高效音频功率放大器
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文献综述电子信息工程高效率音频功率放大器设计文献综述一、前言为了节约电路的成本,提高放大器的效率,采用普通的电子元器件设计高效率音频功率放大器的方法,使用基本的运算放大器,构成PWM路,形成D类功率放大器,实现了高效率,低失真的设计要求。
为了提高电路的抗干扰性能,在设计中使用了电压跟随器,差动放大器,有源带通滤波器等。
使设计获得了良好的效果。
二、主题在现代音响普及中,人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同,令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。
所以,就高保真度功放而言,应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。
音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至于思想认识上都取得了长足的进步。
(一)早期的晶体管功放半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。
自从有了晶体管,人们就开始用它制造功率放大器。
早期的放大器几乎全用锗管来制作,但由于锗管工艺上的一些原因,使得放大器中所用的晶体管,尤其是功放管性能指标不易做得很高,例如,共发射极截止频率fh的典型值为4kHz,大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。
这样,放大器的频率响应也就很狭窄,其3dB截止频率通常在10kHz左右,大大影响了音乐中高频信号的重现。
再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约,制作较大功率的OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管子,所以不得不采用变压器耦合输出。
变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难,谐波失真得不到充分的抑制,因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。
“还是胆机规声”,这种看法的确事出有因。
(二)晶体管功放的发展和互调失真随着半导体工艺的逐渐成熟,大电流、高耐压的晶体管品种日益增加,越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。
最初的大功率PNP管是锗管,而NPN管是硅管,两者的特性差别非常显著,电路的对称性很差,人们更多采用的是图二所示的准互补电路,通过小功率硅管Q1与一只大功率的NPN硅管Q2复合,得到一只极性与PNP管类似的大功率管,降低了电路因对称性差而招至的失真。
厦门大学硕士学位论文高效率、低失真的D类音频功率放大器姓名:叶春晖申请学位级别:硕士专业:测试计量技术及仪器指导教师:冯勇建20090501摘要半导体技术的进步重新唤起了人们对D类音频功放的兴趣,尤其体现在便携器件等消费电子产品中Ⅲ。
本文对双声道D类音频功率放大器进行研究,通过使用双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术极大降低了静态功耗,从而将低输入状态下的芯片的效率提高N90%。
同时将谐波失真降至0.03%.并且通过独特的二阶反馈环路增大系统带宽,使系统在20赫兹j!lJ20000赫兹的音频范围内具有平坦的响应曲线。
就此本文主要开展了以下研究工作:1.综合考虑器件成本和性能的要求,选取了现代公司的0.6Um线宽标准工艺,在保证合理的成本和芯片面积的前提下得到最优化的效率以及相应的输出功率性能。
通过对输出级电路分析计算,确保芯片在该工艺条件下的运行安全性。
2.深入分析计算了以往各种采样技术的特点,设计了双边自然采样控制四个状态功率输出开关的脉宽调制技术作为D类音频信号调制器的核心技术,提高了系统线性度,极大降低了系统静态功耗。
3.设计独特的二阶反馈环路增大系统带宽。
建立传递函数模型,通过MATLAB分析系统的线性与稳定性。
通过SIMULINK仿真,计算出系统的失真度。
4.设计并全差分结构的运算放大器作为组成音频信号调制器的核心放大器,以得到更高的集成度,并且不需要使用输入耦合电容对。
设计轨到轨的高反应速度的比较器作为脉宽高制信号发生器,从而将信号相移最小化,同时保证系统的稳定性。
