自动化D类功率放大器电子设计实习报告综述.docx
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自动化D类功率放大器电子设计实习报告综述
湖南文理学院实习报告
课程名称:
电子设计制作与工艺实习
课题名称:
D类功率放大器
院系:
电气与信息工程学院
专业班级:
自动化Z11101班
学生姓名:
彭德交
指导老师:
黄建春
完成时间:
2013年6月1日
报告成绩:
评阅意见：
评阅教师日期
摘要
本系统以高效率音频功率放大器为核心，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,兼有输出1:
1双变单电路,单片机实现功率测量显示电路。
此外还有输出短路保护辅助功能,比较理想地实现了设计指标的要求。
音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,从最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。
然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。
主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是最基本的一种。
为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。
高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。
因为,功率越大,效率也就越重要。
而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高挡的家庭影院也逐渐开始兴起。
在这些设备中,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。
这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。
D类放大器在这些设备中也扮演了极重要的角色。
关键词：
高效率；音频；功率放大；LM311；74LS0；555芯片
ABSTRACT
Thissystemwithhighefficiencyaudiopoweramplifierasthecore,outputswitchtubewithahighVMOSFETtube,connectedintocomplementarysymmetryHbridgetypestructure,maximumoutputpowergreaterthan1notdistortionW,averageefficiencycanreach70%,withoutput1:
1doublechangesinglecircuit,singlechipmicrocomputerpowermeasurementshowcircuit.Inadditiontotheoutputshortcircuitprotectionauxiliaryfunction,anidealwaytorealizetherequirementofdesignindex.
Audioamplifierhasisacenturyofhistory,fromtheearliesttubeamplifiersfirstapplicationisaudioamplifier.However,uptonow,itwillcontinuetoupdate,developmentandprogress.Mainlybecauseofthehumanauditoryisallsortsoffeelingofquiteimportant,alsoisthemostbasicone.Inordertomeettheneedofit,theaudioamplifierwillbeconstantlyimproved.
Highefficiencyoftheaudioamplifiernotjustinportableequipmentneed,inhighpowerelectronicequipmentalsoneed.Because,thegreaterthepower,efficiencyandalsomoreimportant.Butalongwiththeimprovementofpeople'slivingconditions,highfidelityaudioequipmentandhighertoblockofhometheatergraduallybegantorise.Inthesedevices,oftenneeddozensoftileorevenhundredsofwattsofaudiopower.Atthistime,lowdistortion,highefficiencyoftheaudioamplifierwillbecomeoneofthekeycomponents.Dclassinthesedevicesamplifieralsoplayanextremelyimportantrole.
Keywords:
highefficiency;Audio;Poweramplifier;LM311;74LS08;555chip
第1章绪论
1.1课题概述
近几十年来在音频领域中，A类，B类，AB类音频功率放大器（额定输出功率）一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：
所用器件从电子管，晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形式从变压器到OTL，OCL，BTL形式过程。
其最基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。
A类音频功率放大器的最高工作效率为50%，B类音频功率放大器的最高工作效率为78.5%，AB类音频功率放大器的工作效率则介于两者之间。
但是无论A类，B类还是AB类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言和音乐时平均工作效率只有30%左右。
音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。
因此A类，B类，AB类音频功率放大器效率低，体积大，并不是人们理想中的音频功率放大器。
