数字音频功率放大器的设计与制作

数字音频功率放大器的设计与制作摘要：本数字音频功率放大器的设计以芯片TDA8920B为核心。

本文简要介绍了该芯片TDA8920B的功能，并描述了以其基本组成的数字音频功率放大器。

文章还包含对功率放大器的相关参数的一些简单测试方法，以及对该制作的评估。

关键词：数字音频；功率放大器；芯片TDA8920B；制作经过十多年的发展，数字音频功率放大器的技术已经日趋成熟。

且由于数字功放所具有的诸如小体积大功率[1]的优点，也使它的应用已经渗透到了许多需要用到音频放大的领域，如舞台扩音、家庭影院等等。

出于对所学应用物理专业知识进行巩固与提升的目的，笔者选择了数字音频功率放大器的设计制作这个课题。

下面将会介绍以芯片TDA8920为核心的数字功放电路的设计过程.。

1 音频功率放大器的分类在数字功率放大器得到发展之前，我们熟悉的功放都是模拟功放。

模拟功放是对时间轴上的连续变化的信号（如电压、电流）进行放大。

后来出现的数字音频功率放大器通俗的讲则是对时间轴上的离散信号0、1进行变换[2]。

1.1 模拟功放模拟功放的基础是是放大线性信号。

按放大器的静态工作点来分类，有A类、B 类、AB类[3]。

其中，A类放大器中，电流连续地流过所有输出器件，即输出级元件总处于导通区。

它的电源转换效率非常低，功耗也很大。

B类放大器是一种器件导通时间为50%的放大器。

效率比A类高但随之而来的失真更大。

AB类放大器则融合了A类放大器和B类放大器的特点。

它在B类放大电路的基础上升级，但采用了一种推挽式电路，因此每个晶体管都不会被彻底截止。

1.2 数字功放数字功放就是核心功率放大部分完全处于开与关状态的放大器。

D类放大器的内部晶体管只有两种工作状态，即开与关工作，它属于数字功放。

D类功放工作原理是先把模拟音频信号转换为PWM 信号(脉冲宽度调制)或PDM（脉冲密度调制）信号,，而后用这两种脉冲信号去控制大功率开关器件通或断。

D类放大器从理论上来讲效率可达百分之百。

电源利用率可逼近90%。

它的转换速率高，瞬态响应特性好，可靠性极高，体积小，发热小。

图1 数字功放与模拟功放的比较2 芯片TDA8920介绍2.1 功能说明2.1.1 概述及特点TDA88920B是一种高效率低功耗的D类音频功率放大器[4]。

它的典型输出为2×100W。

此放大器有非常宽的电压供应，从±12.5V到±30V。

同时它的静态电流消耗非常低。

可组成立体声单端（SE）放大器或单声道桥接式（BTL）放大器。

增益固定：立体声单端（SE）30dB，单声道桥接式（BTL）36dB。

通过模拟输入级输入的音频信号被数字脉宽调制[5]（PWM）器转换为PWM信号。

为了使输出功率晶体管被驱动，这一数字PWM信号施加以控制和信号交换电路和俱有高端和低端的驱动电路。

这样就完成了一次从低功率数字PWM信号（在逻辑电平上）到高功率PWM信号的转变。

一个二阶低通滤波器将PWM信号转变为可通过扬声器解析的模拟音频信号。

TDA8920B是内含高效D-MOS管，驱动器，振荡器，信号交换电路一片式D类放大器。

为了实现保护功能，芯片内置了温度传感器和最大电流测量器。

TDA8920B的双声道包含了两个PWM系统，两个负反馈回路和两个差分输入级。

它还包含了两个声道共用的的振荡器，所有参考源和模拟功能与数字定时管理器。

TDA8920B包含两个独立的高输出功率、高效低失真、低静态电流的放大信道。

放大信道可以被连接为以下配置：单声道桥接负载（BTL）式，立体声单端（SE）式该音频放大系统可以用MODE引脚切换三种工作模式。

待机模式：只消耗非常低的电源电流；静音模式：此模式下放大器在工作，但是输出端的音频信号由于输入级VI转换器的禁用而被抑制；运行模式：此模式下放大器完全运行并且能够输出信号。

