高效音频功率放大器的设计.doc

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1、III 高效音频功率放大器的设计摘要在音频功率放大器的市场上，AB类一直处于统治地位。近年来，随着MP3、DVD 和移动电话等便携式消费电子产品的普及，D类音频功率放大器以高效率、低功耗、小体积的优点日益成为音响领域的主流，在未来便携式和大功率音频视频领域中将具有广阔的发展前景，因此对高效音频功率放大器的设计具有十分重要的意义。本设计根据D类功放的工作原理设计的D类音频功率放大器，能对音频信号进行放大，放大器的通频带达到3003400HZ，输出功率1W，输出信号无明显失真。根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H 桥互补对称输出及低通滤波模块等。其中三

2、角波产生器及比较器共同组成脉宽调制（PWM）模块，H 桥互补对称输出电路采用驱动电流小、低导通电阻及良好开关特性的VMOSFET 管，滤波器采用两个相同的四阶 Butterworth 低通滤波器。经过仿真和测试都达到了设计的要求。关键词：高效，音频， D类功放，放大器Design of High-Efficient Audio Power AmplifierABSTRACT In the audio power amplifier market, AB has been the dominant class. In recent years, along with MP3, DVD and m

3、obile phones, the popularity of portable consumer electronic products, D audio power amplifier with high efficiency, low power, small size advantage of the field is increasingly becoming the mainstream audio, portable and high-power audio in the future Video area will have a bright future, Therefore

4、, efficient audio power amplifier design is of great significance. According to the working principle of class D amplifier, this product is designed and the audio signal can be amplified to the amplifiers pass band to 300 3400HZ, the output power 1W, the output signal without significant distortion.

5、 Class D amplifier according to the principle of preamp modules were designed, triangular wave generator module, comparison module, driver module, H bridge output and the complementary symmetric low-pass filter module. One triangular wave generator and pulse width modulation comparator common form (

6、PWM) module, H bridge output circuit using complementary symmetry drive current, low resistance and good switching characteristics of VMOSFET tube, filter uses two identical fourth-order Butterworth low-pass filter.KEY WORDS：High-Efficient, Audio, Class D amplifier,Amplifier目 录摘要IABSTRACTII目 录III1 绪

7、论11.1 音频功率放大器概述11.2 D类音频功率放大器的发展21.3 本论文的主要工作及主要内容32 音频功率放大器42.1 音频功率放大器的指标42.1.1 THD+N指标42.1.2 功率放大器的效率42.1.3 最大输出功率（POCM）42.1.4 脉冲宽度调制（PWM）52.1.6 转换速率62.2 功率放大器的分类62.2.1 A类放大器62.2.2 B类放大器72.2.3 AB类放大器82.2.3 D类放大器82.2.4 T类放大器93 D类功率放大器103.1 D类放大器原理103.2 D类放大器的系统分析113.3 综合比较124 D类音频功率放大器的设计134.1设计任务

8、与要求134.1.1 设计任务134.1.2 设计要求1342方案论证与比较134.2.1 脉宽调制器（PWM）134.2.2 高速开关电路144.3 各部分电路分析与计算154.3.1 脉宽调制器154.3.2前置放大器电路174.3.3 驱动电路174.3.4 H桥互补对称输出电路184.3.5 低通滤波器194.3.6 系统整体分析194.4模块仿真194.4.1 前置放大电路204.4.2 比较器电路214.4.3 H桥互补对称输出及低通滤波电路224.5 系统测试244.5.1 测试步骤244.5.2 测试工具244.5.3 三角波产生电路测试244.5.4 PWM脉宽调制模块的测试

9、254.5.5 调制与解调测试254.5.6 系统测试264.5.7 系统数据分析274.5.7 系统分析285 总结295.1 收获295.2 总结29致 谢30参考文献31附录系统原理图32附录 系统PCB图3329高效音频功率放大器的设计1 绪论1.1 音频功率放大器概述音频功率放大器是MP3播放器、笔记本电脑、手机以及便携式DVD等消费类电子产品中应用最广泛的组件之一，有很大的市场。传统音频功率放大器主要有A类(甲类)、B类(乙类)和AB类(甲乙类)。A类放大器主要特点是：放大器工作点Q设定在负载线中点附近,晶体管在输入信号整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器

10、工作在特性曲线线性范围内，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，功率理论最大值仅有25，且有较大非线性失真。由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。B类放大器主要特点是：放大器静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在输入信号正半周期内，三极管一个导通一个截止，输出端正半周正弦波；同理，当输入信号为负半波正弦波也是一样，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，两个三极管都无法导通而引起。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

