高效率音频放大器毕业论文.docx

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1、高效率音频放大器毕业论文目录一、弓I言2二、音频功率放大器3（-）背景3（-）发展4（三）指标61、最大输出功率62、脉冲宽度调制63、转换速率8（四）分类91、A类放大器92、B类放大器103、AB类放大器114、D类放大器12三、D类功率放大器的原理13四、D类音频功率放大器的设计14（-）设计任务与要求141、设计任务142、设计要求14（二）方案论证15（三）各部分电路分析与计算161、脉宽调制电路162、前置放大电路203、短路保护电路224、驱动电路225、H型互补对称输出电路236、信号变换电路237、功率测量及显示电路23（四）部分电路的仿真电路241、前置放大器的仿真电路24

2、2、比较器的仿真电路25五、系统仿真数据25六、结论26参考文献27一、引言电子信息技术几乎主宰了整个电器行业的发展，随着电子技术的进步发展在功率放大器的设计上功能也不断地更新。功率放大器在家电、数码产品中的应用也越来越广泛，与我们的日常生活有着密切的关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉、音质的享受，在大多数的情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促进消费者购买产品的一个重要因素。音频功率放大器作为音响等电子设备的后缀放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果，同时音频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。目前，音频功率放大

3、器仍以模拟功放为主流产品，模拟功放经历了数十年的不断改进和完善，其技术已发展到了顶峰。模拟类功放是以线性放大为基础，功率放大器件有电子管和晶体管两类，按功放静态工作点的设置可分为A类放大、A/B类放大和C类放大三种。晶体管功放的最大优点是电源转换效率高（C类功放最大可达55%）、体积小、重量轻、发热量不大、生产成本低；缺点是转换效率低、偶次谐波失真大，音质和可靠性指标都略逊于电子管功放。随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各种实用性指标和可靠性指标都有了很大的改善，并不断向更大的输出功率、更小的体积、更轻的重量、更多的功能和智能化方向发展。二、音频功率放大器（一）背景进入21世纪以后，

4、各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的，都希望能够有较长的使用寿命。在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了，它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。高保真音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要，因为功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高

5、档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率，这时低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想一一如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz20kIIz,因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应（驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭）。根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。（二）发展D类工作模式在1959

6、年由Baxandall首先提出，即使用脉冲形式的信号来驱动高速的功率开关，该脉冲信号一般都是脉宽凋制（PWM）信号，它的低频部分包含了调制信号的信息，通过一个低通滤波器以后，可以将调制信号重现。从60年代起，人们就开始尝试研制D类放大器，最早是想用真空管来研制D类放大器，但由于受到真空管在电压降和电流能力方面的限制，降低了放大器的效率，限制了放大器的输出。在60年代后期，双极型晶体管取代了真空管，此时研制低频高效D类放大器的条件已经成熟，然而由于I）类放大器需要在高频条件下工作，其工作频率至少为20KHz音频频率的45倍，因此在这样的高频下，使用双极型晶体管会产生连续的开关损耗，这限制了 D类

7、放大器效率的提高。直到1970年金属氧化物半导体场效应管出现后，满足了 D类放大器对高开关速度和低导通损耗的要求,实现了高性能的开关器件，这才开发出宽频带D类音频功率放大器，D类音频功率放大器从一经问世立即显示出其高效、节能、数 字化的显著特点,引起了电子工业界的广泛关注。由于现在设计技术的不断提高，D类音频功率放大器的性能得到了突飞猛进的改善，在音质方面已经逐渐追上了 AB类的性能，这使得其近年来在市场上有极快的发展，根据专业调研公司的数据，2005年全球D类音频放人器销售总值己达2亿美元以上，2006年增长至约3.5亿美元，而2008年市场需求将会超过6亿美元，按照这样的增长速度，预计到2

8、010年将达到10亿左右的规模，发展前景十分乐观。目前D类音频功率放大器市场中的主流产品几乎都来自欧美的各大半导体设计公司，如美国国家半导体(National)、德州仪器(TI)、美信(Maxim)和Tripath公司，此外还有欧洲的意法半导体(ST)、欧胜(Wolfon Micro)和飞利浦(PHILIPS)等，而包括台湾在内的中国半导体企业都极少有能够与他们竞争的产品。国际方面，首先介绍的是美国的Tripath公司，该公司拥有称为数码功率处理(DPPTM)的专利技术，此技术采用多种信号处理技术，包括自适应预处理、噪声整形、预失真处理和一E调制电路，进一步减小了失真和噪声，确保了音频高保真性

