【正文】 常州 機(jī)電 職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 作 者： 莫茂濤 學(xué) 號(hào)： 05307081 楊 舟 學(xué) 號(hào)： 05305238 張學(xué)斌 學(xué) 號(hào)： 05306088 系 部： 電氣工程系 專 業(yè)： 應(yīng)用電子技術(shù) 題 目： D 類音頻功率放大器的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 朱 老師 評(píng)閱者： 2021 年 5 月 2 摘要 數(shù)字功率放大器具有模擬功率放大器不可比擬的優(yōu)勢(shì)，代表著音響技術(shù)數(shù)字化的新臺(tái)階。本系統(tǒng)以高效率 D 類功率放大器為核心，輸出開關(guān)管采用高速VMOSFET 管，連接成互補(bǔ)對(duì)稱 H橋式結(jié)構(gòu)，最大不失真輸出功率大于 1W，平均效率可達(dá)到 70％左右。 D 類放大器包括脈寬調(diào)制器和輸出級(jí)。 本文首先介紹了聲音的基本特性、音響放大器的技術(shù)指標(biāo)、放大器分類和 D類放大器的工作原理，接著進(jìn)行了 D 類功放的仿真分析，包括 PWM 波的形成、頻譜分析等等；然后根據(jù) D類功放的設(shè)計(jì)要素，設(shè)計(jì)了基 于 MAXIM 公司的 10W 立體聲 /15W 單聲道集成芯片 MAX9703/MAX9704 的 D 類放大器，并對(duì) D 類功放的發(fā)展與技術(shù)展望進(jìn)行了描述。 在本文里，對(duì)放大器的各個(gè)模塊包括放大電路、比較器電路、三角波產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，且達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的指標(biāo)。 關(guān)鍵詞 : D類放大器 脈寬調(diào)制 高速開關(guān)電路 低通濾波 3 目錄 1 引 言 ............................................................. 5 2 音響的基礎(chǔ)知識(shí) .................................................... 7 聲音的基本特性 .................................................. 7 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù) ................................................ 7 放大器的技術(shù)指標(biāo) ................................................ 7 3 放大器的簡(jiǎn)介 ...................................................... 9 4 D 類功放的原理及仿真 ............................................. 13 D 類功放的工作原理 ............................................. 13 D 類功放的 EDA 仿真 ............................................. 15 EDA 仿真概述 ................................................. 15 D 放大器原理仿真概述 ......................................... 16 輸入信號(hào)抽樣―― PWM 波的形成仿真 ............................. 17 輸出信號(hào) PWM 波的頻譜仿真分析 ................................. 17 D 類功放的優(yōu)點(diǎn) ................................................. 18 5 D 類功放的硬件設(shè)計(jì) ............................................... 19 D 類功放的設(shè)計(jì)原理 ............................................. 19 D 類功放的設(shè)計(jì)要素 ............................................. 22 輸出晶體管尺寸選擇 ........................................... 22 輸出 級(jí)保護(hù) ................................................... 22 音質(zhì)處理 ..................................................... 23 EMI 處理 ..................................................... 25 LC 濾波器設(shè)計(jì) ................................................ 26 系統(tǒng)成本 ..................................................... 27 散熱注意事項(xiàng) ................................................. 