基于LM4651L的数字功放设计

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输出滤波器的设计 输出滤波器的用途是消除 678 信号中的电磁干
扰信号 " 降低总谐波失真 ! 在设计时要考虑系统的频率 响 应 和 滤 波 器 的 类 型 ! 音 频 信 号 的 频 率 在 (" $%@("
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比较器的设计 比较器是一个带锁相环的脉宽调制电路 " 调制后
#$% " 而电磁干扰信号和开关信号的频率都远大于 音
器件与电路
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文章编号 !!""#$%&%’ "#""’#!#$""’!$"(
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基于 )*’&+!) 的数字功放设计
陈寿才 ! 湖南商务职业技术学院 机电工程系 " 湖南 长沙 !"#$#%# $摘
产品设计 & &
要 % 介 绍了 &’!(%"&)&’!(%$*+ 数 字 音频 功 放 的基 本 组 成 ! 对 其 关 键 技 术 进 行 了 详 细 论 述 ! 总 结 了 在 电 路 和
路采用 X*& 接法 " 电源电压 Y$# :" 效率约 Z%S ’ 当 开 关频率为 "$% I.V "输出滤波器的高频截止频率 $3 设定
电声技术 ２００４－１２
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在 !" #$% ! 图 & 中的电压放大电路是通过运放实现 "下 面简单描述三角波发生器 # 比较器 #$’ 桥以及低通滤 波器等电路的设计 !
<6= 陈 新 国 > 实 用 数 字 音 频 功 放 <?=> 电 声 技 术 !%99( ! %66 &$ (%@(*A
作者简介 陈 寿 才 !硕 士 !高 级 工 程 师 !湖 南 广 播 设 备 厂 电 子 线 路 设 计 师 ! 兼任湖南商务职业技术学院电子电气教研室主任 A
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地线优化设计 接地是控制数字功放干扰的重要方法 # 将接地和
预 告
$ 收稿日期 % #&&’()&(&*
! 电声技术 " 将从 !""# 年第 $ 期 开 始 分 % 期 连 续 刊 载 # 多媒体会议系统解决方案 $% 内容包括 & 会议系统产品的 发 展 进 程 ’基 本 型 讨 论 式 会 议 系 统 ’智 能 混 音 ( 视 像 联 动 实现多传声器同时使用的自动控制系统 ’ 移动会场的解 决方案 ’ 一体化网络智能视听会议系统的构建 ’ 同声传译 与红外线旁听系统集成方案 ’ 大型国际及国家主要会议 系统的设计与应用 ) 电声技术 ２００４－１２
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三角波发生器的设计 功放电路对三角波的要求是 $%!& 调制后的信号应
能被完整地恢复 ! 根据 +,-./01 取样定理 "三角波的频 率至少是音频信号最高频率的 ( 倍 " 说明三角波的频 率应在 2" #$% 以上 " 为确保音频信号的取样 " 可取三 角波的频率为 !(3 #$% ’%( & 三角波要有稳定的频率和 幅度 " 否则 " 调制后的脉宽会产生变形 " 从 而降低音频 输出的信噪比 " 音质变差 ! 三角波的产生是通过压控振 荡器来实现的 " 振荡频率由 43 和 5& 确定 !