在本文中的D类音频功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号（PEM）的控制，使其工作在开关状态，理论上其效率可以达到100%，但其不足之出在于会产生高频干扰及噪声，但是若精心设计低通滤波器及合理的选择元器件参数，其音质噪声完全能够满足人们的需求。
本文中具体论述了一种基于晶体管的D类音频功率放大器的设计组成与实现方法。
1.1.1D类功率放大器简介
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：
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、效率低，输出功率不可能做的很大。
进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。
从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。
陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。
所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的。
都希望够有较长的使用寿命。
就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。
它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。
高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。
因为，功率越大，效率也就越重要。
而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。
在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百的音频功率。
这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。
国外对数字音频功率放大器领域进行了二三十年的研究。
在20世纪60年代中期，日本研制出8bit的数字音频功率放大器；1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构。
但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，若要实现16bit、44.1KHz采样的功率放大器。
随着数字信号处理（DSP）和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。
简单地说，历史上出现过三代D类放大器设计：
第一代的范例是由托卡塔设计的TacTMillennium，证实了D类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。
第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。
这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。
但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器，从而获得了一定的应用。
第三代是最近一段时间，现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善，他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。
为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。
通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。
最后还不能忽视新的架构技术。
国内外一些从事数字信号处理的技术人员，专门研究音频数字编码技术，在不损伤音频信号质量的情况下，尽量压缩数据库。
经过多次实验，终于将末级功放开关频率由没有压缩数据时的约2.8GHz减至小于1MHz，从而降低了对开关功放管的要求。
同时在开关功率放大部分，采用了驱动缓冲器和平衡电桥技术，实现了在不提高工作电压的情况下能够输出较大的功率，并且设计了完善的防止开关管击穿的保护电路。
1.2研究背景
学习模电数电以来，设计过模拟功放，只了解了一些理论上的概念及分析方法，加上模电部分的不确定性，所以通过此次D类功率放大电路的设计，复习模电和数电，去应用理论并加深理解，学会分析问题，解决问题，并从中学些解决问题的经验。
我们此次毕业设计以小组进行的，所以通过各组员的相互配合，相互指出不足，相互学习，培养我的交际能力和团队合作精神。
1.3论文研究目标和意义
功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。
功率放大器发展至今，有许多种类和应用，在工业方面，有在电力电子控制技术种的应用，有数控机床的电机驱动，也有应用于新型磁轴承开关。
在通讯方面，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。
而它的设计包含了电子电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。
因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。
实现兴趣与理论实践相结合，使整个设计过程不枯燥无味，从而既实现了对功率放大器的理论学习，又进行一次高性能智能型产品设计。
同时，通过实际设计与制作，进一步发挥和巩固三年来所学的知识，在实践中锻炼自己的专业水平。
第2章方案论证与设计
2.1总体设计分析
根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图2-1所示。
下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。
图2-1系统方框图
2.2方案的选择与设计
2.2.1高效率功率放大器
（1）高效率功放类型的选择
方案一：
采用A类放大器。
A类放大器的主要特点是：
放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。
放大器可单管工作，也可以推挽工作。
由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。
电路简单，调试方便。
