毕业设计论文 数字功放

XXXXXXXXXXXXXX毕业设计（论文）说明书作者：学号： 05307081学号： 05305238学号： 05306088系部：电气工程系专业：应用电子技术题目：D类音频功率放大器的设计指导者：评阅者：2008年 5 月摘要数字功率放大器具有模拟功率放大器不可比拟的优势，代表着音响技术数字化的新台阶。

本系统以高效率D类功率放大器为核心，输出开关管采用高速VMOSFET管，连接成互补对称H桥式结构，最大不失真输出功率大于1W，平均效率可达到70％左右。

D类放大器包括脉宽调制器和输出级。

本文首先介绍了声音的基本特性、音响放大器的技术指标、放大器分类和D 类放大器的工作原理，接着进行了D类功放的仿真分析，包括PWM波的形成、频谱分析等等；然后根据D类功放的设计要素，设计了基于MAXIM公司的10W立体声/15W单声道集成芯片MAX9703/MAX9704的D类放大器，并对D类功放的发展与技术展望进行了描述。

在本文里，对放大器的各个模块包括放大电路、比较器电路、三角波产生电路、驱动电路等进行了设计和仿真，且达到了预先设定的指标。

关键词:D类放大器脉宽调制高速开关电路低通滤波目录1 引言 (5)2 音响的基础知识 (7)2.1 声音的基本特性 (7)2.2 音响的结构及参数 (7)2.3 放大器的技术指标 (7)3 放大器的简介 (9)4 D类功放的原理及仿真 (13)4.1 D类功放的工作原理 (13)4.2 D类功放的EDA仿真 (15)4.2.1 EDA仿真概述 (15)4.2.2 D放大器原理仿真概述 (16)4.2.3 输入信号抽样――PWM波的形成仿真 (17)4.2.4 输出信号PWM波的频谱仿真分析 (17)4.3 D类功放的优点 (18)5 D类功放的硬件设计 (19)5.1 D类功放的设计原理 (19)5.2 D类功放的设计要素 (22)5.2.1 输出晶体管尺寸选择 (22)5.2.2 输出级保护 (22)5.2.3 音质处理 (23)5.2.4 EMI处理 (25)5.2.5 LC滤波器设计 (26)5.2.6系统成本 (27)5.2.7 散热注意事项 (27)5.3 D类功放电路分析与计算 (31)5.3.1脉宽调制器（PWM） (31)5.3.2 前置放大器 (33)5.3.3 驱动电路 (34)5.3.4 高速开关电路 (35)5.3.5 低通滤波 (40)6 MAX9703/MAX9704单声道/立体声D类音频功率放大器 (44)6.1 概述 (44)6.2 MAX9703/MAX9704详细说明 (44)6.2.1 工作效率 (44)6.2.2 应用信息 (45)7 D类功放的发展与技术展望 (47)7.1 D类功放的不足 (47)7.2 D类功放的最新发展——T类功率放大器 (47)结论 (48)致谢 (49)参考文献 (50)1 引言音响技术发展到今天，音响设备中大部分已实现了数字化，如作为音源的CD、DAT、MD、DVD等，数字调音台以及数字效果器、压限器、激励器等周边设备也被一些专业场所使用。

而作为音响系统最后环节的功率放大器和扬声器却长期在数字化的大门外徘徊。

人们对音响重放高保真度的追求是永无止境的，而模拟功率放大器经过了几十年发展，在技术上已经相当成熟，可以说已难于有新的突破。

随着生活水平的提高，环保与能量的利用率也渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，人们再一次把目光投向数字功放。

其实早在20世纪60年代末期就有人着手数字放大器的研究，为什么在这数十年以来的音响发展历程，一直不见其产品面市？究其原因，是在数字音频放大器的设计与制作过程中，最大的难题就是高速转换控制系统。

因为其需要极高的精确度，但在如何解决脉冲调制放大在工作时提供持续稳定的线性响应，以及如何避免产生辐射脉冲干扰等方面难以取得突破，故一直使脉冲调制型放大器在音响应用领域停滞不前，举步维艰。

如今，随着脉冲调制放大电路的技术瓶颈被逐渐解决，数字放大器的优点日渐突显，新品不断推出，也越来越受到人们的关注了。

低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。

模拟功率放大器通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。

工作在开关状态下的D类功率放大器却很容易实现，大功率，高效率，低失真。

传统的音频功放工作时，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，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁。

功率输出受到限制。

此外，模拟功率放大器还存在以下的缺点:1.电路复杂，成本高。

常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路，体积较大，电路复杂。

2.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，经自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的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 送入滤波器，则还原为音频信号。

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，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。

