T类功率放大器设计.docx

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T类功率放大器设计

摘要

近年来，有一种新技术，它利用功率晶体管工作在开关状态，在音响领域的应用就是数字功率放大器，也称T类功率放大器。

与传统模拟功率放大器相比，数字功率放大器有着非常鲜明的特点：

1、采用最先进数字处理技术20bit的字长，可精确还原音频信号，使得无论声音细节还是轮廓都得以完美再现。

2、具有极高的效率，功率转换效率高达90％，具有传统模拟功率放大器无法比拟的高效节能性，从此改变在人们心目中音频功率放大器笨重、耗电、体积大的印象。

3、寿命长，在高效、低功耗、数字化电路的共同作用下，使功率放大器可靠性、安全性大幅度提高。

4、瞬态响应好，它不需传统功率放大器的静态电流消耗，能量几乎都是为音频输出而储备，加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“瞬态响应”特性，令声音细节重放更丰富。

5、整个频段内无相移，声场定位准确，采用数字滤波器等技术，将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在20Hz～20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。

6、抗干扰能力强，数字功率放大器是工作在开关状态，具有更好的抗干扰能力，使音质更纯净透彻。

关键词：

T类功率放大器；高效率；数字滤波器；

ABSTRACT

Inrecentyears,thereisanewtechnology,usingpowertransistorsworkinswitchstate,intheareasofapplicationaredigitalaudiopoweramplifier,alsocalledTclassamplifiers.Comparedwiththetraditionalanalogpoweramplifier,digitalpoweramplifierhasaverydistinctivecharacteristics:

1,Adoptthemostadvanceddigitalprocessingtechnology20bitwordlong,canaccuratereductionaudiosignal,makeneithersounddetailsorcontourallbeabletoperfectreproduction.2,Highefficiencyandpowerconversionefficiencyover90%,withtraditionalanalogpoweramplifierandincomparableenergy-savingsex,changedintheeyesofpeopleaudioamplifierheavy,powerconsumption,bigvolumeimpression.3,Longservicelife,highefficiency,lowpowerconsumption,underthecommonfunctionofdigitalcircuit,makethepoweramplifierreliability,safetyincreasedgreatly.4,Thetransientresponsewell,itdoesnotneedthetraditionalamplifierstaticcurrentconsumption,energyisalmostasaudiooutputandreserves,coupledwithnoanalogamplifier,nonegativefeedbackoftraction,ithasbetter"transient"character,makesounddetailsreplaymoreabundant.5,Thebandwithoutphaseshift,acousticfieldinaccuratelocation,adoptingdigitalfiltertechnologyetc,willoutputfiltercutofffrequencydesign,thusensuringthehigherin20Hz~20kHzinsidegetevenamplitudefrequencycharacteristicsandgoodphasefrequencycharacteristics.6,Stronganti-jammingcapability,digitalpoweramplifierisworkinginswitchstateandhasbetteranti-interferenceabilitytomakesoundmorepurethoroughly.

KeywordsTclassamplifiers；highefficiency；transientresponse；digitalfilter；

1绪论

1.1课题研究背景

随着人民生活水平的提高，许多人特别是音响发烧友们对音频功率放大器能否完美不失真的还原声音的要求近乎于苛刻。

模拟的功率放大器经过了几十年发展，在这方面的技术已经相当成熟，可以说是达到了登峰造极的地步。

环保与能量的利用率已渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，广大消费者对功放的效率要求越来越高。

但是模拟功率放大器在这方面几乎达到了极限。

另外模拟磁带播放机如录音机逐步被淘汰，数字光碟播放机如CD、VCD、DVD等已占据主流。

针对这一现实数字功放应运而生。

音响中用的功率放大器，常用的是A类或者AB类功放，近年来，利用脉宽调制原理设计的D类功放也进入音响领域。

功率放大器通常根据其工作状态分为五类。

即A类、AB类、B类、C类、D类。

在音频功放领域中，前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。

D类放大器比较特殊，它只有两种状态，不是通就是断。

因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。

人们把此种具有"开关"方式的放大，称为"数字放大器"。

国外在数字音频功率放大器领域进行了二、三十年的研究，六十年代中期，日本研制出8bit数字音频功率放大器。

1983年，M.B.Sandler等学者提出D类（数字）PCM功率放大器的基本结构。

主要是围绕如何将PCM信号转化为PWM信号。

把信号的幅度信号用不同的脉冲宽度来表示。

此后，研究的焦点是降低其时钟频率，提高音质。

随着数字信号处理（DSP）技术和新型功率器件及应用的发展，开发实用化的16位数字音频功放成为可能。

一个音响系统必须具备音源、功放和音箱三大部分。

音源部分目前已数字化了，如CD、VCD、DVD、DAB和数字电视等。

但的功放和音箱仍然是模拟统治的天下。

在人们进入数字化、信息化的开发过程中自然想到了功放的数字化这一问题。

模拟功放始终无法解决效率、成本、音质这三者。

国外这几家公司研制的数字功放价格均在一万美元以上，远远超过了普通大众的承受能力，因此，从世界水平来看，现有功放仍停留在模拟放大的水平上，而数字功放技术尚未大规模商业应用。

