基于D类的数字功率放大器毕业设计

1、摘 要音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分，并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地，音频功放的需求日益增加，因此研究音频功率放大器具有非常重要的意义。随着科学技术的不断发展，尤其是集成电路技术的发展，高速、大功率器件已越来越多，移动、数字媒体技术、平面电视、便携式数字产品等电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，人们对音频功率放大器的要求更加趋向于高效、节能和小型化。因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效、节能、发热量少、体积小、便于集成。传统的模拟音频功率放大器虽然具有很高的保真度，但是却存在功耗高、效率低等致命缺点

2、，而且发热量大，不易解决散热问题。而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，所以功放的效率很高。与传统的AB类音频功率放大器相比，数字D类音频功放最大的优势在于具有高效率，实际转换效率能达到80以上，理论转换效率可以达到100%。因此能极降低能源损耗，减小放大器体积。在这个能源节约的时代，凭借其高效率、低功耗的特点，数字D类音频功放正逐渐取代传统的模拟音频功率放大器，并越来越受到人们的重视。本文论述了各种音频功率放大器的工作原理以与各自的性能特点，重点阐述了D类音频功率放大器的工作原理和脉宽调制工作原理，并在此基础上设计一款大功率输出、低功耗数字音频D类功率放大器。

3、关键词：音频功率放大器；D类；脉宽调制AbstractAudio power amplifier is an important part of PIC(Power Integrated circuits)which iswidely used in consumer electronic products，and China is the most important market ofconsumer products and the biggest world manufacture center of the consumer productsWelaunch a reach on a

4、udio power amplifierWith the continuous development of science and technology, especially the development of integrated circuit technology, high speed and high power devices have more and more, mobile phones, digital media technology, flat-screen TV, a portable electronic products such as digital pr

5、oduct is portable to thin, rapid development, audio power amplifiers will tend to be highly effective, energy-saving and miniaturization. Because mobile devices affected by the battery capacity, thermal, volume restrictions on audio power amplifier requires efficient, energy-saving, low calorific va

6、lue, small size, ease of integration.Traditional analog audio power amplifier although with high fidelity, but there is a high power consumption, low efficiency and so fatal flaws, and gets very hot, not easy to solve. And class-d amplifiers due to work on or off, as control components of transistor

7、 itself lower power consumption, power amplifier is very efficient. Unlike traditional class AB audio power amplifiers, digital class D audio power amplifiers biggest advantage is that you have a high efficiency, the actual conversion efficiency can reach 80 percent, and theoretical conversion effic

8、iency can reach up to 100%. So it can greatly reduce the energy consumption, reduce amplifier volume. In the energy-savings time, with its high efficiency, low power consumption characteristics of Class D digital audio amplifier is gradually replacing traditional analog audio power amplifiers, and m

9、ore and more attention. This article discusses the working principle of audio power amplifiers and their performance characteristics, focuses on the class D audio power amplifier of the working principle and principle of pulse width modulation, and on this basis, designs a high power output, low pow

10、er consumption Class D digital audio amplifiers.Key words：Audio power amplifier；D class；pulse width modulation目 录引言41 绪论51.1 课题背景51.2 国外研究现状62 音响的相关知识62.1 声音的基本特性62.2 放大器的技术指标62.3 功率放大器的分类72.3.1A类功放72.3.2B类功放92.3.3AB类功放112.3.4C类功放132.3.5D类功放142.3.6E类功放142.3.7F类功放152.3.8功放小结153 D类功率放大器原理153.1 D类放大器的特

11、点153.2 D类功率放大器的性能指标173.3 传统D类功率放大器的工作原理194 电路系统方案设计224.1 电路方案论证224.2 主要电路工作原理设计与分析244.2.1脉宽调制电路254.2.2前置放大器电路264.2.3开关放大电路274.2.4低通滤波电路284.2.5音量设置与显示电路284.3 系统调试与测量315 结论32辞33参考文献34附录35引言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的功放都

12、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。在半导体设计潮流走向轻

13、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与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，因此具有高效率、低功耗等优点

