贵州大学.docx
《贵州大学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《贵州大学.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
贵州大学
贵州大学2011-2012学年第一学期考试试卷
科技论文写作
论文（设计）题目：
高效率音频功率放大器
学院：
职业技术学院
专业：
电子信息科学与技术
班级：
电科091
学号：
学生姓名：
2011年12月20日
论文题目：
D类功率放大器
摘要
在音频领域发展的几十年里，A类，B类，AB类音频功率放大器一直占着主导地位，随着科技的不断发展，音频功率放大器也有了新的研究成果—D类功率放大器。
D类功率放大器有很多优点，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板（PCB）面积和成本，并且能够延长便携式系统的电池寿命。
D类放大器，是通过控制开关单元的ON/OFF，驱动扬声器的放大器。
D类放大器是最近几年才发展起来的，在系统的耐用上以及音频质量等都有了很大的提高。
关键词：
D类功率放大器，TDA8922TH，PWM调制，电压开关型驱动电路
Intheaudiofieldfordecades,AClass,BClass,ABaudiopoweramplifierhasoccupiedtheleadingposition,withthetechnologycontinuousdevelopmentoftheaudiopoweramplifieralsohasanewresearch-Dpoweramplifier.ClassDpoweramplifierhasmanyadvantages,becausethelow-powergeneratinglessheat,savingprintedcircuitboard（PCB）areaandcost,andcanextendbatterylifeinportablesystems.ClassDamplifier,throughthecontrolswitchunitON/OFF,theamplifierdrivesthespeaker.ClassDamplifierisonlydevelopedinrecentyears,thedurabilityofthesystemandsoonandtheaudioqualityhasbeengreatlyimproved.
Keywords:
Dpoweramplifier,TDA8922TH,PWMmodulation,thevoltageswitchingdrivecircuit
一、绪论
我们要做的毕业设计是高效率音频功率放大器，它是近年来刚发展起来的一种音频放大器，通常叫做D类功率放大器。
它的工作电压在12.5V-30V之间，工作效率在理想状态下为100%，它具有功率大、效率高、失真小的特点。
在高保真音响设备中，功率放大器用来对各种音源输出的音频信号进行加工处理和不失真地放大，使之达到一定的功率去推动扬声器发声。
其中，如何对音频信号进行功率放大，使之达到功率大、效率高、失真小，是功率放大器所要解决的最主要问题。
也是我们所做的毕业设计任务要求。
1.1D类功放的发展背景
以家庭影院为时代标志的现代家庭影音系统自20世纪80、90年代兴起后，马上得到广大民众，特别是青年一代的青睐，以惊人的速度进入了千家万户和公共娱乐场所。
随着数字电路和计算机技术的不断发展，家庭影音系统工程日趋成熟与完美，越来越多的电子爱好者期望能自己制作出体现自己意愿特殊的家庭影音系统。
我们毕业研究的课题，就是家庭影音系统的一部分，最高效的功放，它正慢慢改变我们的生活，使我们的生活变得更美好。
1.2D类功放诞生的原因
几十年在音频领域中，A类，B类，AB类音频功率放大器一直占据统治地位。
音频功率放大器发展经历了这样的几个过程：
所有器件从电子管、晶体管到集成电路的过程：
电路组成从单管到推挽的过程：
电路形成从变压器输出到OTL、OCL、BTL的形式过程。
其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。
全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备的环保要求。
迫使人们开发，高效、节能、环保、数字化的音频功率放大器，它应该具有工作效率高，便于与其它数字化设备相连接的特点。
D类功率放大器就是PWM型功率放大器。
它基本符合上面的要求。
近几年来，国际上对D类功放的研究与开发已经有了很大
的发展。
几家著名的研究机构与公司已经成功的研制出好几种此类的音频功率放大器。
这一技术显示了它高效、节能、环保、数字化的特点。
现在这一技术正在迅猛发展，前景一片光明。
1.3功率放大器的基本组成
在高保真音响电路中，功放电路通常由两个或两个以上的音频声道所组成。
每个声道分为两个主要的部分，即前置放大器和功率放大器。
两部分电路可分设在两个机箱内，也可组装在同一个机箱内，后者称为综合放大器。
