数字集成功率放大器设计

目录
1数字集成功率放大器设计概述 (1)
2数字集成功率放大器整体电路设计 (2)
2. 1输入切换部分的设计 (2)
2.1.1 TC9152P组成电路图 (2)
2.1.2 TC9152P应用电路说明 (3)
2.1.3 TC9152P主要元件参数说明 (4)
2.2数字音量控制部分设计 (4)
2.2.1 TC9153组成电路图 (4)
2.2.2 TC9153应用电路说明 (5)
2.2.3 TC9153主要元件参数说明 (5)
2.2.4 TC9153组成电路的屏蔽 (5)
2.3功率放大器部分设计 (5)
2.3.1 TDA7481的特点 (6)
2.3.2 TDA7481的引脚及参数说明 (7)
2.3.3 TDA7481的外围电路 (8)
2.3.4 TDA7481的相关计算 (8)
2.4电源部分电路设计 (9)
3设计总电路图 (12)
4结论 (13)
参考文献 (14)
致谢 (15)
附录 (15)
摘要
本设计采用TDA7481芯片组成的数字集成功率放大器，加入了音源选择电路，该选择器可以在TUNER、TAPE、CD、AUX1、AUX2之间任意切换，大大方便了整机的适用性。

另外在音量控制部分已改传统电位器控制的做法，选用了数字轻触式按键控制，这样可以方便操作和延长寿命。

由于选用D类功率放大器，其输出功率大、效率较高、失真较小，使整机具备了很多良好的性能。

关键词：TDA7481；效率；D类功率放大器
Abstract
This design used the TDA7481 chip composing the digital integration power amplifier, joined the sound source selecting circuit which contain TUNER, TAPE, CD, AUX1 and AUX2,and then it greatly improved the applicability of the equipment. Another, at the part of volume controlling, in order to simplify the operation and last its life, the traditional potentiometer controlling was changed into digital button-click controlling. Because of the Class-D amplifier assembled, and its high power of output, high efficiency, and small distortion, the whole equipment has many good performances.
Key words: TDA7481;efficiency;Class-D amplifier asembled
1数字集成功率放大器设计概述
该集成功率放大器是集成了数字音量控制（TC9153），音源选择（TC9152P）的D 类功率放大器，功率放大部分选用TDA7481。

在音源选择器件上可以输入五组音源信号，通过五个选择开关和五个LED显示和控制五组不同的音源信号。

在音量控制方面，改善了以往旋钮式的音量调节，改用按键式来调节，加强了整机的方便性和实用性。

D类功率放大器是工作于开关状态的开关型高频功率放大器[1]。

关于脉宽调制的D 类音频功放[2]，在过去近半个世纪，国外杂志不断地进行过探讨报道。

由于放大器工作于开关状态，因此其主要特点是输出效率高，即一般在%
%
85—以内，这对输出功率
90
较大的放大器比较重要[3]。

但其失真度指标达到Hi-Fi的要求尚有相当的距离。

现在所有已知D类PWM功放的谐波失真度THD约为0.1%—0.01%，但当功率大于50W时很难达到这个范围的指标[4]。

虽然采用PWM制作的音频功放，感到音乐味不太浓；其次强力的PWM载频必然造成中短波波段严重的电磁干扰，这恐怕是现有滤波设计无法满意解决的难题。

尽管如此，在大屏幕彩色电视机的伴音输出级、多媒体电脑的音频部分和车载立体声系统中，PWM功放的上述缺点显得并不重要，于是找到了它的用场。

D类音频功率放大器的理论与技术基础是PWM调制技术。

PWM控制是利用冲量等效原理[5]，其理论为：大小波形不同的窄脉冲作用于惯性系统时，只要它们的冲量、即变量对时间的积分相等，其作用效果即响应基本相同。

因此，N个等宽但幅值随控制信号变化的脉冲与N个等幅但宽度随控制信号变化的脉冲，只要对应脉冲和时间轴所包围的面积相等，则两信号对惯性电路作用等效。

故D类功放主要是将输入音频对高频振荡进行脉宽调制即SPWM调制[6]，使高频脉冲宽度随音频而变化，即调制，然而将这些脉冲进行功率放大，经过滤波电路输出即可[7]。

主要技术指标：
（1）输出功率：大于15W/4Ω；
（2）频率范围：20Hz-20kHz±3dB；
（3）灵敏度：100mV/47kΩ；
（4）失真度：小于0.1%（10W/4Ω）；
（5）效率：大于80%。

2数字集成功率放大器整体电路设计
按照系统设计功能的要求，系统由4个模块组成：电源、数字音调控制、输入切换、功率放大器。

结构框图如图1所示。

图1 集成数字功率放大器机构框图
2. 1输入切换部分的设计
输入切换部分即音源选择部分，该部分选用TC0152P组成电路，有五组输入端口，各分为左声道输入和右声道输入，并有五个轻触式按键来控制要输入的音源信号。