但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25％，且有较大的非线性失真。
由于效率比较低现在设计基本上不在再使用。
方案二：
采用B类放大器。
B类放大器的主要特点是：
放大器的静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。
在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波（如图虚线部分所示），所以必须用两管推挽工作。
其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。
即当信号在-0.6V至0.6V之间时，Q1Q2都无法导通而引起的。
所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。
方案三：
、采用AB类放大器。
AB类放大器的主要特点是：
晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。
可以避免交越失真。
交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。
有效率相对提高，晶体管功耗也较小。
方案四：
采用D类功率放大器。
D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。
由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。
理论上为100％，实际电路也可达到80％～95％，所以我们决定采用D类功率放大器。
（2）高效D类功率放大器实现电路的选择本题目的核心就是功率放大器部分，采用何种电路形式以达到题目要求的性能指标，这是关键。
①脉宽调制器（PWM）
方案一：
可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制，不利于本题发挥部分的实现。
方案二：
采用图2-2所示方式来实现。
三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。
若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作，故选用此方案。
、
图2-2脉宽调制器电路
②高速开关电路
a.输出方式
方案一：
选用推挽单端输出方式（电路如图2-3所示）。
电路输出载波峰-峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。
图2-3高速开关电路
方案二：
选用H桥型输出方式（电路如图2-4所示）。
此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰-峰值可达10V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。
图2-4高速开关电路
b.开关管的选择。
为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低损耗。
方案一：
选用晶体三极管、IGBT管。
晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大；IGBT管的最大缺点是导通压降太大。
方案二：
选用VMMOSFET管。
VMOSFET管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用高速VMOSFET管。
③滤波器的选择
方案一：
采用两个相同的二阶巴特沃兹低通滤波器。
缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。
方案二：
采用两个相同的四阶巴特沃兹低通滤波器，在保证20kHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。
2.2.2信号变换电路
由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为1。
方案一：
采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。
方案二：
由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。
2.2.3功率测量电路
方案一：
直接用A/D转换器采样音频输出的电压瞬时值，用单片机计算有效值和平均功率，原理框图如图2-5所示，但算法复杂，软件工作量大。
图2-5功率测量电路
方案二：
由于功放输出信号不是单一频率，而是20KHz频带内的任意波形，故必须采用真有效值变换电路。
此方案采用真有效值转换专用芯片，先得到音频信号电压的真有效值。
再用A/D转换器采样该有效值，直接用单片机计算平均功率（原理框图如图2-6所示），软件工作量小，精度高，速度快。
图2-6功率测量电路
2.3方案确定
D类放大器的架构有对称与非对称两大类，在此讨论的D类功放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。
通过以上各方案论证D类放大器由PWM电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图2-7所示。
它采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。
采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。
全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。
实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。
其输出电压是叠加变大的，经过低通滤波器后，仍存在较大的负载电流，特别当滤波器设计不好时，流过负载的电流就会更大，从而导致负载损耗大，降低放大器效率。
音频输入
图2-7系统组成框图
第3章硬件电路设计
3.1原理分析
D类功率放大器的工作过程是：
当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器发声。
当输入PCM数字信号时，数字信号经PCM-PWM转换器，转变成为PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经低通功率滤波器带动扬声器工作。
