【導(dǎo)讀】題將主要設(shè)計一款高保真數(shù)字功率放大器。由于D類音頻功率放大器與傳統(tǒng)的模擬功放相比，具有體積小，效率高，低失真，大功率的特點(diǎn)所以具有廣闊的發(fā)展前景。調(diào)制電路、驅(qū)動電路、功率輸出電路、濾波電路四部分構(gòu)成。在本文里，對放大。制電路、接口電路等）進(jìn)行了設(shè)計。測試，并完成了數(shù)字音頻功放的仿真測試工作。

　　

【正文】 9 1 2 0Q1I R F D 9 1 2 0L12 2 u HL24 7 u HC11 u FC20 .6 8 u HS P E A K E RININV C C 2 4 VC30 .6 8 u HC41 u HL44 7 u HL32 2 u H 圖 H 橋互補(bǔ)對稱輸出及低通濾波電路 功率橋的設(shè)計依賴于放大器的期望輸出功率。例如，目前市面上已經(jīng)有帶耳機(jī)驅(qū)動器的 D類放大器 IC，以及帶揚(yáng)聲器驅(qū)動器的 D類放大器 IC，輸出級設(shè)計是這些配置的主要差別之一。為驅(qū)動揚(yáng)聲器而設(shè)計的放大器可以提供從低于 1瓦到高達(dá)數(shù)瓦的輸出功率，且無需散熱器。利用這些 IC，可以為從便攜式媒體播放器 (PMP) 到游戲控制臺和一些 LCD TV等許多消費(fèi)電子應(yīng)用提供單芯片解決方案。對于上述大部分應(yīng)用 (特別是手持產(chǎn)品 )來說，單芯片方案是不可缺的。 但為 獲得非常高的輸出功率，可以把 D 類調(diào)制器 IC 與采用快速開關(guān)型功率 MOSFET 的外部輸出級相結(jié)合。它們可以采用分立元件，也可以集成在一個單獨(dú)的 IC 中。調(diào)制器必須提供一個相配的前置驅(qū)動器，而輸出級 MOSFET 必須針對數(shù)字音頻操作而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計。功率 MOSFET 的導(dǎo)通電阻會發(fā)熱并降低功率效率，因此該電阻應(yīng)盡可能小。為盡量減少用來驅(qū)動 MOSFET 的電平轉(zhuǎn)換器中的功率消耗和發(fā)熱，還應(yīng)減小 MOSFET 門電容。出于同樣的考慮，減小電平轉(zhuǎn)換器的輸入電容也很重要。門電容高也將導(dǎo)致 RC 延遲，最終降低晶體管的開關(guān)速度。 一個不太 明顯的潛在問題是晶體管之間開關(guān)特性的匹配。例如，如果一個NMOS 器件的導(dǎo)通速度比其對應(yīng) PMOS 器件的關(guān)斷速度快得多，那么兩個器件的導(dǎo)通時間可能會在信號邊緣出現(xiàn)一小段重疊。當(dāng)兩個器件同時導(dǎo)通時，電源本質(zhì)上是短路的，導(dǎo)致功率效率降低，熱耗散增加，并且有可能使電源電壓驟降而造成音頻信號失真。為保持信號完整性，輸出級 (功率 MOSFET 和電平轉(zhuǎn)換器 )的開關(guān)延遲應(yīng)該小于最小 PWM 脈沖寬度。 有一些廠商提供可直接連接到 D 類調(diào)制器 IC 輸出端的集成式輸出級。這些通常每個通道包含 4 個匹配的功率 MOSFET 的輸出級也能完成 PWM 信號的電平變換：將放大器輸出端的 電壓 轉(zhuǎn)換成能夠控制功率器件的更高電壓。 機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 21 LC 濾波器設(shè)計 為了節(jié)省成本和 PCB面積，大多數(shù) D類放大器的 LC濾波器采用二階低通設(shè)計。圖 四 階 LC濾波器。揚(yáng)聲器用于減弱電路的固有諧振。 盡管揚(yáng)聲器阻抗有時近似于簡單的電阻，但實(shí)際阻抗比較復(fù)雜并且可能包括顯著的無功分量。要獲得最佳濾波器設(shè)計效果，設(shè)計工程師應(yīng)當(dāng)總是爭取使用精確的揚(yáng)聲器模型。 常見的濾波器設(shè)計選擇目的是為了在所需要的最高音頻頻率條件下將濾波器響應(yīng)下降減至最小以獲得最低帶寬。