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引言
数字功放已经开始向传统声频领域扩展 ’ , 类功
部分是功率放大 )&’!(%$*+#"NO’ 信号控制 .P 桥功 率管的通 ) 断 " 驱动扬声器发声 ’ 当采用 ! ! 扬声器做 负载 " 最大输出功率可达 "Q# O )!"# R"#S #’ 其电路 组成见图 $’ 把开关功率 ’T1+/* 分开来作数字功率
&’!(%$*+H ?;@ I>J ;>6293<3D8>@ 7C> ;23C34D2<J =8@64@@>=K 13B> 8BE3C;79; B>;23=@ 7C> 7<@3 <8@;>=K ,>;78< E<79@ 79= B>7@4C>@ 3A 8BEC3L89D @349= M47<8;J 7C> EC3E3@>=K
放作为一种效率高 ( 体积小 ( 重量轻 ( 输出功率 大的数 字功放 " 克服 了 模 拟 功 放 的 缺 点 " 其 原 理 框 图 见 图 "’ 随着各种专用的集成芯片 ( 声频产品不断推出 " 音质得 到了极大改善 " 数字音频功放的应用有利于实现声频 系统的全数字化 ’ 笔者介绍 &’!(%"&)&’!(%$*+ 组成 的数字功放电路的设计过程 ’
89"! 禁止环状走线 #
%( &抑制反射干扰 # 为了抑制出现在功放电路印制 电路终端的反射干扰 ! 应尽可能缩短印制线的长度 ! 并 在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的 匹配电阻 # 数字功放电路 ! 其印制线路长于 "$ :; 以上 时就应采用终端匹配措施 #
参考文献
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屏蔽结合起来 ! 可解决大部分干扰问题 # 该功放地线结 构可分为系统地 ’ 机壳地 ’ 数字地和模拟地 # 在地线设 计中应注意以下几点 $ %6& 正确选择单点接地与多点接地 # 该功放的低频 模拟部分 ! 工作频率低 ! 它的布线和器件间的电感影响 较小 ! 而接地电路形成的环流干扰影响较大 ! 因而应采 用一点接地 # 在数字部分 ! 工作频率高 ! 地线阻抗变得 很大 ! 此时应尽量降低地线阻抗 ! 采用就近多点接地 #
作 有 源 次 低 音 箱 的 功 放 控 制 ’ 图 W 是 采 用 &’!(%"&)
括 $ 部分 * 第一部分是脉宽调制 )&’!(%"& #" 输入的模 拟信号经电压放大后 "与固定频率的三角波相比较 " 全 部音频信息被调制在 NO’ 信号的宽度变化中 & 第二
&’!(%$*+ 组 成 的 "$% O 单 声 道 功 放 电 路 原 理 图 " 电
?-"有利于缩小控制部分的体积 ’ 另外大功率 ’T1+/*
即使工作在开关状态也还需要考虑必要的散热 " 这样 使整机设计比较自由 ’
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应用电路的设计
系统构成 该功放电路采用脉冲宽度调制 )NO’ # 系统 ’ 它包
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电路设计
&’!(%"& 采用较低的开关频率 Q%U$## I.V " 适合
(*(*& $’ 桥电路的设计
5C 和 5!" 应选用高频阻抗低且可靠性高的钽 电 解 电
" 电声技术 ２００４－１２ !
器件与电路
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容 ! 而不宜选用铝电解电容 ! 因为铝电解电容的寄生电 感对高频感抗大 " 耦合电容 !" 也应选用钽电解电容 ! 因为寄生电感对高频阻抗大 ! 且对不同频率的信号将 产生不同的相移而影响音质 # 电源去耦电容可以抑制 因 负 载 变 化 而 产 生 的 噪 声 !!#$ 和 !%% 采 用 % %$$ !& 电解电容抗干扰效果会更好 # 高频去耦电容的选择非 常重要 !!%’ 和 !%( 应采用低感 抗 型 电 容 ! 如 陶 瓷 电 容 " 振荡电容 !( 应选用性能优良的云母电容 ! 振荡电 阻 )* 宜选用精密型稳定性好的金属膜电阻 # %% &将数字地与模拟地分开 # 电路板上既有高速数 字电路 ! 又有线性模拟电路 ! 应使它们尽量分开 ! 两者 的地线不要相混 ! 分别与电源端地线相连 # %( &尽量加粗接地线 # 若接地线很细 ! 接地电位则 随电流的变化而变化 ! 致使功放电路信号电平不稳 ! 抗 噪声性能变差 # 应将接地线尽量加粗 ! 使之能通过 ( 倍 于印制电路板的允许电流 #
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电磁兼容性优化设计 数字功放由于变压器和高频电路的共存 ! 电磁干
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印制电路的优化设计
音质分析
扰不可避免 # 电磁兼容性设计的目的是使功放既能抑 制各种外来的干扰 ! 同时又能减少本身对其它电子设 备的电磁干扰 # 为此应做到以下几点 $ %6 &选择合理的导线宽度 # 由于瞬变电流在印制电 路上产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造 成的 ! 因此应尽量减小印制导线的电感量 ! 短而精的导 线对抑制干扰有利 # %% &采用正确的布线策略 # 采用平行走线可减少导 线电感 ! 但导线之间的互感和分布电容增加 # 为抑制印 制板导线之间的串扰 ! 在设计布线时应尽量避免长距 离的平行走线 ! 尽可能拉开线与线之间的距离 ! 信号线 与地线及电源线尽可能不交叉 ! 还应尽量减少印制导 线的不连续性 ! 导线宽度不要突变 ! 导线的拐角应大于
器件与电路
$’ 桥由 2 个 8;<=>? 功率管构成 " 功率管的通 :
断由触发器输出的 678 信号控制 " 从而控制通过扬 声器电流的大小和方向 " 电路中 2 个高频 8;<=>? 功 率管 " 当 678 信号为高电平时 " 电流从滤波器的正极 流向负极 ’ 当 678 信号为低电平时 " 电流从滤波器的 负极流向正极 ! 功率管开关的频率等于 678 信号的 频率 ! 整个 $9桥和滤波电路运行在大电压 # 大电流 #大 功率的环境下 " 与第一部分电路的电源无关 !
