高效音頻放大器設(shè)計-畢業(yè)論文

1、<p>　　高效音頻功率放大器設(shè)計</p><p><b>　　作者姓名：</b></p><p><b>　　專業(yè)名稱：</b></p><p>　　指導(dǎo)教師： 講師</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在音頻功

2、率放大器的市場上，AB類一直處于統(tǒng)治地位。近年來，隨著MP3、DVD 和移動電話等便攜式消費電子產(chǎn)品的普及，D類音頻功率放大器以高效率、低功耗、小體積的優(yōu)點日益成為音響領(lǐng)域的主流，在未來便攜式和大功率音頻視頻領(lǐng)域中將具有廣闊的發(fā)展前景，因此對高效音頻功率放大器的設(shè)計具有十分重要的意義。 本設(shè)計根據(jù)D類功放的工作原理設(shè)計的D類音頻功率放大器，能對音頻信號進行放大，放大器的通頻帶達到300~3400HZ，輸出功率1W，輸出信號無明顯失真。

3、根據(jù)D類功放的原理分別設(shè)計了前置放大模塊、三角波產(chǎn)生模塊、比較器模塊、驅(qū)動模塊、H 橋互補對稱輸出及低通濾波模塊等。其中三角波產(chǎn)生器及比較器共同組成脈寬調(diào)制（PWM）模塊，H 橋互補對稱輸出電路采用驅(qū)動電流小、低導(dǎo)通電阻及良好開關(guān)特性的VMOSFET 管，濾波器采用兩個相同的四階 Butterworth 低通濾波器。</p><p>　　學(xué)習(xí)音頻放大器的設(shè)計，以及開發(fā)思路和方法，能夠更好的學(xué)習(xí)放大器的電路設(shè)計原理

4、及其方法，為以后正式步入設(shè)計崗位奠定基礎(chǔ)，一次本次設(shè)計不僅僅具有實用價值，而且更重要的是在能力提升和經(jīng)驗積累的內(nèi)在意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞：音頻 放大器 高效 電路 PWM</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In the audio power amplifier market, the A

5、B class has been in a dominant position. In recent years, with the popularity of the MP3, DVD and mobile phones, portable consumer electronic products, class D audio power amplifier with the advantages of high efficiency

6、, low power consumption, small size has increasingly become the mainstream of the sound field, has broad prospects for the development of portable and high power audio in the future in the field of video will, therefore

7、the design of high</p><p>　　Learning audio amplifier design and development ideas and methods to better learning amplifier circuit design principle and method, for the later formally entered the post design

8、to lay the foundation. The design not only has practical value, but more important is the ability and experience accumulation in the inner meaning.</p><p>　　Key words: high efficiency, audio, amplifier ,circ

9、uit ,PWM</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目錄IV</b></p><p><b>　　前言1</

10、b></p><p><b>　　1 緒論2</b></p><p>　　1.1高效音頻功率放大器的簡介2</p><p>　　1.2 音頻放大器的發(fā)展3</p><p>　　1.3 音頻放大電路的基本原理5</p><p>　　1.4 本文主要任務(wù)和內(nèi)容5</p>

11、<p>　　2 音頻功率放大器7</p><p>　　2.1音頻功率放大器的指標7</p><p>　　2.2功率放大器的分類9</p><p>　　2.3 D類功率放大器的原理分析10</p><p>　　3 音頻放大器的電路設(shè)計12</p><p>　　3.1硬件開發(fā)平臺介紹12</p&

12、gt;<p>　　3.2電路整體方案設(shè)計13</p><p>　　3.3部分電路設(shè)計14</p><p>　　3.3.1脈寬調(diào)制器電路設(shè)計15</p><p>　　3.3.2前置放大器電路設(shè)計17</p><p>　　3.3.3 驅(qū)動電路與輸出電路設(shè)計18</p><p>　　4 系統(tǒng)調(diào)試與仿真

13、21</p><p>　　4.1測試步驟和工具介紹21</p><p>　　4.2測試過程21</p><p>　　4.3測試結(jié)果分析22</p><p><b>　　總結(jié)24</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><

14、;p><b>　　致謝26</b></p><p>　　附件1 系統(tǒng)原理圖27</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　在現(xiàn)代音響普及中，人們因生活層次、文化習(xí)俗、音樂修養(yǎng)、欣賞口味的不同，令對相同電氣指標的音響設(shè)備得出不同的評價。所以，就高保真度功放而言，應(yīng)該達到電氣指標與實際聽音指標的平