由于左、右声道完全相同，所以在双声道电路中只介绍其中一路，电路组成框图如图1.3所示。
图中左侧为前置放大器，右侧为功率放大器。
图1.3功率放大器电路组成框图
（1）前置放大器的组成。
前置放大器具有双重功能：
它要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；还要进行各种音质控制，以美化声音。
这些功能由均衡放大、音源选择、输入放大和音质控制等电路来完成。
音源选择。
音源选择电路的功能是选择所需的音源信号送入后级，同时关闭其他音源通道。
各种音源的输出是各不相同的，通常分为高电平与低电平两类。
调谐器、录音座、CD唱机、VCD/DVD影碟机等音源的输出信号电平达50～500mV，称为高电平音源，可直接送入音源选择电路；而动圈式和动磁式电唱机的输出电平仅为0.5～5mV，称为低电平音源，须经均衡放大后才能送入音源选择电路。
线路输入端又称为辅助输入端，可增加前置放大器的用途和灵活性，供连接电视信号和其他高电平音源之用。
输入放大。
输入放大器的作用是将音源信号放大到额定电平，通常是1V左右。
输入放大器可设计为独立的放大器，也可在音质控制电路中完成所需要的放大。
音质控制。
音质控制的目的是使音响系统的频率特性可以控制，以达到高保真的音质；或者根据聆听者的爱好，修饰与美化声音。
有时还可以插入独立的均衡器，以进一步美化声音。
音质控制包括音量控制、响度控制、音调控制、左、右声道平衡控制、低频噪声和高频噪声抑制等。
（2）功率放大器的组成。
虽然功率放大器的电路类型很多，但基本上都由激励级、输出级和保护电路所组成。
激励级。
激励级又可分为输入激励级和推动激励级，前者主要提供足够的电压增益，后者还需提供足够的功率增益，以便能激励功放输出级。
输出级。
输出级的作用是产生足够的不失真输出功率。
为了获得满意的频率特性、谐波失真和信噪比等性能指标，可在输出级与激励级之间引入负反馈。
保护电路。
保护电路用来保护输出级功率管和扬声器，以防过载损坏。
此外，一个完备的高保真功率放大器，还必须设置直流稳压电源及电平显示电路等。
1.4对功率放大器的基本要求
（1）输出功率要大。
为了得到足够大的输出功率，功放管的工作电压和电流接近极限参数。
功放管集电极的最大允许耗散功率与功放管的散热条件有关，改善功放管的散热条件可以提高它的最大允许耗散功率。
在实际使用中，功放管都要按规定安装散热片。
（2）效率要高。
扬声器获得的功率与电源提供的功率之比称为功率放大器的效率。
功率放大器的输出功率是由直流电源提供的，由于功放管具有一定的内阻，所以它会有一定的功率损耗。
功率放大器的效率越高越好。
（3）非线性失真要小。
由于功率放大器中信号的动态范围很大，功放管工作在接近截止和饱和状态，超出了特性曲线的线性范围，必须设法减小非线性失真。
二、D类功放的特点与电路组成
2.1功放的分类
传统的功率放大器主要有A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类），除此之外，还有工作在开关状态下的D类（丁类）功放。
2．2几类经典功放的工作原理及特点
A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器。
其晶体管总是工作在放大区，并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性放大区域。
它的优点是输出信号的失真比较小。
缺点是输出信号的动态范围小，效率低，理想情况下的效率为50%。
考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损耗，A类功率放大器的效率仅为20%左右。
图2.2.1
B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50%，因为其晶体管只有在输入信号的正半周期工作在放大区，在输入信号的负半周是截止的。
它的优点是在理想的情况下其效率为78.5%，比A类提高了很多。
其缺点是非线性失真比A类功放大，而且会产生交越失真，增加噪声。
图2.2.2
AB类功率放大器是以两类的结合，是每个功率放大器的导通时间在50%—100%，此类功率放大器流行过一段时间，它兼顾了失真与效率两方面的性能指标。
在设计该功率放大器是要设置晶体管的静态偏置电路。
使其工作在甲乙类状态，这类放大器的失真要比乙类的小，但其效率比乙类功放要低一些。
图2.2.3
2.3传统功放与D类功放的比较
功率消耗在所有线性输出级，因为产生输出电压vout的过程中不可避免地会在至少一个输出晶体管内造成非零的ids和vds。
功耗大小主要取决于对输出晶体管的偏置方法。
A类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流（dc）电流源，能够提供扬声器需要的最大音频电流。
A类放大器输出级可以提供优良的音质，但功耗非常大，因为通常有很大的dc偏置电流流过输出级晶体管（这是我们不期望的），而没有提供给扬声器（这是我们期望的）。
B类放大器拓扑结构没有dc偏置电流，所以功耗大大减少。
