畢業(yè)論文----設(shè)計(jì)高效率音頻功放設(shè)計(jì)

1、<p>　　設(shè)計(jì)高效率音頻功率放大器</p><p>　　摘要：傳統(tǒng)的音頻功率放大器有A（甲）類(lèi)，B（乙）類(lèi)，AB（甲乙）類(lèi)，D類(lèi)等，這類(lèi)音頻功放曾廣泛應(yīng)用于MP3、手機(jī)等便攜消費(fèi)電子產(chǎn)品的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)中。 伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生活水平的不斷提高，人們對(duì)音頻功率放大器的要求越來(lái)越高。采用高轉(zhuǎn)換效率的D類(lèi)功率放大器取代傳統(tǒng)的線性功放已成為一種必然趨勢(shì)。D類(lèi)功率放大器是一種脈寬調(diào)制(PWM)的開(kāi)關(guān)功放，

2、首先將音頻信號(hào)通過(guò)高增益前置放大器放大,放大后的音頻信號(hào)進(jìn)而與內(nèi)部三角波相比較進(jìn)行采樣,從而將音頻信號(hào)的幅度信息轉(zhuǎn)化成PWM信號(hào)脈沖寬度的變化,然后將變換得到的PWM波整形放大,輸出的電流信號(hào)通過(guò)LC低通濾波器被還原成放大的音頻信號(hào)。由于功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),且導(dǎo)通電阻很小,因此,D類(lèi)功放具有很高的轉(zhuǎn)換效率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：音頻功率放大器；高效率；PWM</p><p>　　

3、Abstract: The traditional audio amplifier is A, B, AB and D,etc, this kind of audio amplifier was widely used in MP3, mobile phones and portable consumer electronic products in the speaker drivers. With the rapid develop

4、ment of science and technology, and the continuous improvement of living standards, the people of audio amplifier are increasingly demanding. Adopting high conversion efficiency of D power amplifier instead of traditiona

5、l linear amplifier has become an inevitable trend. D power a</p><p>　　Key Words: Audio power amplifier；High efficiency； PWM</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　音頻功率放大器簡(jiǎn)稱(chēng)為功放，

6、是19世紀(jì)繼收音機(jī)、電視機(jī)之后，隨之出現(xiàn)的又一類(lèi)新型電子產(chǎn)品。其作用是將聲源器材輸入的較微弱信號(hào)進(jìn)行放大后，產(chǎn)生足夠大的電流推動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行聲音的重放?？梢哉f(shuō)是音響器材中最大的一個(gè)家族了。自從有了晶體管，它的第一個(gè)應(yīng)用便是制作音頻放大器，然而隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們因生活層次，文化習(xí)俗，音樂(lè)修養(yǎng)，欣賞口味的不同，對(duì)音視頻設(shè)備的性能也有了更高層次的要求。這種數(shù)字化浪潮以及人們對(duì)音視頻設(shè)備節(jié)能，環(huán)保的要求，迫使人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)高效，節(jié)能的音頻功率放大器

7、。</p><p>　　傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器保真度高，但效率低，能耗大，且要求有良好的散熱設(shè)備，主要有A類(lèi)，B類(lèi)和AB類(lèi)，A類(lèi)功放在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)都有電流連續(xù)流過(guò)功率放大器件，優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)失真比較小，缺點(diǎn)是輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍小，效率低，最高效率僅為45%左右。B類(lèi)功放在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)功率器件導(dǎo)通時(shí)間為50%，優(yōu)點(diǎn)是效率在理想情況下可達(dá)78.5%，但缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生交越失真，增加噪聲。AB類(lèi)功率放大器是以上

8、兩種放大器的結(jié)合，使每個(gè)功率器件的導(dǎo)通時(shí)間在50%~100%，它兼顧了效率和失真兩方面的性能指標(biāo)。隨著半導(dǎo)體及微電子制造技術(shù)的不斷發(fā)展，高效率器件已越來(lái)越多。近幾年，電子產(chǎn)品正在向薄型化，便攜式迅速發(fā)展。傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器已不能滿足電子視聽(tīng)類(lèi)LCD／OLED／LCOS／PDA等綠色節(jié)能,高效,體積小等新發(fā)展趨勢(shì)。而D類(lèi)功放具有效率高、體積小、輸出功率大、低EMI，具備多種工作模式等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了便攜式設(shè)備中不可替代的產(chǎn)品，因而欲