5.完成包括D类音频调制器以及功率输出级在内的整个器件的所有具体电路设计与仿真验证;完成了器件的版图设计、后端生产以及性能测试。
所得到的产品在拥有高达90%的效率与低至0.03%的失真度,在效率与失真度方面性能优异,十分符合音频领域的应用要求。
该D类音频功率放大器的性能良好,拥有极高的效率以及低失真,同时还拥有占空间小,成本低的优势,适合于手机等便携式消费电子产品的音频应用,在国内处于领先地位,具有广泛的市场前景。
PA8157是一款高保真、高效率、低EMI、免滤波、5W单声道D类音频功率放大器。
PA8157内部集成智能增益控制(AGC)功能,通过检测输出信号的大小智能调整系统的增益,避免了过载对于扬声器的损害,防止了音量过大时破音,提高了听觉体验。
PA8157采用了全差分免滤波PWM调制的系统架构,具有较好的抗干扰能力。
其内部集成的过温保护、欠压保护、过流保护、“咔哒”杂音抑制等功能模块,给PA8157提供了更强壮的鲁棒性,使其拥有了更好的适应能力。
PA8157采用了典型的SOP_8封装。
图1.典型应用图应用蓝牙音箱便携式音响设备玩具特点免滤波D类集成(自动增益控制)AGC功能输出功率5W@2Ω(THD+N=10%,5.3V)工作电压域:2.5V~5.5V低失真THD+N=0.04%@1W,5VPOP声抑制效率最高达88%高PSRR=75dB@217Hz过流、过温、欠压保护全差分/单端输入低噪声70μVrms(GAIN=10V/V)失调电压<20mV静态电流6mA@5V关断电流<0.1μASOP_8封装图2.PA8157封装图管脚定义极限参数注1注1:超出以上所列极限参数,可能造成器件的永久损坏。
以上给出的仅是极限范围,在这样的极限条件下工作,器件的技术指标不予保证。
长期在极限条件下工作,会影响器件可靠性。
R IN=10KΩ,C IN=100nF,T A=25℃,VDD=3.8V,除非有特殊说明图3.谐波失真+噪声 Vs. 输出功率图4.谐波失真+噪声 Vs. 频率图5. 输出功率 Vs. 输入幅度图6. 增益 Vs. 频率图7. 效率 Vs. 输出功率图8. AGC触发时间图9. AGC释放时间图10. PA8157测试原理图PA8157为脉冲输出方式,如图9所示,需要在两个输出各接一个低通滤波器将开关调制频率滤除,然后测量滤波器的差分输出即可得到模拟输出信号,VOP和VON被低通过滤后的差分输出波形和相减后的波形如下图所示。
为满足中国《电子信息产品污染控制管理办法》(信息产业部第39号令)的相关规定和要求,现对产品中有害物质,按部件分类,声明如下:在中华人民共和国境内销售的电子信息产品上将贴上有“环保使用期限”(EPuP )符号。
圆圈中的数字代表产品的正常环保使用年限。
图示:产品物质拆分表重要安全事项1. 阅读这些规定,注意所有警告,遵守这些规定。
2. 严禁在产品周围喷洒液体。
请勿在产品上方放置液体容器,如花瓶等。
可使用干布及风 枪进行清洁。
3. 注意不要形成热风循环。
按建议方法进行安装。
4. 不将产品安装在热源附近,尽可能保证环境气温在35°C 以下。
5. 接地保护,当产品接通电源时,应采取相应的接地保护措施。
6. 请保护好电源线,防止其受到踩踏或挤压,尤其要注意插头、电源插座及其连接设备处。
7. 必须按照以下开关次序来使用该产品:(开)前级-功放、(关)功放-前级。
8. 通电前必须确保供电电压符合该产品的要求。
9. 若输入信号并接超过三台功放,建议使用信号分配器,以确保输入信号不失真。
10. 不要将功放的某一个声道的输出接口接到另一个通道的输入接口。
不要将功放的输出并 联或联到另一台功放的输出接口。
11. 设计系统配置功放的时候,功放的功率应比音箱在相同阻抗下的标称功率大50%-100%, 且小心使用桥接模式。
12. 在维修功放的时候,禁止在桥接状态下将示波器的探头 连接到功放的输出端,以免损 坏功放和示波器。
13. 建议: 1) 由于输出到音箱的电流较大,建议使用质量有保证的NL4型音箱螺旋插头。
2) 多台功放使用时应计算好合适的配电,以确保达到合格的使用环境。
本产品仅适用于非热带气候条件下安全使用。
本产品仅适用于海拔2000m 以下安全使用。
请勿在通电状态下移动设备,这样极易造成设备故障或安全事故。
EX4130产品是一款全新的高效率和大功率的开关电源功放。
与之前产品相比较它在音质上有了突破性的改进,带给您的将是全新声音的享受。
1 绪论随着时代科技的高速发展,大量的电子设备应运而生。
在现实生活中,绝大部分电子设备都离不开音频信号的处理,高效率音频放大器直接影响到了许多电子产品的质量。