当选择那一组输入端时，相对应的LED指示灯亮起。

当有多组音频信号同时输入时，只支持一组信号工作。

2.1.1 TC9152P组成电路图
图2 TC9152P应用电路图
2.1.2TC9152P应用电路说明
本电路采用日本东芝公司的音响专用模拟开关集成电路—TC9152P，性能优越，外围电路简单，工作电压范围大，适合于电子轻触式的高保真音响中作为功能转换开关用。

TC9152P是一个五功能的立体声线路开关，单、双电源下均可工作，工作电压范围大（7.5V~30V）。

本电路采用±12V电源，如原理图所示：24、12脚分别接正、负电源；
6 ～10脚为第一至第五组开关的L声道输入端，18～14脚为第一至第五组开关的R声道输入端，11 、13分别为L、R声道输出端；23～19脚分别为第一至第五组开关的控制端，这里分别对应TUNER、TAPE、CD、AUX1、AUX2，当其中某一脚被高电平V 触发时，相应的L、R声道开关接通，另外四组开关则断开，同时，该脚输出高电平，驱
动LED 显示工作状态，这几个脚的驱动能力较强，输出电流可达20mA ；2 脚为功能禁止端，接零电平时，开关控制脚19～23不起作用，通常情况下接正电源；3脚外接R 5、C 5决定时钟频率OSC f ，本电路OSC f 约为15Hz ；4脚接正电源时，所有开关都被断开，通常该脚接零电平。

利用该脚可将多块TC9152P 组合在一起使用；5脚为静噪输出端，平为零电平，在开关转换的过程中该脚输出高电平CC V 。

2.1.3TC9152P 主要元件参数说明
由于该芯片的外围电路为东芝公司直接给出的，有关一些参数的取值均采用其典型值。

2.2数字音量控制部分设计
在音量控制部分采用TC9153芯片，组成+9V 供电。

通过两个轻触式按键来调节音量增或减。

2.2.1TC9153组成电路图
图3 TC9153应用电路图
2.2.2TC9153应用电路说明
TC9153是日本东芝（TOSHIBA）公司推出的CMOS高保真音量控制专用集成电路。

该电路的特点是功耗较低，电流约为1～3mA。

失真小，THD≤0.005%。

音量衰减范围为0～－66dB，每2dB为一步。

以轻触式按键控制音量，改善了传统电位器使用寿命不长，噪声大等缺点。

电路如图3所示，输入信号从3、14脚进入，控制后的音量从6、11脚输出。

7、16分别加入（+9V）直流电压。

1、2、4、5、12、13、15脚接地。

S1、S2分别为音量增减控制，每按动一次变化为2dB。

2.2.3 TC9153主要元件参数说明
芯片组成电路也为东芝公司推出的，其元件的各个参数均采用其给定的典型值。

其中输入电流为1～3mA，输入电压为+9V。

C5为4.7 的漏电电容。

2.2.4 TC9153组成电路的屏蔽
电路的工作环境一般有许多电磁干扰源，它们所产生的电磁波和尖峰脉冲，可通过接线电容耦合、电感耦合、或交流电源线进入放大电路，只要第一级引入一点微弱的干扰电压，经过各级放大，经过电路的输出端就有一个较大的干扰电压。

为了减小外界干扰，可采用屏蔽措施。

屏蔽有静电屏蔽和磁场屏蔽两种。

屏蔽的结构一般可以用铜、铝等金属薄板材料制成，它可以将干扰源或受干扰的元件用屏蔽罩屏蔽起来，并将它妥善接地。

2.3功率放大器部分设计
功率放大器部分为本设计最重要部分，考虑设计指标要求整机效率在80%以上，因此选用TDA7481作为功率放大的器件。

因为TDA7481为18W单声道D放大器，所以在整体电路中应使用两个TDA7481芯片组成电路对左右声道信号进行放大。

2.3.1 TDA7481的特点
TDA7481是ST公司生产的18W单声道D类数字功率放大器，该芯片在±18V电源电压时可以向4Ω的负载提供大于15W的峰值输出功率，其效率可以达到80%以上。

图4 TDA7481外观
该芯片的外观见图4，由15个引脚构成的双列直插式芯片，其主要工作参数见表3。

表1TDA7481参数说明
当电源电压在（±10V～±25V）之间时，其效率可以在80%以上，失真度可以小于0.1%，输出功率大于15W。

根据设计需要这里采用（±18V）供电，输入电流为35mA。

2.3.2 TDA7481的引脚及参数说明
图5 TDA7481引脚
其中9脚接输入信号，4脚空置，7脚接地，信号从1脚输出。

其余各脚连接详见图7。

TDA7481芯片内部电路图见图6。

其中5脚外接C 4时反馈电路的外接电容，3脚外接电容C 11是自举电容。

10脚是工作模式控制端，通过输入不同的控制电压，可以使TDA7481在“正常”、“待机”、“静音”三种模式之间任意切换。

在电路中接（+9V ）直流电压，通过两个开关切换需要的工作模式。

尤其需要注意的是，输出端由L1和大小为470nF 的电容组成的低通滤波器的参数不能随意改变，其中c f 通常在30kHz ～22kHz （c f =1/2 π LC ）。