9、設(shè)計(jì)、制造高效率的音頻功率放大器，首選D類(lèi)功率放大器．D類(lèi)功率放大器工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，可以采用脈寬調(diào)制（PWM）模式，利用PWM能將音頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)總體方案</b></p><p>　　2.1 整體電路設(shè)計(jì)構(gòu)思</p><p>　　采用常規(guī)，通用元器件設(shè)計(jì)的D類(lèi)功率放大器的基本組成框圖

10、如圖2.1.1所示：</p><p>　　圖2.1.1 D類(lèi)功放基本組成框圖</p><p>　　主要由脈沖寬度調(diào)制器，功率放大器和低通濾波器等三部分組成。我所設(shè)計(jì)的高頻率音頻功放的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1.2所示：</p><p>　　圖2.1.2 D類(lèi)功放結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　首先，輸入的音頻信號(hào)進(jìn)入前置運(yùn)算放大器，輸出一個(gè)被放

11、大10余倍的音頻信號(hào)，并與三角波形成電路形成的三角波信號(hào)一同進(jìn)入PWM調(diào)制電路，產(chǎn)生一個(gè)隨音頻信號(hào)幅度變化的PWM波，分別經(jīng)功率放大電路完成功率放大再經(jīng)過(guò)低通濾波器LPF濾去音頻信號(hào)經(jīng)調(diào)制后的各次諧波，之后經(jīng)輸出轉(zhuǎn)換電路輸出。</p><p>　　2.2 單元電路及工作原理</p><p>　　2.2.1前置放大電路</p><p>　　前置放大器是在功率放大器之前

12、而加入的一級(jí)放大電路，其目的是對(duì)輸入功率放大器的信號(hào)源進(jìn)行加工處理，或放大，或衰減或進(jìn)行阻抗交換，使其和功率放大器的輸入靈敏度相匹配，對(duì)其要保證低噪聲，高信噪比，高轉(zhuǎn)換速率，輸出電阻要小及頻帶要寬等要求，前置放大電路如圖2.2.1.1所示：</p><p>　　圖2.2.1.1前置放大電路</p><p>　　輸入信號(hào)經(jīng)1/2IC2組成20db同相放大器放大，送至PWM調(diào)制電路。</

13、p><p>　　2.2.2 PWM調(diào)制電路</p><p>　　PWM調(diào)制電路如圖2.2.2所示：</p><p>　　圖2.2.1.2 PWM調(diào)制電路</p><p>　　讓輸出脈沖波的寬度受調(diào)制波幅度調(diào)制的技術(shù)稱(chēng)PWM技術(shù)，即脈寬調(diào)制技術(shù)。PWM實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓比較器，如圖所示，它的同向端輸入前置放大器的輸出信號(hào)電壓，它的反相端輸入三角波電

14、壓，這兩個(gè)電壓經(jīng)比較后，輸出與音頻信號(hào)幅值成正比的脈寬信號(hào)。在Ａ點(diǎn)以前，音頻信號(hào)電壓大于三角波電壓，比較器輸出高電平，在Ａ點(diǎn)以后，Ｂ點(diǎn)以前，三角波的電壓高于音頻信號(hào)電壓，則比較器輸出低電平。在Ｂ點(diǎn)以后，Ｃ點(diǎn)以前，音頻信號(hào)電壓又高于鋸齒波電壓，則比較器輸出高電平。這樣，由比較器輸出脈沖寬度與音頻信號(hào)幅值成正比的PWM信號(hào)。將音頻信號(hào)電壓，鋸齒波電壓及比較器輸出的PWM畫(huà)在一起如圖2.2.2所示：</p><p>　

15、　圖2.2.2 PWM輸出波形</p><p>　　2.2.3 正反向放大電路</p><p>　　由于功放級(jí)采用BTL（全橋輸出級(jí)，即用兩個(gè)半橋輸出交替驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這種類(lèi)型的負(fù)載連接被稱(chēng)為橋聯(lián)負(fù)載）接法。所以需將一組信號(hào)源變換為正、負(fù)兩組信號(hào)源，推動(dòng)后級(jí)。此控制電路的要求一是把PWM信號(hào)整形成前后沿更加陡斜的脈沖，二是能倒向形成PWM和－PWM兩路脈沖以滿足全橋功率開(kāi)關(guān)管的要求。正反相放