传统的音频功放工作时,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。
低失真,大功率,高效率是对功率放大器提出的普遍要求。
高效率功率音频功率放大器设计的关键是功率放大器放大电路的研究,提高功放的效率的根本途径是减小功放管的功耗。
方法之一是减小功放管的导通角,增大其在一个信号周期内的截止时间,从而减小管子所消耗的平均功率,高频大功率放大电路中,功放工作处于丙类(C类)状态。
方法之二是使功放管工作处于开关状态(即D类状态),此时管子仅在饱和导通时消耗功率,而且由于管压降很小,故无论电流大小,管子的瞬时功率都不大,因此管子的平均功耗也就不大,电路的效率必然提高,但是应当指出,当功放中的功放管工作在C类或D类状态时,集电极电流将严重失真,因此必须采取措施消除失真,如采用谐振功率放大电路,从而使负载获得基本不失真的信号功率[1]。
1.1设计高效率功率音频功率放大器的目的和意义音频领域数字化的浪潮以及人们对音频节能环保的要求,要求我们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。
传统的音频功率放大器工作于线性放大区,功率耗散较大,虽然采用推挽输出,仍然很难满足大功率输出;而且需要设计复杂的补偿电路和过流,过压,过热等保护电路。
这次音频功率放大器的设计为了达到高效率的设计,采用D类功率放大器,D 功放是基于脉冲宽度调制技术的开关放大器,包括脉冲宽度调制器,功率桥电路,低通滤波器。
这种类型的功放已经展示出了良好的性能,要想设计出并实现电源效率高于90%,THD低于0.01%,低电磁噪音的D类功率放大器,或者甚至包括能将高保真音质技术引入的D类的放大器[2]。
15W 带扬声器保护功能的免滤波器D 类音频功率放大器产品概述是一款每声道可输出15W 的高效的桥接驱动的D 类立体声功率放大器。
先进的EMI 抑制技术使得该产品在使用中仅用廉价的磁珠滤波器即可达到EMC 的要求。
扬声器保护包括可调的输出功率限制及直流输入检测电路。
可调功率限制允许用户设置一个低于芯片供电的虚拟电压来限制通过扬声器的输出电流。
输入直流检测电路测量PWM 波的频率和幅度,如果输入信号异常,即切断功率输出。
可驱动低至4Ω扬声器。
高达90%的效率使得在播放音乐时不需要额外加散热片。
有非常全面的保护设计:热保护和短路保护。
短路保护包括输出对电源、对地、对其他输出的短路保护。
热保护和短路保护都有自愈特性。
主要特点z 工作电压范围:5V —26Vz 16V 供电,当负载为8Ω、总谐波失真为10%时,每通道输出15W z 13V 供电,当负载为8Ω、总谐波失真为10%时,每通道输出10W z 由于高达90%的效率可以不使用外部散热片z 免滤波器设计z 扬声器保护包括输出功率限制和直流输入检测z 直通线脚(Flow Through Pin Out )设计,便于PCB 布版z 具有自愈特性的短路保护、热保护z 谐波失真小,无噗噗声z 四个可选择的固定增益z 差分输入方式z封装形式:HTSSOP28典型应用z 电视机z消费类音频设备ZCC3110ZCC3110ZCC3110ZCC3110ZCC3110ZCC3110引出端排列ZCC3110无锡市至诚微电子有限公司ZCC3110应用线路图ZCC3110具有输出功率限制单端输入桥接输出的立体声D类功率放大器应用图ZCC3110具有PBTL特性的单端输入桥接输出的D类功率放大器应用图最大额定值热阻参数直流特性(除特别说明外,TA =+25°C,VCC=12V,RL=8Ω)交流特性(除特别说明外,T A=+25°C,PVCC=12V,R L=8Ω)功能说明1、GAIN0和GAIN1设置输入增益通过输入端GAIN0和GAIN1设置输入增益。
d类功放增益和功率解释说明以及概述1. 引言1.1 概述在现代科技发展的进程中,功率放大器作为一种重要的电子设备,在各个领域中具有广泛的应用。
其中,D类功放作为一种高效率低功耗的功率放大器,近年来受到了越来越多人的关注和研究。
本文旨在对D类功放的增益和功率进行解释说明,并概述其相关概念、特点以及影响因素。
通过对D类功放增益和功率的详细讨论和分析,可以更好地理解该类型功放器件在实际应用中的优势与限制,并对未来的技术发展提出一些建议。
1.2 文章结构本文将分为五个主要部分进行说明。
除了引言部分外,还包括:功放定义与分类、D类功放增益解释说明、D类功放功率解释说明以及结论与总结。
在第二部分中,我们将介绍功放器件的基本概念和分类,并着重介绍D类功放,在不同应用领域中的具体使用情况。
