超大甚大功率音频放大器

摘D类频功率放大器采用脉宽调节PWM）术来提高功放效率，利用占空比调节音频波形。本文描述了D类放的三角波发生器、音频前置放大器、比较器、方波放大器、H-桥低滤波器的电路设计。并列出了在电路设计中的注意事项，以求保证功放的高效性和良好的音质效果。关词

功放、脉宽调制；高效、音质InclassDpoweramplifier,pulsewidthmodulationtechnologyisusedtoenhanceitsefficiency.ThedutycycleisusedtoregulatetheAudioWaveform.SixcircuitsofclassDpoweramplifier:trianglewaveoscillator,audio-preamplifier,parator,square-waveamplifier,h-bridge,low-passfilteraredetaileddescribedhere.Someimportantattentionsaregiven.technologyimprovedthesoundisalsodiscussedhere。Keywords:poweramplifier；pulsewidthmodulation(PWM);highefficiency；soundquality1

设任与求1.1

设任设计并制作一个基于PWM的D类音频功率放大器。该音频放大器包括锯齿波振荡器、前置放大电路、PWM波形成方波放大电路H桥率大电路、低通滤波电路构成，其框图如图所示。图(1)PWMD类音频功放组成框图1.2技指1．基本要求1）设计一个音频信号前置放大路，使其放大倍数不小于400倍音频输入信号的幅值小于10mV-1dB的通频带为20Hz～20kHz；2）设三角波振荡器，其频率大于200kHz；

）设PWM形及类关放大器的驱动电路，要求其驱动电路具有较好的驱动性能，能驱动H桥关放大器或半桥型开关放大器；）设LC低滤波器，使其还原音频信，要求失真度；）功放大电路带载（音响设备）时，最大不失真功率输出10W。2.发挥部分1）为减小功率放大电路输出音信号的失真度，在保证开关放大器正常开关工作的前提下，尽量提高三角波振荡频率；2）设智能音量指示电路，使整个功放有较好的动感效果；3）功放大电路的效率≥75％；4）尽提高最大不失真输出功率；1.3题评本题首先要解决两个问题：一是保真度；二是效率。为保证功放的保真度，应采用失真度较小的功放芯片，并设计合适的低通滤波电路D类放的效通常较高，理想情况下可达100%，本题要求效率，出功率10W，经析，增大负载可提高输出效率8欧负的效率通常能达到80%～90%2.方案较论2.1各种方案比与选择根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图(1)所。下面对每个框电路的设计方案分别进行论证与比较方案一：采用FPGA芯产生三角波，使用VHDL语编写三角波发生程序。音频前置放大电路采用NE5532A片比器采用393PH-桥电路通波电路用分立元件构成。该方案中三角波波形准确，采用分立元件构成的电路工作性能好，但采用产三角波成本较高，分立元件构成的电路难以调试。故不采用该方案。方案二：采用单片机产生三角波，使用语编写三角波发生程序。音频前置放大、PWM比较器类率放大、方波放大等均采用集成芯片构成，低通滤波电路采用一阶低通滤波电路。该方案采用单片机产生三角波，波形较好。但考虑到D类放的便携性与易实现性，故不采用该方案。方案三：采用SN74HC14N产方波，再经NE5532A芯对方波积分产生角波；音频前置放大电路采用NE5532A对频进行放大处理，处理后的音频信号与三角波进行PWM调制PWM调采用仪器生产的LM393芯，该芯片为双电压比较器，采用单电源供电，且适用围广PWM波大电路采用仪器的芯桥电路采用德律风根生产的TDA2030音功放芯片；滤波电路采用LC低通滤波器。整个电路采用220V交电经变压器供电，为不同的芯片提供不同的电压输出。该方案普遍采用高效率、低功耗、发

热小、失真度小的芯片构成电路。故能满足D类放设计中的高效率、低失真度的要求，本设计采用此方案。2.2方案论证3系硬设3.1系统总体设计D

类功放采用脉冲宽度调制PWM系和开关电源供电音频信号。全部信息被调制在PWM信号的宽度变化中，功率管工作在饱和、截止两种态，失真小、效率高。其工作原理是将模拟音频信号经PWM设备调制成数字信号然高效功率放大低滤波解调信号后，驱动扬声器。本设计中的D类功放原理框如图，包括两个部分。第一部分是脉宽调制部分，输入的音频信号经电压放大后与固定频率的三角波相比较较器输出宽度被调制的高电平并大成合适的电压值第部分是功率放大部分放大后的PWM信控制H-桥的通断，经低通滤波器滤波后，驱动扬声器，产生声音。方框图如下(2)所：

图(2)PWMD类音频功放组成框图图(3)系统总体框图与D类功放电路工作波形3.2单元路的设计3.2.1三波发生电路

图(4)

