模擬電路課程設(shè)計音頻功率放大器

1、黃淮學院成績課程設(shè)計報告題目音頻功率放大器課 程名稱模擬電子技術(shù)課程設(shè)計院系名稱信息工程學院專業(yè)電子信息工程班級電信1601B學生姓名田益博學 號課程設(shè)計學時業(yè)指導教師 陳淑靜目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 摘要1 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 緒論1 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 1.1、課程設(shè)計的任務(wù).11.2、課程設(shè)計目的2 HYPERLINK l bookmark34 o Current Doc

2、ument 2、D類音頻功放的工作原理2 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3、各組成部分的工作原理2 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 3.1、設(shè)計原理2 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 3.2、PWM比較器電路設(shè)計3 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3.3防脈沖電路設(shè)計4 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 4、電路仿真結(jié)果5 HYPERLI

3、NK l bookmark55 o Current Document 4.1公式計算5 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 4.2原理之推挽電路6 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 4.3如何提高放大器效率6 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 5、設(shè)計結(jié)果與分析8 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 5.1音頻放大器的優(yōu)點8 HYPERLINK l bookmark71 o Current Docum

4、ent 5.2提高放大器的效率8 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 6、心得體會9摘要目前便攜式消費類電子產(chǎn)品(如：手機、MP3、PDA、便攜式GPS等)日益流行， 這對電池工作時間和壽命的要求也日益增強，以效率高、低失真為特點的D類功率放 大器就開始廣泛地應用于這些產(chǎn)品中。在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級包含提供瞬時連 續(xù)輸出電流的晶體管。音頻放大器可分為A類、AB類、B類和D類放大器。D類 放大器與線性音頻放大器(如A類、B類和AB類)相比，在功效上有相當?shù)膬?yōu)勢。 對于線性放大器(如AB類)來說，偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會損耗大 量功

5、率。而D類放大器的晶體管只是作為開關(guān)使用的，用來控制流過負載的電流方向， 這樣輸出級的功耗極低。D類放大器的功耗主要來自輸出晶體管的導通阻抗、開關(guān)損 耗和靜態(tài)電流開銷，這樣使D類放大器對散熱器的要求大為降低，甚至可省掉散熱器， 使得D類放大器在許多應用中具有顯著的優(yōu)勢，節(jié)省印制電路板(PCB)面積和成本， 并且能夠延長便攜本文對D類音頻功率放大器與傳統(tǒng)的音頻功放進行了分析和比較， 然后對D類音頻功率放大器的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和兩種拓撲結(jié)構(gòu)進行了詳細的分析 和音頻功率放大器的基本原理緒論11、課程設(shè)計的任務(wù)基本要求：額定輸出功率Po=10W，效率60%；負載阻抗RL=8Q；失真度yW3%；輸出功

6、率大小連續(xù)可調(diào)，即用電位器可調(diào)節(jié)音量大小;頻率響應(fLfH)； 20Hz20KHz；輸入信號源為低阻話筒(20Q)，輸出電壓為5mV；RiN20kQ。發(fā)揮部分：擴展設(shè)計實現(xiàn)其他功能；能用硬件電路完成全部或部分功能1.2、課程設(shè)計目的通過本次課程設(shè)計所要達到的目的是：增進自己對模擬集成電路方面所 學知識的理解，提高自己在模擬集成電路應用方面的技能，樹立嚴謹?shù)目茖W 作風，培養(yǎng)自身綜合運用理論知識解決實際問題的能力。通過電路設(shè)計初步 掌握工程設(shè)計方法，逐步熟悉開展科學實踐的程序和方法，為后續(xù)課程的學 習和今后從事的實際工作提供引導性的背景知識，打下必要的基礎(chǔ)。2、D類音頻功放的工作原理D類放大器通

7、常包括PWM級，放大級、輸出級3個部分,工作原理如圖1所示。 采用PWM技術(shù)完成對輸入音頻信號的調(diào)制；PWM級產(chǎn)生的PWM信號用于驅(qū)動 功放電路（通常為MOSFET橋），將PWM信號進行放大；輸出級為低通濾波器， 它將放大的PWM信號解調(diào)，同時濾掉高頻開關(guān)噪聲，得到放大的音頻信號，驅(qū) 動揚聲器輸出。3、各組成部分的工作原理3.1、設(shè)計原理音頻功率放大器主要由輸入級、放大級、輸出級三個部分組成。電路采用TDA2030A集成功率放大電路，具有輸出功率大、保護性能完善、 外圍電路簡單、使用方便等優(yōu)點。工作范圍為6-18V。輸入級：采用電容耦合輸入。用以去掉音頻信號中的低頻信號，與R1構(gòu)成 高通低頻響