第三部分将详细讨论D类功放增益的定义、重要性以及其特点。
同时还会探讨如何调节增益以及影响增益的因素。
第四部分将重点解释功率的概念和意义,并着重说明D类功放的功率输出特点。
此外,我们还会讨论容量和负载对功率输出的影响。
最后,第五部分将对D类功放的增益和功率进行综合评价和分析,讨论其在实际应用中的优势与局限,并提出未来技术发展的展望和研究方向建议。
1.3 目的本文旨在对D类功放的增益和功率这两个关键概念进行深入解释和阐述。
通过对这些内容的详细讨论,读者可以更全面地了解D类功放器件的特点、优势和局限性。
同时,我们希望借此机会提醒读者注意增益调节方法以及容量和负载等因素对功率输出产生的影响。
最后,我们也期望能够引起更多人对于D类功放技术未来发展方向的思考,并给予一些相关建议。
通过本文内容,希望能够为读者提供有关该主题领域内基础知识与进一步探索所需的背景信息。
2. 功放定义与分类2.1 功率放大器的概念及作用功率放大器是一种电子设备,用于增加电信号的幅度,从而增强信号的功率。
它在各个领域中广泛应用,包括音频和视频系统、通信系统、雷达系统等。
d类纯后级功放
D类纯后级功放是一种高效、高保真的音频功率放大器,它采用数字信号处理技术,能够提供高达90%以上的转换效率和接近1的功率因数。
与传统的A、B、AB类功放相比,D类功放具有更高的工作效率、更低的能耗和更小的体积,因此在家庭音响、汽车音响等领域得到了广泛的应用。
D类纯后级功放的主要特点是:
1. 高效率:由于采用了数字信号处理技术,D类功放能够将输入的模拟信号转换为数字信号进行处理,从而避免了传统模拟放大器中的失真和能量浪费问题,提高了放大器的效率。
2. 低功耗:由于D类功放的工作频率比传统的A、B、AB类功放高得多,因此其功耗也相应降低了很多。
这使得D类功放在使用相同电源的情况下可以提供更高的输出功率。
3. 小体积:由于D类功放的设计相对简单,没有像传统放大器那样的变压器、电容器等元件,因此其体积相对较小,便于安装和使用。
高效率音频功率放大器的设计作者:谭本军来源:《消费电子·理论版》2013年第07期摘要:本文是基于高效率的音频功率放大器出发,从功放类型的选择,D类功放的构成、PWM调制原理及具体电路的设计等多方面进行了具体的设计分析,并具体制作,设计调试效果理想,是一款很理想的音频功率放大器。
关键词:高效率;音频;功率放大器;PWM调制中图分类号:TN722.75 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2013) 14-0000-01一、引言音频功率放大器是指用于向扬声器提供功率的放大电路,是多级放大电路的最后一级。
要求具有较高的输出功率和较大的输出动态范围,衡量其性能好坏的主要指标有频率特性、时间特性、信号噪声比、最大输出动态范围、最大功率和效率,其中最大输出功率和效率主要由功率放大器实现。
传统的功率放大器主要有A(甲)类、B(乙)类、AB(甲乙)类和C(丙)类,一般的小信号放大都是甲类功放,其能量转换效率很低,理论效率最高才25%;乙类功放理想效率高达78.5%,但实际电路都要略加一点偏置,构成甲乙类,实际效率仅为50%左右;C类功放一般用在高频发射电路中,虽然效率可以更高,但电路复杂、音质更差,音频放大中一般都不采用。
在汽车功放、笔记本电脑、手机等小型便携式音响设备的音频系统和专业超大功率功放场合,以上类型的功放因效率偏低不能令人满意。
D(丁)类音频功率放大器是受高频脉宽调制(PWM)脉冲信号的控制,使其工作在开关状态,其理论效率为100%,实际可达80%~95%;其不足之处是易产生高频干扰及噪声,本文通过精心设计低通滤波器及合理选择元件参数,其音质效果完全能与A类线性功率放大器相比拟。
二、D类功放的构成本文设计的D类功放由放大与增益控制电路、三角波发生器、比较器、开关放大电路和低通滤波器构成。
输入的音频信号先经增益可变的放大器放大,并变换成大小相同、相位相反的差分信号。
这两路信号分别与三角波发生器产生的三角波进行比较,比较器输出频率与三角波相同,但占空比与音频幅度对应的脉冲信号、音频信号的幅度与脉冲波的占空比成比例。
本科毕业论文(设计)题目高效率D类音频功率放大器的设计作者学院信息科学与工程学院专业电子信息工程学号指导教师二〇年五月十日诚信声明本人声明:所呈交的本科毕业论文(设计),是本人在指导老师的指导下,独立开展工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议,除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过的作品成果。
