个器件的导通时间在50—100%之间,依赖于偏置电流的大小和输出电平。
该类放大器的偏置按B类(乙类)设计,然后增加偏置电流,使放大器进入AB类(甲乙类)。
AB类(甲乙类)放大器在输出低于某一电平时,两个输出器件皆导通,其状态工作于A类(甲类);当电平增高时,两个器件将完全截止,而另一个器件将供给更多的电流。
这样在AB类(甲乙类)状态开始时,失真将会突然上升,其线性劣于A类(甲类)或B类(乙类)。
不过笔者认为,它的正当使用在于它对A类(甲类)的补充,且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。
4.C类(丙类)放大器
C类(丙类)放大器,是指器件导通时间小于50%的工作类别。
这类放大器,一般用于射频放大,很难找到用于音频放大的实例。
5.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,人们的在许多应用领域广泛关注D类放大器。
主要有两个因素。
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。
其次,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)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。
(2)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。
(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)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。
(5)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。
(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,具有很高的保真度。
但是,A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽跌。
B类功放虽然效率提高很多,但实际效率仅为50%左右,在小型使挠式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合,仍感效率偏低不能令人满意。
所以,效率极高的D类功放,因其符合绿色华命的潮流正受着各方面的重视。
由于集成电路技术的发展,原来用分立几件制作的很复杂的调制电路,现在无论在技术上还是在价格上均已不成问题。
而且近年来数字音响技术的发展,人们发现D类功放与数字音响有很多相通之处,进一步显示出D类功放的发展优势。
D类功放是放大力件处于开关工作状态的一种放大模式。
无倍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态,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。
这种耗电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。
在理想情况下,D类功放的效率为100%,B类功放的效率为78.5%,A类功放的效率才50%或25%(按负载方式而定)。
D类功放实际上只具有开关功能,早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。
然而,开关功能(也就是产生数字信号的功能)随着数字音频技术研率的不断深入,用于Hi—F1音频放大的道路却口益畅通。
20世纪60年代,设计人员开始研究D类功放用于音频的放大技术,70年代Bose公司就外始生产D类汽车功放。
一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效率,另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功故,两者都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。
共今关键的一步就是村音频信号的调制。
图5-1是D类功放的基本结构,可分为三个部分:
图5-1D类功放的基本结构
第一部分为调制器,最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。
把原始音频信号加上一定直流偏置后故在运放的正输入端,另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。
当正端上的电位高于负端三角波电位时,比较器输出为高电平,反之则输出低电平。
若音频输入信号为零、直流偏置置三角波峰值的1/2,则比较器输出的高低电平持续的时间一样,输出就是一个占空比为1﹕1的方波。
当有音频信号输入时,正半周期间,比较器输出高电平的时间比低电乎长,方波的占空比大于1:
1,负半周期间,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,方被占空比小于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,称为PWM(PulseWidthModulation脉宽调制)或PDM(PulseDurationModulation脉冲持续时间调制)波形。
音频信息被调制到脉冲波形中。
第二部分就是D类功故,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由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。
第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。
方法很简单,只需要用一个低通滤波器。
但由于此时电流很大,RC结构的低通滤波器电阻会耗能,不能采用,必须使用Lc低通滤波器。
当占空比大于1:
1的脉冲到来时,C的充电时间大子放电时间,输出电平上升;窄脉冲到来时,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—致,所以原音频传号被恢复出来,见图5-2。
图5-2模拟D类功放工作原理
D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。
此时功放管的线性已没有太大意义,更重要的是开关响应和饱和压降。
由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍,且要求保持良好的脉冲前后沿,所以管子的开关响应要好。
另外,整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗。
所队饱和管压降小不但效率高,功放管的散热结构也能得到简化。
若干年前,这种高频大功率管的价格昂贵,在一定程度上限制了D类功放的发展。
现在小电流控制大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域,特别是近年来UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上应用,器件的障碍已经消除。
调制电路也是D类功放的一个特殊环节。
要把20KHz以下的音频调制成PWM信号,三角波的频率至少要达到200KHz。
频率过低达到同样要求的THD标准,对无源LC低通滤波器的元件要求就高,结构复杂。
频率高,输出波形的锯齿小,更加接近原波形,THD就小,而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器,造价相应降低。
但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升,无源器件小的高频损耗、射频的趋肤效应都会使整机效率下降。
更高的调制频率还会出现射频干扰,所以调制频率也不能高于1MHZ。
同时,三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。
所以要实现高保真,出现了很多与数字音响保真相同的考虑。
还有一个与音质有很大关系的因素就是位于
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