数字音频功率放大器

1、数字音频功率放大器 数字音频功率放大器商业计划书项目名称： 数字音频功率放大器 学校全称： 西南科技大学 团队名称： 西科核气团 团队负责人： 王均 联系电话：二零一九年五月目录一、项目概述2（一）项目名称2（二）项目背景2（三）项目简介2二、市场前景5三、产品概述6（一）硬件设计思路61、D类音频功率放大器62、D类放大器的主要组成8（二）软件设计思路111、设计指标112、三角波发生电路113 、前置放大电路134、PWM比较电路135、 H-桥及低通滤波电路15四、财务分析15（一）资金来源15（二）基本财务假设15（三）财务报表16五、团队成员介绍17一、项目

2、概述（一）项目名称数字音频功率放大器 （二）项目背景音频功放经历了许多年的发展，多带人的努力，从开始的电子管，晶体管，到后来的集成电路，场效应管阶段。到现在，音频功放越来越好了。如今的音频市场也是随着科技的进步而不断变化着，还有数字市场近些年也是如此，变化很多。出现了许多数字声音源的新型电子产品。这些新型的产品使得数字音频系统要有更多的需求。比如，在音质，音量，均很等声音性能上。我们就需要小型，使用，功能更好地数字音频功放了。到现在，我们也会将各类模拟放大器合理的用到产品中，比如AB类和D类模拟输入放大器。以往的大型的音频设备到现在都慢慢的被淘汰掉了，小型化的产品更是深得人们的喜爱，也方便于与

3、人们地使用，譬如现在的mini音响。在使用设备的时候，大家都需要使用的产品方便携带，使用便捷等等。如此一来，就需要将音频功放的设计系统面积减小了，而且还不能使得其他的性能变差，还需要考虑设计的成本调度问题。科技是在飞速发展的，以后的产品会更加的轻巧与微小，数字音频放大器需要很高质量的音频信号，体积小，效果好，能与其他器件相衔接，还需要考虑到各种因素。这种情况下，电池的寿命可得到延长，不需要散热片，且电源也可以更小，总的来时总体的提及的到最小，重量最轻。（三）项目简介A类：A类功率放大器（也可称为甲类放大器，Class A），它的输出级中有两个晶体管，这两个晶体管的电流会在信号达到最大的时候流经

4、电阻等元件。这里要说的是，在有信号和没信号的时候，这组晶体管都有电流流通，晶体管是常开的。其中没有信号的时候，两个晶体管内的电流时一样大的。由此可见得，甲类放大器的功耗是一直有的，由热量的形式消散掉。甲类放大器发生是因为信号的正反趋势所引起上下方的流入的电流变化，打破了最初的电流平衡状态，流入扬声器中的电流促使发生。A类功放是一种完全的线性放大现实的放大器，当它工作在最佳的线性状态，输出级的两个晶体管均会把整个信号全放，在这样的情况下，就算不使用负反馈，甲类功放的失真率都是极低的。由上所诉，考虑到失真率的话，要做放大线路设计，最好的是用甲类放大器了。可是，这类放大器有一个很明显的缺点，就是效率

5、太低了，与现在的发展来看，效率太低，是满足不了要求的。把A 类功放用于播放音乐，我们可以体验到它的音质是非常不错的，高音透彻，音色饱满，人们对于A类功放的这一表现还是很满意的。不足之处呢是A类功放发热严重，处理这一问题有需要大型的散热器件，占用位置，导致体积过大，重量也随之加大，不满足现在人们所需求的小巧之类的需求。除此之外，它的制作成本在这几类功放中也算挺高的，也就导致了价格不会低。 A类放大器上图为甲类功放的电路及波形图。总结一下，甲类放大器失真极低，音质不错，但是功率低，效率低，且非线性失真较大，设计不采用。B类：B 类功放（也称为乙类放大器，Class B），它与甲类的工作方式就不同了