9、能的同时也完成了高效率的放大，Tripath公司将基于DPPTM原理设计的放大器称为T类放大器，该类放人器具有高保真、高效率、体积小、重量轻等特点，该类放大器在推动40hm负载时功率可达90W, THD+N小于0.1%,效率高达90%。作为全球D类音频功率放大器行业的领先公司，TI于2005年5月推出较为先进20W单声道高功率数字输入D类音频放大器TPA3200D1,该芯片突破传统的模拟输入，向全数字化功放更进一步，该芯片在18V电源电压下推动80hm负载时功率可达20W, THD+N小于0.1%,效率高达85%以上。另外，NS, ST, PHILIPS, YAMAHA等公司也纷纷推出自主设计

10、的D类音频功率放大器，如NS的LM系列，ST的sTA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等等。国内方面，1998年11月，成都天奥公司发布了具有自主知识产权的D类音频功率放大器，并于2000年研制出6通道专用芯片DPPC2006,其转换效率达到了 90%以上，目前,该公司数字音频功放IC已广泛应用于DVD、汽车音响、家庭影院和背投电视等领域。2005年12月，成都华微数字音频功放芯片7T发与模块制造项目己成功通过国家电子信息发展基金办公室验收，并得到高度评价。同时诸多公司也己开始或者有计划向D类音频功放芯片化方向投入大量人力与物力，种种迹象表明，近几年，国内公司在D类音频

11、功率放大器开发方面将作出突破。因此，对D类音频功率放大器的相关技术进行研究具有非常重要的意义。（三）指标输出功率反映音频功率放大器的负载能力，通常音频放大器厂家会提供产品的在一定工作电压和额定负载下的最大输出功率。芯片的效率在不同的条件下肯定也不相同。2、脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）,是英文Pulse Width Modulation的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图2-1所示为脉冲宽度调制系统的原

12、理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为7；的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A,否则输出0。因此，从图中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。，PWMIkKTst;(a) 调制原理图(b)调制的波形图锯齿波发生器图2-1 PWM原理与波形图通过图2-1的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻人时的语音信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中人的情况，均匀采样和非均匀采样差异非常小。如果假定采样为均匀采样，第k个矩形脉冲可以表示为：rx=r0(l

13、+ mxkT(2-1)其中，xt是离散化的语音信号；7；是采样周期；7。是未调制宽度；m是调制指数。然而，如果对矩形脉冲作如下近似：脉冲幅度为A,中心在t二kT5处,人在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波(。可以表示为:x (r)=1+mXO+sinn以coW(2-2)其中,。二等1 +如无需作频谱分析，由式(2-2)可以看出脉冲宽度信号由语音信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当7;时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点

14、.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。3、转换速率功放的转换速率涉及它的高频性能,转换速率越高，高音的音质越佳。功率放大器的转换速率的定义是放大器瞬时输出电压上升（或下降）的最大时间变化率，即输出电压对时间的最大导数（手）。它反映了放大器跟随能力dt的大小。由于现代立体声音乐节奏强烈，信号变化量大,而且又有较多中、高频分量的打击乐器,这就要求放大器须有跟得上输入信号跃变的速率。衡量放大器的响应速度一般是用电压转换速率。其定义是在1微秒时间里电压升高幅度。转换速率低的功率放大器瞬态响应差,而转换速率相

15、当高（数百V/us）的功率放大器，稳定性差，而且还有可能引入噪声和干扰。转换速率究竟以多大为最佳，目前尚无定论,根据信号源与听感要求,转换速率在30100 V/ u s的功率放大器比较符合需要。由于晶体管功放的开关速度（与转换速率有关的一个参数）没有电子管功放那么快，因此它的转换速率也没有电子管功放那么高。现今晶体管功放的转换速率一般可做到10-15V/USo MOS-FET场效应晶体管功放的转换速率可达到5070V/US,即达至I电子管功放同样的水平，因此高音音质非常清晰,层次分明。（四）分类根据不同的需要出现了各种类型的功率放大器，分为线性功率放大器和数字功率放大器（D类功率放大器和T类功率放大器），线性功率放大器按导通角又分为A类、B类、AB类功率放大器。1、A类放大器A类功放也被称为甲