【導(dǎo)讀】研究開發(fā)高效，節(jié)能，數(shù)字化的音頻功率放大器。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)：。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)。⒉效率低，輸出功率不可能做的很大。D類開關(guān)音頻功率放大器的工作基于PWM模式：將音頻信號與采樣頻率比較，信號送入濾波器，則還原為音頻信號。對于高電感的揚(yáng)聲設(shè)備，在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，是可以省去低通濾波器，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)，在國外的5VD類。音頻功率放大器中已經(jīng)得到了運(yùn)用，如：TEXAS公司的TPA2021D2。這一技術(shù)一經(jīng)問世立即顯示出其高效，節(jié)能，數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，引起。了科研，教學(xué)，電子工業(yè)，商業(yè)界的特別關(guān)注。不久的將來，D類音頻功率放大器必。它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其。他數(shù)字設(shè)備相連接的特點(diǎn)。

　　

【正文】 蕩器、 PWM 比較器、誤差放大器、反饋測量放大器、數(shù)字邏輯與保護(hù)電路及驅(qū)動器等 ,下面 列出了 LM4651 的引腳功能 如表 41 和 LM4652 的引腳功能 如表 42。 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 17 表 41 LM4651 的引腳功能 腳號 引腳符號 功 能 描 述 1 OUT1 輸出到功率 MOSFET 柵極驅(qū)動電路的基準(zhǔn)腳 1,27 BS1,BS2 為驅(qū)動上面的柵極 HG HG2 提供額外偏 置的自舉腳 3 HG1 半橋中 1 高端柵極驅(qū)動輸出 4 HG2 半橋中 2 高端柵極驅(qū)動輸出 5,15 GND 模擬地 6 +6VBYP 模擬電路內(nèi)部調(diào)節(jié)正電壓輸出 ,該腳僅用作內(nèi)部調(diào)整器旁路 7 +Vcc IC 正電源電壓輸入 8 6VBYP 模擬電路內(nèi)部調(diào)節(jié)負(fù)電壓輸出 ,該腳僅用作內(nèi)部調(diào)整器旁路 9 FBKVo 反饋測量放大器輸出腳 10 ERRIN 誤差放大器反相輸入腳。該腳上的輸入音頻信號與反饋信號相加 11 ERRVo 誤差放大器輸出腳 12 TSD 熱關(guān)閉輸入腳 ,連接 LM4652 的 熱關(guān)閉輸出 13 STBY 待機(jī)功能輸入腳 14 FBK1 反饋測量放大器 ,該腳必須連接到來自 VO1（ LM4652 腳 15）的反饋濾波器 16 OSC 開關(guān)頻率振蕩腳 ,調(diào)節(jié)電阻從 0Ω變化 ,開關(guān)頻率從75kHz 到 225kHz 變化 17 Delay 延遲時(shí)間調(diào)整腳 18 SCKT 短路設(shè)定腳 ,最小設(shè)定值是 10A 19 FBK2 反饋測量放大器腳 ,該腳必須連接到來知 VO2（ LM4652 的腳 7）的反饋濾波器 20,21 VDDBYP 供數(shù)字單元電路使用的調(diào)整器輸出 ,該腳僅作旁路用 22,23 VEE IC 負(fù)電源電壓 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 18 24 START 啟動電容輸入腳。可調(diào)節(jié)調(diào)制器的診斷時(shí)序啟動時(shí)間 25 LG1 半橋中 1 低端柵極驅(qū)動器輸出 26 LG2 半橋中 2 低端柵極驅(qū)動器輸出 28 OUT2 輸出到功率 MOSFET 柵極驅(qū)動器電路的基準(zhǔn)腳 表 42 LM4652 的引腳功能 腳 號 引腳符號 功 能 描 述 1 GND 地端 2 LG1 半橋低端（ 1） MOSFET 柵極驅(qū)動輸入 3 VEE 功率 MOSFET 半橋負(fù)電源電壓 4 TSD 熱關(guān)閉識別腳。當(dāng)芯片超過 150℃ 時(shí) ,該腳過渡到 6V 5 NC 未連接 6 LG2 半橋低端（ 2） MOSFET 柵極驅(qū)動輸入 7 Vo2 半橋 端開關(guān)輸出腳 8 NC 未連接 9 NC 未連接 10 HG2 半橋高端（ 2） MOSFET 柵極驅(qū)動輸入 11 NC 未連接 12 NC 未連接 13 Vcc 功率 MOSFET 半橋正電源電壓 14 HG1 半橋高端（ 1） MOSFET 柵極驅(qū)動輸入 15 VO1 半橋 端開輸出腳 主要參數(shù)及特點(diǎn) 主要參數(shù) 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 19 LM4651/LM4652的最高電源電壓為 177。