三角产电三角波发生电路如(4)所，三角波的作用是用来调制音频信号，对此有两方面的要求：其一，调制后的信号可以被完整地恢复。根yquist采样定理，三角波的频率至少是音频信号最高频率的两倍听到的声频围是20Hz~20kHz明角波的频率应在40kHz以上。为确保音频信号的采样本设计采用三角波的频率200kHz；其二，三角波要有稳定的频率和幅度，否则，调制后的脉宽会产生变形，从而降低音频输出的信噪比，音质变差，噪声增大在频的情况下，产频率度定的三角波对一般的波形发生器来说很难实现。在此，我们采用仪器生产SN74HC14N芯，该芯片为施密特触发器，其输入电压为2～6V。能将输入的正弦波变换成方波，然后E5532A片积分，以产生频率200KHZ幅值1的三角波。在仿真过程中，经测，输出波形频率可为.72V，图所。

图(5)

三角波3.2.2前置放大电

图(6)前置大路从音频发生器发出的电压信号设频前置放大电路的输入信号为。根题目需要，出电压应低于三角波的峰值电压15V。因此，R8选择500K的可调电阻，使放大倍数在0～500倍之间可调，满的400倍以上的放大倍数。前放仍采用仪器生产的NE5532A芯片，其作频率可达10MHZ，工作电压为3V～20V，其放大倍数大、功耗低围电路少。音频输入及输出均加上滤波电容，减少电路的失真度。求输入电阻大于10K,因R9选用22K的Ri=R9=22K输入电阻满足要求置放大输出波形如下7图（）

前置放大输出波形

3.2.3PWM比较音频信号经前置放大器放大后PWM方波。设计要求三角波信号的频率在00KHZ幅值10V左右与之相比较音频信号频20HZ～20KHZ可调。因此，比电路的工作频率应能达2，输入电压0V上。电路如下图8）所示：图（8）PWM比较电路本次设计选用的是仪器的LM393芯片，该芯片为双电压比较器集成电路，具有工作电压围宽电源双源均可工作耗电流小输入失调电压小共模输入电压围宽，输出与TTL,MOS,CMOS兼等特点入的三角波Vp-p为9.72V所以要求放大之后的音频信号的Vp-p不超过9.72V否会功放产生失真该电路供电为双源输为幅值的波信号，如图（图（9PWM输出波形

3.2.4方波放大电路图（10）

方波放大电路附加（同相与反相电路3.2.5H-及低通滤波电路

图（11）

功率放大与低通滤波电路本设计采用桥补对称输出电路，它VMOSFET的要导通电阻小，关速度快，开启电压围大（本次采12v供电），因出功率不是很大则可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管IRFD120和RFD9120VMOS对管的参数能够满上述要求，故采用之。实际电路如上图所示。互PWM开关驱动信号交替开启分别驱QN1,QP1,QN2,QP2.经两个阶滤波器滤波后推动喇叭工作。3.3单元路的功能以及工原分3.4发挥分的设计与实现3.5电原图4软件设计包括单片机和CPLD4.1程序总体流图4.2各个功能模流程图4.3程序清单(可列入附录5．统的组装

5.1板图可列入附录5.2整机结构图工艺说5.3面板图及可部件说6．统调试根据题目要求对各项指标进行测试，注意抓住采分点。在测试每项指标时，应给出该项指标的定义或意义(如灵敏度、信噪比的严格定义)。然后逐项测试。6.1电路的测试案(方法根据系统功能及指标拟定测试方案(方法)，通常以方框图的形式给出。6.2测试仪器选择适当的测试仪器，如：直流电压测试采用直流电压表(最好用多位数字表)；交流电压测试选择几十千赫以下用低毫伏表，几百千赫以上用高频毫伏表；频率测试采用频率计；．波形测试采用示波器。注明仪器名称、型号和测试精度。6.3测试结果根据要求分项测试，各项都要注明测试条件，如输入信号、输出信号、电源电压；测试仪器以及其它一些需要注明条件；然后对数据进行列表(有些情况要进行多次的测量，这时也要注明)；最后说明达到的技术指标，并和设计要求的技术指标进行比较，说明最终测试指标的精度。6.4发挥分的测试发挥部分的测试可作为单独一项，以突出重点，增加论文份量。7．统电路存在不足和进的方向(或称结论

参考文①康光华②康光华

电子技术基础模拟部分（第五版）华中科技大学电子技术课程组编电子技术基础数字部分（第五版）华中科技大学电子技术课程组编

高等教育2006.1高等教育2006.1③王正勇protelDXP实用教程（第一版）高等教育致本次课题得到了楠老师冷英师汤刚老师周震老师大量的指导以及各位同学的帮助，在此表示衷心的感！附录(电路图及有关设计文件附

录1

总

电

原

理

图

附

录2

印

制

电

路

板

图附三原清电容：4.7µF×20.1F（104）×9200pF）×1支4.7F×4支电感：支电阻：22kOhm×1支500kOhm×1支电位器）50kOhm×1支60kOhm×1支10kOhm×1支10kOhm×1支电位器）MOS管：IRFD9120×2支IRFD120×2支芯片：NE5532×3片SN74HC14N×1片SN74LS08J×1片SN74LS0