基于小功率放大器的音质效果的改进设计

1、hhhhh 2015届毕业设计说明书课题名称：基于小功率放大器的音质效果的改进设计 所在学院 铁道牵引与动力学院 班 级 检修121 姓 名 学 号 201213210119 指导老师 完成日期 2014-12-17 毕业设计评分标准与答辩记录班级学号姓名总得分课题名称考核项目及分值考核内容分值评分标准得分设计过程20选题的应用性、工艺性、综合性、先进性、和经济性。查阅文献资料、参考书、使用工具书的能力。55432分析和解决问题方面的能力，创造性，独立工作能力。55432工作态度与遵守纪律情况。1010864设计结果40文字的简洁性、通畅性，条理性与逻辑性。1010864论据正确充分、分析计算

2、准确、使用公式与引用数据的正确性。1010864完成设计任务，贯彻国家标准，图样、数据表格、说明书质量。1010864设计方案比较选择的正确合理性，设计理念、设计方法、设计思路方面的独到性和创新性。1010864答辩情况40阐述课题的设计思路、主要依据、结论、体会和改进意见。1010864回答问题的准确性、敏锐性、全面性，语言表达能力，逻辑条理性。3030241812指导老师评价指导教师签名答辩记录与答辩评价答辩教师签名2015届毕业设计任务书 一、 课题名称：基于小功率语音放大器的音质效果的改进设计 二、 指导老师： 三、 设计内容与要求：1、课题概述话音放大器的作用是不失真地放大输入的音频

3、信号。由于人发出的声音频率在340Hz3400Hz之间，声波在传播中会产生反射、折射和干涉等现象，到达话筒的信号比人从声带中发出来的声音要小，同时话筒是一种换能器，它将声能转化为电能，话筒的输出信号一般很小，而输出阻抗很大，则要求对话音进行放大。由于声音在空气中传播产生谐波失真，谐波失真是指声音回放中增加了原信号没有的高次谐波成分而导致的失真，则要在话音放大器中设计滤波器，提高输出信号的高保真性能。此外，话筒的频率特性、性噪比和灵敏度也直接影响着重现声音的音质。但是我们现在的语音放大器的输出含有较多的噪音。那么如何减少噪音和不必要的干扰从而提升放大器的音质效果是一个很有意义的课题。通过这次毕业

4、设计，学生不仅可以学会如何设计小功率语音放大器，更可以学会如何在此基础上使放大器的性能有所提升。2、设计内容与要求：1. 设计任务 设计并制作有一定输出功率的话音放大电路，并提出其改进方法。2 技术指标（1） 电路采用5V单电源供电；（2） 前置放大器由两级放大器构成，其中放大器1的增益为20dB，放大器2的增益为 20dB，第二级放大器增益可调；（3） 带通滤波器：通带为300Hz3.4kHz ；（4） 输出额定功率P>0.2W，失真度<10%；负载额定阻抗为8。 四、设计参考书模拟电子技术 高等教育出版社电力电子技术 高等教育出版社 数字电子技术 高等教育出版社电路理论 高等教

5、育出版社电工基础 高等教育出版社集成放大电路的设计 高等教育出版社 五、内容1、封面2、目录3、内容摘要(200-400字左右，中英文)4、引言5、正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）6、结束语7、附录(参考文献、图纸、材料清单等) 六、 设计进程安排第1周： 资料准备与借阅，了解课题思路。 第2-3周 设计要求说明及课题内容辅导。第47周：进行毕业设计，完成初稿。第7-10周： 第一次检查，了解设计完成情况。第11周： 第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。 第12周： 毕业答辩与综合成绩评定。 七、毕业设计答辩及论文要求1、 毕业设计答辩要求答辩

6、前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、 毕业设计论文要求文字要求说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图

7、表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。 摘 要随着社会的发展、人们生活水平的提高，音响作为一件平常的家用电器已经走进了千家万户。音响是什么？音响的定义究竟怎样呢?促使你是一位音响发烧友,也许一下子也难以回答这个问题。其实，音响就是“用来扩声和重放或指欣赏音乐用的高品质电子电声装置”。其基本组成为：音源、功放和音箱。一套音响要被人接受，首先其保真度要高，即声音经过加工、传输和重放过程中能忠实地还原音乐原有的内容。要做到高保真，以下几点必须做到：1，音源输出信号的失真要小；2，音响设备在技术、性能方面，有很高的指标；3，要高保真聆听，使