22V,其功耗分別為 32W,最高結(jié)溫為150℃ ,工作溫度范圍為 40～ +85℃ 。 LM4652 的最大輸出電流為 10A。 LM4651 的總靜態(tài)電流（在 LM4652 不連接時(shí)的典型值）為 36mA,待機(jī)狀態(tài)時(shí)的輸入電壓（典型值）為 2V,開關(guān)頻率范圍（在 Rosc 從 15kΩ變?yōu)?0Ω時(shí)）為 65～ 200kHz,死區(qū)時(shí)間為 27ns,調(diào)制保護(hù)時(shí)間（典型值）為 310ns。 LM4652 中 MOSFET 的漏 源極擊穿電壓為 55V,通太電阻（典型值）的 ,最大漏極電流（ ID）為 10A,柵極門限 電壓（典型值）為 。 LM4651/LM4652 的主要技術(shù)參數(shù)為： ●總揩波失真（ THD）（在 10W、 4Ω和 10～ 500Hz 下） ≤%。 ●輸出功率（ 4Ω、 75kHz、 10%THD 時(shí)）為 170W。 ●最大效率（在 125W 和 1%THD 下）為 85%。 ●待機(jī)狀態(tài)衰減 100dB。 圖 41 脈沖寬度調(diào)制波形 主要特點(diǎn) LM4651/LM4652 的主要特點(diǎn)如下： ●具有常規(guī)的脈沖寬度調(diào)制（ LM46451） 。 ●開關(guān)頻率外部可控 ,范圍為 75～ 200kHz。 ●內(nèi)含集成誤差放大器和反饋放大器 。 ●可導(dǎo)通軟啟動和欠電壓閉鎖 。 ●具有過調(diào)制保護(hù)（軟削波）功能 。 ●可進(jìn)行短路電流限制和熱關(guān)閉保護(hù) 。 ●具有自檢查保護(hù)診斷功能。 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 20 圖 42 過調(diào)保護(hù)脈沖圖 原理和應(yīng)用電路 圖 42 為 LM4651 與 LM4652 的典型應(yīng)用及測試電路。該電路有助于人們了解兩芯片尤其是 LM2651 的功能和原理。 系統(tǒng)功能簡述 LM4651 是常規(guī)脈沖寬度調(diào)制器 /驅(qū)動器 IC。圖 3 所示為輸入音頻信號與頻率遠(yuǎn)高于音頻信號的三角波信號的比較波形。比較器產(chǎn) 生一個(gè)占空比與音頻信號電平成正比的矩形波電壓 ,以驅(qū)動 LM4652半橋電路中的功率 MOSFET,然后將功率 MOSFET 的脈沖序列（ frain）通過 LC 低通濾波器在濾除高頻后施加到揚(yáng)聲器。 待機(jī)（ Standby）功能 LM4651 的 CMOS兼容性允許通過關(guān)閉脈沖寬度波形去關(guān)斷所有功率 MOSFET。由于待機(jī)狀態(tài)關(guān)閉了脈沖寬度波形 ,其音東衰減大于 120dB,因 而 EMI被限制到最小限度 ,當(dāng)腳 13 不邏輯 “1”功 5V 時(shí) ,待機(jī)功能有效 。腳 13 為邏輯 “0”或 0V 時(shí) ,待機(jī)無效 ,允許利用輸入信號調(diào)制。 啟動程序和定時(shí) LM4651 具有內(nèi)部軟啟動功能 ,該軟啟動功能可保證系統(tǒng)的可靠和協(xié)調(diào)啟動 ,從而使導(dǎo)通喇叭聲（ thump）或彭彭聲（ pop）減到最小。在啟動周期內(nèi) ,系統(tǒng)保持待機(jī)模式。啟動時(shí)間的調(diào)節(jié)可通過連接到 START 腳的電容（ CSTSRT）來控制。 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 21 圖 43 2 階低通濾波器輸入電路 4． 6 電流限制和短路保護(hù) 連接在 SCKT 腳與 GND之間電阻 RSCKT 用來決定最大輸出電流。一旦輸出電流高于設(shè)定限制 ,短路保護(hù)將關(guān)斷所有功率 MOSFET 電流限制最小設(shè)備在 10A,但調(diào)節(jié) RSCKT 數(shù)值可以適當(dāng)使電流增 大 ,在輸出端短路或場聲器失效（出現(xiàn)短路）的情況下 ,IC 將執(zhí)行安全保護(hù)功能。 死區(qū)時(shí)間設(shè)定 LM4651 上的 DELAY 腳可用來設(shè)定系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間。所謂死區(qū)時(shí)間是指 LM4652中一對 MOSFET 在另一對 MOSFET 導(dǎo)通前被關(guān)斷的時(shí)間間隔。增加死區(qū)時(shí)間將減小貫通（ Shoot through）電流 ,但同時(shí)也會增大 THD。隨著所希望的工作帶的增加 ,死區(qū)時(shí)間應(yīng)當(dāng)減小。調(diào)節(jié)電阻 RDLY,可改變死區(qū)時(shí)間 ,關(guān)系如下： TDLY=10 12(500+RDLY) 通常 RDLY 的推薦值為 5kΩ。 TDLY 的單 位為秒。 過調(diào)制保護(hù) 圖 4為過調(diào)制保護(hù)工作波形。