D类音频功放设计 (2).pdf
D D类类音音频频放放大大器器的的设设计计与与制制作作摘要：摘要：本项目涉及高效节能、数字化、体积小、重量轻等特点的 D 类功率音频放大器。适应便携设备高效及节能的客观要求。顺应了市场的客观要求。从而在音频集成领域具有很大的优势。随着设计技术不断进步 D 类功率放大器的要求也在不断提高本文通过基于 CMOS 工艺的 D 类功率音频放大器构成，驱动实现、失真度等方面的特性来进行电路的设计。本课题的目标是设计一个 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 30010000Hz，输出功率 IW,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 Butterworth 低通滤波器。关键词：关键词：D D 类功率放大器类功率放大器H H 桥驱动桥驱动脉宽调制脉宽调制目录1.引言.2.系统方案.2.1 总体方案设计.2.2 三角波模块设计方案.2.3 高速开关电路设计方案.3.硬件电路设计.3.1 三角波发生器.3.2 放大电路.3.3 脉宽调制比较器.3.4 驱动电路、H 桥.4.测试方案与测试结果：.（1）列出主要的测试仪器、仪表；.（2）系统测试：.（3）测试结果分析：.5.设计总结：.参考文献：.附录：.系统原理图；.1.1.引言引言近几年，国际上加进了对 D 类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进展，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展。20 世纪 80 年代初，欧洲有些专业公司开始研究晶体管功放与电子管功放之间的性能差异及解决办法。电子管是一种电压控制器件，需要的控制功率极微，开关速率很快。晶体管是一种电流控制器件，需有较大的控制电流，转换速率较慢，这是最基本的差别。数字功放的概念早在 20 世纪 60 年代就有人提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。这一技术一经问世立即显示出其高效，节能，数字化的显着特点，引起了科研，教学，电子工业，商业界的特别关注。不久的将来，D 类音频功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。2.2.系统方案系统方案2.12.1 总体方案设计总体方案设计D 类功放是放大元件处于开关状态时的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状体，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。D 类音频功放按其结构可以分为三个部分。2.1.12.1.1 调制器调制器最简单的只需要用一个运放构成的比较器即可完成。把原始的音频信号加上一定的直流偏置后放在运放的正输入端，在将一个有自激震荡生成的三角波添加到运放的负输入端。当正向输入端上的电位高于负端三角波的电位时比较器输出为高电平，反之则输出低电平，当音频输入信号输入时，正半轴期间，比较器输出高电平的时间比低电平的时间长，方波的占空比大于1 山负半轴期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波的占空比小于 1:10 这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号辐度调制后的波形，成为 PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制）或者(I)M(Pulse DurationModulation 脉冲持续时间调制）波形。音频信号被调制到脉冲波形中2.1.2 D2.1.2 D 类功放类功放D 类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM 信号变成高电压、大电流的大功率 PWM 信号。能够输出的最大功率有负载、电源和晶体管允许流过的电流来决定。2.1.32.1.3 信号还原信号还原需要把大功率 PIM 波形中的声音信息还原出来。其方法也很简单，只需要用一个低通滤波器。由于此时电流很大，RC 结构的低通滤波器电阻会有很大损耗，所以采用 LC 低通滤波器。当占空比大于 1：1 的脉冲到来时，电容 c 的充电时间大于放电时间，输出电平上升；在小于脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被回复出来。