2.1.2 脉宽调制频率放大器的输出信号是载波频率大约317kHz的PWM信号。

用二阶低通滤波器可以可以将放大器输出的PWM信号转换为扬声器可以解析的模拟音频信号。

这一转换频率以连接在引脚OSC和引脚VSSA之间的外连电阻Rosc来确定定。

载波频率最好设置为300kHz至350kHz之间。

在引脚OSC端接一个30kΩ的外部电阻可以设置载波频率为317kHz。

如果两个或者更多的放大器应用于一个音频系统中，建议最好使用外部时钟电路以使所有芯片都以同一频率运行。

2.1.3 保护机制TDA8920B包含了以下保护：过温保护；过流保护；窗保护；电源电压保护，欠压保护，过压保护，不平衡保护。

每种错误条件所触发的芯片保护回应都不一样。

2.2 芯片内部框图见图2。

2.3 引脚信息见图3。

图2 芯片TDA8920BTH内部框图图3 芯片TDA8920BTH引脚描述2.5 立体声双SE配置的特性图6 芯片TDA8920BTH在立体声双SE模式下的应用2.6 输出功率估计在SE模式下的可达到的输出功率可以由以下表达式来估计：（1）最大电流（内部限制为8A）为：（2）变量含义：=负载阻抗=振荡器频率=最小脉冲宽度（典型值为150ns）=单边电压（所以，如果电压为对称的±30V，=30V=限幅条件下的输出功率=THD=10%条件下的输出功率=1.24×3 基于TDA8920B的功放电路设计电路围绕该芯片搭建，采用了立体声双SE的模式。

3.1 调制信号（三角波）发生器的设计芯片内部已经内置了振荡电路，该振荡电路产生的三角波信号将作为音频的调制信号对音频进行调制。

由于音频放大电路的特殊性，要求该调制信号应当满足以下两点：（1）调制后的信号应能被完整地恢复。

所以依据奈奎斯特定律，载波频率至少应当满足人的耳朵所能听到的最高频率20000Hz的2倍，即应当为40000Hz以上。

（2）产生的调制信号必须稳定，即频率和幅度必须保持一致。

由于芯片内置了振荡电路，且本设计不计划采用外部时钟电路，所以无法对在内部产生的调制信号的稳定性进行优化。

引脚OSC和VSSA间的电阻ROSC决定振荡频率。

其中调制信号的频率采用芯片手册推荐的317kHz，此时引脚OSC和VSSA间的电阻ROSC应当选择30kΩ。

3.2输出端滤波电路的设计输出端滤波器负责将PWM信号解析为喇叭能识别的模拟音频信号。

一个良好的输出滤波可以保证PWM信号中的称EMI(电磁干扰)信号被基本滤除，从而使THD（总谐波失真）随之降低。

因为该功率放大器是应用于音频的，根据音频信号的特点，为了获得在通带中最大的平坦响应，不妨采用二阶巴特沃斯滤波器。

其中，为了使THD趋于最小，滤波器中电感和电容的取值还应当随着负载喇叭的阻抗大小而有相应变化。

该电路的输出滤波由R9、R22、C22、C24、C31、C32、L3、L4组成。

电路原理图及原件取值如图7所示。

图7 TDA8920B组成立体声SE放大电路原理图3.3 元件的选用为了预防高频脉冲被带入音频处理电路，电源的滤波电容最好选用高速低等效串联电阻ESR的电极电容，如伊娜FOR AUDIO系列电容，尼吉康金字电容等。