當(dāng)輸入信號幅值高于內(nèi)部三角波時(shí) ,過調(diào)制條件發(fā)生 ,如果缺少過調(diào)制 ,將導(dǎo)致功率 MOSFET 永久性毀壞。在正統(tǒng)波頂部 ,過調(diào)制保護(hù)還提供一個(gè)軟削波（ soft clip）型響應(yīng)。對于給定的相同的電壓和負(fù)載 ,這種限幅將使輸出功率降低。 反饋放大器和濾波器 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 22 反饋放大器用來進(jìn)行差動取樣輸出信號并為誤差放大器提供一個(gè)單端反饋信號 ,反饋信號直接取自 LC 濾波器之前的開關(guān)輸出 ,從而避免了輸出濾波器引起的相移。來源于橋式輸出的差動信號經(jīng)單極點(diǎn)或雙極點(diǎn)的 RC 濾 波器進(jìn)入到作為反饋放大器使用的高輸入阻抗測量放大。反饋測量放大器的內(nèi)部固定增益為 1。 誤差放大器 音頻輸入信號與來自輸出的反饋信號在誤差放大器上相加。放大器增益由外部電阻 RF和 R1 決定。并聯(lián)反饋電容 CF和電阻 RF 組成低通濾器 ,可用于限制輸入音頻信號和反饋信號的頻率含量。 外部元件功能說明 對于圖 2 所示的應(yīng)用電路 ,LM4651/LM4652 外部主要元件的功能說明如表所列。 外部元件功能說明 元 件 功 能 R1,R2 輸入電阻 ,與 RF 一起定系統(tǒng)增益：Gain=[(RF/R1)(Vcc/)]/{1+[(RF/R1)(RF/R2)(RFL2/(RFL1+RFL2))(Vcc/T)]} RF,CF RF 與 CF 形成低駝江波器 ,設(shè)定誤差放大器增益和帶寬 ,fc=1/(2πRFCF）（ H2）上為 3dB 極點(diǎn) RFL1 RFL1 與 RFL2 提供反饋信號衰減。 RFL1 應(yīng)為 10RFL2,同見 R R2 注釋。 RFL2,CFL1 RFL2 與 CFL1 產(chǎn)生一個(gè)低通濾波器 ,極點(diǎn)頻率 fc=1/2πRFL3CFL2) CFL2 用于反饋通路中的低通濾波器 ,以在 fc=1/(2πRFL3CFL2）上建立第二個(gè)極點(diǎn) L1,C1 L1 與 C1 為輸出提供兩極點(diǎn)低通濾波器 ,fc=1/[2π(L1C1) (1/2)] Cbyp 并接于揚(yáng)聲器兩端 ,用作濾除噪聲和高頻諧波 CB1～CB4 Vcc、 VEE、模擬與數(shù)字電壓（ VDD、 +6V、 6V）旁路電容 BBT 自舉電容 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 23 RDLY 設(shè)定死區(qū)時(shí)間 CSTART 用于控制啟動時(shí)間 。TSTART=(10 4） CSTART（ s) RSCKT 設(shè)定輸出短路電流： ISCKT=(110 5） /（ 10kΩ‖ RSCKT)(A) ROSC 控制開關(guān)頻率： fsw=(110 9)/(4000+Rosc)(Hz) D1 肖特基二術(shù)管 ,用作保護(hù)輸出 MOSFET CSBY1～CSBY3 電源退耦電容 為進(jìn)一步提高 D 類音頻放大器的性能 ,可以采用 LM833 來設(shè)計(jì)帶 2 階代通濾波器并使其增益為 10（ 20dB）的簡單輸入級電路 ,如圖 5 所示。在超低音應(yīng)用中 ,低通濾波器的極點(diǎn)頻率通常設(shè)定在 60～ 180Hz。需要說明的是：用 LM4651/LM4652 組成的 D類放大器的 PCB 板宜采用雙面印刷電路板。 結(jié) 語 D 類放大器是目前音頻播放器的非常有前途的發(fā)展方向，他更好地適 應(yīng)了便攜式電子音頻設(shè)備對功率放大器的高效率，低失真的的發(fā)展要求。 本設(shè)計(jì)采用全橋改進(jìn) PWM方案實(shí)現(xiàn)的 D類放大器具有效率高、降低濾波器要求等特點(diǎn)。采用 CPLD實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的全橋 PWM方案，并結(jié)合 DSP 實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換、數(shù)字插值和噪聲整形等處理，可實(shí)現(xiàn)高保真的音頻放大器，設(shè)計(jì)的數(shù)字功率放大器可對數(shù)字音源輸出的音頻信號進(jìn)行直接放大，為數(shù)字音源和功率放大的整合提供了完整的解決方案。 大慶石油學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 24 參考文獻(xiàn) [1] 周良權(quán)，傅恩錫，李世馨 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) .北京：高等教育出版社， 2021 [2] 康華光 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最后，在這篇論文即將完成之際，向參加論文評審和答辯的老師以及對本論文的修改提出意見和建議的人表示感謝 !