如果對于高達(dá) 20 kHz頻率，要求下降小于1 dB，則要求典型的濾波器具有 40 kHz巴特沃斯（ Butterworth）響應(yīng)（以達(dá)到最大平坦通帶）。對于常見的揚(yáng)聲器阻抗以及標(biāo)準(zhǔn)的 L值和 C值，下表給出了標(biāo)稱元器件值及其相應(yīng)的近似 巴特沃斯 (Butterworth)響應(yīng)： 表 電感 L（μ H） 電容 C（μ F） 揚(yáng)聲器電阻（ Ω ） 帶寬 3dB（ kHz） 10 4 50 15 1 6 41 22 8 41 如果設(shè)計不包括揚(yáng)聲器反饋，揚(yáng)聲器 THD會對 LC濾波器元器件的線性度敏感。 D類音頻放大器 中 LC濾波器的截止頻率 fc。截止頻率應(yīng)高于音頻帶寬，此外由于濾波器的功能是將 PWM信號復(fù)原為原始信號，因此 fc需要根據(jù)放大器的開關(guān)頻率而定，放大器的開關(guān)頻率應(yīng)等于三角波的頻率 (fT)。因此 fc和 fT是相關(guān)的，兩者均對輸出的總諧波產(chǎn)生影響。 對于輸入信號，最低的諧波頻率在 fT至 2fs之間。 fs為 20kHz時，為將失真降至最低，需要 fT – 2fS fS，因此理想的 FT應(yīng)為 600kHz。不過由于電磁干擾，更加實(shí)用的 fT值可以是 300kHz。 fT給定之后，就需要確定 fc。為盡量減小輸出端總的紋波， fC必須小 于 fT。因此 fc理論上應(yīng)為 20kHz。此外 fc對輸出信號的相移產(chǎn)生影響，高頻率的 fc會減小相移，而低頻的 fc會增大相移。對于 LC濾波器，通常在10kHz以上的頻率才會產(chǎn)生相移并帶來微秒級的延遲。對此許多研究人員還存有爭議，但相移的重要性僅僅在于由聽眾所決定的知覺問題。 基于上述理由，設(shè)計人員必須在相移和紋波之間作出選擇。本設(shè)計中，相移是被考慮的對象。電感值越高則相移越大，但另一方面又減小了總的紋波噪聲；電容越大同樣能減小紋波，但無助于減小相移。 機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 22 R25 0 0L2R11K L1 L2C10 .1 uc22uI N 4 1 4 8I N 4 1 4 8C11 0 u FOUTIN 圖 LC濾波器 額定電流 選用磁芯的額定電流應(yīng)當(dāng)大于期望的放大器的最高電流。原因是如果電流超過額定電流閾值并且電流密度太高，許多電感器磁芯會發(fā)生磁性飽和，導(dǎo)致電感急劇減小，這是我們所不期望的。 通過在磁芯周圍繞線而形成電感器。如果繞線匝數(shù)很多，與總繞線長度相關(guān)的電阻很重要。由于該電阻串聯(lián)于 全 橋和揚(yáng)聲器之間，因而會消耗一些輸出功率。如果電阻太高，應(yīng)當(dāng)使用較粗的繞線或選用要求 繞 線匝數(shù)較少的其它金屬材質(zhì)的磁芯以提供需要的電感。 最后，不要忘記所使用的電感器的形狀也會影響 EMI，正如上面所提到的。 本電路采用 4 階 巴特沃斯 (Butterworth)低通濾波器。對濾波器的要求是：上限頻率≥ 20 kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。 采用了電子工作臺 (EWB)軟件進(jìn)行仿真，從而得到了一組較佳的參數(shù)： L1=22μ H， L2 =47μ H， C1= H， C2=1μ H。 kHz 處下降 dB，可保證 20 kHz 的上限頻率，且通帶內(nèi)曲線基本平坦； 100 kHz、 150 kHz 處分別下降 48 dB、 62 dB，完全達(dá)到要求。 信號變換電路 電路要求增益為 1，將雙端變?yōu)閱味溯敵?，運(yùn)放選用寬帶運(yùn)放 NE5532，電路如圖 所示。由于對這部分電路的電源電壓不加限制，可不必采用價格較貴的滿幅運(yùn)放。由于功放的帶負(fù)載能力很強(qiáng)，故對變換電路的輸入阻抗要求不高，選 Rl=R2=R3=R4=20kΩ。