27 D 類功放電路分析與計(jì)算 ......................................... 31 脈寬調(diào)制器（ PWM） ............................................ 31 前置放大器 ................................................... 33 驅(qū)動(dòng)電路 ..................................................... 34 高速開關(guān)電路 ................................................ 35 低通濾波 ..................................................... 40 6 MAX9703/MAX9704 單聲道 /立體聲 D 類音頻功率放大器 .................. 44 概述 ........................................................... 44 MAX9703/MAX9704 詳細(xì)說明 ....................................... 44 4 工作效率 ..................................................... 44 應(yīng)用信息 ..................................................... 45 7 D 類功放的發(fā)展與技術(shù)展望 ......................................... 47 D 類功放的不足 ................................................. 47 D 類功放的最新發(fā)展 —— T類功率放大器 ............................ 47 結(jié)論 ............................................................... 48 致謝 ............................................................... 49 參考文獻(xiàn) ........................................................... 50 5 1 引 言 音響技術(shù)發(fā)展到今天，音響設(shè)備中大部分已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，如作為音源的CD、 DAT、 MD、 DVD 等，數(shù)字調(diào)音臺(tái)以及數(shù)字效果器、壓限器、激勵(lì)器等周邊設(shè)備也被一些專業(yè)場(chǎng)所使用。而作為音響系統(tǒng)最后環(huán)節(jié)的功率放大器和揚(yáng)聲器卻長(zhǎng)期在數(shù)字化的大門外徘徊。人們對(duì)音響重放高保真度的追求是永無(wú)止境的，而模擬功率放大器經(jīng)過了幾十年發(fā)展，在技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以說已難于有新的突破。隨著生活水平的提高，環(huán)保與能量的利用率也漸漸成為人們所關(guān)注的問題，正因?yàn)檫@樣，人們?cè)僖淮伟涯抗馔断驍?shù)字功放。 其實(shí) 早在 20世紀(jì) 60年代末期就有人著手?jǐn)?shù)字放大器的研究，為什么在這數(shù)十年以來的音響發(fā)展歷程，一直不見其產(chǎn)品面市？究其原因，是在數(shù)字音頻放大器的設(shè)計(jì)與制作過程中，最大的難題就是高速轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。因?yàn)槠湫枰獦O高的精確度，但在如何解決脈沖調(diào)制放大在工作時(shí)提供持續(xù)穩(wěn)定的線性響應(yīng)，以及如何避免產(chǎn)生輻射脈沖干擾等方面難以取得突破，故一直使脈沖調(diào)制型放大器在音響應(yīng)用領(lǐng)域停滯不前，舉步維艱。如今，隨著脈沖調(diào)制放大電路的技術(shù)瓶頸被逐漸解決，數(shù)字放大器的優(yōu)點(diǎn)日漸突顯，新品不斷推出，也越來越受到人們的關(guān)注了。 低失真，大功率，高效率 是對(duì)功率放大器提出的普遍要求。模擬功率放大器通過采用優(yōu)質(zhì)元件，復(fù)雜的補(bǔ)償電路，深負(fù)反饋，使失真變得很小，但大功率和高效率一直沒有很好的解決。工作在開關(guān)狀態(tài)下的 D類功率放大器卻很容易實(shí)現(xiàn)，大功率，高效率，低失真。 傳統(tǒng)的音頻功放工作時(shí)，直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，工作期間必須工作于線性放大區(qū)，功率耗散較大，雖然采用推挽輸出，減小了功率器件的承受功率，但在較大功率情況下，仍然對(duì)功率器件構(gòu)成極大威脅。功率輸出受到限制。此外，模擬功率放大器還存在以下的缺點(diǎn) : ，成本高。常常需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的補(bǔ)償電路和過流，過壓 ，過熱等保護(hù)電路，體積較大，電路復(fù)雜。 ，輸出功率不可能做的很大。 