D类放大器的设计实验报告

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"设计任务与要求 1设计原理 1\o"CurrentDocument"冲宽度调制(PWM)理论分析 3TDA8920BTH的结构框图及引脚信息 5设计方案 7安装与调试 9结束语 9成绩评定表 11设计任务与要求了解。类放大器概念及其设计原理和方法，对脉冲宽度调制（PWM）做出理论分析简单掌握TDA8920BTH的结构和原理，并根据指导老师所提供的。类功放板TDA8920BTH（最大功率100W+100W）设计一个音频D类放大器。设计原理在日新月异的多媒体时代，便携式电子产品，如智能电话、PDA、MP3、PMP、DSC、DVC、NB等多媒体产品，对声音质量的要求越来越严格。另外，由于此类产品为电池供电，除了要求音质的再突破外，也要求整体效率的提升，以达到高效、低功耗的设计目标。此类产品的音频模块中，除了输入端的信号源和输出端的喇叭或耳机外，音频放大器是一个非常重要的角色。传统的低频功率放大器主要有：A类（甲类）、B类（乙类）及AB类（甲乙类）目前广泛用于便携产品的音频放大器有AB类和D类两种。D类放大器是通过控制开关单元的ON/OFF控制来驱动扬声器的放大器，首次提出于1958年，近些年已逐渐流行起来。D类放大器在过去的几代产品中，已经得到了巨大的发展，系统设计者极大地改善了系统的耐用性，并提高了其音频质量。D类放大器由于采用了不同于上述各类放大器的拓扑结构（见图2-10），其功耗远低于上述任何一类放大器。工—土［因生||驱 一 3 -音频信号 ►'部器、 k 功率输出电路 ► 低通滤波 k 负载图2-10D类放大器组成框图（PWM图2-10D类放大器组成框图-Vcc图2-10所示D类放大器组成框图由调制器、高速功率输出电路及低通滤波器等组成。其中调制器采用脉宽调制（PWM）方式，它通过电压比较器将音频信号与高频三角波通过进行比较（PWM调制方式如图2-11所示），当反相端电压高于同相端电压时，输出为低电平；当反相端电压低于同相端电压时，输出为高电平，从而在电压比较器输出端得到一系列宽窄不同的高频脉冲信号，即PWM调制信

号。通过该信号控制输出功率管（见既-12），使得功率管输出也为一系列电压脉冲。由于功率管在不导通时具有零电流，在导通时只有很低的导通电阻，因而产生的功耗极小，从而使效率大为提高（在大功率输出条件下，D类放大器的效率可达95%）。由于?咖脉冲信号的占空比与输入音频信号幅值成正比，而PWMB冲信号中的频率成分除了音频信号外，还有各阶高次谐波分量。为还原音频信号和避免高次谐波能量驱动负载，通常在功率输出级和负载之间接入一个低通滤波器，为保持功率输出级的功率较大，要求滤波器是接近无损的，因此通常采用无源LC滤波器。通过对上述各类功率放大器的分析，为达到设计要求及得到最大输出功率和效率，本设计选用D类放大器。-Vcc三、冲宽度调制（PWM）理论分析三角波调制法是建立在每一个特定时间间隔能量等效于正弦波所包含能量的概念上发展起来的一种脉宽调制法，如图2-13所示。为了得到接近于正弦波的脉宽调制波形，将正弦波的一个周期在时间上划分成N图2-13PWM脉宽调制示意图■，一… ， ，、、.一2兀 、、图2-13PWM脉宽调制示意图等份（N为偶数），每一份脉宽都是一，这N样就可以分别计算出在各个时间间隔内正弦波所包含的面积，如图2-14所示。图2-14所示的PWM调制波形中每个特定的时间间隔，都可以用一个脉宽与之对应的正弦波所包含的面积相等或成比例。通过其脉冲幅值都等于V的矩形脉冲来代替正弦波的部分，这Am样N个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。假设正弦波的幅值为Vm，等效矩形波形的幅值为匕以，则各等效矩形脉冲波的宽度气为5.=—jT+ATVsine^eAmTsinedef皿—fsinede2兀(.T)Am n2兀i—cos NsinVJ 「2兀(i-1)2兀i—cos Nsin=—m〈COS K[ |_N=2匕sin[绍V"NAm