15、衡與統(tǒng)一。音頻功率放大器是一個技術(shù)已經(jīng)相當成熟的領(lǐng)域，幾十年來，人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?，無論從線路技術(shù)還是元器件方面，乃至于思想認識上都取得了長足的進步。本論文介紹了一種簡易的音頻放大器的設(shè)計方法和原理。對涉及音頻放大器的相關(guān)資料問題進行深入分析和論述。</p><p>　　另外，現(xiàn)在人們生活和生產(chǎn)過程中，人們對放大器的運用已經(jīng)非常的成熟，特別是在模電，高頻等領(lǐng)域，功率放大器的運用非常多，幾乎不可避免的會用到。

16、學(xué)習(xí)音頻功率放大器，本設(shè)計根據(jù)D類功放的工作原理設(shè)計的D類音頻功率放大器，能對音頻信號進行放大，放大器的通頻帶達到300~3400HZ，輸出功率1W，輸出信號無明顯失真。根據(jù)D類功放的原理分別設(shè)計了前置放大模塊、三角波產(chǎn)生模塊、比較器模塊、驅(qū)動模塊、H 橋互補對稱輸出及低通濾波模塊等。其中三角波產(chǎn)生器及比較器共同組成脈寬調(diào)制（PWM）模塊，H 橋互補對稱輸出電路采用驅(qū)動電流小、低導(dǎo)通電阻及良好開關(guān)特性的VMOSFET 管，濾波器采用兩個

17、相同的四階 Butterworth 低通濾波器。經(jīng)過仿真和測試都達到了設(shè)計的要求。對于初學(xué)者來說，可以更好的理解，功率放大器的原理和設(shè)計方法。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1高效音頻功率放大器的簡介</p><p>　　音頻功率放大器是MP3播放器、筆記本電腦、手機以及便攜式DVD等消費類電子產(chǎn)品中應(yīng)用

18、最廣泛的組件之一，有很大的市場。傳統(tǒng)音頻功率放大器主要有A類(甲類)、B類(乙類)和AB類(甲乙類)。</p><p>　　A類放大器主要特點是：放大器工作點Q設(shè)定在負載線中點附近,晶體管在輸入信號整個周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率理論最大值僅有25％，且有較大非線性失真。由于效率比

19、較低 現(xiàn)在設(shè)計基本上不在再使用。</p><p>　　B類放大器主要特點是：放大器靜態(tài)點在(VCC，0)處，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在輸入信號正半周期內(nèi)，三極管一個導(dǎo)通一個截止，輸出端正半周正弦波；同理，當輸入信號為負半波正弦波也是一樣，所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點是"交越失真"較大。即當信號在-0.6V~

20、0.6V之間時，兩個三極管都無法導(dǎo)通而引起。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計師摒棄。</p><p>　　AB類功率放大器能夠提供高品質(zhì)的信號放大性能，所以已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，然而AB類功率放大器工作時，由于直接對模擬信號進行放大，工作期問必須處于線性放大區(qū)，因此其功率耗散較大，在大輸出功率情況下，AB類放大器會對功率器件構(gòu)成極大威脅。其特點是：1．效率低，其輸出功率不可能很大；2．大功率輸出時，通常需要散熱器，因此系統(tǒng)

21、體積較大。隨著科技的進一步發(fā)展，更多、更新的便攜式多媒體產(chǎn)品都要求其中的音響系統(tǒng)具有更小的外形設(shè)計和更大的電池容量，所以上述缺點都成為AB類功率放大器的致命弱點，限制了AB類音頻功放的進一步發(fā)展。 </p><p>　　近些年來，隨著各領(lǐng)域數(shù)字化程度不斷加深，D類音頻功率放人器逐漸進入了人們 的視線，D類放大器的工作方式小不同與于A類、B類和AB類，它采用切換電壓方式的同時利用數(shù)字信號控制導(dǎo)通時間以放大信號，其輸

22、輸出級的工作狀態(tài)不是完全導(dǎo)通就是完全截至，因此輸出器件的功耗非常小，使它的效率遠比A類、B類和AB類要高的多，同時D類放大器的效率和輸入信號的大小無關(guān)，不像AB類放大器只有在很高的輸出功率時才能達到比較高的效率，在電源電壓為額定值時，D類放大器的效率高達80％—90％以上，其平均效率大約要比AB類放大器高2—3倍，也就是說，通常系統(tǒng)電池的壽命可以延2—3倍，同時在輸出功率一樣的情況下，D類音頻功率放大器的表面溫度會遠遠低AB類，因此使用