11、AB类功率放大器能够提供高品质的信号放大性能，所以已经被广泛的应用，然而AB类功率放大器工作时，由于直接对模拟信号进行放大，工作期问必须处于线性放大区，因此其功率耗散较大，在大输出功率情况下，AB类放大器会对功率器件构成极大威胁。其特点是：1效率低，其输出功率不可能很大；2大功率输出时，通常需要散热器，因此系统体积较大。随着科技的进一步发展，更多、更新的便携式多媒体产品都要求其中的音响系统具有更小的外形设计和更大的电池容量，所以上述缺点都成为AB类功率放大器的致命弱点，限制了AB类音频功放的进一步发展。 近些年来，随着各领域数字化程度不断加深，D类音频功率放人器逐渐进入了人们 的视线，D类放大

12、器的工作方式小不同与于A类、B类和AB类，它采用切换电压方式的同时利用数字信号控制导通时间以放大信号，其输输出级的工作状态不是完全导通就是完全截至，因此输出器件的功耗非常小，使它的效率远比A类、B类和AB类要高的多，同时D类放大器的效率和输入信号的大小无关，不像AB类放大器只有在很高的输出功率时才能达到比较高的效率，在电源电压为额定值时，D类放大器的效率高达8090以上，其平均效率大约要比AB类放大器高23倍，也就是说，通常系统电池的寿命可以延23倍，同时在输出功率一样的情况下，D类音频功率放大器的表面温度会远远低AB类，因此使用时不需或只需要一个很小的散热器，这就大大减小了D类音频功率放大器

13、的体积。D类音频功放的特点：(1)节能，所需散热片小，这样可以节省空间，系统可以设计得较轻、较小，便于携带；(2)电源使用效率很高，可以延长系统电池的寿命。上述优点使得D类音频放大器和模拟音频放大器相比时具有很大的优势。随着目前市场上消费电子行业的快速发展以及音频功率放大器高效、节能和小型化的趋势，D类音频功率放大器开始逐渐取代AB类进入可携式产品、家庭AV设备、专业影音、汽车音响、平板电视、媒体播放器笔记本电脑和汽车音箱等多个领域，可以说，在未来的很长时间内，D类音频功率放大器将一直是研究的热点，设计出一款兼顾效率与保真度的D类音频功率放人器也会越来越成为众多研究机构和企业所关注的课题。1.

14、2 D类音频功率放大器的发展D类工作模式在1959年由Baxandall首先提出，即使用脉冲形式的信号来驱动高速的功率开关，该脉冲信号一般都是脉宽凋制(PWM)信号，它的低频部分包含了调制信号的信息，通过一个低通滤波器以后，可以将调制信号重现。从6 0年代起，人们就开始尝试研制D类放大器，最早是想用真空管来研制D类放大器，但由于受到真空管在电压降和电流能力方面的限制，降低了放大器的效率，限制了放大器的输出。在60年代后期，双极型晶体管取代了真空管，此时研制低频高效D类放大器的条件已经成熟，然而由于D类放大器需要在高频条件下工作，其工作频率至少为20KHz音频频率的45倍，因此在这样的高频下，使

15、用双极型晶体管会产生连续的开关损耗，这限制了D类放大器效率的提高。直到1970年金属氧化物半导体场效应管出现后，满足了D类放大器对高开关速度和低导通损耗的要求，实现了高性能的开关器件，这才开发出宽频带D类音频功率放大器，D类音频功率放大器从一经问世立即显示出其高效、节能、数 字化的显著特点，引起了电子工业界的广泛关注。由于现在设计技术的不断提高，D类音频功率放大器的性能得到了突飞猛进的改 善，在音质方面已经逐渐追上了AB类的性能，这使得其近年来在市场上有极快的发展， 根据专业调研公司的数据，2005年全球D类音频放人器销售总值己达2亿美元以上，2006 年增长至约35亿美元，而2008年市场需

16、求将会超过6亿美元，按照这样的增长速度， 预计到2010年将达到10亿左右的规模，发展前景十分乐观。目前D类音频功率放大器市场中的主流产品几乎都来自欧美的各大半导体设计公 司，如美国国家半导体(National)、德州仪器(TI)、美信(Maxim)和Tripath公 司，此外还有欧洲的意法半导体(ST)、欧胜(Wolfon Micro)和飞利浦(PHILIPS)等， 而包括台湾在内的中国半导体企业都极少有能够与他们竞争的产品。国际方面，首先介绍的是美国的Tripath公司，该公司拥有称为数码功率处理 (DPPTM)的专利技术，此技术采用多种信号处理技术，包括自适应预处理、噪声整形、 预失真处

