毕业设计——D类音频功率放大器设计

　　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300~3400HZ，输出功率1W，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，滤波器采用两个相同的四阶 Butterworth 低通滤波器。

　　关键词 : D类功率放大器 H桥驱动 脉宽调制

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　　This project involves a high efficiency and energy saving, digitization, small volume, light weight and other characteristics of the class D audio power amplifier. Adapt to the portable device and the objective requirements of high efficiency energy saving. Comply with the objective requirements of the market. Thus in the audio integrated field has a great advantage. With the continuous progress of design technology of D type power amplifier requirements are also rising, based on CMOS technology class D audio power amplifier structure, drive, distortion and other aspects of the characteristics of circuit design. The purpose of this paper is to design a class D audio power amplifier, can amplify the audio signal, the amplifier pass band to achieve 300 ~ 3400HZ, 1W output power, output signal without significant distortion. According to the principle of class D power amplifier are respectively designed preamplifier module, triangle wave generating module, comparator module, drive module, H bridge complementary symmetry output and low pass filter module. The triangle wave generator and comparator is composed of pulse width modulation ( PWM ) module, H bridge complementary symmetry output circuit adopts the drive current is small, low resistance and good switching characteristics of VMOSFET tube, filter using two identical four order Butterworth low pass filter.

　　Key words: class D power amplifier H bridge driver pulse width modulation

　　目 录

　　摘 要 .................................................... I

　　第1章 任务与要求 ........................................ 1

　　1.1课题概述 ..................................................... 1

　　1.2 设计内容与要求 .............................................. 1

　　1.3 参数要求 .................................................... 1

　　第2章 绪论 .............................................. 2

　　2.1 研究背景 .................................................... 2

　　2.2 论文研究目标和意义 .......................................... 2

　　2.3 论文章节安排 ................................................ 3

　　第3章 方案论证与设计 .................................... 4

　　3.1 总体设计分析 ................................................ 4

　　3.2 原理分析 .................................................... 4

　　3.2.1 D类放大器的原理 ........................................... 4

　　3.3 系统设计 .................................................... 5

　　3.4 方案的设计与选择 ............................................ 5

　　3.4.1 三角波模块方案的设计 ................................... 5

　　3.4.2 高速开关电路 ........................................... 5

　　3.4.3 滤波器的选择 ........................................... 6

　　3.4.4 信号变换电路 ........................................... 6

　　3.4.5 功率测量电路 ........................................... 6

　　第4章 硬件电路设计 ...................................... 8

　　4.1硬件电路 ..................................................... 8

　　4.1.1 三角波发生器 .............................................. 8

　　4.1.2 放大电路 ............................................... 8

　　4.1.3 脉宽调制比较器 ......................................... 9

　　4.1.4 驱动电路、H桥及低通滤波电路 .......................... 10

　　4.1.5 保护电路 .............................................. 11

　　4.1.6 信号变换电路 .......................................... 12

　　4.1.7 真有效值转换电路 ...................................... 12

　　第5章 电路调试 ......................................... 14

　　5.1 调试的设备 ................................................. 14

　　5.2 硬件电路调试步骤 ........................................ 14

　　5.2.1 不通电检查 ............................................ 14

　　5.2.2 通电检查 .............................................. 14

　　5.2.3 测试和调整 ............................................ 14

　　5.2.4 整机联调 .............................................. 15

　　5.3 实际测试的参数 ............................................. 15

　　5.3.1 三角波发生器电路 ...................................... 15

　　5.3.2 脉宽调制比较器 ........................................ 16

　　第6章 使用说明与总结 ................................... 17

　　6.1 使用方法 ................................................... 17

　　6.1.2 注意事项 .............................................. 17

　　6.2 故障分析 ................................................... 17

　　6.3 总 结 ...................................................... 17

　　6.2.1 原理图设计中要注意的事项 .............................. 17

　　6.2.2 安装过程总结 .......................................... 17

　　6.2.3 单元电路调试总结 ...................................... 17

　　6.2.4 PCB设计应注意的问题 .................................. 18

　　6.2.4 整机指标测试总结 ...................................... 18

　　参考文献 ................................................ 19

　　致 谢 .................................................. 20

　　附件A：总原理图 ........................................ 21

　　附件B：PCB图 ........................................... 22

　　附录C：元件清单 ........................................ 23

　　第1章 任务与要求

　　1.1课题概述

　　设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻。

　　1.2 设计内容与要求

　　1） 确定设计方案，绘制电路原理图。

　　2） 设计印刷板电路。

　　3） 试制本机（含外观设计）。

　　4） 确定本机测试方案。

　　5） 本课题组必须制作两组实物。

　　6） 现场测试、写出测试报告

　　1.3 参数要求

　　1）功率放大器

　　a．3dB通频带为300Hz～3400Hz，输出正弦信号无明显失真。 b．最大不失真输出功率≥1W。

　　c．输入阻抗10k，电压放大倍数1～20连续可调。

　　d．低频噪声电压（20kHz以下）≤10mv，在电压放大倍数为10，输入端对地交流短路时测量。

　　e．在输出功率500mW时测量的功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）≥50%。

　　2）具有输出短路保护功能。

　　3）设计并制作一个测量放大器输出功率的装置，要求具有3位数字显示，精度优于5%。

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　　第2章 绪论

　　2.1 研究背景

　　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，数字化的显著特点，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 论文研究目标和意义