8、放音环境符合声学要求，注意音箱的摆位。传统的高保真音响一般都是双声道设计，听音者在规定的位置上，即使闭上眼睛也能感觉到舞台上各个人物或乐器的位置。可见，这三部分都起着举足轻重的作用。现在我要详细探讨的就是这三大件之一功放。因此，本课程设计针对小功率放大器音效改进的问题，进行了认真的分析，找出影响音效的主要因数。本文主要介绍基于LM356功放电路的设计，它在音频应用场合能提供非常低的失真度和高质量的音色，还具有了高增益、低功耗、外接元件少等特性。在当今社会中，经过了几代科学家的不断努力和尝试，它的技术已经日益成熟，能让我们近一步了解音频功率放大器。关键词：功放 音质 失真ABSTRACTWith

9、 the development of society,the improvement of people's living standard,the sound as an ordinary household electrical appliances have already walked into thousands of households.What is the sound?The sound of the definition of what motivates you?Is an audio fancier,maybe all of a sudden it is di

10、fficult to answer this question.In fact,the sound is"used to sound reinforcement and playback or to enjoy high-quality electronic electro acoustic device for the music".Its basic composition is the sound source,power amplifier and speakers.A set of sound to be accepted,the first of its hig

11、h fidelity to,namely the sound through the processing,transmission and playback process can faithfully music original content.To achieve high fidelity,the following points must be done:1,the audio output signal distortion is small;2,audio equipment in the technology,performance,there is a high index

12、;3,to high fidelity listen,make the playback environment to meet the acoustic requirements,pay attention to the positioning of the speakers.Hi Fi tradition are generally two channel design,listen on the specified position,even if the eyes closed can also feel the stage the various characters or the

13、placement of instruments.Visible,the three part plays an important role.Now I want to explore in detail is the big three-one of the power amplifier.Therefore,this course is designed for small problems audio power amplifier,has carried on the earnest analysis,find out the main factor affecting the so

14、und.Based on LM356 amplifier circuit design were introduced in this paper,in audio applications it can provide a very low distortion and high sound quality,also has the high gain,low power consumption,less external components.In today's society,through the continuous efforts of several generatio

15、ns of scientists and try,its technology is increasingly mature,can make us further understand the audio power amplifier.Key word：Power amplifier sound quality distortion目录第一章绪 论11.1 功率放大器概述11.1.1功率放大器概念11.1.2工作原理11.1.3基本组成11.1.4三种工作状态21.2 数字音频功率放大器21.2.1数字音频功率放大器的发展现状概述21.2.2数字功放的发展历史31.2.3数字功放领域的新技

16、术31.2.4数字功放是专业功放的主要发展方向31.3 模拟音频功率放大器41.3.1模拟音频功率放大器分类41.4 数字功放和模拟功放对比详解5第二章工作原理72.1 系统概述、设计思路72.2 系统组成与工作原理72.2.1 LM386的工作原理72.2.2注意事项92.2.3 LM386功能框图112.2.4设计电路图122.2.5元器件明细表132.2.6调试所需的仪器设备132.2.7设计的难点和可能出现的问题132.2.8 出现的问题及解决方案142.2.9 预期达到的性能指标14第三章数字音频功率放大器的改进设计153.1 调制方式的改进设计153.1.1传统PWM调制方案153

17、.1.2改进后的双路反宽调制方案163.2 脉宽调制器的改进设计183.2.1 NBDD采样方式19第四章总结与展望21参考文献23附表24VIII第一章绪 论1.1 功率放大器概述功放的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，推动音箱放声。一套良好的音响系统功放的作用功不可没。功放，是各类音响器材中最大的一个家族，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同1。1.1.1功率放大器概念功率放大器（英文名称：power

18、amplifier），简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出2。1.1.2工作原理利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的倍的大信号，这现象成