=2=2匕sinB-sin"匕'N.式(2.1)2位兀.式中p= ,i=1、2、3...iNNP，是各时间间隔分段的中心角，也是各等效脉冲位置的中心角。式2.1表明：由能量等效法得出的等效脉冲宽度5与分段中心角£的正弦值成正比。用三角波来实现脉宽调制，可以很方便的利用由运算放大器组成的比较器来完成这一功能。假设三角波的频率右与正弦波的频率f之比为f/f（载波比），为了使输出波形满足奇函数，N应该是偶数。如果假定在正弦波大于三角波部分所产生脉冲的中心位置在每段脉冲的中心，并以Pi代表的话，则角度P,为2兀i 2兀i 兀 ，NNi=1、2、3...图2-14PWM脉宽调制原理图这样Cd=*由于hg由于hg=V^ （Vmm三角波幅值）lg=《sinp（V为正弦波幅值）如果令脉宽5汩cd，则i2兀V5= msinpiNVi

当N当N>20时，sin一.一NN2兀i 兀将旗=J-一代入式2.1可以得到iNN8=8=2匕sin一sinf绍-一'^VN"NN)Am 式(2.2)式2.2说明：当载波比N固定，且大于20以上时，在比较器输出端产生的矩形脉冲，其宽度正比于正弦波的幅值与三角波幅值之比，该脉冲宽度也正比于分段中心角P,的正弦值。对于脉宽调制波形，其基波和各次谐波的幅值表达式为N4E亍一-8式(2.3)式(2.4)=——乙(-1)k+12cosp.cos^式(2.3)式(2.4)k=1N4EV一八81=——乙(-1)k+12cosp.costk=1由式2.3与式2.4可知：基波幅值Vm1及各次谐波幅值Vm〃与脉冲宽度8.有关，而脉冲宽度8.又与调幅比Vm有关。Am在正弦波的幅值小于三角波的幅值时，比较器输出电压的基波分量几乎与调制波的调幅比呈线性关系，即Vm1=+Am故在每个音频信号周期内，PWM脉冲的占空比正比于音频信号的幅度。四、TDA8920BTH的引脚信息及结构框图TDA8920BTH是飞利浦公司的一款高性能、高效率（2X100W）大功率D类数字功放，IC选用HSOP24功率封装，具有很低的功耗和静态电流。该D类音频放大器具有零死区开关，先进的电流保护功能，工作起动平滑，没有一般放大器的开机冲击声。由于内部是MOS管输出，所以在音质方面有着不错的表现。低音深沉有力，且弹性佳。中音憨厚温暖，高音清澈明亮。TDA8920BTH及其引脚信息如图2-15所示。VSSD屁VDCF2叵B00T222_

□UT2211VssP2底PT1n.c.1STABI1BVsspi□UT116B00T115Vdd-P1PRO!13匚叵匚匚叵匚TDA8920BTHZIZITIE11]回迅封VSSA2SGHD2VDDA2IN2MIN2FMODE图2-15表2-1为TDA8920BTH各个引脚的说明:符号引脚管脚标号说明VSSA21负模拟电源电压通道2SGND22地面信号通道2V DDA2 3积极为模拟电源电压通道2IN2M4negative音频输入通道2IN2P5积极音频输入通道2模式6模式选择输入：待机，静音或经营模式OSC7振荡器频率调整或跟踪输入IN1P8积极音频输入通道1IN1M9negative音频输入通道1V DDA1 10积极为模拟电源电压通道1SGND111地面信号通道1V—SSA1 12负模拟电源电压通道1PROT13去耦电容器保护(OCP)V DDP1 14正电源电压1通道BOOT115自举电容器通道1OUT116PWM输出通道1V—SSP1 17负电源电压1通道STABI18逻辑解耦内部稳定供应n.c19没有连接VSSP220负电源电压2通道OUT221PWM输出通道2BOOT222自举电容器通道2V DDP2 23正电源电压2通道VSSD24negative数字电源电压表2-1TDA8920BTH的内部结构框图如下:VDDA2VDDA1VDDA2VDDA1STABIPROT^DDP2VDDP1IN1MIN1PSGND1oscMODESGND2IN2PIN2M五、设计方案首先学习指导老师提供的TDA8920BTHD类数字功放板（图2-16）图2-16通过查看相关资料得到其基本性能参数如下:工作方式：D类静态电流：65mA工作效率：90%额定输出功率：2*100W频率响应：20Hz至50KHz工作电压：AC9.55V至AC20V推荐电源电压：AC18V-0-AC18V最大输出电流：8APCB板尺寸：（60*72）mmTDA8920BTHD类数字功放板的电路原理图如图2-17所示。各个元器件的相关信息在图中都已标注。图2-17其次，通过前面原理及电路图的分析，若要用该D类数字功放板驱动MP3直接按照电路图（2-18）连接即可。连接后的实物图如图2-19所示。

图2-18图2-19六、 安装与调试按照电路图连接电路，注意音频输出的正负与电压的正负。音频的输