其增益為 Av=R3/R1=20/20=1，其上限頻率遠(yuǎn)超過 20kHz的指標(biāo)要求。 機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 23 C0 .0 1 uFR1 2 0kR57 96R42 0kR3 2 0kR22 0kR?S P E A K E R32184UAN E 55 3 2接功放輸出端OUTININ 圖 信號變換電路 保護(hù)電路 過流保護(hù)電路 如果輸出級和揚(yáng)聲器端正確連接，輸出晶體管呈低導(dǎo)通電阻狀態(tài)不會出現(xiàn)問題，但如果這些結(jié)點(diǎn)不注意與另一個結(jié)點(diǎn)或正、負(fù)電源短路，會產(chǎn)生巨大的電流。如果不經(jīng)核查，這個電流會破壞晶體管或外圍電路。 因此，需要電流檢測輸出晶體管保護(hù)電路。在簡單保護(hù)方案中，如果輸出電流超過安全閾值，輸出級關(guān)斷。在比較復(fù)雜的方案中，電流傳感器輸出反饋到放大器中，試圖限制輸出電流到一個最大安全水平，同時允許放大器連續(xù)工作而無須關(guān)斷。在這個方案中，如果限流保護(hù)無效，最后的手段是強(qiáng)制關(guān)斷。有效的限流器還可在由于揚(yáng)聲器共振出現(xiàn)暫時的大瞬態(tài)電流時保持放大器安全工作。 ① 特點(diǎn) : 過流保護(hù)電路是用來防止大電流對功率管的損害。 過流保護(hù)電路由跟蹤電路，比較器電路構(gòu)成。 跟蹤電路由寬長比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于功率管的寬長比的管子串聯(lián)小的取 樣電阻構(gòu)成。 ② 過流保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn) 對于 D 類放大器的全橋式輸出級，每個晶體管都有電流限制，輸出端的短接和非常大的輸入信號都可能產(chǎn)生非常大的電流，從而造成對放大器和揚(yáng)聲器的損害。 典型的防止方法是使用保險絲，接在電源和晶體管之間，過流時，在損害到達(dá)放大器之前，保險絲熔斷，從而斷開電源的連接，但是，下一次使用時，必須替換保險絲，顯得繁瑣。 另一種方法是在傳統(tǒng)的 D 類放大器中使用的，它通過用電阻代替保險絲與機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 24 晶體管串聯(lián)，并監(jiān)視電阻兩端的電壓，當(dāng)超過預(yù)先指定的限制時，關(guān)斷放大器。此方法提供了比較 精確的過流調(diào)整點(diǎn)且容易從過流的情況下恢復(fù)，信號通路上的電阻在通常工作時增加了功耗，減少了整個放大器的效率。 本設(shè)計提出了高效率的過流保護(hù)電路去防止短路，它就是監(jiān)視晶體管輸出橋的電流的跟蹤電路，包括電流鏡和比較器電路，電流鏡是跟輸出橋的晶體管并聯(lián)的比例晶體管，且比例晶體管的比例因子非常小，以便流過跟蹤電路的電流非常小，跟蹤電流流過小的取樣電阻而在其兩端產(chǎn)生的電壓送到比較器電路，通過使跟蹤電流和取樣電阻都比較小，電路的功率消耗減少。當(dāng)取樣電阻兩端的電壓超過了預(yù)先設(shè)置的參考電壓，比較器電路產(chǎn)生短路信號從而 關(guān)斷放大器。 短路 (或過流 )保護(hù)電路的原理電路如圖 。 8Ω負(fù)載串聯(lián)連，對 （并完成雙變單變化）。電路由U1B組成的減法放大器完成，選用的運(yùn)放是 NE5532。 R6與 R7調(diào)整為 11 kΩ，則該放大器的電壓放大倍數(shù)為 圖 短路保護(hù)電路 經(jīng)放大后的音頻信號再通過由 D C R10組成的峰值檢波電路，檢出幅度電平，送給由 LM393 組成的電壓比較器 ―+‖端，比較器的 ‖‖端電平涉足設(shè)置為，由 R12 和穩(wěn)壓管 D6組成，比較器接成遲 滯比較方式，一旦過載，即可鎖定狀態(tài)。 