对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业论文(设计)作者签名:二○年五月十日摘要随着信息化时代的到来,以功放电路为设计核心的电子产品渐渐地走进人们的生活,耳机、音响等音频功放类电子产品被现代人所迅速的接纳和青睐,随之音频功率放大器得到了快速的发展。
本设计为高效率D类音频功率放大器。
设计主要包括四个部分:前置增益放大电路、三角波产生电路、信号转换电路和显示电路。
在输出信号无失真的情况下测量,3db通频带为300∽3400Hz,最大不失真功率达到150mW,在此情况下测量的功率放大器效率明显大于60%。
设计中采用了高效率的D类功放为设计核心,以D类功放最新成果为设计思想,并配置5V便携式电源供电,完全符合产品市场化与用户需求。
关键词:通频带;最大不失真功率;D类功率放大器;效率ABSTRACTWith the advent of the information age to the core of the amplifier circuit design of electronic products gradually into people's lives, headphones, audio and other audio amplifier electronics are modern and favor the rapid acceptance, along with an audio amplifier to get rapid development.The system is designed is a high efficient Class-D Audio Power Amplifer.Design includes for parts: pre-gain amplifier circuit ,the triangular wave generating circuit,signal conversion circuit and display circuit.In the case of the output signal without distortion measure,3db passband of 300~3400Hz,the maximum distortion power of 150mW,the effciency measured in this case significantly greater than 60%.Design uses a high-efficiency Class D amplifier design core to the latest results for the Class D amplifier design ideas and configure 5V portable power supply products in full compliance with the market and customer needs.Keywords:Passband; Class D power amplifier; Maximum power without distortion; Efficiency目录诚信声明 (I)摘要 (II)ABSTRACT (III)第一章前言 (1)1.1 设计背景 (1)1.2音频功放的概述 (1)1.3 音频功放的分类 (2)第二章方案论证与比较 (4)2.1高效率功率放大器 (4)2.1.1 功率放大器的选择 (4)2.1.2功放核心实现电路的选择 (4)2.2信号变换电路 (6)2.3功率测量电路 (6)第三章各模块电路原理分析与计算 (8)3.1调制电路 (8)3.2高速开关桥式电路 (8)3.3三角波产生电路 (9)3.4驱动电路 (10)3.5低通滤波器模块电路 (11)3.6信号变换模块电路 (11)3.7整体电路性能仿真 (12)第四章系统仿真测试及数据分析 (14)4.1测试仪器 (14)4.2测试结果 (14)4.3结果分析 (15)4.4改进措施 (16)第五章电路调试 (17)5.1不通电检查 (17)5.2通电检查 (17)5.3 测试与调整 (17)5.4整机联调 (18)第六章设计总结与心得 (19)6.1设计总结 (19)6.1.1原理图设计总结 (19)6.1.2电路安装过程总结 (19)6.1.3单元电路调试总结 (19)6.1.4PCB设计总结 (19)6.1.5 整机调试总结 (19)6.2设计心得 (20)参考文献 (21)致谢 (22)附录A:PCB布线图 (23)附录B:元器件清单 (24)第一章前言1.1 设计背景随着信息化时代的到来,以功放电路为设计核心的电子产品渐渐地走进人们的生活,耳机、音响等音频功放类电子产品被现代人所迅速的接纳和青睐,随之音频功率放大器得到了快速的发展。