19、为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大3。1.1.3基本组成功率放大器通常由3部分组成：前置放大器、驱动放大器、末级功率放大器。1)前置放大器起匹配作用：其输入阻抗高（不小于10k），可以将前面的信号大部分吸收过去，输出阻抗低（几十以下），可以将信号大部分传送出去。同时，它本身又是一种电流放大器，将输入的电压信号转化成电流信号，并给予适当的放大。2)驱动放大器起桥梁作用：它将前置放大器送来的电流信号作进一步放大，将其放大成中等功率的信号驱动末级功率放大器正常工作。如果没有驱动放大器，末级功率放大器不可能送出大功率的声音信号。3)末级功率放大器起关键作用：它将驱动放大器送来的电

20、流信号形成大功率信号，带动扬声器发声，它的技术指标决定了整个功率放大器的技术指标4。1.1.4三种工作状态功率放大器按工作状态的不同，可分为甲类、乙类和甲乙类三种。甲类放大器的特点是工作点选在输出特性曲线线性区的中间位置，信号电流在整个周期内都流通，失真小但效率低，输出功率也小。乙类放大器工作点选在基极电流等于零的那条输出特性曲线上，信号电流只在半周期内流通，效率高，输出功率大，但失真严重。第三类放大器的工作点既不象乙类放大选得那样低，也不象甲类那样高，电流截止的时间小于半周期，工作性能介于甲类和乙类之间5。1.2 数字音频功率放大器数字功放的基本电路是早已存在的D类放大器（国内称丁类放大器）

21、。以前，由于价格和技术上的原因，这种放大电路只是在实验室或高价位的测试仪器中应用。这几年的技术发展使数字功放的元件集成到一两块芯片中，价格也在不断下降。理论证明，D类放大器的效率可达到100%。然而，迄今还没有找到理想的开关元件，难免会产生一部分功率损耗，如果使用的器件不良，损耗就会更大些。但是不管怎样，它的放大效率还是达到90%以上6。1.2.1数字音频功率放大器的发展现状概述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。目前大部分音响系统中

22、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

23、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(Pulse Code Modulation,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

24、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。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

25、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一7。 1.2.2数字功放的发展历史随着元器件的发展换代,功放也经历了电子管,晶体管,集成电路,场效应管四个阶段。制造出了上述四种放大器为主的功率放大器。电路形式上则经历了从模拟到数字的发展过程。数字功放的概念早在二十世纪六十年代就被提出,由于当时技术条件的限制,进展较慢。1983年,M.B.Sandler等学者提出了D类放大器的PCM(脉码调制)数字功放的基本结构,主要技术要点是如何把PCM的信号变成PWM(脉冲调宽信号)。美国Tripass公司设计了改进的D类数字功放。取名为T类功放。1999年意大利POWERSOFT

26、公司推出了数字功放的商业产品,从此,第四代音频功率放大器,数字功放进入了工程应用,并获得了世界同行的认可,市场日益扩大8。即使是在数字处理时代,也在日新月异地产生,应用新的技术,如AV功放从诞生到现在,就经历了杜比环绕,杜比定向逻辑,AC-3,DTS的进程。1.2.3数字功放领域的新技术数字功放领域的新技术主要包括专业功放开关电源和H类电路功放两种，两种功放各有千秋，侧重不同，可根据使用需要按需选择。1）专业功放开关电源：作为一种全新的功放专用开关电源,它在现代高频开关稳压电源的基础上,解除了其大环路反馈;消除了因稳压需要而调整开关脉宽造成开关转换速率突降,形成对功放大动态瞬间输出供电电力不足

27、的矛盾。这种新型电源具有功率密度大,体积小,重量轻,高效率,高可靠性和低噪声,低污染的优良品质,极大的节约了电能,降低了耗材与成本,明显的减少了电磁干扰。有些功放再前级供电电路采用了这类电源。2） H类电路功放根据供电电源的不同,这类功放工作时可在两个电压上切换,低功率时选低电压工作,高功率时选高电压。大家常称为二级功放(也有三级功放,如QSC4050是三级电源供电)。当低级组电压低于某一值时,即可切换到高压组电压供电,其中驱动切换电路的是用LM311比较器做的,这类功放的效率比AB类高9。1.2.4数字功放是专业功放的主要发展方向在专业功放领域,目前广泛应用的人然是晶体管模拟功放。这类功放技