5(2 和 5(3 组成 " 设计参数如图 & 所示 !
考虑到 A82B3(?= 的内部平衡对称 " 为使输出端 仍然平衡 " 在设计中采用的是双极型平衡滤波器 " 它保 持单极型滤波器的截止频率不变 "而电路的内外平衡 " 对两极的开关信号和电磁干扰信号都能消除 !
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关键元件的选用 在电路的高频部分 " 为防止高频脉冲的干扰 "53 "
排板设计中的注意事项 ! 对改善音质提出了详细的方案和措施 " $ 关键词 % 数字功放 # , 类功放 # 脉宽调制 $ 中图分类号 % ,-.##/.0+ $ 文献标识码 % 1
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印制电路的优化设计措施 电源电路优化设计 在直流电源回路中 ! 负载的变化会引起电源噪声 #
在该功放电路中 ! 当电路从一种状态转换为另一种状 态时 ! 就会在电源线上产生很大的尖峰电流 ! 形成瞬变 的噪声电压 # 去耦电容可抑制因负载变化而产生的噪 声 ! 在安装时 它应紧靠 7! 相应管脚焊接 ! 且电容的引 线不能过长 # 应选用辐射小 ’ 负载能力强的电源变压 器 ! 安装时要注意方向性 ! 干扰严重时应将其屏蔽 #
频信号频率 " 可选择在通带内最大平坦近似的巴特沃 斯 二 阶 低 通 滤 波 器 " 该 电 路 的 输 出 滤 波 器 由 A!"A( "
的电路与 $’ 桥的门控电路相连 " 地线被连接到公共地 端 ! 当音频信号幅度大于三角波信号幅度时 "比较器输 出高电平 " 反之 "比较器输出低电平 ! 678 信号是一个 数字脉冲信号 " 其脉宽的变化反映信号的全部信息 ! 脉 冲信号的高 # 低电平控制 $9桥 ( 组功率管的通 : 断 " 高 : 低 两 值 之 间 的 转 换 快 慢 决 定 ( 组 功 率 管 之 间 通:断 的 转换时间 ! 设计中采用触发器来调整比较器输出的波 形 " 通过快速转换使输出波形得到明显的改善 !
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+ 类功放采wenku.baidu.com脉宽调制方式虽然效率高 ! 但一般
情况下音质不够理想 ! 达不到 ,-.&- 的要求 ! 这有理论 上的原因 ! 也有制作方面的因素 ! 具体表现在以下几方 面 $%’ & 振荡器产生的三角波 ! 其幅度 ’ 频率都不稳定 ! 甚至扭曲 ’ 变形 # 用来调制信号时 ! 使脉宽的变化不能 真实反映信号的信息 ! 引起输出噪声 # %#& 比较器输出 的脉冲不理想 ! 高 / 低电平之间的转换时间太长 ! 使 ,. 桥输出的波形产生较大的交越失真 !导致音质生硬 ! 不 够圆润 # %(& 高频率 012&34 功率管的饱和 5 截止工作 状态之间的转换较慢 ! 导致 % 组功率管同时导通或截 止 # 制作方面的问题可通过印制电路板的设计来解决 #