功率MOS有自保护电路，可以大大简化保护电路，而且不会引入非线性失真。

对于高电感的扬声器，在设计电路时，是可以省去低通滤波器〔LPF)，这样可以大大的节省体积和花费。

而且有更高的保真度，这一点，在国外的SVD类功率放大器中已经开始运用，如:TEXAS公司的TPA2002D2。

近年来，国外的公司对D类功率放大器进行了研究和开发，提出了一些方案，但是尚存在了较大的难度，由于采用PWM方式，为了提高音质，降低失真，必须提高调制频率，但是在较高频率下，会产生一定的问题，同时，D类功率放大器对器件的要求较高，不利于降低成本。

2 音响的基础知识2.1 声音的基本特性音量:它与声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听音的主观感觉。

音调:是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量“频率”对应人耳的听觉范围:20hz～20KHz称之为可听声，低于20Hz称为次声，高于20KHz称为超声，人耳对3K～4K的声音最敏感。

音色:又叫音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功放的偶次谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳，清丽。

2.2 音响的结构及参数前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对各种节目源信号进行选择和处理，对微弱信号放大到0.5-1V，进行各种音质控制，以美化音色。

功率放大器，承担放大任务，是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，以推动扬声器发声。

有电压放大，电流放大，要求是宏亮而不失真。

2.3 放大器的技术指标1.额定功率:音响放大器输出失真度小于某一数值(r<1%)的最大功率称为额定功率，表达式；P0= U2/RL, U为负载两端的最大不失真电压，RL为额定负载阻抗。

测量条件如下:信号发生器输出频率为1KH，电压Ui=20mV正弦信号。

功率放大器的输出端接额定负载电阻凡(代替扬声器)，输入端接Ui，逐渐增大输入电压Ui ，直到U的波形刚好不出现谐波失真(r<1%)，此时对应的输出电压为最大输出电压。

测量后应迅速减小Ui，以免损坏功率放大器。

2.频率响应放大器的电压增益相对于中音频f(1KHz)的电压增益下降3dB时所对应的低音音频fL 和高音音频fH称为放大器的频率响应。

测量条件如下:调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的50%输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率fI 从20Hz-20KHz(保持Ui=20mV不变)测出负载电阻上对应的输出电压U。

3.输入灵敏度使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压(有效值)称为灵敏度。

4.噪声电压使输入为零时，输出负载凡上的电压称为噪声电压U0。

测量:使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载RL 的电压波形，用交流电压表测量其有效值。

3 放大器的简介功率放大器通常根据其工作状态分为五类。

即A类、AB类、B类、C类、D 类。

在音频功放领域中，前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。

D类放大器比较特殊，它只有两种状态，不是通就是断。

因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。

1. A类放大器我们略去电路直接从特性曲线来讨论工作状态，见图3-1中左边为晶体管输入特性，固定置偏所形成的工作点在Q点，当正弦音频信号输入时，其幅度未超出线性范围，集电极工作状态处于截止区和饱和点之内，集电极电流为完整的全周导通的正弦波，此时导通角为180度，(导通角是以最小值至最大值之间占全周的部分来计算，全周导通时为180度)。

这种放大状态失真度较小，只受器件特性曲线的影响，若器件线性好则失真最小，但是，当无交流输入时，有约一半幅度(Q点)的直流电流，其损耗为ICO ×VCC，故效率是最低的，低于50%，所以这种A类功率放大仅用于很小功率的收音机，助听器中，也有用于高级的Hi-Fi 功放中。

图3-1 A类放大器2. B类放大器(b)图3-2 B类放大器静态置偏为Q点，处于截止点上，因此信号输入时，只有半周导通(导通角为90度)，如图3-2所示，。

集电极输出半个正弦波。

这种状态失真度就很大了，所以一般乙类放大器都用双管做成推挽式，每管工作半周构成完整的正弦波以减少失真。

乙类状态的最大优点是无信号时原则上没有直流电流，因而没有直流功率损耗，效率超过50%，但由于曲线起始端的非线性，常将推挽放大器的两管均少量正向置偏，其导通角大于半周，故效率不能做得很高达60%-70%.工作介于AB之间，故又称AB类功放。

其情况如图3-3, 3-4。

图3-3 推挽电路形式图3-4 AB类放大和B类放大3. C类放大器情况如图3-5，静态置偏点在截止点之下，当信号输入时只有超过偏置点部分管子才导通(导通角小于90度)，效率更高，但由于失真过大，难用于音频功放，多用于高频功放作为倍频用，集电极电流呈脉冲状，谐波丰富，再用高Q电路调谐于基波频率，滤处谐波成分，使输出完整波形的正弦波。

图3-5 C类放大器4. D类放大器以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功率损耗。

无信号时电流愈大则直流损耗大，效率低。

为此，要提高效率则应降低工作点，使无信号时，无直流损耗。

但是，信号导通角逾小波形失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求矛盾。