国内市场也开始出现AV数码功放，但所谓的数字功放实质上仅仅是指音频处理部分采用了数字处理，其功率放大器则仍然采用模拟放大，这与真正意义的数字功放相差甚远。

音响产品的数字化是必然趋势。

由于数字功放有很多优点，如体积小、功率大、高、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰、实现高保真等。

在数字音源已经大量普及的时代，数字功放将会取代现有的模拟功放。

1.2课题研究的目的和意义

数字功放与模拟功放相比有如下一些明显优势。

（1）整个频段内无相对相移，声场定位准确。

由于采用无负反馈的放大电路、数字滤波器等处理技术，可以将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在20Hz-20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。

（2）瞬态相应好，即"动态特性"好。

由于它不需传统功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的"动力"特征。

（3）无过零失真

传统功放都在由于对管配对及各级调整不佳产生的过铃、交越失真。

（4）效率高、可靠性高、体积小。

理论上D类功放的效率可达100%，而B类放大器效率仅为78%（理论值），A类功放的效率就非常低。

可靠性知识告诉我们：

半导体器件的温度每升高10C，失真率就提高一倍。

（5）适合于大批量生产。

产品的一致性好，生产中无需调试，只保证元器件正确安装即可。

D类功放中的功率晶体管工作在开关状态，又称作数字功放。

A类功放的保真度好，但效率甚低，不到10%，用於高档的专业音响；AB类功放的保真度略为逊色，但效率可以达到20%至40%，主要用於汽车、家庭音响以及电脑上；D类功放的效率高达80%至90%以上，使用时不需要散热器，或者只需要一只很小的散热器，但是它的保真度和A类及AB类功放相比则大为逊色。

理想的功放是保真度高，同时效率也高。

TripathTechnology公司提供一种保真度好、效率高的音频功率放大器，其中的功率晶体管也是工作在关关状态，即D类，为了区别於用脉宽调制原理设计的D类功率放大器，Tripath把这种音频功率放大器称作T类功率放大器。

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功放相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功放相当。

它和D类功放不同的是，它不是使用脉冲调宽的方法。

Tripath公司发明了一种称作"DigitalPowerProcessing（tm）（DPP（tm））"的数字功率处理技术，它是T类功放的核心。

它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。

输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP（tm）数字处理后用于控制功率晶体管的导通关闭，因而不存在脉宽调制D类功放的那些缺陷。

音频功率放大器的失真用两个指标衡量：

一个是THD+N（总谐波失真加噪音）指标，另一个是IMD（互调制失真）指标。

如果在20Hz至20kHz频带上的THD+N指标低於0.2%，IMD指标低於0.4%，就算是低畸变的了。

TA1101是输出10瓦的双声道T类功率放大器，它在音频频带上的THD+N为0.02%，IMD指标为0.04%，效率高於80%。

此外，T类功放的动态范围更宽，响率响应平坦，群延迟小。

DDP（tm）的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。

在T类功率放大器中，功率晶体管的切换频率不是固定的（D类功率放大器中调宽脉冲的频率是固定的），无用分量的功率谱不是像D类功率放大器那样是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上，例如从1.5MHz至2.5MHz的频带上，它的波形和扩谱技术的波形相似，因此，功率密度并不高，从而降低了对输出低通滤波器的要求，同时它产生的EMI也不像D类功率放大器那么严重。