Q 值在0.7～0.53之间效果最佳（L C R Q L =），若Q 值小，则高频响应高端下降得较早，不过下降斜率较小，因而电路较稳定；Q 值等于0.7，则响应最平坦，截止频率点前后变化最均匀；如果Q 值高于0.7的话，则会使频率响应在C f 处出现较大幅度的上冲，导致频率变化剧烈，因此不宜采用。

还需要注意的是：TDA7481的8脚在集成电路内部已经与散热片相连，因此使用时应当处理好散热片的绝缘问题。

图6 TDA7481内部电路图2.3.3 TDA7481的外围电路
图7 TDA7481应用电路图2.3.4TDA7481的相关计算
（1）首先根据公式
max
c CC
L L L I V I U R ⋅
==
π2 （1） 求出max c I 。

A .R V I L CC max c 8724
18
22≈⨯⨯==
ππ （2）判断输出功率0P 的大小
camx CC CO CC I V I V P π
1
0=
= （2）
W ...I V P camx CC 54168721814
31
1
0=⨯⨯=
=
π
当CC V 等于（±18V ），负载等于4Ω时输出功率0P 等于16.45W ，大于15W 。

因此符合
设计要求。

（3）R 4，C 8决定振荡电路振荡频率的时间常数，C 8推荐值为270pF ，R 4可以按照公式sw f .R 841041⨯=（sw f 表示开关频率）来选择，推荐的sw f 为120kHz 。

因此R 4的推荐值就为Ω≈⨯=k .R 12120104184。

（4）参照器件的指标，TDA7481的频率范围在dB 3KH 20~H 20Z Z ±间。

2.4电源部分电路设计
本设计中TC9152P 均采用（±12V ）直流电压供电，TC9153采用（＋9V ）直流电压供电，而TDA7481的工作模式控制部分也可以使用（＋9V ）直流电压，TDA7481选用（±18V ）供电。

因此，本系统中的直流供电电压为（＋9V ）、（±12V ）和（±18V ）。

通常在电子设备中使用输出电压固定集成稳压器。

三端式稳压器只有输入、输出和公共引出端。

直流稳压电源一般由电源变压器T 、整流滤波电路及稳压电路所组成。

正压系列：78XX 系列，该系列稳压块有过流、过热和调节管安全工作区保护，以防止过载而损坏。

一般不需要外接元件即可工作，不过有时为改善性能也加少量元件。

78XX 系列又分为三个子系列，即78XX 、78LXX 、78MXX 。

其差别只在于输出电流和外形，78XX 输出电流为1.5A ，78MXX 输出电流为0.5A ，78LXX 输出电流为0.1A 。

负压系列：79XX 系列与78XX 系列相比，除了输出电压极性，引脚定义不同外其它特点都相同。

因为本系统为功率放大器，所以要尽可能要求输出功率高，所以均选择78XX 系列。

分别为：7812、7912和 7809。

1、变压器的参数计算
（1）先确定7809的相关参数，保证稳压器在电网电量低时仍处于稳压状态，要求：
min o min i max o i U U U U -+≈
式中，min o min i U U -是稳压器的最小输入输出压差，典型值为3V 。

按一般电源指标的要求，当输入交流电压220V 变化±10%时，电源应稳压。

所以稳压电路的最低输入电压为：
()90.U U U U min o min i max o i -+≈
由于U omax ≈9V ，所以()=+≈9039.V V U i 13.33V ，取值15V 。

（2）另一方面，为保证稳压器安全工作，要求：
max o max i min o i U U U U -+≤
式中，max o max i U U -是稳压器的最大输入输出压差，典型值为35V 。

可见15V 在所需范围内。

（3）三端式稳压器的输入与输出之间电压差为2~3V ，整流输出电压是输入电压（有效值）的1.2倍，根据有效值与峰—峰值的关系选择220V/15V 的交流降压变压器。

由于7809的最大输出电流为1A ，电压为稳定的正9V ，故220V/15V 变压器功率选择只需大于或等于9W 即可，本设计选择10W 的变压器。

（4）同理，7812的输入为14V≤i V ≤27V ，1mA≤i I ≤40mA 时7812可以输出11.4V≤O V ≤12.5V ，本设计稳压输出12V 。

