D类功率放大器毕业论文Word文档下载推荐.docx
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项目使用TDA8922BTH芯片，采用先进的调制技术，它改进了PWM方案，使功放效率提升至90%左右。
其工作原理为：
输入信号与三角波信号在通过比较器比较之后，产生一个脉冲信号，送至前置放大电路，再经过低通滤波器滤波，以保证输出信号在一定的带宽内。
关键词：
D类功率放大器脉宽调制应用
ClassDpoweramplifier
Abstract：
Theprojectdesignishighlyefficient,energysaving,digital,smallsizeandlightweightcharacteristicsofClassDaudiopoweramplifiertomeettheobjectiveofenergy-efficientportabledevicesdemand,inlinewithmarketdemand,resultinginalargefieldofaudioanalogintegratedadvantage.ProjectusesTDA8922BTHchipsusingadvancedmodulationtechnology,whichimprovesthePWMscheme,thepoweramplifierefficiencyto90%.Itsworkingprincipleis:
theinputsignalandthetriangularwavesignalbycomparingthedevicecomparisons,togenerateapulsesignal,senttothepreamplifier,andthenthroughthelowpassfiltertoensurethattheoutputsignalinacertainbandwidth.
Keywords:
ClassDPowerAmplifierPWMApplications
0引言
功率放大器（简称功放），是对音频信号功率进行放大的设备，是高保真音频信号放大处理的核心部分。
随着电子应用技术的进步和各种相应元器件的变革，功放电路的结构形式得到不断的发展，目前常用的有A类、B类、AB类功放以及D类数字功放等。
本文主要以高效率D功率放大器为核心。
1.D类功率放大器介绍
1.1.D类功率放大器的定义
D类功放也叫丁类功放，是指功放管处于开关工作状态的功率放大器。
早先在A类功放占一定的阵地，认为A类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。
但A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。
后来效率较高的B类功放得到广泛的应用，然而，虽然效率比A类功放提高很多，但实际效率仍有20%～50%（按负载方式而定），仍感效率偏低不能令人满意。
所以，如今效率极高的D类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视，并得到广泛的应用。
1.2D类功放的电路组成及工作原理
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2.1所示。
图1.1D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。
图1.2
放大器中的三角波、音频正弦信号产生的PWM波形及其相互关系
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。
。
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。
D类功放的工作原理见图1.3。
（a）工作波形
（b）原理简图
图1.3D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。
1.3D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。
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。
（2）对PWM调制电路的要求。
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）。
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。
3.硬件制作与调试
3.1基于TDA8922BTH芯片D类功放的PCB板制作
3.1.1软件介绍
本次设计我们使用的是Protel99SE软件。
Protel99SE是由Protel99版本发展而来的，是基于Windows环境下使用的EDA软件，主要包括以下几个模块：
（1）电路原理图（Schematic）设计模块。
（2）印制电路板（PCB）设计模块。
（3）可编程逻辑器件（PLD）设计模块。
（4）电路仿真（Simulate）模块。
利用Protel99SE进行印制电路板的设计，整个过程需要三个步骤：
电路原理图设计——产生网络表——印制电路板设计。
电路原理图设计（Sch）：
利用Protel99SE的原理图设计系统，绘制完整的、正确的电路原理图。
产生网络表：
网络表是表示电路原理图或印制电路板中元件连接关系的文本文件，是连接电路原理图与印制电路板图的桥梁。
印制电路板图设计（PCB）：
根据电路原理图，利用Protel99SE提供的强大的PCB设计功能，进行印制电路板的设计。
电路原理图设计的一般步骤：
开始——图纸设置——加载元件库——放置元器件——调整元器件布局位置——进行布线及调整——存盘打印。
3.1.2D类功放PCB板的布线要求
在D类功放板中，PCB走线及表现出EMI特性的金属都应该尽可能短，包括从电源输出部分到D类放大器输出部分及从电源到扬声器间的金属连线。
D类放大器，高频脉冲中输出部分由电源电流来提供动力，同时，为了在放大器输出端产生精确的方波脉冲，供电电压必须保持稳定，其波动与噪声是严格禁止的，在这里存储电容成为关键的元件。
PCB金属走线中的寄生电阻是相当不利于电源稳定的，应该在尽可能靠近输出部分的位置放置存储电容使寄生电阻最小化。
3.1.3D类功放的PCB板散热设计
从有利于散热的角度出发，印制版最好是直立安装，板与板之间的距离一般不应小于2cm，而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则：
（1）对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按纵长方式排列；
对于采用强制空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按横长方式排。
（2）同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。
（3）在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；
在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响。
（4）对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。