14、。目前，D类音频功率放大器在移动、平面电视、LCD显示器以与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，MBSandier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代音频功率放大器一数字音频功率放大器进入了工程应用领域，并获得了世界同行的广泛认可，市场日益扩大，

15、数字音频功率放大器已经成为近年来的研究热点之一。1 绪论1.1 课题背景随着半导体与微电子制造技术的不断发展，高速、大功率器件已越来越多，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，人们对音频功率放大器的要求更加趋向于高效、节能和小型化。因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效、节能、发热量少、体积小、便于集成。普通功放发热量大，不易解决散热问题。而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，功放的效率就高，可达到90以上，因此能极降低能源损耗，减小放大器体积。所以D类音频功率放大器越来越受到人们的重视。高效率D类音频放大器正越来越多地被用在移动、智

16、能、PDA与其他类似便携式应用中，以取代AB类放大器。采用D类放大器可延长电池供电终端产品的工作时间，并产生更少的热量，从而解决设备的热设计问题。在手机、DVD播放机、笔记本电脑与游戏机等便携式设备中集成音频，已经发展到这样一个程度，即设计人员正面临着如下考验：一方面需要将MP3与流媒体等越来越多的特性集成到上述终端设备中，另一方面又必须保持或减少整体功率预算。这导致采用很多新的产品技术，例如采用D类音频功率放大器。这些放大器可使设计人员节省电池电量，因为D类放大器比传统AB类(或线性)放大器具有更高的效率。近年来国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，这一技术一经问世

17、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、商业界的特别关注。不久的将来，D类音频功率放大器必将取代传统的模拟音频功率放大器。D类功率放大器的显著特点是其输出级的工作状态不是完全导通，就是完全截止，输出器件功耗大大降低。D类功率放大器的输出级只是瞬间通过一下线性区域，而大部分时间不是停留在饱和区就是截止区，上管饱和则下管截止，或者相反。输出信号比输入信号变得更正或者更负，也就是输入信号被大放大了。在常规的晶体管放大器中，输出级上的晶体管需要提供时刻连续的输出电流。音响系统可以采用的多种实现形式包括A类、AB类和B类等，与D类功率放大器相比，这些电路中即使是效率最高的线性输

18、出级，其功率的耗散也很大。这一差异反衬出，D类功率放大器在许多应用方面具有显著的优势，因为其较小的功率耗散意味着更低的发热量、电路板空间与成本的节省和便携式系统的电池工作时间的延长等。早些时候晶体管、集成电路的开关特性差，不能满足D类音频功率放大器的技术要求，因此对D类音频功率放大器的研究开发有相当的困难，研究开发仅停留在理论上。随着金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的出现，其开关特性很好，工作效率高，开关速度快，管压降小，功耗低，适合用于D类音频功率放大器的研究开发。近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的MOSFET也已用得很普遍，该管开关特性、导通饱和压降和截止漏电流特性都大大改善

19、，应用到音频开关放大器上，能大大提高其可靠性和保真度。故D类放大器在便携式设备上的应用具有很大的优势，受到许多开发商的青睐。1.2 国外研究现状有关D类功放的理论提出已有近半个世纪。在1970年，MOSFET出现后才投入实际性开发。早期的主要缺点是失真度高，后来在控制芯片和功率器件模块化后性能有所提高，才得以投放市场。全球音频领域数字化的浪潮以与人们对音频设备节能环保的要求，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。它应该具有工作效率高，便于与其他数字设备相连接的特点。D类音频功率放大器符合上述要求。历史上出现过三代D类放大器设计：第一代是由托卡塔设计的TacTMillenniu

20、m，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(脉冲宽度调制)信号和一个集成的输出级以与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围的两端都能同样出色地工

21、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。2音响的相关知识2.1 声音的基本特性音量：它与声波的物理量“振幅有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听音的主观感觉。音调：是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调高低与声音的物理量“频率对应。人耳的听觉围：20Hz到20KHz称之为可听声音，低与20Hz称为次声，高于20KHZ的称为超声，人耳对3K左右的声音最敏感。音色：又叫音品和音质，他是由声音的波形决