其输出晶体管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流。
由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。
但是B类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差（交越失真）。
A/B类放大器是A类放大器和B类放大器的组合折衷，它也使用dc偏置电流，但它远小于单纯的A类放大器。
小的dc偏置电流足以防止交越失真，从而能提供良好的音质。
其功耗介于A类放大器和B类放大器之间，但通常更接近于B类放大器。
与B类放大器电路类似，A/B类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。
不幸的是，即使是精心设计A/B类放大器也有很大的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。
由于漏源极之间的电压降很大，所以会产生很大的瞬时功耗ids×vds。
D类放大器由于具有不同的拓扑结构，其功耗远小于上面任何一类放大器。
D类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲。
这种波形有利于降低功耗，因为当输出晶体管在不导通时具有零电流，并且在导通时具有很低的vds，因而产生较小的功耗ids×vds。
2.4D类功放的特点
（1）效率高。
在理想情况下，D类功放的效率为100%（实际效率可达90%左右）。
B类功放的效率为78.5%（实际效率约50%），A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。
这是因为D类功放的放大元件是处于开关工作状态的一种放大模式。
无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。
工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。
理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。
（2）功率大。
在D类功放中，功率管的耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合，输出功率可达数百瓦。
（3）失真低。
D类功放因工作在开关状态，因而功放管的线性已没有太大意义。
在D类功放中，没有B类功放的交越失真，也不存在功率管放大区的线性问题，更无需电路的负反馈来改善线性，也不需要电路工作点的调试。
（4）体积小、重量轻。
D类功放的管耗很小，小功率时的功放管无需加装体积庞大的散热片，大功率时所用的散热片也要比一般功放小得多。
而且一般的D类功放现在都有多种专用的IC芯片，使得整个D类功放电路的结构很紧凑，外接元器件很少，成本也不高。
2.5D类功放的组成与原理
D类功放的电路组成可以分为三个部分：
PWM调制器、脉冲控制的大电流开关放大器、低通滤波器。
电路结构组成如图2.5.1所示。
图2.5.1D类功放的组成
其中第一部分为PWM调制器。
最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。
把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端，另外通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。
当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。
若音频输入信号为零时，因其直流偏置为三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1：
1的方波。
当有音频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1：
1；音频信号的负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于1：
1。
这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为PWM（PulseWidthModulation脉宽调制）或PDM（PulseDurationModulation脉冲持续时间调制）波形。
音频信息被调制到脉冲波形中，脉冲波形的宽度与输入的音频信号的幅度成正比。
第二部分为脉冲控制的大电流开关放大器。
它的作用是把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。
能够输出的最大功率由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。
第三部分为由LC网络构成的低通滤波器。
其作用是将大功率PWM波形中的声音信息还原出来。