6、。晶体管不会一直处理导电状态。它的正负通道处于关闭状态，有正相的信号输入时，负相的通道关闭，反之亦然。所以这两个通道是不会同时工作的。没有信号输入，晶体管就不导电，也不消耗功率，就没有耗损了。在晶体管正负通道开启关闭的时候，会发生交越失真。特别是在低电平的时候，乙类功放声音会变得很粗糙。在早期的时候，因为它的效率还算比较高的，所以还是有要用到一些汽车的音响中。B类放大器上图为乙类放大器的电路级波形图。总结一下：一类的效率还是比甲类的要高，不过它交越失真严重，而且开启和关闭其他器件需要耗时。AB类：AB类（也称为甲乙类，Class AB），它是兼容结合了甲、乙类两者的优势。没有信号或者信号很小的

7、时候，晶体管打开，虽然这时候有损耗，但是比较小，比甲类要低。正相信号时，负相通道关闭，负相信号时，正相通道相反，这一点的时间差异会使得甲乙类功放存在一点点的交越失真，但是它的效率和保真度都比前两者要好。D类：D 类功放（Class D），它工作于开关晶体管，优势是能在极短的时间内完全导通或者截止，这点会增输出信号的失真。此类放大器效率非常高，能达到八、九十，在理想状态下，更是能达到百分之百。D类放大器由三大部分组成：（1）输入开关级，（2）功率放大级，（3）输出滤波级。在功放电路中采用MOSFET替代了BJT，它们可以再极短的时间内可以完成导通和截止，当其中之一的管子导通时，管子的电压降小，当

8、截止时，管子的电流为零。在此之下，效率就变得非常之高，而且热量产生的很少，需要的散热器就很小，占用的位置就越小。将这些类型的放大器进行比较：（1） A类：声音的保真度高，音质清晰，缺点是效率太低，损耗很高。散热大，需要大型的散热器件。（2） B类：效率比A类的要高，但是高不了多少，也处于偏低的行列。损耗比A类要小，但是它的交越失真严重，影响音质。（3） AB类：效率较高，比A类，B类都要高，但存在一点点的交越失真（4） D类：效率极高，散热小，成本不高，体积小。但是存在失真，噪声等不良因素。 随着科技的发展，目前是D类放大器也是做得越来越好了，也演变出了一些新型的放大器，比如T类。D类的缺点也

9、正在被一步步的改善，以后的D类音频放大器会越做越好，越来越轻巧。根据题目的要求，体积小，高效率，散热小的放大器，本次选用D类放大器。二、市场前景数字音频功率放大器与传统模拟功相比，其输出功率大，效率高，体积小，无需散热，失未来发展的主流。如今许多的便携式电子设备，都有音频输出，都需要一个音频放大器。国外方面: 1995年，在美国加州，有一家研究数字功放技术相对其他公司来说比较早和很有实力的公司，叫做Tripath Technology lnc。就在1998年，此公司发明了一种它们称作DDPtm数字功率处理技术，并把它叫做T类数字功放。基于这类数字功放技术研做的数字芯片，用于许多的音响和其它公司

10、做放大器的生产。Apogee作为专业音频领域的标杆型品牌，我们都知道Apogee为我们带来的那些伟大的革命性的产品。公司推出了一项高效率的D类数字放大器技术，不需要数/模转换器，就能够将数字音频信号直接转换成为放大的功率信号输出，此技术名为DDX技术。和模拟方案比较起来，此数字方案的优点有：设计小巧；功率耗散很低和运作效率很高。在拥有多项专利的全数字高效集成电路中，都能看到此项技术的身影。而且，它还运用到了现在许多的不同类型的的消费类音频产品中。德州仪器( C5000(TM) 超低功耗数字信号处理器 (DSP) 的音频电容式触摸 BoosterPack，可为微处理器应用实现各种新功能，支持清晰

11、音频以及回放与录制功能。日本夏普推出了1bit全数字功率放大器SM-SX100，此放大器失真和噪声都非常的低，而转换效率却非常的高。它可直接放大一些电子设备的PCM数字音频信号。国内状况: 在上个世纪末，天奥公司推出了一项自主研发的D类数字音频功率放大器，该放大器的转换效率达到了百分之九十以上。 且在国内外，其多个系列的数字功放产品都得到了广泛的应用。经过 30 年来的高速发展，中国音响行业取得了长足的发展，目前中国已经发展成为世界音响设备的生产和出口大国。自 1999 年开始，我国电子音响产值以平均每年超过 30的速度增长，至 2006年，产值已达 2,069 亿元。但是，受到用工成本增加、