23、時不需或只需要一個很小的散熱器，這就大大減小了D類音頻功率放大器的體積。D類音頻功放的特點：(1)節(jié)能，所需散熱片小，這樣可以節(jié)省空間，系統(tǒng)可以設(shè)計得較輕、較小，便于攜帶；(2)電源使用效率很高，可以延長系統(tǒng)電池的壽命。上述優(yōu)點使得D類音頻放大器和模擬音頻放大器相比時具有很大的優(yōu)勢。</p><p>　　隨著目前市場上消費電子行業(yè)的快速發(fā)展以及音頻功率放大器高效、節(jié)能和小型化的趨勢，D類音頻功率放大器開始逐漸取代

24、AB類進入可攜式產(chǎn)品、家庭AV設(shè)備、專業(yè)影音、汽車音響、平板電視、媒體播放器筆記本電腦和汽車音箱等多個領(lǐng)域，可以說，在未來的很長時間內(nèi)，D類音頻功率放大器將一直是研究的熱點，設(shè)計出一款兼顧效率與保真度的D類音頻功率放人器也會越來越成為眾多研究機構(gòu)和企業(yè)所關(guān)注的課題。</p><p>　　1.2 音頻放大器的發(fā)展</p><p>　　隨著晶體管制造技術(shù)的不斷提高和新技術(shù)的應(yīng)用，各項實用性指標

25、和可靠性指標都有很大改善，并不斷在向更大的輸出功率，更小的體積，更輕的重量，更多的功能和智能化方向發(fā)展，如美國CROWN公司的MA-5000VZA功放，其最大輸出功率可達4000W/8Ω（橋接，單通道）；完善的可靠性設(shè)計使它在苛刻的環(huán)境中可連續(xù)工作，使得生產(chǎn)者可作3年免維護的保證；插入可編程的輸入處理模塊USP3；可對1~2000臺功放的工作狀態(tài)進行程控調(diào)節(jié)和各種參數(shù)檢測。各種完善的可靠性保護措施，使它的可靠性大大提高，可與電子管功放媲

26、美。 晶體管功放具有許多寶貴優(yōu)點，它的失真低于萬分之一，但其音質(zhì)聽感總不如電子管功放那么逼真，細膩，尤其是在表現(xiàn)瞬態(tài)變化快而清脆的打擊樂，弦樂和渾厚回蕩的鋼琴曲方面感覺最明顯。20世紀80年代初，歐洲有些專業(yè)公司開始研究晶體管功放與電子管功放之間的性能差異及解決辦法。電子管是一種電壓控制器件，需要的控制功率極微，開關(guān)速率很快。晶體管是一種電流控制器件，需有較大的控制電流，轉(zhuǎn)換速率較慢，這是最基本的差別。80年代中期歐洲首先推出了采用M

27、OSFET音頻場效應(yīng)管功放。MOSFET場效應(yīng)晶體管既具有晶體</p><p>　　1.3 音頻放大電路的基本原理</p><p>　　音頻放大器已經(jīng)有快要一個世紀的歷史了，最早的電子管放大器的第一個應(yīng)用就是音頻放大器。然而直到現(xiàn)在為止，它還在不斷地更新、發(fā)展、前進。 主要因為人類的聽覺是各種感覺中的相當重要的一種，也是最基本的一種。為了滿足</p><p>　　

28、它的需要，有關(guān)的音頻放大器就要不斷地加以改進。 進入21世紀以后，各種便攜式的電子設(shè)備成為了電子設(shè)備的一種重要的發(fā)展趨勢。從作為通信工具的手機，到作為娛樂設(shè)備的MP3播放器，已經(jīng)成為差不多人人具備的便攜式電子設(shè)備。陸續(xù)將要普及的還有便攜式電視機，便攜式DVD等等。所有這些便攜式的電子設(shè)備的一個共同點，就是都有音頻輸出，也就是都需要有一個音頻放大器；另一個特點就是它們都是電池供電的，都希望能夠有較長的使用壽命。就是在這種需求的背景下，D

