【文章內(nèi)容簡介】 庭影院也逐漸開始興起。在這些設(shè)備中，往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率。這時，低失真、高效率的音頻放大器就成為其中的關(guān)鍵部件。 本文 主要任務(wù)和內(nèi)容 本文主要是論述一種 D 類高效音頻功率 放大器的設(shè)計， 本論文的目標(biāo)就是設(shè)計一款便攜式電子產(chǎn)品中的高效率、高保真度、 小體積的 D 類音頻功率放大器。在論文工作期間，作者查閱了大量有關(guān)D 類音頻功率放大器方面的資料，較系統(tǒng)地 研究 了 D 類音頻功率放大器的結(jié)構(gòu)和性能，設(shè)計了一款工作于 5V電源電壓的 D 類音頻功率放大器，并完成了 D 類音頻功率放大器的版圖設(shè)計。本文采用 PWM調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn) D 類音頻功率放大器，主要研究工作有： (1)研究了基于 PWM 調(diào)制技術(shù)的 D 類音頻功率放大器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； (2)各個模塊的電路設(shè)計； (3)原理圖設(shè)計與系統(tǒng)仿真； (4)系統(tǒng)調(diào)試； (5)PCB 圖高效音頻功率放大器設(shè)計 6 的設(shè)計。 本文的主要內(nèi)容為： 第一章為引言，指出了本論文的研究意義。 第二章介紹了音頻功率放大器的分類，分析了各自工作原理，比較了各自的優(yōu)缺點。 第三章介紹了所設(shè)計 D 類音頻 功率放大器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析。 第四章討論了所設(shè)計各個模塊的具體電路實現(xiàn)、仿真結(jié)果及系統(tǒng)測試結(jié)果。 高效音頻功率放大器設(shè)計 7 2 音頻功率放大器 音頻功率放大器的指標(biāo) 1. THD+N 指標(biāo) THD+N 是英文 Total Hormonic Distortion +Noise 的縮寫，譯成中文是“總諧波失真加噪聲”。它是音頻功率放大器的一個主要性能指標(biāo)，也是音頻功率放大器的額定輸出功率的一個條件。總諧波失真THD（ Total Harmonic Distortion）是指用信號源輸入時，輸出信號（諧波及其倍頻成分）比輸入信號多 出的額外諧波成分（通常用 %來表示）。噪聲發(fā)生是一個隨機過程，它的大小在任何時候都不能被預(yù)測。但在很多情況下，噪聲的平均功率還是可以被預(yù)測的。我們通常需要把幾個主要噪聲源的影響相加來獲得總噪聲，得到我們關(guān)注的平均噪聲功率。這里特別要指出的是 THD+N 這個指標(biāo)是在 Fin=1kHz下給出的，在實際上音頻范圍是 20Hz～ 20kHz，則在 20Hz～ 20kHz范圍測試時，其 THD+N 要大得多。例如，某音頻功率放大器在1kHz 時測試，其 TDH+N=%。若 FIN 改成 20Hz20kHz,，其他條件不變，其 THD+N 變?yōu)樾∮?%。對于音頻功率放大器來說，THD+N 指標(biāo)越小越好 2. 功率放大器的效率η 指標(biāo) 功串放大的實質(zhì)是通過晶體管的控制作用，把電源提供給放大器的直流功率轉(zhuǎn)換成負(fù)載上的交流功率。交流輸出功串和直流電源功率息息相關(guān)。一個功率放大器的直流電源提供的功率究竟能有多少轉(zhuǎn)換成交流輸出功率呢？我們當(dāng)然希望功率放大器最好能把直流功率（ PE= EcIc）百分之百轉(zhuǎn)換成交流輸出功率（ Psc＝ Uscisc）實際上卻是不可能的。因為晶體管自身要有一定的功率消耗，各種電路元件（電阻、變壓器等）要消耗一定的功率，這就有個效率 問題了。放大器的效率η指輸出功率 Psc 與電源供給的直流動率 PE 之比： 高效音頻功率放大器設(shè)計 8 η =Psc/PE （ 21） 通常用百分比表示： η =Psc/PE 100% （ 22） 效率越高，表示功率放大器的性能越好 。 3. 最大輸出功率 指標(biāo) 輸出功率反映音頻功率放大器的負(fù)載能力，通常音頻放大器廠家會提供產(chǎn)品的在一定工作電壓和額定負(fù)載下的最大輸出功率。芯片的效率在不同的條件下肯定也不相同 。 4. 脈沖寬度調(diào)制 用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。圖 21所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為 Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數(shù) A，否則輸出0。因此，從圖中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。 通過圖 21的分析可以看出，生成的矩形脈沖的寬度取決于脈沖下降沿時刻 t k 時的語音信號幅度值。因而，采樣值之間的時間間隔是非均勻的。在系統(tǒng)的輸入端插入一個采樣保持電路可以得到均勻的采樣信號，但是對于實際中 tkkTsTs 的情況，均勻采樣和非均勻采樣差異非常小。如果假定采樣為均勻采樣，第 k個矩形脈沖可以表示為： PWM 原理與波形圖 高效音頻功率放大器設(shè)計 9 )1(0 sk mxkT???? （ 23） 其中， x{t}是離散化的語音信號； Ts是采樣周期； 0? 是未調(diào)制寬度； m是調(diào)制指數(shù)。 然而，如果對矩形脈沖作如下近似：脈沖幅度為 A，中心在 t = k Ts處， k? 在相鄰脈沖間變化緩慢，則脈沖寬度調(diào)制波 xp(t) 可 以 表 示為： ? ? ttnnAtmxTAtx snp ???? c os)(s i n2)(1)( 10 0 ?????? （ 24） 其中， ? ?)(1)( 0 tmxTt k ?? ??? 。