利用一个低通滤波器，可以滤除PWM信号中的交流成份，取出PWM信号中的平均值，该平均值即为音频信号。
但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用LC低通滤波器。
当占空比大于1：
1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被恢复出来。
D类功放的工作原理见图2.5.2。
（a）原理简图（b）工作波形
图2.5.2 D类功放原理图
对于数字音频信号输入时，经数字内插滤波器和等比特调制器后，即可得到脉冲宽度与数字音频的采样点数据成正比的PWM信号。
其中数字内插滤波器是在数字音频信号的数据之间再插入一些相关联的数据，以内插方式提高数字音频信号的采样点数（采样频率），等比特调制器是将数字信号的数据大小转换为脉冲的宽度，使输出信号的脉冲宽度与输入数据的大小成正比。
2.6D类功放的要求
（1）对功率管的要求。
D类功放的功率管要有较快的开关响应和较小的饱和压降。
D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。
此时功放管的线性已没有太大意义，更重要的是开关响应和饱和压降。
由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好。
另外，整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗。
所以，管子的饱和压降小不但效率高，且功放管的散热结构也能得到简化。
若干年前，这种高频大功率管的价格昂贵，限制了D类功放的发展，现在小电流控制大电流的MOSFET已在Hi-Fi功放上得到广泛应用。
（2）对PWM调制电路的要求。
PWM的工作原理图
图2.6
PWM调制电路也是D类功放的一个特殊环节，要把20kHz以下的音频调制成PWM信号，三角波的频率至少要达到200kHz（三角波的频率应在音频信号频率的10~20倍以上）。
当频率过低时要达到同样要求的THD（总谐波失真）标准，则对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂。
如果三角波的频率高，输出波形的锯齿小，就能更加接近原波形，使THD小，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来构成低通滤波器，造价相应降低。
但是，晶体管的开关损耗会随频率的上升而上升，无源器件中的高频损耗、射频的聚肤效应都会使整机效率下降。
更高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHz。
而在实际的中小功率D类数字功放中，当三角波的频率达到500kHz以上时，也可以直接由扬声器的音圈所呈现的电感来还原音频信号，而不用另外的LC低通滤波器。
另外在PWM调制器中，还要注意到调制用的三角波的形状要好、频率的准确性要高、时钟信号的抖晃率要低，这些参数都会影响到后面输出端由LPF所复原的音频信号的波形是否与输入端的原音频信号的波形完全相同，否则会使两者有差异而产生失真。
（3）对低通滤波器的要求。
位于驱动输出端与负载之间的无源LC低通滤波器也是对音质有重大影响的一个重要因数。
该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱。
严格地讲，设计时应把音箱阻抗的变化一起考虑进去，但作为一个功放产品指定音箱是行不通的，所以D类功放与音箱的搭配中更有发烧友驰骋的天地。
实际证明，当失真要求在0.5%以下时，用二阶Butterworth最平坦响应低通滤波器就能达到要求。
如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑。
近年来，一般应用的D类功放已有集成电路芯片，用户只需按要求设计低通滤波器即可。
（4）D类功放的电路保护。
D类功率放大器在电路上必须要有过电流保护及过热保护。
此二项保护电路为D类功率IC或功率放大器所必备，否则将造成安全问题，甚至伤及为其供电的电源器件或整个系统。
过电流保护或负载短路保护的简单测试方法：
可将任一输出端与电源端（Vcc）或地端（Ground）短路，在此状况下短路保护电路应被启动而将输出晶体管关掉，此时将没有信号驱动喇叭而没有声音输出。
由于输出短路是属于一种严重的异常现象，在短路之后要回到正常的操作状态必需重置（Reset）放大器，有些IC则可在某一延迟（Delay）时间后自动恢复。
至于过热保护，其保护温度通常设定在150°~160°C，过热后IC自动关掉输出晶体管而不再送出信号，待温度下降20°C~30°C之后自动回复到正常操作状态。
（5）D类功放的电磁干扰。
D类功率放大器必须要解决AB类功率放大器所没有的EMI（ElectroMagneticInterference，电磁干扰）问题。
电磁干扰是由于D类功率放大器的功率晶体管以开关方式工作，在高速开关及大电流的状况下所产生的。
所以D类功放对电源质量更为敏感。
电源在提供快速变化的电流时不应产生振铃波形或使电压变化，最好用环牛变压器供电，或用开关电源供电。