28、术成熟,电路稳定,款式,档次,种类非常多,价格优势大。数字功放的技术发展逐步完善,是集成了多种新技术的功放中的黑马,够符合专业功放的使用要求,具有大功率,高效率,智能化,网络化,高稳定性等优点。缺点是有较大的失真度(数字功放参数标示)。因为价格的因素,目前主要应用在中高端及网络音频领域。纯数字功放指除了音箱接口为模拟外,音频的输入,处理,放大都以数字形式进行的一类功放。不同于D类工作的模拟信号功放,这类功放工作方式与传统模拟功放完全不同,克服了模拟功放固有的一些缺点,并具备了一些独有的特点9。1)过载能力和功率储备数字功放电路的过载能力软软高于模拟功放。模拟功放正常工作时功放管工作在线性区,随

29、着过载量的增加,工作点进入功放管的饱和区,此时的非线性放大会产生大量谐波成分,谐波失真度急剧增加,音质变坏。数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区,只要功放管不损坏,失真度不会迅速增加。2）高效率数字功放采用开关放大电路,效率极高,可达75%-90%(模拟功放效率仅为30%到50%),工作时基本不发热;没有模拟功放的静态电流消耗,能量几乎都转换为音频输出;无前后模拟放大,负反馈电路,有更好的瞬态响应。3)无交越失真和匹配失真数字功放对开关管的配对无特殊要求,不需要严格的挑选即可使用,不存在交越失真和匹配失真;模拟功放为保证其电声指标,采用负反馈电路,为抑制寄生振荡,采用相位补偿电路,会产生

30、瞬态互调失真。4)易与扬声器匹配模拟功放中的功放管内阻较大,所以在匹配不同阻值的扬声器时,模拟功放电路的工作状态会受到负载(扬声器)大小的影响。数字功放内阻小于0.2(开关管的内阻加虑波器内阻),相对于负载(扬声器)的阻值(4-8)很小,与扬声器的匹配简单。此外数字功放还具有体积小(1U高度的数字功放可以做到几千瓦输出功率),重量轻(只有十几公斤),声像定位准确,维修方便，生产调试简单等优点。谁在啊数字功放的不断改进,成本不断下降,其替代模拟功放大规模应用于音响领域将很快会实现10。1.3 模拟音频功率放大器传统的模拟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，

31、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。1.3.1模拟音频功率放大器分类1)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，效率的理论

32、最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。由于效率比较低。2)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，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 0.6V之间时，Q1、Q2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。3)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

33、，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。1.4 数字功放和模拟功放对比详解1)过载能力与功率储备：数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。模拟功放电路分为A类、B类或AB类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管工作在饱和区，出现谐波失真，失真程度呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功放管不损坏，失真度不会迅速增加。2)交越失真和失配失真:模拟B类功放在过零失真，这是由于晶体管在小电流时的非线性特性而引起的在输出波形正负交叉处的失真。而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。3)功放和扬声器的匹配:由于模拟功放

34、中的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载（扬声器）大小的影响。而数字功放内阻不超过0.2(开关管的内阻加滤波器内阻)，相对于负载（扬声器）的阻值（48）完全可以忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。4)瞬态互调失真:模拟功放几乎全部采用负反馈电路，以保证其电声指标，在负反馈电路中，为了抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而会产生瞬态互调失真。数字功放在功率转换上没有采用任何模拟放大反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。5)声像定位:对模拟功放来说，输出信号和输入信号之间一般都存在着相位差，而且在输出功率不同时，相位失真亦不同。而数字功放采用数字信号放大，使

35、输出信号与输入信号相位完全一致，相移为零，因此声像定位准确。6)升级换代:数字功放通过简单地更换开关放大模块即可获得大功率。大功率开关放大模块成本较低，在专业领域发展前景广阔。7)生产调试:模拟功放存在着各级工作点的调试问题，不利于大批量生产。而数字功放大部分为数字电路，一般不需调试即可正常工作，特别适合于大规模生产。第二章工作原理2.1 系统概述、设计思路功率放大器的作用是给音响放大器的负载（扬声器）提供一定的输出概率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能高。功放常见的电路形式有OTL（Output Transformer les