17、理和一调制电路，进一步减小了失真和噪声，确保了音频高保真性能的同 时也完成了高效率的放大，Tripath公司将基于DPPTM原理设计的放大器称为T类放大器，该类放人器具有高保真、高效率、体积小、重量轻等特点，该类放大器在推动40hm 负载时功率可达90W，THD+N小于01，效率高达90。作为全球D类音频功率放大器行业的领先公司，TI于2005年5月推出较为先进的20W单声道高功率数字输入D类音频放大器TPA3200D1，该芯片突破传统的模拟输 入，向全数字化功放更进一步，该芯片在18V电源电压下推动80hm负载时功率可达20W，THD+N小于01，效率高达85以上。 另外，NS，ST，PHI

18、LIPS，YAMAHA等公司也纷纷推出自主设计的D类音频功率放大器，如NS的l。M系列，ST的sTA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等等。国内方面，1998年11月，成都天奥公司发布了具有自主知识产权的D类音频功率 放大器，并于2000年研制出6通道专用芯片DPPC2006，其转换效率达到了90以上， 目前，该公司数字音频功放IC已广泛应用于DVD、汽车音响、家庭影院和背投电视等领域。2005年12月，成都华微数字音频功放芯片丌发与模块制造项目己成功通过国 家电子信息发展基金办公室验收，并得到高度评价。同时诸多公司也己开始或者有计划向D类音频功放芯片化方向投入大量人力

19、与物力，种种迹象表明，近几年，国内公司在 D类音频功率放大器开发方面将作出突破。因此，对D类音频功率放大器的相关技术进行研究具有非常重要的意义。1.3 本论文的主要工作及主要内容本论文的目标就是设计一款便携式电子产品中的高效率、高保真度、 小体积的D类音频功率放大器。在论文工作期间，作者查阅了大量有关D类音频功率放大器方面的资料，较系统地 研究了D类音频功率放大器的结构和性能，设计了一款工作于5V电源电压的D类音频功率放大器，并完成了D类音频功率放大器的版图设计。本文采用PWM调制技术来实现D类音频功率放大器，主要研究工作有： (1)研究了基于PWM调制技术的D类音频功率放大器的系统结构；(2

20、)各个模块的电路设计；(3)原理图设计与系统仿真；(4)系统调试；(5)PCB图的设计。本文的主要内容为： 第一章为引言，指出了本论文的研究意义。 第二章介绍了音频功率放大器的分类，分析了各自工作原理，比较了各自的优缺点。 第三章介绍了所设计D类音频功率放大器的系统结构的分析。 第四章讨论了所设计各个模块的具体电路实现、仿真结果及系统测试结果。 第五章对相关工作的总结和对自己以后工作的要求。2 音频功率放大器2.1 音频功率放大器的指标2.1.1 THD+N指标THD+N是英文Total Hormonic Distortion +Noise 的缩写，译成中文是“总谐波失真加噪声”。它是音频功率

21、放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定输出功率的一个条件。总谐波失真THD（Total Harmonic Distortion）是指用信号源输入时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分（通常用%来表示）。噪声发生是一个随机过程，它的大小在任何时候都不能被预测。但在很多情况下，噪声的平均功率还是可以被预测的。我们通常需要把几个主要噪声源的影响相加来获得总噪声，得到我们关注的平均噪声功率。这里特别要指出的是THD+N这个指标是在Fin=1kHz下给出的，在实际上音频范围是20Hz20kHz，则在20Hz20kHz范围测试时，其THD+N要大得多。例如，某音频功率放大

22、器在1kHz时测试，其TDH+N=0.08%。若FIN改成20Hz-20kHz,，其他条件不变，其THD+N变为小于0.5%。对于音频功率放大器来说，THD+N指标越小越好29。2.1.2 功率放大器的效率功串放大的实质是通过晶体管的控制作用，把电源提供给放大器的直流功率转换成负载上的交流功率。交流输出功串和直流电源功率息息相关。一个功率放大器的直流电源提供的功率究竟能有多少转换成交流输出功率呢？我们当然希望功率放大器最好能把直流功率（PE= EcIc）百分之百转换成交流输出功率（PscUscisc）实际上却是不可能的1-5。因为晶体管自身要有一定的功率消耗，各种电路元件（电阻、变压器等）要消

23、耗一定的功率，这就有个效率问题了。放大器的效率指输出功率Psc与电源供给的直流动率PE之比： =Psc/PE （2-1）通常用百分比表示： =Psc/PE100% （2-2）效率越高，表示功率放大器的性能越好。 2.1.3 最大输出功率（POCM）输出功率反映音频功率放大器的负载能力，通常音频放大器厂家会提供产品的在一定工作电压和额定负载下的最大输出功率。芯片的效率在不同的条件下肯定也不相同1-5。2.1.4 脉冲宽度调制（PWM） 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技