8、應。放大級：采用TDA2030A集成芯片，輸出功率大10W頻率響應為101400Hz， 輸出電流峰值最大可達3.5A。其內(nèi)部電路包含輸入級、中間級和輸出級且有短 路保護和過熱保護，可確保電路工作安全可靠。TDA2030A功率放大管利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將 電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的 波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的B倍，B是三極 管的交流放大倍數(shù)，應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會 等于基極電流的B倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流（或電壓）是原先的B倍的大信號，這現(xiàn)象

9、成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流 及電壓放大，就完成了功率放大。3.2、PWM比較器電路設(shè)計PWM比較器是由前置運算放大器輸出信號與三角波信號進行調(diào)制的核心電路， 其性能直接影響到輸出調(diào)制信號的準確度，即影響到輸出信號的失真度。圖1 PWM比較器電路設(shè)計TN5-8為輸入級的輸入管，三角波信號Vtri和前置運放輸出信號V in分別 從兩個基極輸入，再經(jīng)由P8、10作為二極管負載輸出到P7和P9，然后 再由 N32、N37、N38、N48、N49 和 N34、N41、N42、N44、N45 構(gòu)成的Latch結(jié)構(gòu)送到輸出級。采用三極管做輸入管是因為三極管比MOS管更能夠抑制閃爍噪聲，同時三極管的

10、 跨導也比MOS器件大，工藝匹配度也高，因此能夠帶來較大的匹配性，減小 比較器的直流失調(diào)，也可提高比較器的直流電壓增益。輸入級則采用兩級放大 形式，負載管均采用二極管連接形式，它與恒流源負載相比，雖然在漏端產(chǎn) 生的寄生電容多了一個柵電容，但大小相差不多，但它具有很小的輸出阻抗， 其在輸出端口產(chǎn)生的極點將被推到離原點較遠的地方。輸入級采用兩級放大結(jié) 構(gòu)，可用來提高輸入級的增益，提高比較器精度。輸出級由N33、N3536、 N3940和它們后面的施密特觸發(fā)器組成。輸出級有很小的負載電容，但要求 SR+和SR-相等，且應足夠高。根據(jù)電流鏡像，PWM比較器輸入級的工作電 流應該足夠大，可以調(diào)節(jié)比例以將

11、I bias的電流按比例放大到輸入級的恒流 源水平，大電流同時能夠提高跨導、增大匹配性和直流增益，也能提供高的 SR。要SR+和SR-相等，就要保證電流鏡像的精準。這里可將N34、N41 42同時接到N33、N3940以減小溝長調(diào)制效應，保證P5和N3536對寄 生電容充放電電流相等，從而使得SR+和SR-相等。施密特觸發(fā)器的作用是 整波，并使輸出的方波更加穩(wěn)定，同時也增大驅(qū)動能力，以便驅(qū)動下一級輸 入負載電容較大的電路。OUT可反饋回N24、N25的柵極，L24是直流偏壓 的VCC/2，因此，N2427可形成一個正反饋回路，從而使這個比較器形成 遲滯。3.3防脈沖電路設(shè)計防脈沖電路在整個系統(tǒng)

12、中的作用是防止PWM比較器輸出的調(diào)制波形被外界因素 干擾，從而使調(diào)制波形能夠在傳輸?shù)捷敵鲞^程中保持精準度。特別是對PWM比 較器輸出的調(diào)制波形。這種竄擾或其它外部噪音會使調(diào)制信號產(chǎn)生誤差脈沖信 號，這種誤差脈沖信號如果傳輸?shù)捷敵龆耍蜁龃筝敵鲂盘柕氖д?。而設(shè) 計防脈沖電路恰好可以抑制這種失真。圖2防脈沖電路設(shè)計圖L5是與三角波對應的周期性方波信號，當三角波處于上升沿時，L5為高電位， 反之，則為低電位。L7是防脈沖電路的輸入端信號，它是PWM比較器輸出 的調(diào)制信號傳輸過來的，從PWM比較器輸出到防脈沖電路，L7的信號在芯片 版圖中經(jīng)歷了有限距離的信號傳輸，因而它會受到擾動，其信號波形會隨機產(chǎn)

13、 生誤差脈沖，而無法完全等于PWM比較器輸出的調(diào)制信號。OUT是脈沖防止 電路最終要輸出到輸出級的信號，這里要保證OUT完全濾除掉L7的誤差脈沖， 以使輸入到功率輸出級的信號與PWM比較器輸出的調(diào)制信號完全匹配。4、電路仿真結(jié)果圖3電路仿真圖4.1公式計算R1是音量調(diào)節(jié)電位計，本電路采用22k電位計C6是輸入耦合電容(C1=1uf)由公式1C= 2nfc =1.5uf (公式 1-1)f取10Hz，R=R1/2=10k C=1.6uf實際中采用1uf電解電容。C8取100uf電解電容，C2取0.1uf陶瓷電容R4是TDA2030A同相輸入端偏置電阻。R2、R3 為反饋網(wǎng)絡(luò)電阻(R2=R3=R7