12、原材料价格上涨、人民币汇率波动等因素综合影响，我国主要电子音响产品产值增速从 2006 年开始放缓。2010 年以来，除 2011 年和 2014 年增速较快外，行业总体处于低速调整期，呈波动上升趋势。2014 年，由于国际市场的复苏和我国居民收入增长较快、网络零售持续增长，国内国际市场均取得了良好的发展。过去数年来D类功率放大器的市场以曲线成长，其将逐渐取代AB类功率放大器并在新产品的设计取得优势。据第三方数据显示，全球D类放器的营收将从2006年的4千万美元上升到2008年的12亿美元。 D类功率放大器急于攻占的市场以低功率而言在手机相关产品;对中功率而言则在于LCD TV。全球手机及LC

13、D TV的出货量仍在快速成长中，D类功率放大器将随着此两大类产品而成长。 低功率D类数字功率放大器由于高效率或低耗电的特性其在各种可携式产品的应用逐渐普及，此外中功率D类数字功率放大器由于免用散热片及考虑电源供应器的成本，其在LCDTV等薄型电视市场必将逐渐增加。 高功率，即100W 200W的D类数字功率放大器在汽车音响亦将占有一-席之地，在此高功率之下D类功率放大器仍免不了使用散热片，但散热面积与散热量比AB类功率放大器所需的要小，由于高效率的原因，D类功率放大器可以在不启动汽车引擎的状况下有较长的使用时间而不消耗太多电瓶(Battery)的电量。三、产品概述（一）硬件设计思路1、D类音频

14、功率放大器1 .1 D类音频功率放大器的结构 D类功放是由三角波振荡器，PWM比较电路，脉冲功率放大器 以及低通滤波器构成。D 类功率放大器就是把音频信号转为脉宽变化的形式，由脉冲放大器放大输出，最后通过低通滤波电路滤除其中载波部分，还原音频信号，如2-1图：D类音频功率放大器的结构组成图1.2 D类放大器的原理D类放大器，就是将模拟的正弦信号去和高频的三角波信号进行比较，是电压的比较。在这种情况下，模拟信号会变成了一种脉冲信号，这个信号是等幅的。在电路中对这个的脉冲信号放大，无异于对这种信号放大。原模拟信号只是包含在脉冲信号的宽度之中，与它的幅度没有关系。脉宽调制信号经过放大，最后经过低通滤

15、波电路，滤除，就能得到低频信号，这个信号是正弦信号，而且是被放大的。当正弦信号的幅值大于三角波信号的幅值的时候，脉冲信号为正，反之，则为负。由此，没有信号，输出的方波占空比就为百分之五十。在失真上，放大后信号的幅度失真，不会影响到原信号失真。对正弦信号进行比较的三角波信号，要有两个要求。人耳能听到的频率最高是20KHz，根据定理，三角波频率应该大于20KHz的两倍，但是为了避免失真，最好还是采用较高的频率。三角波的频率和幅度都应该要很稳定，不得出现波动较大，稳定度很低的情况，那样对后面的影响会很大。1.3 D类放大器的性能指标1.3.1效率在对输出的功率要求不高的情况下，D类放大器的效率是最高

16、的。而其它像A啊,B啊AB之类的放大器，效率就不太理想了。在效率这一块，D类放大器在各类型的放大器中，优势是很明显的，而其他放大器，则是需要某些指定的状态下才行。D类放大器，它的输出级处于开关状态下的时候，它是能达到很高的效率的。在理想状态下，打通时，电阻为零，关断时，电阻无穷大，此时，D类功放的效率最高，达到顶值。但也毕竟是在理想状态下，这里由于扬声器的负载；还有控制电路功耗；驱动耗损；开关耗损；电感铁损和铜损等等。这些都是影响效率的一部分因素，但是影响都是很小的。在这类情况下，在晶体管导通时，两端的电压降和扬声器两端的电压降，影响了D类放大器的实际效率，也就是说，效率与晶体管的导通电阻息息