虽说D类功放和T类功放所处理的是音频信号，但会产生EMI，这是因为这两种功放中的功率晶体管的切换频率比音频信号的最高频率高很多。

在A类或者AB音频功放则不存在这种问题。

所以，使用D类功放和T类功放的设计师需要有一点RF设计的知识，并针对EMI下点功夫，例如，合理布置输出低通滤波器的元件，使自已设计的产品符合电磁兼容性的要求。

对于当今社会，能源已成为一个刻不容缓的问题，而节能问题成为各个行业作为提高效率，提倡环保的重要措施。

对于许多音乐发烧友，和一些音质要求高的场所，虽然A类放大器具有很高的线性度，尤其是对于胆机来说，音质当然无可厚非，但是他的能源利用率无法让人承受。

对于那些既爱环保，从经济、节能角度出发，同时又追求高品质音质的发烧友来说，T类功放无疑成为他们明智的选择。

1.3系统概述

本次毕业设计我所设计的是T类功率放大器，它可以调节音量、低音、高音、平衡音。

电位器采用数字电位器X9241,内含四个数字电位器,与单片机进行IIC通信，开机后，单片机从X9241里读取数据，再将所读得的数据显示在液晶显示屏上。

音频信号首先通过前级放大，可以根据不同场景，设置成自已音效，而一旦往X9241里面写入数据后，上电之后，会保存上次掉电时的数据。

T类功放芯片采用Tripath公司的TA2020芯片，由于TA2020芯片的管子工作在开关状态，需要对其进行滤波，本设计中采用无源滤波LC滤波器。

同时为了保护喇叭，还会在输出端接上稳压二极管，防止输出电压超过12V。

由于电路工作在开关状态，输出功率较大，故对电源要求较高，最大输出电流达5A。

如果不需要调节数字电位器，单片机系统可以不用。

2设计方案论证

为了达到发烧音效，电路必须要有较强的搞干扰能力，同时电路尽可能简单，布局有致，大小信号隔离，减少分布电容，目前的模拟功放按放大器的工作状态可分为：

A类放大器、B类推挽放大器、AB类推挽放大器等形式。

下面简要论述几个关键部位的设计方案：

2.1功放模块论证

方案一：

采用电子管做功放（又称胆机功放）

电子管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。

电子管功放，也就是常说的胆机功放。

电子管负载能力强，线性度高，电子管所发出的声音高音比较亮丽、中频饱满、低音醇厚且富有弹性，声音“偏暖”，在回放纯音乐或人声、等音乐时最为人所喜爱，但是电子管功放最大的弊端就在于其声音“速度感”不强，在播放节奏较快的音乐时并不能让人十分满意；在高保真音频功放中有着不可替代的位置。

但同时电子管功放也存在着不容忽视的问题：

（1）电子管电路工作时需要多种电源（如灯丝电源、帘栅极电源和阳极电源等），

供电，供电电路复杂、产生的干扰不易完全消除，效率和信噪比较晶体管机低。

（2）电子管寿命受阴极材料的限制，使用几千小时后开始趋于老化。

（3）电子管发热量大，必须有很好的散热措施。

（4）胆机必须通过输出变压器才能驱动场声器。

而决定音质的输出变压器无论选材如何优质、制作工艺如何考究，都无法避免分布电容与漏感分量的存在，从而产生相位失真；

（5）电子管的价格也相对比较昂贵，制作成本很高。

由于以上原因，电子管功放（胆机功放）一般只用于比较高档的场所，及一些音乐发烧友。

方案二：

采用A类功放（又称甲类功放）

A类功放是指晶体管的输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。

当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。

当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。

A类功放的工作方式具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失真，即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是声音最理想的放大线路设计。

A类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。

当讯号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。

A类功率功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A类功放必须采用大型散热器。

因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。

方案三：

采用AB类功放（又称甲乙类功放）

与前两类功放相比，AB类功放可以说在性能上的妥协。

AB类功放通常有两个偏压，在无讯号时也有少量电流通过输出晶体管。

它在讯号小时用A类工作模式，获得最佳线性，当讯号提高到某一电平时自动转为B类工作模式以获得较高的效率。

普通机10瓦的AB类功放大约在5瓦以内用A类工作，由于聆听音乐时所需要的功率只有几瓦，因此AB类功放在大部分时间是用A类功放工作模式，只在出现音乐瞬态强音时才转为B类。

这种设计可以获得优良的音质并提高效率减少热量，是一种颇为合乎逻辑的设计。

有些AB类功放将偏流调得甚高，令其在更宽的功率范围内以A类工作，使声音接近纯A类机，但产生的热量亦相对增加。

AB类功放既有A类功放较高的线性度，同时又有较高的效率，一般在20%-40%左右，得到了广泛的使用。

方案四：

采用D类功放

D类功放指的是D类音频功率放大器（有时也称为数字功放）。

通过控制开关单元的ON/OFF，驱动扬声器的放大器称D类放大器。

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，饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能得到简化。

现在小电流控制大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域，特别是近年来UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上应用，器件的障碍已经消除。

理论上，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。

同时，为了使波形更加接近原波形，THD小，需要提高调制频率，但但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件中的高频损耗、谢频的取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。

