D類音頻功放設(shè)計(jì)

1、D類音頻放大器的設(shè)計(jì)與制作摘要：本項(xiàng)目涉及高效節(jié)能、數(shù)字化、體積小、重量輕等特點(diǎn)的D類功率音頻放大器。適應(yīng)便攜設(shè)備高效及節(jié)能的客觀要求。順應(yīng)了市場(chǎng)的客觀要求。從而在音頻集成領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。隨著設(shè)計(jì)技術(shù)不斷進(jìn)步D類功率放大器的要求也在不斷提高本文通過(guò)基于CMOS工藝的D類功率音頻放大器構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)、失真度等方面的特性來(lái)進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。本課題的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)D類音頻功率放大器，能對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大，放大器的通頻帶達(dá)到30010000Hz,輸出功率IW,輸出信號(hào)無(wú)明顯失真。根據(jù)D類功放的原理分別設(shè)計(jì)了前置放大模塊、三角波產(chǎn)生模塊、比較器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出及低通濾波模塊等。其中三角

2、波產(chǎn)生器及比較器共同組成脈寬調(diào)制(PWM)模塊，H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路采用驅(qū)動(dòng)電流小、低導(dǎo)通電阻及良好開(kāi)關(guān)特性的VMOSFET管，濾波器采用Butterworth低通濾波器。關(guān)鍵詞：D類功率放大器H橋驅(qū)動(dòng)脈寬調(diào)制目錄1. 引言近幾年，國(guó)際上加進(jìn)了對(duì)D類音頻功率放大器的研究與開(kāi)發(fā)，并取得了一定的進(jìn)展，各項(xiàng)實(shí)用性指標(biāo)和可靠性指標(biāo)都有很大改善，并不斷在向更大的輸出功率，更小的體積，更輕的重量，更多的功能和智能化方向發(fā)展。20世紀(jì)80年代初，歐洲有些專業(yè)公司開(kāi)始研究晶體管功放與電子管功放之間的性能差異及解決辦法。電子管是一種電壓控制器件，需要的控制功率極微，開(kāi)關(guān)速率很快。晶體管是一種電流控制器件，需有較

3、大的控制電流，轉(zhuǎn)換速率較慢，這是最基本的差別。數(shù)字功放的概念早在20世紀(jì)60年代就有人提出了，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，進(jìn)展一直較慢。這一技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世立即顯示出其高效，節(jié)能，數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，引起了科研，教學(xué)，電子工業(yè)，商業(yè)界的特別關(guān)注。不久的將來(lái)，D類音頻功率放大器必然取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器。2, 系統(tǒng)方案總體方案設(shè)計(jì)D類功放是放大元件處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)的一種放大模式。無(wú)信號(hào)輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和狀體，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開(kāi)關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。D類音頻功放按其結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)部分。調(diào)制器最簡(jiǎn)單的只需要用一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的比較器即可完成。把原始

4、的音頻信號(hào)加上一定的直流偏置后放在運(yùn)放的正輸入端，在將一個(gè)有自激震蕩生成的三角波添加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正向輸入端上的電位高于負(fù)端三角波的電位時(shí)比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平，當(dāng)音頻輸入信號(hào)輸入時(shí)，正半軸期間，比較器輸出高電平的時(shí)間比低電平的時(shí)間長(zhǎng)，方波的占空比大于1山負(fù)半軸期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí)間卻大為減少，方波的占空比小于1:10這樣，比較器輸出的波形就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)輻度調(diào)制后的波形，成為PWM（PulseWidthModulation脈寬調(diào)制）或者M(jìn)（PulseDurationModulation脈沖持

5、續(xù)時(shí)間調(diào)制）波形。音頻信號(hào)被調(diào)制到脈沖波形中D類功放D類功放，這是一個(gè)脈沖控制的大電流開(kāi)關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率PWM信號(hào)。能夠輸出的最大功率有負(fù)載、電源和晶體管允許流過(guò)的電流來(lái)決定。信號(hào)還原需要把大功率PIM波形中的聲音信息還原出來(lái)。其方法也很簡(jiǎn)單，只需要用一個(gè)低通濾波器。由于此時(shí)電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)有很大損耗，所以采用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1:1的脈沖到來(lái)時(shí)，電容c的充電時(shí)間大于放電時(shí)間，輸出電平上升；在小于脈沖到來(lái)時(shí)，放電時(shí)間長(zhǎng)，輸出電平下降正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相一致，所以原音頻信號(hào)被回復(fù)出來(lái)。圖2-1-1D類功放波形原理圖