D类音频功率放大器分析D类音频功率放大器是一种高效的功率放大器,主要用于音频设备中提供高功率输出。
它的工作原理是在输入信号的周期性周期内,对电流进行开关调制,从而将信号通过高频开关电路进行放大。
与传统的A类、B类和AB类功率放大器相比,D类功率放大器具有更高的效率和较低的功耗。
D类音频功率放大器的基本结构包括输入级、放大级和输出级。
输入级主要负责将信号转换为宽幅脉冲,并将其输入到放大级中。
放大级中的高频电路将宽幅脉冲进行放大,并通过输出级输出到负载上。
输出级一般由功率MOSFET管组成,可以提供高功率输出。
D类音频功率放大器的工作周期包括两个状态:导通状态和截止状态。
在导通状态下,输入信号的正半周期会导致功率MOSFET管导通,负半周期则关断。
而在截止状态下,则正负半周期都会导致功率MOSFET管全部关断。
相比于传统的A类、B类和AB类功率放大器,D类功率放大器具有以下优点:1.高效率:由于D类功率放大器工作在开关状态,其功率损耗相对较小。
因此,其效率可以达到70%以上,远高于传统的功率放大器。
2.低功耗:由于高效率的特性,D类功率放大器的功耗相对较低。
这对于移动设备和电池供电的设备来说非常重要,可以延长电池使用时间。
3.尺寸小巧:D类功率放大器的尺寸相对较小,可集成到小型音频设备中,使其紧凑且易于携带。
4.低发热量:由于功率损耗较小,D类功率放大器产生的热量也相对较少。
这有助于减少设备散热需求,提高设备的可靠性。
然而,D类功率放大器也存在一些缺点:1.输出质量:由于开关调制的特性,D类功率放大器在放大音频信号时,很难完全重现输入信号的准确细节。
这可能导致一些畸变和噪音。
2.上电启动时间:由于开关电路的特性,D类功率放大器在上电启动时需要一定的时间来建立输出电压。
这可能导致一些短暂的音频延迟。
3.EMI干扰:由于高频开关电路的存在,D类功率放大器可能会引入一些电磁干扰(EMI),对周围的其他设备产生不良影响。
基于TDA2030的⾳频功率放⼤器毕业论⽂1摘要本系统以⾼效Hi-fi功放集成芯⽚TDA2030为核⼼元件,制作了⾼保真的⾳频功率放⼤器,并利⽤Altium Designer软件设计完成原理图和PCB板。
该系统在电源电压V±,负载电阻为Ω164时能达到18W的输出功率,且只有0.5%的失真度。
系统有良好的短路和过热保护电路,⽐较理想的达到了设计指标的要求。
⾼效率的⾳频功率放⼤器不仅仅是在便携式设备中需要,在⼤功率的设备中也占有较⼤的⽐重。
随着⼈们居住条件的改善,⾼保真⾳响设备和⾼档的家庭影院也逐渐兴起。
集成⾳频功放在这些设备中起到了很重要的作⽤。
关键词:⾼保真⾳频功率放⼤第⼀章绪论⾳频功率放⼤器是⼀个技术已经相当成熟的领域,⼏⼗年来⼈们为之付出了不懈的努⼒。
最近⼏年,⽆论是在线路技术还是元器件⽅⾯,乃⾄是思想认识上都取得了长⾜的进步。
1.1 集成⾳频放⼤器发展过程上个世纪80 年代以前,输出功率仅⼏⽡的声频功率放⼤器都要采⽤分⽴元件来制作。
进⼊80年代后,国内开始研制⽣产出⼀些⼩功率的功放IC,但由于这些功放IC的性能指标不佳,尤其是可靠性⽐较差,很快就被国外⽣产的功放IC所取代。
⽇本⽣产的HA1392、TA7240曾经是80年代⽤得⾮常普遍的功放IC。
HA1392与TA7240的输出功率都只有4W ~ 6W。
意法SGS公司在80年代初开发⽣产的TDA2030A算是⽐较好的⼀款功放IC,它的输出功率能够达到12W以上。
尽管SGS 公司在TDA2030A基础上⼜研制出 TDA2040、TDA2050功放IC,使输出功率能够达到24W,但由于它们的电源适⽤范围只有±22V,如果使⽤未经稳压的整流滤波直流电供电,它们实际上都只能给4Ω负载输出12W功率。
在90 年代以前,电⼦器件⽣产⼚商提供的功放IC输出功率实际都在30W 以下。
在经过10多年的努⼒后,美国NS公司和意法SGS公司都在90年代期间相继开发⽣产出多款输出功率超过30W的功放IC芯⽚。
高效音频功率放大器一、设计任务与要求1、设计任务设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。
功率放大器的电源电压为+5V(电路其他部分的电源电压不限),负载为8Ω电阻。
2、设计要求⑴基本要求①功率放大器a.3 dB通频带为300~3400Hz,输出正弦信号无明显失真。
b.最大不失真输出功率≥1W。