3.1.1脉宽调制器
①三角波产生电路。
该电路我们用555芯片构成三角波产生电路，如图3-1所示。
本设计利用555组成多谐振荡器的电容C41充放电特性加以改进，实现对电容C41的线性充放电获得三角波。
利用QN9、QN10和R22构成恒流源对C41实现线性充电，利用QN7、QN8和R23构成的恒流源实现对C41的放电。
电容C41上的三角波经QN6射极跟随器输出。
电路中电容C41选用漏电流很低的聚苯乙烯电容。
该振荡器振荡频率:
2/3Vcc=1/3Vcc+I*T1/C;1/3Vcc=2/3Vcc-I*T2/C;F=1/（T1+T2）=3I/2Vcc*C。
我们要得到一个线性很好、频率约100KHZ、峰峰值为2.18V的三角波，将其输入到脉宽调制比较器的一个输入端。
图3-1三角波产生电路
电路工作原理如下：
接通电源瞬间，555芯片的3脚输出高电平，二极管D3
截止，D4导通，从而D2也截止，D1导通，电源Vcc通过QN9，QN10，R22，D1对电容C41恒流充电，当C41上电压达到2/3Vcc时，555芯片的输出发生翻转，即3脚输出低电平，D3导通，D4截止，从而D1也截止，D2导通，电容C41通过D2，QN7，QN8，R23恒流放电，直到C41电压等于1/3Vcc，电容又开始充电，如此循环，则C41上可以得到线性度良好的三角波，输出加一级电压跟随器，以提高带负载能力，其仿真波形如图3-2所示。
图3-2三角波波形图
②比较器
常规PWM调制电路如图3-3所示，电路以音频信号为调制波，频率为150kHz的三角波为载波，两路信号均加上2.5V的直流偏置电压，通过比较器进行比较，得到幅值相同，占空比随音频幅度变化的脉冲信号。
比较电路采用高速、精密的比较器芯片LM311。
由于比较器芯片LM311的输出级是集电极开路结构，输出端须加上拉电阻，上拉电阻的阻值采用芯片资料上的推荐阻值1k。
其仿真波形如图3-4所示。
图3-3比较器电路
3.1.2前置放大电路
前置放大电路如图3-5所示。
设计要求整个功率放大电路的增益从1～20连续可调，考虑到设计要求功率放大单元的电源为单电源+5V，故取载波（三角波）的峰峰值为2.18V。
当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8Ω负载上等效正弦波的电压峰峰值为V′p-p=8V，此时送给比较器音频信号的最大峰峰值为Vp-pmax=2V，则对应的调制放大增益为4（实际上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于4），由于设计要求电压放大倍数1～20连续可调，因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。
电路中运算放大器通过低噪声、高速运放OP-37为核心，加上相关元件构成反相比例放大器。
选择反相放大器是为了容易实现输入电阻Ri≥10kΩ的要求，取V+=VPP/2=2.5V要求输入阻抗Ri大于10KΩ,反馈电阻采用R3=51KΩ,反相端电阻R1=10KΩ,则前置放大器的最大增益Av为
Av=R3/R1=51/10=5.1
调整R3使其Av增益约为8，则整个功放的电压增益从1～20可调。
图3-5前置放大电路
3.1.3驱动电路
如图3-6所示。
将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用CD40106施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，送给由晶体三极管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保证了快速驱动。
驱动电路晶体三极管选用8050和8550对管。
图3-6驱动电路
3.1.4H桥互补对称输出及低通滤波电路
H桥互补对称输出电路对VMOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。
因输出功率稍大于1W，属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRF120和IRF9120VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。
实际电路如图3-7所示。
互补PWM开关驱动信号交替开启Q5和Q8或Q6和Q7，分别经两个4阶巴特沃兹滤波器滤波后推动喇叭工作。
图3-7H桥互补对称输出及低通滤波电路
低通滤波器采用四阶巴特沃兹LC滤波电路，如图3-7所示。
对滤波器的要求是上限频率≥20kHz，在通频带内特性基本平坦。
通过实验，从而得到了一组较佳的参数：
L1=22μH，L2＝47μH，L3=22μH，L4=47H。
19.95kHz处下降2.464dB，可保证20kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；100kHz、150kHz处分别下降48dB、62dB，完全达到要求。
3.1.5信号变换电路
由于负载两端的电压是浮动的，须将此双极性信号变为单极性信号，然后才能通过A/D和单片机作采样处理。
由于对这部分电路的电源电压不加限制，可不必采用价格较贵的满幅运放,故信号变换电路采用低噪声、高速运算放大器芯片NE5532。
题目要求电路增益为1，选取R1＝R2＝R3＝R4＝20kΩ，电路如图3-8所示。
图3-8信号变换电路
3.1.6功率测量
信号分压后先经过真有效值转换芯片AD637，AD637输出信号的有效值模拟电平，然后通过A/D采集送到单片机，直接计算功率放大器的输出功率、效率，然后把计算结果送显示单元显示即可。
真有效值变换电路如图3-9所示，采用美国模拟器件公司（AnalogDevices）髙精度真有效值变换芯片AD637，所需外围元件少，频带宽，测量误差≤±（0.2读数＋0.5mV），能计算任何复杂波形的真有效值、平均值、均方根值、绝对值，当输入信号大于1V时测量信号的频率上限高达8MHz。
图3-9真有效值变换电路
3.1.7保护电路
保护电路的原理如图3-10所示,0.1Ω过流取样电阻与8Ω负载串联连接，对0.1Ω电阻上的取样电压进行放大（并完成双变单变换）。
电路由U1B组成的减法放大器完成，选用的运放是NE5532。
R6与R7调整为11kΩ，则该放大器的电压放大倍数为Av=R0/R7≈51。
经放大后的音频信号再通过由D1、C2、R10组成的峰值检波电
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