17、相关。除此之外，还有偏置电流，开关频率也会影响效率。在有正弦信号通过的时候，可以在负载两侧得到一个信号周期的电压电流，计算它们的均方根Vm和Im，由此计算可以得出输出的功率。 系统的效率用消耗功率除以电压提供的功率。 1.3.2谐波失真THDTHD谐波失真指音频信号源通过功率放大器时，由于非线性元件所引起的输出信号比输入信号多出的额外谐波成分，它是音频功率放大器的输出功率的一个条件，也是音频功放的一个不可缺少的指标。在理想的状态下，输入了什么样的正弦波信号，输出的信号也是什么样的信号，其没有失真和噪声。但是一般来说，音频功率放大器输出的音频信号总是会有失真和噪声的。这种失真需要失真仪才能测出，

18、因为这种失真很小，在仿真波形中不容易看出来。波形失真是因为在正弦波的上面加了3次、5次等更高次的谐波造成的。由失真和器件内部或者外部造成的噪声，我们用THD+N来表示，这个值较小，大概都不会超过百分之十，而且这个值当然是越小越好的。THD+N在不同的条件下也是有很大的变动的，这与工作电压，负载电阻，输入的频率有关。理想的THD的值为零。H1为基波分量，H2Hn为谐波分量，n为噪声。13.3信噪比信号经过电路设备之后，得出来的信号中，往往会夹杂着其他的信号，而且这种信号源源信号毫不相关，没有规则可言，我们称之为噪声。产生噪声的形式多种多样，再者根据产生源头的不同，可以把噪声分为两种：内部噪声和外

19、部噪声。外部噪声：外部噪声既有电路和外界之间，也有电路本身各个环节作用在一起而产生。噪声的来源包括：电场辐射，电路中的电导体在这样的作用下产生感应电流，这个是不可避免的。信号在这些感应电流中作用就会产生噪声。 信号与噪声的比例，称为信噪比。信噪比数值是衡量一个音频功放质量的一个指标，信噪比越高的音频功放，噪声越小，品质越好。当信噪比低，且有小信号输入时，噪音就特别地严重，完全不知道听到是什么音，严重影响到声音品质了。2、D类放大器的主要组成2.1前置放大器在D类音频功率放大器中，由于前端的输入信号的关系，需要对所输入的各种信号进行加工处理，此结构位于整个结构的前面，主要目的是使得与功放的灵敏度

20、相匹配。在设计中，更多的使用MOS晶体管，因为它有利于降低噪声。我们需要此放大器低噪声，频带宽，信噪比高等等要求。2.2三角波发生器三角波或者锯齿波是用来与音频信号相比较的，是设计电路中不可缺少的一部分。对于三角波或者锯齿波，我们需要通知后的信号要被完全恢复，这种情况下，三角波的频率我选的比较高，大概在200KHz以上。除此之外，三角波也要有稳定的幅度和频率，这是为了避免调制后的脉宽波形不好，使得一些性能变差。2.3调制方式2.3.1 - 调制- 调制能以简单的电路结构和较低的成本来获得高的频率分辨率。- 调制技术或者说 - ADC ，是过采样ADC的特殊一种。它结合了过采样技术和噪声整形技术

21、。一阶 - 调制器简化结构它是由一个积分器，一个 ADC、一个DAC 构成的负反馈网络。- 调制技术本身就含有负反馈网络。负反馈网络不仅影响系统的稳定性，而且增加了系统的复杂度。2.3.2 PWM调制脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。通过PWM 信号去控制输出功率管的开关动作，从而驱动扬声器负载。PWM与-相比，PWM电路复杂性简单，功耗小，面积小，适合做设计。PWM调制，当电压 比较器同相端输 入三角波电压信号，反相端正弦电压信号，电压比较器的输出就是脉冲宽度随正弦信号电压幅度变化而改变的脉冲调制信号。PWM波形图2.4输出级 输出结构有半桥