36、s）和OCL(Output Capacitor less)电路。有用集成运算放大器和晶体管组成的功放，也有专用集成电路功放。 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻或电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，工作电压范围宽,4-12V or 5-18V，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,且外围元件少。设计功放电路由输入级、中间级和输出级三部分组成的：输入级是由100

37、uF的耦合电容及100k的电位器组成的，它具有隔直、调节音量及增益的作用；中间级是由集成运放LM386以及由R1、RV4、C2等组成的可调增益放大电路；输出级是由低通滤波器及扬声器组成的，其中L1为高频扼流圈；由于该电路为双声道功率放大器，所以下部分电路与上部分电路完全对称，故电路原理同上11。2.2 系统组成与工作原理2.2.1 LM386的工作原理LM386内部电路原理图如图2.1所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。图2.1 LM386的工作原理12第一级为差分放大电路，T1和T2、T3和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的

38、有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。 第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。 电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈

39、网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。LM386是一个单电源供电的音频功放，为美国国家半导体公司产品，采用8引线双列直插封装和贴片式。图2.2 LM386音频功率放大器的引脚排列13LM386的外形和引脚的排列如图2.2和2.3所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10F。LM386的电源电压4-12V或5-18V(LM386N-4)；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200dB；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5

40、W。尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声14。2.2.2注意事项1)通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，断开时增益为20dB。因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处-噪音减少，何乐而不为？2)PCB设计时，所有外围元件尽可能靠近LM386；地线尽可能粗一些；输入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此。这是死理，不用多说了吧。3)选好调节音量的电位器。质量太差的不要，否则受害的是耳朵；阻值不要太大，10K最合适，太

41、大也会影响音质，转那么多圈圈，不烦那！4)尽可能采用双音频输入/输出。好处是：“”、“”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。5)第7脚（BYPASS）的旁路电容不可少！实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。增大这个电容的容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，这个电容可千万别省啊！6)减少输出耦合电容。此电容的作用有二：隔直 + 耦合。隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。它与扬声器

42、负载构成了一阶高通滤波器。减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；太低还会使截止频率（fc1/(2*RL*Cout)）提高。分别测试，发现10uF/4.7uF最为合适，这是我的经验值。7)电源的处理，也很关键。如果系统中有多组电源，太好了！由于电压不同、负载不同以及并联的去耦电容不同，每组电源的上升、下降时间必有差异。非常可行的方法：将上电、掉电时间短的电源放到+12V处，选择上升相对较慢的电源作为LM386的Vs，但不要低于4V，效果确实不错15！图2.3 LM386引脚图表2.1 LM386集成电路的引脚、功能及数据引脚号功能说明在路电阻红笔测量黑笔测量1增益调整元件1342负

43、反馈端003音频信号输入端114接地线端005音频信号输出端236电源电压输入端237旁路元件连续端1248增益调整元件244引脚2：反相输入端；引脚3：同相输入端；引脚4：接地端；引脚5：输出端；引脚6：工作电源引入端；引脚1与8：电压增益设定端；引脚7与地之间串接旁路电容，旁路电容容值一般取10F16。2.2.3 LM386功能框图 图2.3 LM386功能框图LM386集成功放属于直接耦合的多级放大器结构，它是一个三级放大电路。2.2.4设计电路图图2.4 LM386多级放大设计电路图(此图由于展示页面过小固另附于附表)如图2.4，LM386多级放大设计电路图，该电路是由输入级、中间级和

44、输出级三部分组成的。输入级是由100Fm的耦合电容及100Wk的电位器组成的，它具有隔直、调节音量及增益的作用。中间级是由集成运放LM386以及由R2、R7、C1等组成的放大电路。其工作原理如下：输入信号通过C1耦合，由反相输入端输入运放，需要大增益时，将开关J1闭合，集成运放5输出端经过R2反馈到反相端，形成电压并联反馈。根据反相比例运算关系可知，当R1滑点在中点时，放大倍数约为-50。当R2滑点在底端，运算放大器的输入端被短路，对低频信号来说负反馈增强，增益下降，反之亦然。同时滑动R1时还可调节输入电压，当R1滑点在底端时，输入电压为零，此时增益也最小；当R2滑点在顶端时，输入电压为输入音