耦合电容应当选用被发烧友和功放厂家广泛认同的ROE电解电容。

性能的好坏，与高频去耦电容也有很大关系，低感抗型电容不失为一种好的选择。

云母电容完全可以满足振荡电容的要求，精度比较高的金属膜电阻可以满足振荡电阻的要求。

4 印制电路的优化办法4.1 电源电路电源中的种种信号会与信号回路产生干扰，如电源的寄生反馈对整个系统的影响，对模拟、数字部分的干扰。

电源线路上会在电路的状态的切换中产生尖峰，从而产生瞬间的噪声。

可以使用去耦电容削弱噪声的影响。

此种噪声往往由于负载变化而产生。

去耦电容与芯片的引脚的连接线应该尽量短。

电源变压器应当选用带负载能力高、稳定、少外漏电磁干扰的。

如果电源变压器对电路实在"贡献”了太多干扰，可以用金属罩把它屏蔽起来。

4.2 地线接地可以减少很多的干扰，接地和屏蔽可以大大减少噪声对电路的影响。

设计地线同时也要注意几点。

首先，要区分模拟信号接地与数字部分接地的区别。

模拟部分频率低，在连接线和元件之间的电感相对较小，但是地线如果被连接成环路则会引入很大的环流干扰，模拟部分推荐采用单点接地的方法。

相反数字部分的频率会很高，为了降低地线的阻抗，推荐采用短距多点接地的方法。

其次，由于数字部分与模拟部分的不同，在PCB的设计上要有目的的把它们分离开来，数字地与模拟地要分别连接电源的地端。

5 制作相关图片5.1 电路版图8 电路版正面图9 电路版背面5.2 成品图图10 成品正面图图11 成品背面图6 性能指标功率放大器有非常多的指示指标，例如PO、频率响应特性、THD总谐波失真、S/N信噪比、效率η，输出阻抗ZO、阻尼系数等。

配备必要的仪器仪表主要有：音频信号发生器、音频毫伏表、示波器、失真度测量仪，假负载等。

6.1 输出功率功放的负载所承受的功放的输出端给其的功率叫做输出功率，它的基本单位是瓦特。

在输出端所接负载和功放的放大能力一定的情况下，功放的输出功率与输入信号的幅度有关系。

在给定的THD总谐波失真的条件下，功放所能输出的在其条件下的最大输出功率。

给功放输入1kHz的正弦波信号，测量假负载RL上的电压UO，利用下式计算输出功率：(3)功率放大器的功率测量电路如图12所示。

图12输出功率的测试的实验接线图6.3 频率响应频率响应是一种指示音频功率放大器对各个频率的放大能力的指标。

通过这个指标，我们可以直观的看到工作频率的范围，以及在其范围内功放的输出是否在幅值大小上有较大波动。

它的单位一般为dB。

它又有幅度和相位两种响应。

通常来讲，音频功率放大器的频率响应只是表明幅度频率响应。

频率响应的测试接线方法如下图。

图13 频率响应的测试的实验接图6.3 信噪比信噪比，用英文表示就是S/N，是分贝表示的输出幅度与噪声幅度的值。

它的值越大，说明噪声越小，听感越好。

一般来说，音频功放的信噪比的要求在50分贝以上。

至于一些性能优异的功放，音频功放的信噪比甚至要达到72分贝以上。

6.4 失真度系数音频信号经过放大电路之后输出信号的波形不可能完全和输入信号一致，一定会发生一些失真。

可以用失真度系数来表示失真的大小。

测量输出信号的各种谐波合成有效电压和基波有效电压，两者作比即可得失真度系数。

通常而言，失真度有专门的失真仪进行准确精密和便捷的测量。

测试电路如图14。

图14 失真度的测试的实验接线图一般的测试中将会测量人耳听力范围20Hz至20kHz这个范围内的不同的频率的失真度。

一般认为1kHz的失真度为基准，如果其他频率的失真度与之相比差别不大，则表示在整个音频频段中失真度比较均匀。

反之说明在整个音频频段中在某些频率位置产生了比较大的失真。

人耳甚至可以听到输出音频的异样。