16、大器電路如圖2.2.3所示：</p><p>　　圖2.2.3 正反向放大電路</p><p>　　2.2.4 功率放大電路</p><p>　　功率放大電路分別對(duì)正負(fù)兩個(gè)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)LJ、C6、L2、C7組成的LPF網(wǎng)絡(luò)作用后，濾去高頻諧波，還原出音頻信號(hào)，送至輸出電路，電路圖如圖2.2.4所示：</p><p>

17、　　圖2.2.4 功率放大電路</p><p>　　全橋輸出D類(lèi)功放除具有AB類(lèi)BTL功放的優(yōu)點(diǎn)外，還具有較高的效率，但其輸出端需要加一個(gè)外部LC濾波器，用于提取音頻信號(hào)和防止在負(fù)載上耗散高頻能量。</p><p><b>　　3 電路的制作</b></p><p>　　3.1功放電路的性能分析</p><p>　　

18、因?qū)I(yè)知識(shí)有限，此次音頻功放電路的制作采用了TDA2822來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路中使用學(xué)生電源供電，用收音機(jī)作為音頻信號(hào)的輸入器材。TDA2822是雙聲道音頻功率放大電路，應(yīng)用非常廣泛。它通常采用1.8—15V電源供電，因此，該電路適合在低電源電壓下工作，靜態(tài)電流小，交越失真也小，適用于單聲道橋式(BTL)或立體聲線路兩種工作狀態(tài)，采用雙列直插8腳塑料封裝。其引腳圖及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.1.1所示：</p><p>　　圖3

19、.1.1 TDA2822內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　采用TDA2822制作的音頻功放的電路圖如圖3.1.2所示：</p><p>　　圖3.1.2 基于TDA2822的功放電路</p><p>　　該電路電源電壓范圍1.8-15V,輸出電流1A,靜態(tài)輸出電壓為3V ,輸入阻抗為100 KΩ功耗為1.4W,失真度為0.2%，閉環(huán)增益為41dB.</p>

20、;<p>　　3.2電路制作過(guò)程中的注意事項(xiàng)</p><p>　　(1)焊接時(shí)先焊接跳線，再焊接電阻，再焊電容。必須注意焊接質(zhì)量，應(yīng)先在廢舊電路板上多練習(xí)幾次，然后正式焊接。元件的排列方位盡可能保持</p><p>　　原理圖相一致，布線方向最好與點(diǎn)路圖走線方向一致。</p><p>　　(2)各元件排列、分布要合理和均勻，力求整齊、美觀、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓?/p>

21、藝要求。</p><p>　　(3)電阻，二極管的放置方式分為平方與豎放兩種：當(dāng)電路元件數(shù)量不多，而且電路板尺寸較大情況下，一般采用平放較好，但電路元件數(shù)較多，且電路板尺寸不大的情況下，一般采用豎放。</p><p>　　(4)在保證電路性能要求的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求走線合理，少用外接跨線，并按一定順序要求走線，力求直觀，便于安裝和檢修。</p><p>　　(5)

22、設(shè)計(jì)布線圖時(shí)走線盡量少拐彎，力求線條簡(jiǎn)單明了。</p><p>　　調(diào)試：本功放板調(diào)試特別簡(jiǎn)單，電路板焊好電子元件后，要仔細(xì)檢查電路板有無(wú)焊錯(cuò)的地方，特別要注意有極性的電子零件，如電解電容，一旦焊反即有燒毀元器件之險(xiǎn)，要特別注意，放大器的輸出端先不接揚(yáng)聲器，而是接萬(wàn)用表，觀察萬(wàn)用表讀數(shù)是否正常。最后接上音箱，輸出音樂(lè)信號(hào)。旋轉(zhuǎn)音量電位器，看音量大小是否有變化，至此完成電路的組裝與調(diào)試。</p>&l

23、t;p><b>　　4 總結(jié)</b></p><p>　　此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)采用了LM386功放電路設(shè)計(jì)原理，完成了高效率音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作。在此期間，我查閱了大量資料，找老師輔導(dǎo)，與同學(xué)交流，反復(fù)修改論文，每一個(gè)過(guò)程都是對(duì)自己能力的一次檢驗(yàn)和充實(shí)，通過(guò)這次實(shí)踐，我了解了音頻功率放大器的用途及工作原理。熟悉了音頻功率放大器的設(shè)計(jì)步驟，鍛煉了設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，培養(yǎng)了自己獨(dú)立的設(shè)計(jì)能力，