此外解决EMI的方案是使用LC电源滤波器或磁珠（bead）滤波器以过滤其高频谐波。
中高功率的D类功率放大器因为EMI太强目前采用LC滤波器来解决，小功率则用Bead处理即可，但通常还要配合PCB版图设计及零件的摆设位置。
比如，采用D类放大器后，D类放大器接扬声器的线路不能太长，因为在该线路中都携带着高频大电流，其作用犹如一个天线辐射着高频电磁信号。
有些D类放大器的接线长度仅可支持2cm，做得好的D类放大器则可支持到10cm。
2.7D类功放选择
下面以荷兰飞利浦公司生产的TDA8922功放芯片为例，对D类功放电路进行介绍。
TDA8922是双声道、低损耗的D类音频数字功率放大器，它的输出功率为2×25W。
具有如下特点：
效率高（可达90%），工作电压范围宽（电源供电±12.5V~±30V），静态电流小（最大静流不超过75mA），失真低，可用于双声道立体声系统的放大（SE接法，Single-Ended）或单声道系统的放大（BTL接法，Bridge-TiedLoad），双声道SE接法的固定增益为30dB，单声道BTL接法的固定增益为36dB，输出功率高（典型应用时2×25W），滤波效果好，内部的开关振荡频率由外接元件确定（典型应用为350kHz），并具有开关通断的“咔嗒/噼噗”噪声抑制，负载短路的过流保护，静电放电保护，芯片过热保护等功能。
广泛应用于平板电视、汽车音响、多媒体音响系统和家用高保真音响设备等。
1．内部结构与引脚功能
TDA8922的内部结构如图2.7.1所示，包含两个独立的信号通道和这两个通道共用的振荡器与过热、过流保护及公共偏置电路。
每个信号通道主要包括脉宽调制和功率开关放大两个部分。
图2.7.1 TDA8922内部结构
（1）脉宽调制。
输入的模拟音频信号经电压放大后，与固定频率的三角波相比较，全部音频信息被调制在PWM信号的宽度变化中。
三角波的产生由压控振荡器实现，三角波的频率由7脚外接的RC定时元件确定。
比较器是一个带锁相环的脉宽调制电路，调制后的电路与功率输出级的门控电路相连，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。
PWM信号是一个数字脉冲信号，其脉宽的变化反映音频信号的全部信息。
脉冲信号的高、低电平控制两组功率管的通/断，高/低两值之间的转换速度决定两组功率管之间的通/断的转换时间。
电路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。
（2）功率开关放大。
功率开关放大部分由门控电路、高电平与低电平驱动电路、MOSFET功率管所组成。
门控电路用于输出级的功率开关管在开关工作时的死区校正，防止两个MOSFET管在交替导通的瞬间的穿透电流所引起的无用功耗，因为在高频开关工作时，需要分别将两个MOSFET管的截止时间提前而将导通时间滞后，防止两个管子在交替导通的瞬间同时导通而产生贯通电流，这一贯通电流是从正电源到负电源直通而不流向负载的。
PWM信号控制着MOSFET功率管的通/断，驱动扬声器发声。
开关功率管集成在数字功率IC内，有利于缩小整个功放的体积，降低成本，提高产品竞争力。
在输出端与高电平驱动器之间接有自举电容，用于提高在上管导通期间的高电平驱动器送到上管栅极的驱动电平，保证上管能够充分导通。
（3）工作模式选择与过热过流保护电路。
TDA8922芯片中除了每个声道中的脉宽调制与功率开关放大电路外，还有工作模式选择与过热保护与过流保护。
6脚为工作模式选择端，当6脚外接5V电源时为正常工作模式，此时D类功放各电路正常工作；当6脚接地（0V）时为待机状态，此时芯片内的主电源被切断，主要电路都不工作，整机静态电流极小；当6脚电平为电源电压的一半（约2.5V）时为静音状态，此时各电路都处于工作状态，但输入级音频电压放大器的输出被静音，无信号输送到扬声器而无声。
过热保护与过流保护是通过芯片温度检测和输出电流检测来实现的。
当温度传感器检测到芯片温度>150ºC时，则过热保护电路动作，将MOSFET功放级立即关闭；当温度下降至约130ºC时，功放级将重新开始切换至工作状态。
如果功放输出端的任一线路短路，则功放输出的过大电流会被过流检测电路所检出，当输出电流超过最大输出电流4A时，保护系统会在1μs内关闭功率级，输出的短路电流被开关切断，这种状态的功耗极低。
其后，每隔100毫秒系统会试图重新启动一次，如果负载仍然短路，该系统会再次立即关闭输出电流的通路。
除过热过流保护外，芯片内还有电源电压检测电路，如果电源电压低于±12.5伏，则欠压保护电路被激活而使系统关闭；如果电源电压超过±32伏，则过压保护电路会启动而关闭功率级。
当电源电压恢复正常范围（±12.5V~±32V）
时，系统会重新启动。
（4）输出滤波器。
输出滤波器的用途是滤除PWM信号中的高频开关信号和电磁干扰信号,降低总谐波失真。
LPF参数的选择与系统的频率响应和滤波器的类型有关。
音频信号的频率在20Hz～20kHz，而开关脉冲信号和电磁干扰信号的频率都远大于音频信号频率，因此LPF所用的LC元件参数，可选择在音频通带内具有平坦特性的低通滤波器。
TD
升级会员 