根据有效值与峰—峰值的关系选择220V/18V 的交流降压变压器。

（5）7812的最大输出电流为1A ，电压为稳定的＋12V ，7912的最大输出电流为1A ，电压为稳定的－12V ，所以220V/18V 变压器功率选择只需大于或等于24W 即可，本系统选择24W 的变压器。

（6）同理7818和7918应选择220V/21V 的变压器，功率大于或等于30W 即可。

因此本系统的整机功率应当大于64W 。

2、滤波电容C 要求满足：
()
2
53T
~C R L = （式中T 为输入交流信号周期；L R 为整流滤波电路的等效负载电路）
因此，C 1、C 3、C 5、C 7、C 9、C 11、C 13、C 15、C 17、C 19为低频滤波电容。

根据经验选择电解电容，其容值分别为：
C 1＝C 5＝C 9＝C 13＝C 17＝1000F μ，C 3＝C 7＝C 11＝C 15＝C 19＝22F μ；C 2、C 4、C 6、C 8、C 10、C 12、C 14、C 16、C 18、C 20为高频滤波电容，均选用0.1F μ的贴片电容。

由以上条件可画出电源1电路如图8。

7912
T
图8 电源1电路图
电源2电路如图9所示。

7818
7918
图9 电源2电路图
3设计总电路图
图10 总体电路图（不含电源部分）
-L
R -R
4结论
本设计由直流稳压器、音源选择、数字音量控制、功率放大器四个主要部分组成。

直流稳压器由三个三端式稳压器（分别为7812、7912和7809）、电源变压器T、整流滤波电路构成。

其中7809的最大输出电流为1A、电压为稳定的正9V，7812和7912的最大输出电流也为1A、电压为正12V和负12V，7818和7918的最大输出电流同样为1A、电压为正18V和负18V。

直流稳压器为TC9153和TDA7481的工作模式电路提供正9V的稳定直流工作电压，TC9152P和TDA7481的工作电压由7812和7912供给。

由表3可知TDA7481在（±10V）最小值工作电压时，输出功率为10W，效率为80%。

由公式（1）（2）此推断，当工作电压为（±18V）时，输出功率一定大于15W、效率大于80%，因此能够满足设计的技术指标。

整机工作情况简介：把设备接好220伏交流电压后，稳压器部分的工作指示灯亮起，表示电源接通，三个供电部分工作正常。

输入切换部分可以输入五组音频信号，但工作时只有一组信号能够进入下一级设备进行放大，可以通过与之相对应的五个轻触式按键来选择要使用的音源，接通后该组音频输入信号相对应的指示灯会亮起。

音频信号进入数字音量控制部分可以通过两个轻触式按键来调节音量的大小，最后音频信号进入功率放大器部分进行功率放大，并最终由TDA7481的3号引脚输出。

在信号左右输出端可以分别接两个4 的扬声器（须并联一个470nF的电容）。

最终经过测试本系统单边输出功率大于15W/4Ω；频率范围在20Hz-20kHz±3dB之间；灵敏度等于100mV/47kΩ；失真度小于0.1%（10W/4Ω）；效率大于80%。

参考文献
[1] 卿太全，李萧，郭明琼：常用数字集成电路原理与应用[M]．北京：人民邮电出版社，1998.38，64-66，184.
[2] 高吉祥．电子技术基础实验与课程设计[M]．北京：电子工业版社，2002.2.
[3] 曾兴雯．高频电子线路[M]．北京:高等教育出版社，2004.1
[4] 夏路易，石宗义：电路原理图与电路板设计教程[M]．北京:北京希望电子出版社.
[5] 汤元信．电子工艺及电子工程设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999：31—37．
[6] 廖先芸．电子技术实践与训练[M]．北京：高等教育出版社，2000.
[7] 康华光．电子技术基础（数字部分）[M]．北京：高等教育出版社，1999.6.
[8] 康华光．电子技术基础（模拟部分）[M]．北京：高等教育出版社，1999.6
[9] 周志敏．现代开关电源控制电路设计及应用[M]．北京：人民邮电出版社，2005：1—26．
[10] 杨旭，裴云庆，王兆安．开关电源技术[M]．北京：机械工业出版社，2004：62—66．
[11] 陈坚．电力电子学—电力电子变换和控制技术[M]．北京：高等教育出版社，2002：89—92．
[12] （英）布朗（Brown M.）著，徐德鸿等译．开关电源设计指南[M]．北京：机械工业出版社，2004：12—16．
致谢
附录
1元件清单
TC9152P元件参数
2 电路图
L E D
out
TC9152P 电路
TC9153电路
TDA7481电路
7818
7918
电源1电路
7818
7918
电源2电路
3 PCB板（部分）
TC9152P电路PCB板图
4仿真（部分）
电源1仿真
电源2仿真。