c.输入阻抗>10kΩ,电压放大倍数1~20连续可调。
d.低频噪声电压(20kHz以下)≤10mV,在电压放大倍数为10、输入端对地交流短路时测量。
e.在输出功率500mW时测量的功率放大器效率(输出功率/放大器总功耗)≥50%。
②设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路,将功率放大器双端输出的信号转换为单端输出,经RC滤波供外接测试仪表用,如下图所示。
图中,高效率功率放大器组成框图可参见本题第3项“说明”。
图1 系统组成框图③设计并制作一个测量放大器输出功率的装置,要求具有3位数字显示,精度优于5%。
⑵发挥部分①3dB通频带扩展至300Hz~20kHz。
②输出功率保持为200mW,尽量提高放大器效率。
③输出功率保持为200mW,尽量降低放大器电源电压。
④增加输出短路保护功能。
⑤其他。
1、说明⑴采用开关方式实现低频功率放大(即D类放大)是提高效率的主要途径之一,D类放大原理框图如下图所示。
本设计中如果采用D类放大方式,不允许使用D类功率放大集成电路。
图2 D类放大原理框图⑵效率计算中的放大器总功耗是指功率放大器部分的总电流乘以供电电压(+5 v),不包括“基本要求”中第(2)、(3)项涉及的电路部分功耗。
制作时要注意便于效率测试。
⑶在整个测试过程中,要求输出波形无明显失真。
二、方案论证与比较根据设计任务的要求,本系统的组成方框图如图1所示。
下面对每个框电路的设计方案分别进行论证与比较。
1、高效率功率放大器⑴高效率功放类型的选择方案一:采用A类、B类、AB类功率放大器。
这三类功放的效率均达不到题目的要求。
方案二: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。
⑵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。
图3 脉宽调制器电路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3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。
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4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。
方案二:选用H桥型输出方式(电路如图5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10 V,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4 高速开关电路图5 高速开关电路方案二:选用H桥型输出方式(电路如图5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10 V,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。
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Butterworth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Butterworth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、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。
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6所示,但算法复杂,软件工作量大。
图6 功率测量电路方案二:由于功放输出信号不是Hz 频带的任意波形,故必须采图7 功率测量电路、主要电路工作原理分析与计算放的原理方框图如图8 所示。
图9 为工作波形示意,其中(a)为单一频率,而是20 k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7所示),软件工作量小,精度高,速度快。
图7 功率测量电路三、主要电路工作原理分析与计算1、D类放大器的工作原理一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如图8 所示。
图9 为工作波形示意,其中(a)为输入信号;(b)为锯齿波与输入信号进行比较的波形;(c)为调制器输出的脉冲(调宽脉冲);(d) 为功率放大器放大后的调宽脉冲;(e)为低通滤波后的放大信号。