22、和H桥两种结构。CMOS互补结构CMOS互补结构对称性能好，只需要单极性的驱动信号。H桥输出结构驱动的方式不同又分为 BTL 桥和三电平桥。BTL全桥开关管以对角线方式导通，M1、M4导通时 M2、M3截止；反之，M2、M3导通时 M1、M4截止。三电平全桥以差分宽度方式驱动对角线上的开关，输出脉冲具有负电源轨、零电平、正电源轨三个电平，而 BTL 只有正、负电源轨两个。将H桥与半桥结构行比较。半桥栅驱动数为1，功率管数为2，有直流失调，偶次谐波。2.5低通滤波器系统中最后一级信号处理是低通滤波器，主要用来还原调制信号。对于一个低通滤波器，截止频率是这样定义的，低于截止频率时低通滤波器增益为

23、1，而高于截止频率时增益为 0。滤波器的特性包括幅频特性和相频特性。对于大多数的滤波器应用，更注重滤波器的幅频特性，相频特性次之。巴特沃斯低通滤波器公式：RL是负载电阻，fc是滤波器的截止频率，LKn和CKn分别是对应编号原件的归一化原减值。可以根据公式，求出元件的值。（二）软件设计思路1、设计指标（1）功放的效率不得少于80%。（2）设计三角波震荡器，其频率在200kHz以上。（3）能驱动H桥或者半桥式开关放大器。（4）设计LC低通滤波器，使其还原音频信号。2、三角波发生电路三角波发生电路，用于产生能对音频信号进行调制的高频三角波，要让此三角波实现相应的功能，需要两点：（1） 经过调制后的信

24、号，也就是脉冲矩形信号，需要被恢复过来。根据所学的采样定理，三角波的频率是大于等于被采样信号的两倍的，而我们所能听到的声音频率的上线范围是20KHz，所以三角波的频率是大于多40KHz的。这里为了为了使得信号不失真，尽量选用的三角波频率高一些，为200多KHz。（2）为了避免被调制后的脉宽信号产生变形，还有提高音频输出的信噪比，这里的三角波需要有很稳定的频率和幅度。如此做，还能使得音质变好，噪声减小。而产生高频，稳定幅度的三角波，对于一般的电路都是有些困难的。三角波发生电路这里，我采用74HC14N芯片，该芯片为施密特触发器，其输入电压为26V。电路由比较器和积分器构成。比较器输出方波，方波积

25、分输出三角波。通过调节滑动变阻器R5，就可以改变输出波形的频率，还有幅值。再对此电路进行调试，可以获得频率和幅值。波形仿真如图：三角波波形仿真图通过移动两个指标，可以得到相应的参数。从图中可见三角波的频率通过公式 得出f为250KHz以上，观测幅值为1伏多。3 、前置放大电路前置放大电路图在接入音频信号之前，音频信号的幅度一把都是较小的，这时就需要对此信号进行放大。这里设定音频信号幅度为几百毫伏，为了达到所需要的指标，这里前面采用NE5532A芯片，此芯片的工作频率高，可以达到10MHZ；工作电压范围也不错，3V到20V之间均可。在放大的前端及后端都加上滤波电容，可以使得电路的失真度降低。前置

26、放大电路波形图从仿真调试来看，此放大电路的放大倍数为2到10倍。4、PWM比较电路音频信号经前置放大器放大后，与三角波相比较，输出PWM方波。PWM比较电路比较器电路选用的芯片是LM393芯片，此芯片有诸多优点：它的工作电压的范围广；无论是单电源还是双电源都可以；消耗的电流小。该芯片还是双电压比较器集成电路，它的输出与许多晶体管都是兼容的，和其他芯片比较起来，优势很大，最后输出波形也是很不错的。这里三角波的幅值未超过5V，为了避免后续功放产生失真，这里采用的电源幅度为5V。下图为比较波形。5、 H-桥及低通滤波电路H桥和低通滤波这次设计的驱动是H桥互补对称电路，此电路具有关闭的速度很快，开启的电压范围大，对管子的要求是导通电阻很小。本次设计的要求输出功率20W，并不是很大，这里可以选择小电容，小功率并且容易快速驱动的管子。在经过对管子的测试和参数参考，这里选用IRF9540和3205的，基本能达到要求。四、 财务分析（一） 资金来源资金来源金额学校资助万校友会资助5万团队创业贷款5万团队成员筹备5万基本财务假设会计期间：一年，即2019年7月至2020年7月