22、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 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的最大功率称为额定功率，表达式：。为负载两端的最大不失真电压，为额定负载阻抗。测量条件如下：信号发生器输出频率为1KHz，电压=20mV正弦信号。功率放大器的输出端接额定负载电阻(代替扬声器)，输入端接，逐渐增大输入电压，直到的波形刚好不出现谐波失真(r60dB，THD时，比较器输出高电平，反之，输出低电平。这样把输入信号的大小转变为输出脉冲的宽窄，相当于用输入信号去调制载波，从而形成占空比随输入信号幅度变化的输出调制波，即PWM

23、技术。脉宽调制电路将直接影响音频功率放大器的性能指标。对于高频载波三角波信号，为了减小输出音频信号的非线性失真，要求三角波信号的两个斜边对称且具有高的线性度。对于载波频率的要求，理论分析表明，载波频率越高，功率放大器的输出高频干扰越容易滤除，输出波形失真也越小；但功率放大器的开关频率也升高，这将大大增加开关器件的开关损耗，造成功率放大器的效率下降。因此，一般载波信号(三角波)的频率和调制信号(取正弦波)的频率满足如下关系：=(1020)。其中，为载波信号频率，为调制信号频率。功率放大器的通频带为10kHZ，取三角波信号的频率为120kHz。三角波发生器电路采用滞迟过零比较器加反相积分器组成的典

24、型电路结构，为了保证三角波在高频输出信号下的线性度与PWM脉冲信号边沿的陡度，运算放大器与电压比较器均采用高速器件。PWM工作方式呈现出一定的缺点：首先，PWM过程在许多实现中会增加固有的失真；其次，PWM载波频率的谐振在调幅(AM)无线电波段会产生EMI；最后，PWM脉宽在全调制附近非常小。这在大多数开关输出级栅极驱动电路中会引起问题，因为它们的驱动能力受到限制，不能以重新产生几纳秒(ns)短脉宽所需要的极快速度适当开关。因此，在基于PWM的放大器中经常达不到全调制，可达到的最大输出功率要小于理论上的最大值，即只考虑电源电压、晶体管导通电阻和扬声器阻抗的情况。D类放大器的较低的功率耗散可以为

25、其省下冷却装置(散热器或者风扇)的成本和空间。D类集成电路放大器可以使用一个比线性放大器更小的、更便宜的封装。在利用数字音频信号源进行播放时，模拟的线性放大器需要通过数模变换器来将音频信号变换为模拟形式。模拟输入的D类放大器也需要数模变换器，但数字输入型电路可以有效地集成一个DA转换器功能。另一方面，传统D类放大器在成本上的主要缺点就在于它要使用LC滤波器。该元件(特别是电感)将占用电路板空间并增加成本。在大功率的放大器中，总的系统成本仍然具有竞争力，因为在冷却装置方面实现的极大的成本节约可以抵消LC滤波器的成本的增加。但是，在对成本敏感的、低功耗的应用中，电感的成本是巨大的。在极端情况下，如

26、手机用的低价位放大器，放大器IC的成本可能低于总的LC滤波器的成本。此外，即使不考虑成本，LC滤波器所占用的电路板空间对于小外形尺寸的应用来说也是一个问题。4 电路系统方案设计4.1 电路方案论证根据设计要求，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8095。图4-1 系统总体设计框图（1）脉宽调制器(PWM) 方案一：可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压等限制，不适用本设计要求。方案二：采用图4-1所示方式来

27、实现。三角波产生器与比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作，故选用此方案。（2）高速开关电路输出方式方案一：选用H桥型输出方式(电路如图4-2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10V，可以有效地提高可以输出功率。图4-2 H桥式输出开关电路方案二：选用推挽单端输出方式(电路如图4-3所示)。虽然电路输出载波峰-峰值不会超过电源电压，但最大输出功率基本满足该设计要求，且电路较简单可行，故选用此方案。图4-3 推挽单端输出开关电路开关管的选择。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与开关过程中的损耗较大；IGBT