6、三角波模塊設(shè)計(jì)方案方案一：用普通555芯片作為三角波發(fā)生器。雖然此類芯片可直接產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，但芯片中振蕩發(fā)生的是鋸齒波，不符合D類功放所要求的三角波，且振蕩發(fā)生器是充放電電路產(chǎn)生波形，波形線性不好，難以達(dá)到要求。所以此方案不行。圖2-2-1555定時(shí)電路產(chǎn)生三角波方案二：根據(jù)要求，因?yàn)镈類放大器要求三角波頻率高、線性好，這是一般積分微分電路難以達(dá)到的，因此我們選用模擬的波形芯片ICL8038來(lái)產(chǎn)生三角波，它的內(nèi)部有恒流源，故線性效果好。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于可產(chǎn)生合乎要求的脈寬調(diào)制信號(hào)，且全部期間可由+5V電源直接供電，各項(xiàng)指標(biāo)也都符合要求。高速開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)方案方案一：采用推挽單端輸出方式，如圖

7、2-2所示，電路輸出信號(hào)的峰峰值不可能超過(guò)電源電壓，輸出功率難以提高。圖2-2-2高速開(kāi)關(guān)電路方案二：選用H橋輸出方式（如圖2-3所示）。此方式浮動(dòng)輸出載波的峰峰值可達(dá)2Vcc，充放利用了電源電壓有效提高了輸出功率。圖2-2-3H橋3. 硬件電路設(shè)計(jì)三角波發(fā)生器本設(shè)計(jì)采用ICL8038配置的三角波發(fā)生器，該芯片的適用頻率為300kHz，滿足設(shè)計(jì)要求圖3-1-1ICL8038波形發(fā)生器令RaRbR,f1四，取R18.3k,C120pF可RaCMRb、RC(1)0.662RaRb以得到頻率為150kHz的三角波，故取RaRB13k,Rp10k,C120pF,如圖3-2所示。圖3-1-2150kHz

8、三角波發(fā)生器按圖中值我們可以得到一個(gè)線性很好、頻率約為150KHz峰峰值約為2.8V的三角波。放大電路圖3-2-1信號(hào)發(fā)大電路該部分的作用是將輸入信號(hào)按比例放大以便丁三角波進(jìn)行比較，R3R4共同分壓將2腳的電壓調(diào)制左右，這樣可使得放大后的波形中點(diǎn)在左右，且上下對(duì)稱無(wú)明顯失真。放大比例系數(shù)由R5R6決定，即A=R6/R5,C起隔直的作用。脈寬調(diào)制比較器脈寬調(diào)制比較器電路主要芯片是LM311此處要注意的是三角波與音頻信號(hào)的電壓線重合。即正向端、反向端的電壓相等。其電壓平衡我們通過(guò)使用相同大小的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際電路中，可用滑變來(lái)調(diào)。圖3-3-1脈寬調(diào)制比較器驅(qū)動(dòng)電路、H橋4. H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路對(duì)

9、VMOSFET要求是導(dǎo)通電阻小，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)啟電小。因輸出功率稍大丁屆小功率輸出，可選用功率相對(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管，IRFD540和IRFD9540CMO對(duì)管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實(shí)際電路如下圖所示?；パa(bǔ)PW僦關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開(kāi)啟Q3和Q6或Q4和Q5,分別經(jīng)兩個(gè)Butterworth濾波器濾波后推動(dòng)喇叭工作圖3-5脈寬調(diào)制比較器測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果：(D列出主要的測(cè)試儀器、儀表;（2）系統(tǒng)測(cè)試： 說(shuō)明測(cè)試方法；要求有完整的測(cè)試參數(shù)記錄表及測(cè)試數(shù)據(jù)；系統(tǒng)功能測(cè)試：測(cè)試或說(shuō)明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能。有些數(shù)據(jù)最好能畫(huà)出實(shí)測(cè)曲線。要求數(shù)據(jù)、曲線必須真實(shí)。（如示波器上的曲線圖）（3）測(cè)試結(jié)果分析：對(duì)測(cè)試的系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)及實(shí)現(xiàn)的功能分析（與設(shè)計(jì)要求對(duì)比進(jìn)行），指出指標(biāo)參數(shù)及實(shí)現(xiàn)的功能的整體完成情況，重點(diǎn)分析指標(biāo)及功能達(dá)不到要求的原因（或功能、指標(biāo)較優(yōu)是如何實(shí)現(xiàn)的）。5. 設(shè)計(jì)總結(jié)：現(xiàn)階段完成了系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，對(duì)D類的音頻功放原理有了深刻的理解。只是還未投入實(shí)際焊接，具體的結(jié)果還需要看最終的測(cè)試結(jié)果，需要進(jìn)一步的調(diào)試。仿真軟件在實(shí)際設(shè)計(jì)制作時(shí)只是有指導(dǎo)作用，不是所有的電路都可以仿真出結(jié)果的，不應(yīng)過(guò)多的投入，設(shè)計(jì)主要靠的是理論原理和實(shí)際調(diào)試。除了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，電子設(shè)計(jì)還需要大量的練習(xí)，多接觸些功能模塊，基本電路，可以增加自己的見(jiàn)識(shí)和解決問(wèn)