正常工作時，通過 上的最大電流幅度 Im=5/(8+)=， 上的最大壓降為 62mV。經(jīng)放大后輸出的電壓幅值為 Vim AV=62 51≈ ，檢波后的直流電壓稍小于此值，此時比較器輸出低電平， Q1 截止，繼電器不吸合，處于常閉狀態(tài)， 5V 電源通過常閉觸點(diǎn)送給功放。一旦 8Ω 負(fù)載端短路或輸出過流， 上電流、電壓增大，經(jīng)過電壓放大、峰值檢波后，大于比較器反相端電壓 ()，則比較器翻轉(zhuǎn)為高電平并自鎖， Q1 導(dǎo)通，繼電器吸合，切斷功放機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 25 5V電源，使 功放得到保護(hù)。要解除保護(hù)狀態(tài)，需關(guān)斷保護(hù)電路電源。 為了防止開機(jī)瞬間比較器自鎖，增加了開機(jī)延時電路，由 R1 C D D3組成。 D2的作用是保證關(guān)機(jī)后 C3上的電壓能快速放掉，以保證再開機(jī)時 C3的起始電壓為零。 欠壓和過熱保護(hù) 大多數(shù)開關(guān)輸出級電路只有當(dāng)正電源電壓足夠高時才能正常工作。如果電源電壓太低，出現(xiàn)欠壓情況，就會出現(xiàn)問題。這個問題通常通過欠壓封鎖電路來處理，只有當(dāng)電源電壓大于欠壓封鎖閾值時才允許輸出級工作。 采用欠壓保護(hù)基于兩個理由 : 第一：功率 MOS管的閥值電壓一般為 ，所以 驅(qū)動功率 MOS工作在線性區(qū)要難， Vc要大 第二：功率 MOS導(dǎo)通時，消耗的功率為 P=Vm*Im，功率 MOS導(dǎo)通時的電流比較大，工作在線性區(qū)時，導(dǎo)通壓降 Von比較小，消耗的功率比較小，如果工作在飽和區(qū)，輸出相當(dāng)于一個電流源，它的電壓降遠(yuǎn)大于工作在線性區(qū)時的電壓降，功率 MOS消耗的功率迅速增大。 為了確保功率 MOS不進(jìn)入飽和區(qū)工作，必須滿足兩個條件，一是驅(qū)動電壓足夠高，二是驅(qū)動電壓必須穩(wěn)定。 盡管 D類放大器輸出級功耗低于線性放大器，但如果放大器長時間提供非常高的功率，仍會達(dá)到危害輸出晶體管的水平。為了防止過熱危險 ，需要溫度監(jiān)視控制電路。在簡單的保護(hù)方案中，當(dāng)通過一個片內(nèi)傳感器測量的溫度超過熱關(guān)斷安全閾值時，輸出級關(guān)斷，并且一直保持到冷卻下來。除了簡單的有關(guān)溫度是否已經(jīng)超過關(guān)斷閾值的二進(jìn)制指示以外，傳感器還可提供其它的溫度信息。通過測量溫度，控制電路可逐漸減小音量水平，減少功耗并且很好地將溫度保持在限定值范圍內(nèi)，而不是在熱關(guān)斷期間強(qiáng)制不發(fā)出聲音。 音 效 處理電路 隨著人們對視聽要求的不斷提高，聲音處理 (音色及音效處理 )電路也應(yīng)運(yùn)而生。它們對聲音魔術(shù)般的特殊處理，使通過音響設(shè)備重放的聲音更加完美、動聽，從而像 磁石一樣吸引了廣大的音響愛好者，因而奠定了在現(xiàn)代高保真系統(tǒng)中不可磨滅的地位。 音頻延遲 音頻延遲在現(xiàn)代系統(tǒng)中有許多重要的功能，除了用來產(chǎn)生回聲、混響、合唱、顫音等特殊效果外，還可以與其它元件組成模擬立體聲、立體聲聲場擴(kuò)展、梳狀濾波器、環(huán)繞聲效果等電路。音頻延遲電路分為模擬延遲電路 (BBD)和數(shù)字延遲電路 (DDC)兩類。 BBD是一種電荷耦合的模擬移位寄存器，早期曾大量使用，使機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 26 用最多的為松下公司的 MN3000系列。 DDC器件是隨著數(shù)字音頻技術(shù)的發(fā)展而推出的新一代延遲電路，與 BBD相比，用它做成的音色 處理電路，其頻響曲線特別平坦、噪聲特別低、信噪比高、動態(tài)范圍大，能獲得非常滿意的回聲、余音、顫音、混響等效果。 音調(diào)控制器 音頻