24、此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)一次實(shí)際檢驗(yàn)和鞏固，同時(shí)也是走向工作崗位前的一次熱身。</p><p>　　但是畢業(yè)設(shè)計(jì)也暴露出了自己專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)的許多不足之處，比如缺乏綜合應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力，對(duì)材料的不了解等等，這次實(shí)踐是對(duì)自己大學(xué)三年所學(xué)知識(shí)的一次大檢驗(yàn)，使我明白了自己知識(shí)還很不全面，馬上要畢業(yè)了，自己的求學(xué)之路還很長(zhǎng)，以后更應(yīng)該在工作實(shí)踐中逐漸學(xué)習(xí)，努力使自己成為一個(gè)對(duì)社會(huì)有所貢獻(xiàn)的人。</p&

25、gt;<p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 茅于海：漫談音頻D類(lèi)放大器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006（5）。</p><p>　　[2] 童詩(shī)白：華成英:模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社.2001。</p><p>　　[3] 姚福安：音頻功率放大器設(shè)計(jì)，山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2003年06期。&

26、lt;/p><p>　　[4] 牟小令：高效率音頻功率放大器，西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2003年01期。</p><p>　　[5] 張 平：關(guān)于音頻功率放大器的應(yīng)用，安陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002年02期。</p><p>　　[6] 曾廣興：現(xiàn)代音響技術(shù)應(yīng)用，廣東科技出版社，1997年3月。</p><p>　　[7] 方佩敏：音頻功率放大器，電子世界，

27、2003年08期。</p><p>　　[8] 謝自美：電子線路設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn) 測(cè)試，華中科技大學(xué)出版社</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)是在XX老師的精心指導(dǎo)和鼓勵(lì)下完成的。XX老師深厚扎實(shí)的學(xué)識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和真誠(chéng)謙遜的品質(zhì)，是我在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中受益匪淺，在此，謹(jǐn)向XX老師表示衷心的感謝！</p>

28、<p>　　感謝所有支持和幫助過(guò)我的老師和同學(xué)!此外，我要感謝在我的論文中所有被援引過(guò)的文獻(xiàn)的作者們，他們是我的知識(shí)之源！最后，再次向所有給予我?guī)椭凸膭?lì)的同學(xué)和老師致以最誠(chéng)摯的謝意！</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　電路電子元件清單</b></p><p><b&g

29、t;　　文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　傳統(tǒng)的數(shù)字語(yǔ)音回放系統(tǒng)包含兩個(gè)主要過(guò)程：（1）數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)到模擬語(yǔ)音信號(hào)的變換實(shí)現(xiàn)；（2）利用模擬功率放大器進(jìn)行模擬信號(hào)放大，如A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)放大器。從1980年代早期，許多研究者致力于開(kāi)發(fā)不同類(lèi)型的數(shù)字放大器，這種放大器直接從數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)功率放大而不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，這樣的放大器通常稱(chēng)作數(shù)字功率放大器或者D類(lèi)放大器。　A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)放大器是模

30、擬放大器，D類(lèi)放大器是數(shù)字放大器。B類(lèi)和AB類(lèi)推挽放大器比A類(lèi)放大器效率高、失真較小，功放晶體管功耗較小，散熱好，但B類(lèi)放大器在晶體管導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)因其開(kāi)關(guān)特性不佳或因電路參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生交替失真。而D類(lèi)放大器具有效率高低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少優(yōu)點(diǎn)。AB類(lèi)放大器和D類(lèi)放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式。D類(lèi)功放是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)脈沖信號(hào),然后用PWM脈沖信號(hào)去

31、控制大功率開(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn).數(shù)字音頻功率放大器也看成是一個(gè)功率數(shù)模變換器.放大器由輸入信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開(kāi)關(guān)電路(半橋式和全橋式)</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 茅于海：漫談音頻D類(lèi)放大器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006（5）。</p>&

32、lt;p>　　[2] 童詩(shī)白：華成英:模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社.2001。</p><p>　　[3] 姚福安：音頻功率放大器設(shè)計(jì)，山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2003年06期。</p><p>　　[4] 牟小令：高效率音頻功率放大器，西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2003年01期。</p><p>　　[5] 張 平：關(guān)于音頻功率放大器的應(yīng)用，安陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2