45、频交流电压，且此时增益也最大。（此时应调节R7使运放固有增益最大，约为200） 当仅需要小增益时，将开关J1断开，靠运放固有放大增益放大，在LM386的1脚和8脚之间有一只外接可变电阻和电容，可调节可变电阻将电压增益调为任意值，直至200（反向放大）。同时滑动R1还可调节输入电压，当R2滑点在底端时，输入电压为零，音量也为零；当R2滑点在顶端时，输入电压为输入音频交流电压。输出级是由低通滤波器及扬声器组成的，其中L1为高频扼流圈。当高频噪声被L1扼制，通过R3及C11流入地线。低音频信号通过L1、C3后，流经扬声器放出音乐。由于该电路为双声道功率放大器，所以下部分电路与上部分电路完全

46、对称，故电路原理同上17。2.2.5元器件明细表表2.2 元器件明细表元器件名称参数备注C1100uF电解电容×2C2200uF电解电容×3C310uF电解电容×4C410uF×1C547nF×2R1270k×2R210×2R310可变电阻器L11mH×2电源适配器220V交流到9V直流×1LM386×2开关×32.2.6调试所需的仪器设备仪表工具：万用表、手机、示波器、电烙铁、proteus仿真。2.2.7设计的难点和可能出现的问题设计的难点在于使用两种增益对音频信号就行放大，当需要

47、小增益时，可断开反馈电阻上的开关J2、J3（与R3相邻的开关），用LM386本身的放大增益进行放大，若需要大增益放大时，将LM386增益调至最大，同时将J2、J3闭合，滑动音量调节钮即可大范围调节输入电压及增益。第二个难点在于输出级，用高频扼流圈阻止高频信号通过，流入地线。可能出现噪声问题：尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。因此需要注意以下几点：1)在PCB设计时，所有外围元件尽可能靠近LM386。2)同时地线尽可能粗一些；输入音频信号通路尽可能平行走

48、线，输出亦如此。3)另外选好调节音量的电位器也可以降噪，质量要稍微好点的，阻值10KW最合适，太大也会影响音质。4)需要加装第7脚（BYPASS）的旁路电容。实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，因此增大这个电容的容值，可减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。5)仿真时输入幅度不能太大，否则输出波形易失真，范围调制20mV200mV。2.2.8 出现的问题及解决方案1)调节不管用，经老师知道后知道是可变电阻悬空未接地，重新接地后，问题解决，音量大小调节

49、很正常。2)焊工要提高，布线有些飞线，得到经验后明白布线要横直适宜。3)在输出接口以及电源接口上有待提高，插接不是很方便。2.2.9 预期达到的性能指标1）输出功率在8负载上输出每路不少于0.5W的不失真功率，其相对应的音乐功率为1W。2）频率响应频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20kHz。国际规定一般音频功放的频率范围是40-16 kHz±1.5dB18。第三章数字音频功率放大器的改进设计与模拟功放器相比，效率高是数字功放器的最大优势。但由于数

50、字功放器采用的是全新的放大体制，失真度指标不如模拟功放器。数字功放器目前普遍采用的结构形式，受脉宽调制方式和输出级开关放大器存在损耗的主要影响，实际效率大多约为85%，失真度约为0.5。随着时代的进步和科技水平日新月异的变化，我们追求性能指标更佳的高品质音响的愿望始终不会停步，因此继续研发功率更大、效率更高和保真度更佳的高效数字功率放大器势在必行。本文在研究了数字音频功放器的基础上，对部分电路进行了改进优化设计，下面将详细介绍和分析改进优化设计方案。3.1 调制方式的改进设计D类数字功放器的后级开关放大电路必须依靠PWM信号来驱动，目前数字功放器大多采用两路信号驱动的BTL的驱动形式，对于两路

51、信号的选取方案值得研究。3.1.1传统PWM调制方案传统的全桥数字音频功放器结构如图3-1所示，输入音频信号经放大器放大后，在比较器里对高频三角波进行调制，从而形成占空比与音频输入信号幅度成正比变化的PWM信号并且分成相位相反的两路信号分别驱动两路半桥开关电路。当音频信号输入为零时，各信号的波形如图3-2所示，我们观察到此时的输出信号OUT 1和OUT2的电压变化为0到VDD之间，差分后的全桥输出的电压变化为+VDD到一VDD之间，全桥输出的是占空比为50%的方波信号，该信号电压即使经过低通滤波器滤波后仍会在负载扬声器两端产生较大的峰值电流，造成一定的静态功耗，使得放大器的效率下降。这种调制方