24、术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 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。图2-1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。 2-1 PWM原理与波形图通过图2-1的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻t k时的语音信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际

25、中tk-kTsTs的情况，均匀采样和非均匀采样差异非常小。如果假定采样为均匀采样，第k个矩形脉冲可以表示为： （2-3）其中，xt是离散化的语音信号；Ts是采样周期；是未调制宽度；m是调制指数。 然而，如果对矩形脉冲作如下近似：脉冲幅度为A，中心在t = k Ts处，在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波xp(t)可以表示为： （2-4）其中， 。无需作频谱分析，由式（2-4）可以看出脉冲宽度信号由语音信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当10K，电压放大倍数120连续可调。 （d）低频噪声电压（20kHz以下）10mV，在电压放大倍数为10、输入端对地交流短路时测量。 （e）在输

26、出功率500mW时测量功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）50。（2）设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路，将功率放大器双端输出信号转换为单端输出，经RC滤波供外接测试仪表用，如图4-1所示：4-1系统组成框图42方案论证与比较4.2.1 脉宽调制器（PWM）方案一：可选用专用脉宽调制集成块，但通常有电源电压限制。方案二：采用三角波产生器及比较器等集成芯片设计脉宽调制器，这样各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。相比之下，选择本方案。4.2.2 高速开关电路（1）输出方式方案一：选用推挽单端输出方式（电路如图4-2所示）。电路输出载波峰-峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率远达不到

27、设计的要求7。 图4-2 高速开关电路 方案二：选用H桥输出方式,此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波峰-峰值可达10V，有效地提高了输出功率，且能达到设计的要求，故选用此方案。其电路如图4-3所示：图4-3 高速开关电路（2）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，对它的要求是高速，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，并存在存储时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大；IGBT管的最大缺陷是导通压降太大，不利于提高效率。方案二：选用VMMOSFET管，VMOSFET管具有较小的驱动电流、

28、低导通电阻及良好的开关特性，符合设计的要求，有利于提高效率，故选用VMOSFET管。（3）滤波器选择方案一：采用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器。缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。方案二：采用两个相同的四阶Butterworth低通滤波器，保证20KHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减，有利于提高功放的音质，故选用此方案。4.3 各部分电路分析与计算4.3.1 脉宽调制器（1）三角波产生电路。 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。根据Nyquist采样定理，三角波的频率至少是音频信号最高频率的两倍，人类听

29、到的声频范围是20 Hz20kHz，说明三角波的频率应在40 kHz以上，为确保音频信号的采样，可取三角波的频率为150 kHz。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。该电路我们采用满幅运放 TLC4502 及高速精密电压比较器LM311来实现，电路图如图4-4所示。TLC4502 不仅具有较宽的频带，而且可以在较低的电压下满幅输出，保证能产生线性良好的三角波8。图4-4 三角波产生电路 载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路的实现，选择 150 kHz 的载波，使用四阶 Bultterworth LC 滤波器，输出

30、端对载频的衰减大于 60dB，满足设计的要求，所以我们选用载波频率为150 kHz。电路参数的计算：在 5V单电源供电下，我们将运放 5 脚和比较器3 脚的电位用R8调整为 2.5 V，同时设定输出的对称三角波幅度为 1 V(Vp-p2V)。若选定R10为 100 k，并忽略比较器高电平时R11上的压降，则R9的求解过程如下： （4-1）所以取为39K。选定工作频率为f=150kHz，并设定，则电容的计算过程如下：对电容的恒流充电或放电电流为： （4-2）则电容两端的最大电压值为： （4-3）其中为半周期，=。的最大值为2V，则 （4-4） （4-5）取=220Pf，取=10k，取为20K的可

31、变电位器。使电路的震荡频率f在150KHZ左右可调。通过使产生的三角波，在以2.5V上下1V震荡。（2）比较器电路 选用LM311精密，高速比较器，电路如图4-5所示，因供电为5V单电源，为给V+=V-提供2.5V 的静态电位，取R12=R15，R13=R14，4个电阻均取 10 k。由于三角波Vp-p=2V，所以要求音频信号的Vp-p不能大于2V否则会使功放产生失真。图4-5 比较器电路4.3.2前置放大器电路 如图4-6所示。设置前置放大器，可使整个功放的增益从120连续可调，而且也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8上的电压Vp-p=8V，此时送给比较器音频信号的Vp-p值应为2V，则功放的最大增益约为4（实际上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于 4）7。因此必须对输入图4-6 前置放大电路的音频信号进行前置放大，其增益应大于 5。前放仍采用宽频带、低漂移、满幅运放TLC4502，组成增益可调的同相宽带放大器。