29、類放大器被開發(fā)出來了。它的最大特點就是它能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。 高效率的音頻放大器不只是在便攜式的設(shè)備中需要，在大功率的電子設(shè)備中也需要。因為，功率越大，效率也就越重要。而隨著人們的居住條件的改善，高保真音響設(shè)備和更高檔的家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。</p><p>　　1.4 本文主要任務(wù)和

30、內(nèi)容</p><p>　　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

31、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圖的設(shè)計。</p><p>　　本文的主要內(nèi)容為： </p><p>　　第一章為引言，指出了本論文的研究意義。 </p><p>　　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。

32、 </p><p>　　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。 </p><p>　　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。 </p><p><b>　　2 音頻功率放大器</b></p><p>　　2.1音頻功率放大器的指標</p><p>　　1

33、. THD+N指標</p><p>　　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，也是音頻功率放大器的額定輸出功率的一個條件?？傊C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)

34、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=0.08%。若FIN改成20Hz-20kHz

35、,，其他條件不變，其THD+N變?yōu)樾∮?.5%。對于音頻功率放大器來說，THD+N指標越小越好</p><p>　　2. 功率放大器的效率η指標</p><p>　　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？我們當然希望功率放大器最好能把直

36、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： </p><p>　　η=Psc/PE （2-1）</p><p>　

37、　通常用百分比表示： </p><p>　　η=Psc/PE×100% （2-2）</p><p>　　效率越高，表示功率放大器的性能越好。</p><p>　　3. 最大輸出功率指標</p><p>　　輸出功率反映音頻功率放大器的負載能力，通常音頻放大器廠家會提供產(chǎn)品的在一定

38、工作電壓和額定負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。</p><p><b>　　4. 脈沖寬度調(diào)制</b></p><p>　　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。 </p><p>　　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

39、比與信號的瞬時采樣值成比例。圖2-1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。</p><p>　　通過圖2-1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)

40、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tk-kTs<<Ts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：   </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中，x{t}是離散化的語音信號；Ts是采樣周期；是未調(diào)制寬度；m是調(diào)制指數(shù)

41、。 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，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：  （2-4）</p><p>　　其中， 。無需作頻譜分析，由式（2-4）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<<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

42、接通過低通濾波器進行解調(diào)。</p><p>　　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?qū)崿F(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。</p><p>　　2.2功率放大器的分類</p><p>　　根據(jù)不同的需

43、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</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　D類功率放大器</b></p><p>　　D類(數(shù)字音頻功率)放大器

44、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

45、大音頻信號的。</p><p>　?。?） 具有很高的效率，通常能夠達到85%以上。 </p><p>　?。?） 體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。 </p><p>　?。?） 無裂噪聲接通。 </p><p>　?。?） 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。</p><p>　　D類放大

46、器的原理，在三、四章節(jié)在詳細敘述，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。</p><p>　　2.T類功率放大器 </p><p>　　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。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，T

47、ripath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。

48、使聲音的細節(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。</p><p>　　2.3D類功率放大器的原理分析</p><p>　　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

49、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3-1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 </p><p>　　號。這個信號經(jīng)過開關(guān)輸出電路放大，將被放大的脈

50、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2.4所示。</p><p>　　如上圖2.5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。</p><p>　　3 音頻放大器的電路設(shè)計</p><p>　　3.1硬件開發(fā)平臺介紹&l

51、t;/p><p>　　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 Designer 是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計者提供了全新的設(shè)計解決方案，使

52、設(shè)計者可以輕松進行設(shè)計，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計的質(zhì)量和效率大大提高。目前最高版本為Altium Designer 15.0.7 。</p><p>　　電路設(shè)計自動化 EDA（Electronic Design Automation）指的就是將電路設(shè)計中各種工作交由計算機來協(xié)助完成。如電路原理圖（Schematic）的繪制、印刷電路板（PCB）文件的制作、執(zhí)行電路仿真（Simulation）等設(shè)計工作。隨

53、著電子科技的蓬勃發(fā)展，新型元器件層出不窮，電子線路變得越來越復(fù)雜，電路的設(shè)計工作已經(jīng)無法單純依靠手工來完成，電子線路計算機輔助設(shè)計已經(jīng)成為必然趨勢，越來越多的設(shè)計人員使用快捷、高效的CAD設(shè)計軟件來進行輔助電路原理圖、印制電路板圖的設(shè)計，打印各種報表。</p><p>　　Altium Designer 除了全面繼承包括Protel 99SE、Protel DXP在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點外，還增加了許多改