　　本文通过分析全球音频领域数字化的浪潮及人们对节能环保的要求，了解到时代迫使人们尽快研究开发高效、节能，数字化的音频功率放大器。而且，它应该具有工作效率高，便于与其他数字设备相连的特点。

　　对于传统的音频功率放大器工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减少了功率器件的承受功率，但在较大的功率情况下，仍然对功率器件构成极大地威胁，功率输出受到限制。模拟功率放大器还存在以下的特点：

　　电路复杂，成本高。常常需要设计复杂的电路和过流，过压，过热等保护，体积较大，电路复杂。效率低，输出功率不可能做的很大。

　　D类开关音频功率放大器的工作基于PWM模式：将音频信号与采样频率比较，经过自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成成正比变化的PWM波，然后经过驱动电路，加到功率MOS的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的PWM信号送入滤波器，则还原音频信号。

　　D类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际的运用也可达80%以上。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大地减少散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。功率MOS有自我保护电路，可以大大的简化保护电路，而且不会引起非线性失真。这样可以更好的跟上了音频领域数字化的浪潮同时也满足了人 2

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　　们对节能环保的要求。具有一定的现实意义。

　　2.3 论文章节安排

　　本论文大致可分为三个部分：第一部分主要介绍了功率放大器的一些基本知识；第二部分包含第三章至第六章，介绍了D类功率放大器的制作与原理；第三部分包括

　　第七章，是论文总结及未来相关展望。

　　本文的内容组织安排如下：

　　第一部分主要讲述论文的研究背景、论文研究目标以及章节安排。

　　第二部分系统地介绍了在整个项目制作过程中我们由设计方案的选择与确定到最终整个项目的完成过程中，我们所做的一些具体事项。例如：方案确定后我们对这个项目实施的一些安排与调试等情况。

　　第三部分对我们这个项目进行了总的一个概括，以及我们对整个项目的总结与心得。

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　　第3章 方案论证与设计

　　3.1 总体设计分析

　　本课题设计的是一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻。通过分析此项目可分为D类功率放大器、信号转换电路、及功率测量显示装置等模块完成并实现器功能。

　　3.2 原理分析

　　3.2.1 D类放大器的原理

　　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。理想的晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种损耗只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。

　　D类功放按其结构可以分为三个部分。

　　第一部分为调制器，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1:1；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1:1。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，成为PWM（Pulse Width Modulation 脉宽调制）或者PDM（Pulse Duration Modulation 脉冲持续时间调制）波形。音频信号被调制到脉冲波形中

　　第二部分就是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。

　　第三部分需要把大功率PWM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 4

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　　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。

　　3.3 系统设计

　　通过对项目要求与实际情况的分析，我们决定采用脉宽调制方式实现的D类功率放大器和信号变换电路及显示电路组成。系统原理框图如下图。

　　图3-1 系统设计

　　3.4 方案的设计与选择

　　3.4.1 三角波模块方案的设计

　　方案一 ：用普通PWM芯片做为三角波发生器。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。

　　方案二 ：根据要求，我们自行设计了三角波发生电路。误差放大电路及电压比较器，从而达到脉宽调制的目的，其中关键是三角波发生器。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。我们选用555定时器恒流源充放电产生三角波，受到很好的效果。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。 3.4.2 高速开关电路

　　方案一：采用推挽单端输出方式，如图3-1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。

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　　图3-1 高速开关电路

　　方案二：选用H桥输出方式（如图3-2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3-2 H桥

　　3.4.3 滤波器的选择

　　方案一：利用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器，缺陷是负载上的高频分量电压没用得到充分衰减。

　　方案二：利用四个相同的二阶Butterworth低通滤波器，在保证同频带的前提下使负载的高频分量电压充分得到衰减。

　　3.4.4 信号变换电路

　　方案一：可采用三个运算放大器或单个运算放大器搭制双端信号变单端信号的电路，但是这样做很难达到电阻平衡且电路复杂。

　　方案二：采用低噪音、高速运算放大器芯片NE5532设计该电路，

　　3.4.5 功率测量电路

　　方案一：使用模拟电路，将电压值转换为功率值。通过一定的电路将其送至三位表头显示。

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　　方案二：使用单片机系统。系统采集信号变换电路输出的单端信号的模拟量，经A/D转换为数字量，送至LED显示。

　　通过分析方案二的硬件电路更适合电路的制作与调试

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　　第4章 硬件电路设计

　　4.1硬件电路

　　4.1.1 三角波发生器

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