同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。

所以要实现高保真，出现了很多与数字音响保真相同的考虑。

D类功放理论上效率为100%，即使在实际应用中，其效率也为80%-90%，很好地解决了效率问题，可以省去笨重的散热片。

但噪声较大。

方案五：

T类功率放大器

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当（80%-90%）。

但它和普通D类功率放大器不同的是：

1、它不是使用脉冲调宽的方法，Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“DigitalPowerProcessing（DPP）”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。

它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。

输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。

从而使音质达到高保真线性放大。

2、它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。

使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。

3、此外，T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。

DDP的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。

在高保真方面，线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。

在考虑保真度、能源利用率、工程实际应用、经济等各方面后，采用方案五，即T类功率放大器，功放芯片采用性价比较高的TA2020。

2.2显示方案论证

本设计的音量、低音、高音、平衡音的调节由按键输入，并显示其相对值。

方案一：

LED数码管显示。

该方案简单，成本也比较低。

显示亮度有保证，但显示信息有限，只局限一些数值及一些字母。

方案二：

液晶模块显示。

人们发现液晶这一呈液体状的化学物质，象磁场中的金属一样，当受到外界电场影响时，其分子会产生精确的有序排列。

如果对分子的排列加以适当的控制，液晶分子将会允许光线穿越。

位于最后面的一层是由荧光物质组成的可以发射光线的背光层。

背光层发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。

液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。

当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

液晶模块可以显示比较丰富的数值、符号、文字及一些图形。

外观比较新颖、美观。

由于要显示音量、低音、高音、平衡音的相对值，显示的数值相对较多，使用方案二，即液晶模块可以显示上述四个值。

2.3电源模块论证

由于电路的管子工作在开关状态，对电流需求很大，同时电压的稳定也对功放影响很大，所以对电源有两点要求：

1、有较大的输出电流，至少12V5A以上的，8A～10A的更好。

2、要求电压稳定，纹波系数小。

方案一：

采用普通变压器

市电通过变压器变压后，再经过二极管整流后，再经过大电解电容滤波得到12V电压，这种电路结构简单，方便经济。

但是对于一般一变压器，输出电流有限，T类功率放大器电流需要在4A，但为了保证富足，电流最大电流为6A，但实际上才能满足要求。

方案二：

采用环形变压器

针对一般的变压器输出电流有限，采用环形变压器可以很好地解决这一问题，其输出功率可上100W。

环形变压器的铁心是用优质冷轧硅钢片（片厚一般为0.35mm以下），无缝地卷制而成，这就使得它的铁心性能优于传统的叠片式铁心。

环形变压器的线圈均匀地绕在铁心上，线圈产生的磁力线方向与铁心磁路几乎完全重合，与叠片式相比激磁能量和铁心损耗将减小25％，由此带来了下述一系列的优点：

磁干扰较小环形变压器铁心没有气隙，绕组均匀地绕在环形的铁心上，这种结构导致了漏磁小，电磁辐射也小，无需另加屏蔽都可以用到高灵敏度的电子设备上，例如应用在低电平放大器和医疗设备上。

方案三：

开关电源

开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品。

因为开关三极管总是工作在“开”和“关”的状态，所以叫开关电源。

开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路，开关电源与变压器相比具有效率高、稳性好、体积小等优点，

开关电源具有功率大，而且效率高。

但一般的开关电源输出滤波电容较小，一般适用于电流比较恒定的电路，对于功放而言，瞬时功率大，波动明显，如不经处理，噪声将非常大。

而且本设计中要求高音质，总功率为50W左右，选用环形变压器，能够满足设计要求。

3工作原理

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。

但它和普通D类功率放大器不同的是：

它不是使用脉冲调宽的方法，Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“DigitalPowerProcessing（DPP）”的数字功率技术，同时采用数字滤波技术，将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在20Hz～20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。

在调节音量、高音、低音、平衡音时，采用IIC通信，调节数字电位器阻值。

3.1数字功率技术

笼统地讲，数字功放就是采用数字技术的功放。

所谓数字技术就是以01011等形式，器件以开关工作状态对应来处理信号的一种技术。

但是我们在音响领域以至自然界碰到的99%的信号均为连续变化的模拟量，直接是无法进行数字处理的。

因而就有一个先把模拟转数字（A/D）的装置，再用数字的方式处理，然后再用受罪转模拟（D/A）的装置转回模拟信号的过程。

虽然数字功放采用的器件不同，但形式大同小异。

由于数字技术在小信号处理方面，器件、电路、技术已相当成熟，因而与我们的实际生活还是比较密切的，我们对此也很不陌生，但数字功放由于处理的是大信号，因此只有近来才应用到音响领域。

Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“DigitalPowerProcessing（DPP）”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。

它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。

自适应