6 D類開關(guān)音頻功率放大器的工作基于 PWM模式 :將音頻信號(hào)與采樣頻率比較，經(jīng)自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號(hào)幅度成正比例變化的 PWM波，然后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路，加到功率 MOS 的柵極，控制功率器件的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)放大，將放大的 PWM送入濾波器，則還原為音頻信號(hào)。 D類功率放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，理論效率可達(dá) 100%，實(shí)際的運(yùn)用也可達(dá)80%以上。功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱器的尺寸，連續(xù)輸出功率很容易達(dá)到數(shù)百瓦。功率 MOS 有自保 護(hù)電路，可以大大簡(jiǎn)化保護(hù)電路，而且不會(huì)引入非線性失真。 對(duì)于高電感的揚(yáng)聲器，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，是可以省去低通濾波器〔 LPF)，這樣可以大大的節(jié)省體積和花費(fèi)。而且有更高的保真度，這一點(diǎn)，在國(guó)外的 SVD 類功率放大器中已經(jīng)開始運(yùn)用，如 :TEXAS 公司的 TPA2021D2。 近年來，國(guó)外的公司對(duì) D類功率放大器進(jìn)行了研究和開發(fā)，提出了一些方案，但是尚存在了較大的難度，由于采用 PWM 方式，為了提高音質(zhì)，降低失真，必須提高調(diào)制頻率，但是在較高頻率下，會(huì)產(chǎn)生一定的問題，同時(shí)， D 類功率放大器對(duì)器件的要求較高，不利于降低成本。 7 2 音響的基礎(chǔ)知識(shí) 聲音的基本特性 音量 :它與聲波的物理量“振幅”有關(guān)，聲波的振幅大，人耳就感覺聲音響，音量大，反之，則聲音輕，音量小，音量的大小是人耳聽音的主觀感覺。 音調(diào) :是人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀感覺，聲調(diào)的高低與聲音的物理量“頻率”對(duì)應(yīng)人耳的聽覺范圍 :20hz～ 20KHz 稱之為可聽聲，低于 20Hz 稱為次聲，高于 20KHz 稱為超聲，人耳對(duì) 3K～ 4K的聲音最敏感。 音色 :又叫音品或音質(zhì)，它是由聲音的波形決定的，電子管功放的偶次諧波多，奇次諧波少，聲音柔美，甜潤(rùn)，晶體管功放奇次諧波多，聲音冷艷，清 麗。 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù) 前置放大器和功率放大器，前置放大器承擔(dān)控制任務(wù)為主，對(duì)各種節(jié)目源信號(hào)進(jìn)行選擇和處理，對(duì)微弱信號(hào)放大到 ，進(jìn)行各種音質(zhì)控制，以美化音色。功率放大器，承擔(dān)放大任務(wù)，是將前置放大器輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。有電壓放大，電流放大，要求是宏亮而不失真。 放大器的技術(shù)指標(biāo) : 音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值 (r1%)的最大功率稱為額定功率，表達(dá)式； P0 = U0 2 /RL , U0 為負(fù)載兩端的最大不失真電壓， RL 為額定負(fù)載阻抗。 測(cè)量條件如下 :信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為 1KH，電壓 Ui =20mV 正弦信號(hào)。功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻凡 (代替揚(yáng)聲器 )，輸入端接 Ui ，逐漸增大輸入電壓 Ui ，直到 U0 的波形剛好不出現(xiàn)諧波失真 (r1%)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓。測(cè)量后應(yīng)迅速減小 Ui ，以免損壞功率放大器。 放大器的電壓增益相對(duì)于中音頻 f0 (1KHz)的電壓增益下降 3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的低音音頻 fL 和高音音頻 fH 稱為放大器的頻率響應(yīng)。 8 測(cè)量條件如下 :調(diào)節(jié)音量控制器使輸出電壓約為最大輸出電壓的 50%輸入端接音調(diào)控制器，使信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率 fI 從 20Hz20KHz(保持 Ui =20mV 不變 )測(cè)出負(fù)載電阻上對(duì)應(yīng)的輸出電壓 U0 。 使音響放大器輸出額定功率時(shí)所需的輸入電壓 (有效值 )稱為靈敏度。 使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載凡上的電壓稱為噪聲電壓 U0 。 測(cè)量 :使輸入端對(duì)地短路，音量電位器為最大值，用示波器觀察輸出負(fù)載 RL的電壓波形，用交流電壓表測(cè)量其有效值。 9 3 放大器的簡(jiǎn)介 功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類。即