图 2-1-1D 类功放波形原理图2.22.2 三角波模块设计方案三角波模块设计方案方案一：用普通555 芯片作为三角波发生器。虽然此类芯片可直接产生脉宽调制信号，但芯片中振荡发生的是锯齿波，不符合 D 类功放所要求的三角波，且振荡发生器是充放电电路产生波形，波形线性不好，难以达到要求。所以此方案不行。图 2-2-1555 定时电路产生三角波方案二：根据要求，因为D 类放大器要求三角波频率高、线性好，这是一般积分微分电路难以达到的，因此我们选用模拟的波形芯片 ICL8038 来产生三角波，它的内部有恒流源，故线性效果好。此方案的优点在于可产生合乎要求的脉宽调制信号，且全部期间可由+5V 电源直接供电，各项指标也都符合要求。2.32.3 高速开关电路设计方案高速开关电路设计方案方案一：采用推挽单端输出方式，如图2-2 所示，电路输出信号的峰峰值不可能超过电源电压，输出功率难以提高。图 2-2-2 高速开关电路方案二：选用H 桥输出方式（如图2-3 所示）。此方式浮动输出载波的峰峰值可达2Vcc，充放利用了电源电压有效提高了输出功率。图 2-2-3H 桥3.3.硬件电路设计硬件电路设计3.13.1 三角波发生器三角波发生器本 设计 采用 ICL8038 配 置 的三 角波发生 器，该芯片的适用频率为0.001H300kHz,满足设计要求。图 3-1-1ICL8038 波形发生器令RARBR，f1RACRB(1)0.662RARB0.33，取R18.3 k，C120pF可RC以得到频率为 150kHz 的三角波，故取RARB13k,Rp10k，C120pF,如图 3-2 所示。图 3-1-2 150kHz 三角波发生器按图中值我们可以得到一个线性很好、频率约为 150KHz，峰峰值约为 28V的三角波。3.23.2 放大电路放大电路图 3-2-1 信号发大电路该部分的作用是将输入信号按比例放大以便于三角波进行比较，R3、R4 共同分压将 2 脚的电压调制 2.5V 左右，这样可使得放大后的波形中点在 2.5V 左右，且上下对称无明显失真。放大比例系数由 R5、R6 决定，即 A=R6/R5,C 起隔直的作用。3.33.3脉宽调制比较器脉宽调制比较器脉宽调制比较器电路主要芯片是 LM311，此处要注意的是三角波与音频信号的电压线重合。即正向端、反向端的电压相等。其电压平衡我们通过使用相同大小的电阻来实现。实际电路中，可用滑变来调。图 3-3-1 脉宽调制比较器3.43.4驱动电路、驱动电路、H H 桥桥H 桥互补对称输出电路对 VMOSFET 的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电小。因输出功率稍大于属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRFD540 和 IRFD9540 CMOS 对管的参数能够满足上述要求，故采用之。实际电路如下图所示。互补 PWM 开关驱动信号交替开启 Q3 和 Q6 或 Q4 和Q5,分别经两个 Butterworth 滤波器滤波后推动喇叭工作图 3-5脉宽调制比较器4.4.测试方案与测试结果：测试方案与测试结果：（1 1）列出主要的测试仪器、仪表；）列出主要的测试仪器、仪表；（2 2）系统测试：）系统测试：说明测试方法；说明测试方法；要求有完整的测试参数记录表及测试数据；要求有完整的测试参数记录表及测试数据；系统功能测试：测试或说明系统能实现的功能。系统功能测试：测试或说明系统能实现的功能。有些数据最好能画出实测曲线。要求数据、曲线必须真实。(如示波器上的曲线图)（3 3）测试结果分析：）测试结果分析：对测试的系统指标参数及实现的功能分析（与设计要求对比进行），指出指标参数及实现的功能的整体完成情况，重点分析指标及功能达不到要求的原因（或功能、指标较优是如何实现的）。5.5.设计总结：设计总结：现阶段完成了系统的初步设计，对 D 类的音频功放原理有了深刻的理解。只是还未投入实际焊接，具体的结果还需要看最终的测试结果，需要进一步的调试。仿真软件在实际设计制作时只是有指导作用，不是所有的电路都可以仿真出结果的，不应过多的投入，设计主要靠的是理论原理和实际调试。除了扎实的理论基础，电子设计还需要大量的练习，多接触些功能模块，基本电路，可以增加自己的见识和解决问题的经验。参考文献：参考文献：1邓木生周红兵模拟电子电路分析与应用M.北京：高等教育出版社，20082张友汉、数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2004 年3徐治东，王伟军音响设备原理与维护M北京：高等教育出版社，20024王卫平、电子产品制造工艺M北京：高等教育出版社2005附录：附录：系统原理图；系统原理图；