54、進和很多高端功能。該平臺拓寬了板級設(shè)計的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA設(shè)計功能和SOPC設(shè)計實現(xiàn)功能，從而允許工程設(shè)計人員能將系統(tǒng)設(shè)計中的FPGA與PCB設(shè)計及嵌入式設(shè)計集成在一起。 由于Altium Designer 在繼承先前Protel軟件功能的基礎(chǔ)上，綜合了FPGA設(shè)計和嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計功能，Altium Designer 對計算機的系統(tǒng)需求比先前的版本要高一些。</p><p>　　Altium Des

55、igner不僅擁有強大的PCB設(shè)計能力，而且還有強大的邏輯仿真分析能力，是一款特別適合初學(xué)者使用的PCB繪制軟件。它的主要功能包括：1.. 原理圖設(shè)計；2.印刷電路板設(shè)計；3.FPGA的開發(fā)；4 .嵌入式開發(fā)；5. 3D PCB設(shè)計。</p><p>　　3.2電路整體方案設(shè)計</p><p>　　甲類功放的主要優(yōu)點就是電路簡單易行，非線性失真小，適用于小功率的線性音頻放大器，現(xiàn)在甲類功放

56、主要用在高檔功放產(chǎn)品中。而乙類功放與甲類功放最主要的不同點就是靜態(tài)電流小，因此無信號時消耗功率小，可獲得較高的效率；但是，乙類功放在工作時，由于兩只晶體管交替導(dǎo)通與截止，因而，在兩管輸出信號波形的銜接處，會產(chǎn)生交越失真；而且功放管在從反偏到零偏再轉(zhuǎn)為正偏轉(zhuǎn)換時，隨著信號頻率升高，輸出信號就會在時間上延遲，出現(xiàn)所謂的開關(guān)轉(zhuǎn)換失真。因此，在實際Hi-Fi高保真放音系統(tǒng)中，一般不采用乙類功放，而采用線性失真小的甲類功放或甲乙類功放。甲乙類功放

57、是通過改變偏置的方法來減少交越失真，它將甲類功放的高保真度與乙類功放折衷，從而在一定程度上解決了上述效率高與失真大之間的矛盾。而且甲乙類功放的效率可達到78.5% ，故本次設(shè)計采用甲乙類功放。</p><p>　　通過對設(shè)計要求和設(shè)計方案的分析，本課題覺得采用LM1875作為功率放大器。 </p>

58、<p>　　圖3.0系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　確定各級的增益分配方式，放大倍數(shù)Vs. dB數(shù)0dB：一般將信號電平（0dB）即0.775V作為衡量放大器靈敏度的參考標準。</p><p>　　5mV的dB數(shù)為： （3-10）</p><p>　　因為采用的集成芯片LM1875，其輸出功率為20W，則負載上的電壓為 ： </

59、p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　又話筒輸入為5mV，則整個電路的增益為20lg（13/0.005）=68dB?？紤]到音調(diào)級必要的衰減，增益為－2dB左右。所以取整個電路的增益為70dB。則各級的增益如下：1.功放級：26dB（廠家給定的）；2.音調(diào)控制級：-2dB。3.前置放大級：44dB。</p><p><

60、;b>　　3.3部分電路設(shè)計</b></p><p>　　關(guān)于高效音頻放大器的電路設(shè)計，分為多個模擬電路模塊，其中包括脈寬調(diào)制電路、前置及放大電路和驅(qū)動電路以及輸出電路幾個部分。下面幾個小節(jié)將會分別論述幾個電路模塊的設(shè)計方法和原理。</p><p>　　3.3.1脈寬調(diào)制器電路設(shè)計</p><p>　?。?）三角波產(chǎn)生電路。</p>

61、<p>　　三角波的作用是用來調(diào)制音頻信號，對此有兩方面的要求:其一,調(diào)制后的信號可以被完整地恢復(fù)。根據(jù)Nyquist采樣定理，三角波的頻率至少是音頻信號最高頻率的兩倍，人類聽到的聲頻范圍是20 Hz~20kHz，說明三角波的頻率應(yīng)在40 kHz以上，為確保音頻信號的采樣，可取三角波的頻率為150 kHz。其二，三角波要有穩(wěn)定的頻率和幅度，否則，調(diào)制后的脈寬會產(chǎn)生變形，從而降低音頻輸出的信噪比，音質(zhì)變差，噪聲增大。</p