图8 D类放大器的工作原理图9 D类放大器的工作波形示意图2、D类功放各部分电路分析与计算(1)脉宽调制器①三角波产生电路。
我们用555芯片构成三角波发生电路如图10所示。
图10 三角波产生电路本设计利用555组成的多谐振荡器的C4充放电特性加以改进,实现C4的线性充放电获得三角波。
利用T1、T2和R6构成的恒流源对C4实现线性充电,利用T3、T4和R7构成的恒流源实现对C4的放电。
电容C4上的三角波经T5射极跟随器输出。
该振荡器的振荡频率f≈0.33/(R6+R7)C4。
按图中值,我们得到了一个线性很好、频率约为100kHz、峰值为2.18V的三角波(如图11),将其输入脉宽调制比较器的一个输入端。
图11 C4获得的三角波②比较器。
选用LM311精密、高速比较器,电路如图12所示,因供电为5V单电源,为给V+=V-提供2.5V的静态电位,取R12=R15,R13=R14,4个电阻均取10 kΩ。
由于三角波Vp-p=2V,所以要求音频信号的Vp-p不能大于2V,否则会使功放产生失真。
图12 比较器电路⑵前置放大器电路前置功率放大器的目的在于对输入功率放大器的各种信号进行加工处理,使其能和功率放大器的输入灵敏度相匹配,简单的前置放大器的简图如图13所示。
它由外接输入耦合电容C in确定放大器增益的输入电阻Rin级反馈电阻Rf及部提供的共模电压V CM组成。
这部分与一般的单电源前置放大器不同之处在于其共模电压不是1/2Vcc。
由Cin及Rin决定了高通滤波器-3dB截止频率f-3dB,f-3dB与Rin, Cin的关系为:f-3dB=1/2πCin*Rin;放大器增益A VD与Rin及Rf的关系为:A VD=-Rf/Rin;经过前置功率放大器放大后的最大输出信号与Vcm 的关系如图14所示。
如Vcm=0.3Vcc则前置放大器最大输出电压幅值为0.6Vcm。
图13 简单的前置放大器图14 前置放大器的输出关系图图15为采用差分输入方式的前置放大器的结构,音频信号U1由左端输入,经过阻直电容输入结形场效应管的栅极。
结形场效应管采用3DJ4F,运算放大器采用低噪声,高速器件NE5532,电阻,电容选用高精度,高稳定度及高质量的元件。
经实际测试其技术指标为:输出噪声电压小于25μV;频带宽度50-50000Hz;谐波失真小于0.02%;转换速率大于10μs/V.R1 56kΩC110µFC2300pFR220kΩ1Q12N4117AQ22N4117A2R315kΩR415kΩU1ANE5532AI3248143R52kΩR620kΩC3100µF56R7470kΩKey=A65%7C4100µF8VCC5VVCCR851kΩ9XFG1XSC1A BExt Trig++__+_1011图15 前置放大器电路⑶驱动电路如图16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2SC8050和2SA8550对管。
图16 驱动电路⑷H桥互补对称输出电路对VMOSFET的要导通电阻小,开关速度快,开启电小。
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,IRFD120和IRFD9120 VMOS对管的参数能够满足上述要求,故采用之。
实际电路如图14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Butterworth滤波器滤波后推动喇叭工作。
图17 H桥互补对称输出及低通滤波电路⑸低通滤波器本电路采用4阶Butterworth低通滤波器(如图17)。
对滤波器的要上限频率≥20 kHz,在通频带特性基本平坦。
采用了电子工作台(EWB)软件进行仿真,从而得到了一组较佳的参数:L1=22μH,L2=47μH,C1=l.68μH,C2=1μH。
19.95 kHz处下降2.464 dB,可保证20 kHz的上限频率,且通带曲线基本平坦;100 kHz、150 kHz处分别下降48 dB、62 dB,完全达到要求。
3、信号变换电路电路要求增益为1,将双端变为单端输出,运放选用宽带运放NE5532,电路如图18所示。
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。
由于功放的带负载能力很强,故对变换电路的输入阻抗要求不高,选Rl=R2=R3=R4=20kΩ。
其增益为Av=R3/R1=20/20=1,其上限频率远超过20 kHz的指标要求。
图18 信号变换电路。