（5）设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或印制电路板。
3.2D类功放的干扰
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）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。
此外解决EMI的方案是使用LC电源滤波器或磁珠（Bead）滤波器以过滤高频谐波。
A.在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。
如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。
电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。
在地线设计中应注意以下几点：
（1）.正确选择单点接地与多点接地。
（2）将数字电路与模拟电路分开。
（3）将接地线构成闭环路。
B、电磁兼容性设计
电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。
电磁兼容性设计的要求：
（1）.选择合理的导线宽度。
（2）.采用正确的布线策略。
C、去耦电容配置
在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。
配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下：
（1）.电源输入端跨接一个10～100uF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。
（2）.为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。
（3）.对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。
（4）.去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。
3.3调试过程及步骤
3.3.1测试仪器
测试仪器包括数字万用表、信号发生器、示波器、直流稳压电源、电桥测量仪等。
3.3.2测试方法
（1）.数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、截止/导通状态等参数、各点的电压；
（2）.信号发生器与示波器用于测试输入、输出信号的波形，及PWM波形；
（3）.直流稳压电源在测试期间为各待测系统提供电压；
（4）.电桥测量仪测量各电容、电感元件的值。
3.3.3电源部分的调试过程
在了解到D类功放对电源电路的要求之后，我们开始查阅资料，了解各种电源的优缺点，并确定电源电路方案。
经过比较，我们选择使用LM337和LM317组成的集成稳压可调电源电路。
我们依据方案焊接好电路，上电测电压，在调节正电压时，测量到电压是连续可调的，我们将它调到需要的电压。
于是我们又开始注重检查负电源电路部分，发现我们将LM337的引脚弄错了，经过改正，为确定电路连接正确，又认真的检查了一遍，没有发现错误。
再次上电，负电压的效果出来了。
3.3.4D类功放的调试过程
在得知我们要做D类功放这个项目时，我们查阅了许多资料，了解到功率放大器的分类以及主要优缺点，并在此基础上确定了方案，即利用TDA8922BTH芯片做D类功放。
确定方案后，我们依据原理图制作PCB板，在检查PCB板是否有制作错误时，我们发现有一处错误，修正后，将电路板焊接好。
我们为电路板提供20V电压，测量芯片各引脚的电压。
发现芯片6脚的电压一直为0V，即处于待机状态。
于是我们根据电路原理图一点一点检查电路，发现稳压二极管焊接有误，改正后，测量稳压二极管负端的电压为5.6V，经R3分压后，芯片6脚的电压为5V，芯片各引脚的电压都正常。
输入信号，将输出信号接入扬声器，用直流稳压电源送入±
20V电压，扬声器有轻微的振动，随即直流稳压电源输出的正电压突然降低到+3.4V左右，我们立即拔电源，再次检查电路，发现电容C40导通，将电容擦除，测量电容是否导通，经检查电容没有问题，再次检查通道2的电路，发现芯片23脚与21脚导通，经过更换芯片，再测量电路，电路恢复正常。
为确保芯片不再烧坏，我们又仔细地检查了电路。
再次上电，电感L3和L4被烧坏，因这两个电感为滤波电感，我们查不出原因。
经老师提醒，滤波电感应为磁性电感，于是我们决定自己绕电感，在电路中焊接好电感，上电，扬声器出现了声音。
我们将信号改用音频信号，效果基本实现，但依然有些噪声。
为消除噪音，我们又一次的查阅资料，了解噪音出现的可能原因：
（1）电源滤波不良
（2）电线环路（3）接地不当4）电路有干扰（5）焊接不良
我们根据可能的原因检查电路，检查时发现个别焊点有些轻微的虚焊，于是，我们又将这些焊点补焊，再将电源部分与功放部分连接，看声音效果发现好了很多。
在电路正常的情况下，输入电压±
13V，测得电压为:
表3.1输入±
13V时芯片各引脚的电压:
引脚
电压
1
-12.9V
3
12.8V
6
工作：
5V，静音：
2.6V，待机：
0V
10
12
-13V
14
12.9V
17
20
-12.7V
23
24
通过本次实验，证明了D类功率放大器效率高的优点。
使我对D类功率放大器有了进一步的认识，了解了D类功率放大器的优点，对集成电路的设计也有了深刻的认识。
致谢
时间飞逝，历时一个多月的毕业设计即将接近尾声了，在我们的指导老师张海泉老师的指导下和我们毕业设计小组成员的共同努力下，本次D类功率放大器的毕业设计项目已基本完成。
在这项毕业设计的制作过程中，由于本人需要接本上课，错过了一些小组讨论和实物制作的宝贵过程。
至此，我对我的指导老师和小组其他伙伴们对我的支持和理解表示真挚的感谢！
感谢张老师对我们此次设计各个板块的指导与支持，为我们提供了许多宝贵的学习材料和硬件制作过程中的大力帮助。
还要感谢我们实训室的管理员老师，当我们在实训室调试的时候，遇到老师在给他指导的小组指导，在他指导的间隙，也给我们的硬件调试提出了关键性的指导。
还有我的同班同学，在本次毕业设计制作的过程中，付出了大量的时间和精力，在这次毕业设计项目上给了我许许多多的帮助。
最后就是要感谢我的舍友了，因为有许多在一起的时间，所以，她们除了去完成自己的毕业设计项目外，还给了我许多帮助，给我提出了很多支持和完善项目的意见和建议。
总之，此次毕业设计的项目能够完成，离不开周围老师和朋友的支持和帮助，在大家的共同努力下才得以取得进步！
至此，三年前收到郑州师范学院录取通知书时的情景还历历在目，三年来在天鹅湖畔沐浴春风，博物馆里饱读诗书，实验室里发奋苦学。
转眼间已是即将毕业了。
回首过去的日子里，辛酸与汗水已成丝丝回味，甜美与欢笑也都尘埃落定。
随着那心底的一澈楼前人工湖的湖水，珍藏于记忆的深处。
明天将是一片朝阳，等待着我们昂首阔步，更创辉煌！
在这求学近三年的时间里，坎坷与收获永远是伴随的，但不论是成功也好，失意也罢，许多亲爱的老师和可爱的朋友都一如既往的给予我支持与鼓励。
在这三年里是他们的鼓励与支持，陪伴我走过大学路上的酸甜苦辣、求学的艰辛欢乐，如果没有他们，也就没有灿烂的昨天，今天和明天，对他们的感激之情，是语言都无法表达的！
再次衷心地感谢给予我帮助、关怀和鼓励的所有人士!
最后，最真挚的感情感谢这片土地！
感谢郑州师范学院物理与电子科学系！
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