62、><p>　　該電路我們采用滿幅運放 TLC4502 及高速精密電壓比較器LM311來實現(xiàn)，電路圖如圖3.3所示。TLC4502 不僅具有較寬的頻帶，而且可以在較低的電壓下滿幅輸出，保證能產(chǎn)生線性良好的三角波[8]。</p><p>　　載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實現(xiàn)，選擇 150 kHz 的載波，使用四階 Bultterworth LC 濾波器，輸出端對載頻的衰減大于 6

63、0dB，滿足設(shè)計的要求，所以我們選用載波頻率為150 kHz。</p><p>　　電路參數(shù)的計算：在 5V單電源供電下，我們將運放 5 腳和比較器3 腳的電位用R8調(diào)整為 2.5 V，同時設(shè)定輸出的對稱三角波幅度為 1 V(Vp-p＝2V)。若選定R10為 100 kΩ，并忽略比較器高電平時R11上的壓降，則R9的求解過程如下：</p><p><b>　?。?-1）</

64、b></p><p><b>　　所以取為39K。</b></p><p>　　選定工作頻率為f=150kHz，并設(shè)定，則電容的計算過程如下：</p><p>　　對電容的恒流充電或放電電流為：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　則電容

65、兩端的最大電壓值為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中為半周期，=。的最大值為2V，則</p><p>　?。?-4） （3-5）</p><p>　　取=220Pf，取=10k，取為20K的可變電位器。使電路的震蕩頻率f在150KHZ左右可調(diào)。通過使產(chǎn)生的三角波，在以2

66、.5V上下1V震蕩。</p><p><b>　　（2）比較器電路</b></p><p>　　選用LM311精密，高速比較器，電路如圖3.4所示，因供電為5V單電源，為給V+=V-提供2.5V 的靜態(tài)電位，取R12=R15，R13=R14，4個電阻均取 10 kΩ。由于三角波Vp-p=2V，所以要求音頻信號的Vp-p不能大于2V否則會使功放產(chǎn)生失真。</p&g

67、t;<p>　　3.3.2前置放大器電路設(shè)計</p><p>　　如圖4.6所示。設(shè)置前置放大器，可使整個功放的增益從1～20連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。當功放輸出的最大不失真功率為1W時，其8Ω上的電壓Vp-p=8V，此時送給比較器音頻信號的Vp-p值應(yīng)為2V，則功放的最大增益約為4（實際上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其電壓增益要略大于 4）[7]。因此必須對輸入</p&

68、gt;<p>　　圖3.6 前置放大電路</p><p>　　的音頻信號進行前置放大，其增益應(yīng)大于 5。前放仍采用寬頻帶、低漂移、滿幅運放TLC4502，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。選擇同相放大器的目的是容易實現(xiàn)輸入電阻Ri≥10kΩ的要求。同時，采用滿幅運放可在降低電源 電壓時仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求輸入電阻Ri大于10kΩ，故取R1=R2=51kΩ，則Ri=51/2=2

69、5.5kΩ，反饋電阻采用電位器R4，取R4=20kΩ，反相端電阻R3取 2.4kΩ，則前置放大器的最大增益Av為：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　調(diào)整使其增益約為8，則整個功放的電壓增益從0~32可調(diào)。</p><p>　　考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值,取=2V，則要求輸入的音頻信號最大幅度。

70、如果超過250mV，則輸出會產(chǎn)生波削失真。</p><p>　　3.3.3 驅(qū)動電路與輸出電路設(shè)計</p><p>　　如圖3.8 所示。將 PWM 信號整形變換成互補對稱的輸出驅(qū)動信號，用 CD40106 施密特觸發(fā)器并聯(lián)運用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補對稱式射極跟隨器驅(qū)動的輸出管，保證了快速驅(qū)動。驅(qū)動電路晶體三極管選用 2SC8050 和 2SA8550 對管。&l

71、t;/p><p>　　對VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。因輸出功率稍大于 1W，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動的對管，IRFD120 和IRFD9120 VMOS對管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實際電路如圖 3.9 所示?；パaPWM開關(guān)驅(qū)動信號交替開啟Q5和Q8或Q6和Q7，分別經(jīng)兩個4階 Butterworth濾波器濾波后推動喇叭工作。這個H橋具有兩個半