52、案对滤波器的要求十分严格，必须使用较理想且尺寸大的低通滤波器来滤除纹波电流，这无疑会加大制作成本和系统体积。图3-1 传统数字音频功率放大器结构图3-2 传统PWM调制方案的输出信号波形3.1.2改进后的双路反宽调制方案采用传统调制方案的D类音频功放器具有静态功耗大的缺点。本文设计的数字功放器则采用的是双路反宽调制方案，该调制方案结构如图3-3所示，用两个单独的比较器分别产生两个半桥开关放大电路所需的驱动信号，比较器的反相输入端都接高频三角波，而同相输入端则不同，它们分别接电压放大器的正负极，这两级输出的两路音频信号相位相同。当音频信号输入为零时，各信号波形如图3-4所示，我们观察到此时的输出

53、信号OUT1与OUT2都为同相方波信号且占空比均为50%(因很难做到完全同相，所以会存在一定的相移)，差分后的全桥输出电压几乎为零，经低通滤波器后此时的扬声器负载电流极小，从而极大地降低了输入信号为零时的静态功耗。当音频输入信号为正时，各信号波形如图3-5所示，我们观察到此时输出信号OUTl和OUT2的波形有变化，前者的占空比大于50%，而后者的占空比则小于50%;当音频输入信号为负时两输出信号情况则相反，各信号波形如图3-6所示。这两种情况差分后的全桥输出电压在大部分的时间内仍然为零，我们观察波形看到输出电压脉冲相当窄且幅值在0到VDD之间而不是0到2VDD之间变化。像这种当有信号输入时，如

54、果其中一路PWM输出脉冲的占空比变大的话，则另一路PWM输出脉冲的占空比一定会变小，亦即这两路PWM信号脉宽总是此消彼长、反向变化，双路反宽度信号指的就是这两路信号，这种调制方式称为双路反宽调制。与传统调制方案相比，该调制方案极大地减小了开关电流和纹波电流，抑制了静态功耗，提高了效率。如果应用在输出功率较大的放大器中时，因开关电流和纹波电流会增加，这时我们也只需要配一个尺寸小结构简单的低通滤波器即可，从而极大地降低了制作成本和减少了系统体积19。图3-3 改进的数字音频功率放大器结构图3-4 零信号输入时的输出信号波形图3-5 正信号输入时的输出信号波形图3-6 负信号输入时的输出信号波形3.

55、2 脉宽调制器的改进设计脉宽调制按采样方式的不同，主要分为NPWM脉宽调制(自然采样法)与UPWM脉宽调制(归一化采样法)两大类。最近又出现了一种新的LPWM脉宽调制(混合采样法)，它实质上是综合了NPWM和UPWM的一种采样方式。NPWM是直接把模拟音频信号送到比较器与三角载波信号比较，然后进行采样;UPWM则不同，它是先对模拟音频信号进行A/D转换形成PCM编码信号，再把PCM信号送到比较器与三角载波信号进行比较采样。UPWM是数字功放器目前应用最广的一种脉宽调制方式。LPWM采用的是混合采样法，即把UPWM采样方式插入到NPWM采样当中。UPWM采样方式的缺点是音频信号在A/D转换过程中，不可避免地会产生误差，造成转换后形成的数字信号PCM不能百分之百地反映原始模拟信号，另外还需采取内插方式对采样后的数字信号进行处理。而NP WM采样方式因模拟音频信号与三角载波比较之前不用A/D转换，所以它比另外两种采样方式的失真度指标更佳。表3-1 NPWM调制方式的分类采样方式边沿电平缩写自然采样脉宽调制NPWM单边二电平NADS三电平MBDS双边二电平NADD三电平NBDD本文选择采用优于其他三种采样法的双边带三电平自然采样法(NBDD)脉冲宽度调制技术对数字功放器的脉宽调制进行优化改进设if，下面就NBDD采样法进行详细介绍。3.2.1