無需作頻譜分析，由式（ 24）可以看出脈沖寬度信號由語音信號 x(t)加上一個直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng) 0? ST 時，相位調(diào)制部分引起的信號交迭可以忽略，因此，脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過低通濾波器進行解調(diào)。 PWM控制技術(shù)以其控制簡單 ,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式 ,也是人們研究的熱點 .由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限 ,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或 實現(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為 PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 功率放大器的分類 根據(jù)不同的需要出現(xiàn)了各種類型的功率放大器，分為線性功率放大器和數(shù)字功率放大器（ D 類功率放大器和 T 類功率放大器），線性功率放大器按導(dǎo)通角又分為 A 類、 B 類、 AB 類功率放大器 。下面簡單介紹幾種功率放大器 。 1. D 類功率放大器 D 類 (數(shù)字音頻功率 )放大器是一種將輸入模擬音頻信號或 PCM數(shù)字信息變換成 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )或 PDM(脈沖密度調(diào)制 )的脈沖信號 ,然后用 PWM 或 PDM 的脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通 /斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點 .數(shù)字高效音頻功率放大器設(shè)計 10 音頻功率放大器也看上去成是一個一比特的功率數(shù)模變換器 .放大器由輸入信號處理電路、開關(guān)信號形成電路、大功率開關(guān)電路 (半橋式和全橋式 )和低通濾波器 (LC)等四部分組成 .D 類放大或數(shù)字式放大器。系利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號的。 （ 1） 具有很高的效率，通常能 夠達(dá)到 85%以上。 （ 2） 體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。 （ 3） 無裂噪聲接通。 （ 4） 低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少，便于設(shè)計調(diào)試。 D 類放大器的原理，在三、四章節(jié)在詳細(xì)敘述，它的主要特點是高效率高效率、低功耗、小體積；缺點是信號失真度相對較大，但是隨著 D 類放大器的發(fā)展，必定會有所改善。 類功率放大器 T 類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制 D 類功率放大器相同，功率晶體管也是工作在開關(guān)狀態(tài)，效率和 D 類功率放大器相當(dāng)。但它和普通 D 類功率放大器不同的是：（ 1）它不是使用脈沖 調(diào)寬的方法， Tripath 公司發(fā)明了一種稱作數(shù)碼功率放大器處理器“ Digital Power Processing （ DPP）”的數(shù)字功率技術(shù)，它是 T 類功率放大器的核心。它把通信技術(shù)中處理小信號的適應(yīng)算法及預(yù)測算法用到這里。輸入的音頻信號和進入揚聲器的電流經(jīng)過 DPP 數(shù)字處理后，用于控制功率晶體管的導(dǎo)通關(guān)閉。從而使音質(zhì)達(dá)到高保真線性放大。（ 2）它的功率晶體管的切換頻率不是固定的，無用分量的功率譜并不是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在很寬的頻帶上。使聲音的細(xì)節(jié)在整個頻帶上都清晰可“聞”。（ 3）此外， T 類功 率放大器的動態(tài)范圍更寬，頻率響應(yīng)平坦。 DDP 的出現(xiàn)，把數(shù)字時代的功率放大器推到一個新的高度。在高保真方面，線性度與傳統(tǒng) AB類功放相比有過之而無不及。 類 功率放大器的原理分析 D 類放大器是一種完全不同的放大器，它并不只是放大器工作點的選擇，因此也稱之為“數(shù)字音頻放大器”。因為有一種 D類放大器可以接收數(shù)字輸入而省去 D/A 變換。 D 類放大器所采用的技術(shù)其實就高效音頻功率放大器設(shè)計 11 是脈寬調(diào)制技術(shù)（ PWM）。所謂脈寬調(diào)制技術(shù)也就是把模擬音頻信號的幅度來調(diào)制一系列矩形脈沖的寬度。如圖 31 所示，一個模擬音頻信號就與三角波（或鋸齒波）通 過比較器，就形成一系列寬度受到調(diào)制的等幅脈沖信號。只要對這系列的脈沖信號放大就可以了。而原來的模擬信號就被調(diào)制為寬度不同的等幅信 號。這個信號經(jīng)過開關(guān)輸出電路放大，將被放大的脈寬調(diào)制信號中所包含的低頻分量濾出來就可以得到放大以后的音頻信號。其工作波形圖如圖 所示。 如上圖 所示為脈寬調(diào)制 D類功放的原理框圖，三角波產(chǎn)生器產(chǎn)生的三角波 V1 與音頻輸入信號通過比較器比較產(chǎn)生數(shù)字信號 V2，V2經(jīng)開關(guān)功率放大后經(jīng)過濾波后輸出 V0。 圖 D 類放大器的工作波形示意圖 圖 類功放的工作原理框圖 高效音頻功率放大器設(shè)計 12 3 音頻放大器的電路設(shè)計 硬件 開發(fā)平臺介紹 在本次畢業(yè)設(shè)計中，筆者的硬件開發(fā)環(huán)境是 AD14，即 Altium Designer 14 硬件開發(fā)環(huán)境。 AD14 是 Altium Desig