72、橋開關(guān)電路，它們?yōu)闉V波器提供相反極性的脈沖，其中濾波器包含兩個電感器、兩個電容器。每個半橋包含兩個輸出晶體管，一個是連接到正電源的高端晶體管MH，另一個是連接到負電源的低端晶體管ML。全H橋電路通常由單電源（VDD ）供電，接地端用于接負電源端（VSS）。四個高頻MOSFET功率管，當PWM信號為高電平時,Q5、Q8導(dǎo)通,Q6、Q7截止，電流從電阻的正極流向負極；當PWM信號為低電平時，Q5、Q8截止，Q6、Q7導(dǎo)通，電流從電阻的負極流

73、向正極。功率管開關(guān)的頻率等于PWM信號的頻率。對于給定的VDD和 VSS，H橋電路的差分方式提供的輸出信號是單端方式的兩倍，并且輸出功率是其四倍。半橋電路可由雙極</p><p><b>　　4 系統(tǒng)調(diào)試與仿真</b></p><p>　　4.1測試步驟和工具介紹</p><p><b>　　1.測試步驟介紹</b><

74、;/p><p><b>　?。?）準備元器件</b></p><p><b>　?。?）焊接電路</b></p><p><b>　?。?）線路檢測</b></p><p><b>　?。?）模塊測試</b></p><p><b

75、>　?。?）系統(tǒng)測試</b></p><p><b>　　2.測試工具</b></p><p>　　鑷子、剪線鉗、電烙鐵、萬用表、直流電源、數(shù)字信號發(fā)生器、示波器。</p><p><b>　　4.2測試過程</b></p><p>　　焊接好電路，檢查無誤后通電，用示波器觀察輸出

76、波形，調(diào)節(jié)電位器使之起震并產(chǎn)生振幅為上下1V，頻率為150kHz的三角波。其產(chǎn)生的信號用示波器觀察如下圖4.1所示：</p><p>　　由上圖4-17可以看出，三角波發(fā)生器產(chǎn)生了穩(wěn)定的，頻率為149.529kHz的三角波，因此本模塊的設(shè)計不但能從仿真上達到目的，而且實踐中也很好的達到了設(shè)計的目的。由示波器中顯示波形可知，由三角波發(fā)生器和比較器組成了PWM調(diào)制器，將正弦信號調(diào)制成了寬度不同的等副信號，達到了設(shè)計的

77、要求。然后，將測試好的三角波發(fā)生器和比較器相連接，在比較器的另一端輸入在2.5V上下，振幅為2V，頻率為3kHz的正弦信號，用示波器觀察其輸出。將前面測試好的PWM調(diào)制模塊、驅(qū)動模塊、低通濾波器模塊都焊接好，檢查無誤后，將這三個模塊連接起來，通電源，用函數(shù)信號發(fā)生器給不同頻率的正弦信號，用示波器觀察輸出。</p><p><b>　　4.3測試結(jié)果分析</b></p><

78、p>　　將所有模塊連接在一起，用函數(shù)信號發(fā)生器給適當?shù)妮斎胄盘枺檬静ㄆ饔^察其輸出。并記錄其幅度，計算其最大不失真功率、效率.</p><p>　　最大不失真輸出功率測試數(shù)據(jù)如下表4-1所示：</p><p>　?。?）效率的測量 測試數(shù)據(jù)如下表4-2所示：</p><p>　　功放的效率和最大不失真輸出功率與理論值還有一定差別，其原因有以下幾個方面：<

79、/p><p>　?。╝）功放部分電路存在的靜態(tài)損耗，包括 PWM 調(diào)制器、輸出驅(qū)動電路及 H 橋輸出電路。這些電路在靜態(tài)時均具有一定的功率損耗，實測結(jié)果其 5V 電源的靜態(tài)總電流約為 30 mA，即靜態(tài)功耗 P 損耗=5×30=150mW。那么這部分的損耗對總的效率影響很大，特別對小功率輸出時影響更大，這是影響效率提高的一個很重要的方面。</p><p>　?。╞）功放輸出電路的損耗

80、，這部分的損耗對效率和最大不失真輸出功率均有影響。此外，H 橋的互補激勵脈沖達不到理想同步，也會產(chǎn)生功率損耗。</p><p>　?。╟）濾波器的功率損耗，這部分損耗主要是由 4 個電感的直流電阻引起的。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　此次畢業(yè)設(shè)計是我大學(xué)生活重要的一步。從最初的選題，開題到寫論文直到完成論文。其

81、間，查找資料，老師指導(dǎo)，與同學(xué)交流，反復(fù)修改論文，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。 通過這次實踐，我了解了音頻功率放大器用途及工作原理，熟悉了音頻功率放大器的設(shè)計步驟，鍛煉了設(shè)計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設(shè)計能力。此次畢業(yè)設(shè)計是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識一次實際檢驗和鞏固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。 畢業(yè)設(shè)計收獲很多，比如學(xué)會了查找相關(guān)資料相關(guān)標準，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的制作能力。 </p><p&

82、gt;　　但是畢業(yè)設(shè)計也暴露出自己專業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解等等。由于時間有限，未能完成全部安裝與調(diào)試工作，對設(shè)計結(jié)果沒有作出最后的檢驗，也感到遺憾。這次實踐是對自己大學(xué)三年所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己知識還很不全面。馬上要畢業(yè)了，自己的求學(xué)之路還很長，以后更應(yīng)該在工作實踐中不斷學(xué)習(xí)，努力使自己 成為一個對社會有所貢獻的人。作為一名即將畢業(yè)的大學(xué)生，我覺得這一次的畢業(yè)設(shè)計對我來說，是一次對大

83、學(xué)學(xué)習(xí)情況的自我的檢驗，同時也是為以后進入研發(fā)崗位的考驗。不僅僅是一次課題設(shè)計，也是一次經(jīng)驗的積累和能力的提高。這一次的畢業(yè)設(shè)計，讓我充分意識到自己的進步和不足，也為我自己今后的工作和學(xué)習(xí)，提供了參考的依據(jù)。比如在硬件的設(shè)計上，總是忽略一些細節(jié)問題，在軟件設(shè)計上，邏輯思維總是不夠完美，導(dǎo)致經(jīng)常調(diào)試很久都跳不出相應(yīng)的效果。我不怕失敗，也不怕困難。這一次的畢業(yè)設(shè)計，必將激勵我在以后的學(xué)習(xí)和生活中不斷進步和永不放棄。</p>&

84、lt;p>　　最后敬請各位專家、老師和同學(xué)對論文的不足和謬誤之處提出寶貴的指導(dǎo)意見和建議，謝謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　曾廣興.現(xiàn)代音響技術(shù)應(yīng)用[M].廣東科技出版社,2010.</p><p>　　張平.關(guān)于音頻功率放大器的應(yīng)用[J].安陽大學(xué)學(xué)報，2009.</p><p

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88、[J].2004.</p><p>　　Choong Moon Lee. The Sillieon Vallery edage [M],Stab-ford University Press.2011.</p><p>　　Atmel.AT89S51DataSheets[EB/OL].http://www.21ic.com,2012.</p><p><b>

89、;　　.</b></p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在短短的幾個月的畢業(yè)設(shè)計的過程中，我不僅學(xué)到許多以前在課堂上沒有接觸的知識和方法，讓我的實踐操作能力得到了很高的提升。而且還見證了深深的同學(xué)之誼，還有難忘的師生之情。所以，我必須要特別要感謝在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，總是不厭其煩的幫助我的老師和不斷鼓勵我的同學(xué)，是他們給了我完成課題

90、設(shè)計的勇氣，永不放棄的決心，使得我能夠克服一個又一個的困難，至始至終沒有放棄，最終順利完成我的畢業(yè)設(shè)計！</p><p>　　讓我感觸最深的是我尊敬的美女老師——##老師，她在單片機的開發(fā)設(shè)計上的造詣讓我深深的折服，她的孜孜不倦的精神讓我十分感動，當我有疑問向她請教時她總是能夠很清晰的找到我問題的關(guān)鍵點，完美為我闡述問題的本質(zhì)和核心，正是周老師的悉心指導(dǎo)和不斷努力，讓我在程序編寫上少走了很多彎路，最終編寫完成了完

91、整可行的程序代碼。并且在最后的硬件設(shè)計階段周老師更是犧牲自己的休息時間為我指導(dǎo)，我要向她表示由衷的感謝！</p><p>　　與此同時，我要特別感謝（某某、某某、某某）等幾位同學(xué)，我時常和他們討論我在設(shè)計過程中遇到的問題，他們了我很多寶貴的意見和想法，為我提供了很多的參考書目，在我最需要的時候給我鼓勵和幫助，在這里我深深說一句：謝謝你們！（建議你自己按照自己的具體情況，進行相關(guān)應(yīng)該）</p><