14、=100KQ)。R6、R5決定了該電路交流負反饋的強弱及閉環(huán)增益。該電路閉環(huán)增益為Av=(R6+R5)/R6=(4.7+150)/4.7=30.0 (公式 1-2)C1起隔直流作用，以使電路直流為100%負反饋。靜態(tài)工作點穩(wěn)定性好。D1、D2是保護二極管，防止輸出電壓峰值損壞集成塊TDA2030A，實際中采用1N4001 二極管。輸出端接上電容C5=0.22 uF的陶瓷電容，R7=1Q串聯(lián)接地。4.2原理之推挽電路圖4推挽電路圖4.3如何提高放大器效率一般的D類放大器為開環(huán)系統(tǒng)，通過反饋控制技術(shù)可以減小D類放大器失真。假設(shè)放大器開環(huán)控制模型如圖5所示，諧波失真V n在傳遞函數(shù)H ff后被 引入

15、開環(huán)控制時，輸出假設(shè)閉環(huán)控制時的反饋增益為G，建立D類放大器閉環(huán)控制模型如圖6所 示，則輸出比較等式2和5可以看出，閉環(huán)控制時THD為開環(huán)控制時THD的1 ( 1 +H fb G)，即閉環(huán)控制改善了放大器的THD。在圖6的反饋設(shè)計中，可采 用求和積分器代替簡單的加法器。由于積分器實質(zhì)上是一個低通濾器，因 此可衰減反饋信號中的高頻載波成分，增加低頻反饋量，特別是直流成分， 從而有效改善零輸入時的占空比誤差(由于輸入信號直流電平與比較器門 限電壓的差異所形成)。另外，還可采用電壓、電流雙環(huán)反饋的方案，電 流反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓反饋為外環(huán)，電壓反饋環(huán)為電流反饋環(huán)提供參考信號。 這種雙環(huán)反饋方式可改善放

16、大器帶寬，提高放大器效率。圖7功率放大電路圖5、設(shè)計結(jié)果與分析5.1音頻放大器的優(yōu)點本文介紹了一種D類音頻功率放大器的設(shè)計方法。該功率放大器采用 免濾波的D類放大器結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有前置運算放大器、三角波振蕩器、PWM 比較器、防脈沖電路和功率輸出電路，同時整個功率放大器可由增益調(diào)節(jié) 電路調(diào)節(jié)其總閉環(huán)電壓增益。該音頻功率放大器可提供2 W的額定輸出功 率，且具有總諧波失真較小、輸出效率高、應用電源電壓范圍廣等優(yōu)點， 可應用于如MP3、MP4、PDA、筆記本電腦等便攜式多媒體電子設(shè)備中。5.2提高放大器的效率反饋控制、動態(tài)補償控制和單周控制技術(shù)主要適用于模擬式D類放大 器。反饋控制和動態(tài)補償控制都可

17、在一定程度上改善放大器的保真度，提 高整體效率，但反饋網(wǎng)絡(luò)的延時特性設(shè)計困難，動態(tài)補償控制也同樣難以實現(xiàn) 主放大器與輔助放大器頻率特性的一致，因此控制器設(shè)計難度大，整個放大 器結(jié)構(gòu)趨于復雜。而單周控制技術(shù)則具有控制方法簡單，動態(tài)性能好，抗干 擾能力強的優(yōu)點，更適合于D類音頻功率放大器。噪聲整形技術(shù)、增強采 樣控制技術(shù)和補償采樣控制技術(shù)主要適用于數(shù)字式D類放大器。噪聲整形技 術(shù)是減少數(shù)字音頻信號長度、保持信噪比的有效方法，但過采樣會使主開關(guān)工 作頻率很高，從而產(chǎn)生較大的功率損耗，導致放大器效率下降，因此噪聲整 形技術(shù)主要應用于小功率D類放大器中。增強采樣和補償采樣改善了數(shù)字 式D類放大器的保真度。增強采樣在自然采樣和統(tǒng)一采樣之間達到優(yōu)化，但 還不能完全消除PWM頻譜中的諧波信號和邊帶信號，放大器保真度會受到 影響。補償采樣實際是模擬了自然采樣過程，克服了統(tǒng)一采樣的諧波失真， 也同樣存在邊帶信號失真。相比之下，補償采樣比增強采樣算法更簡單， 更易于編程實現(xiàn)，實用性也更強6、心得體會總而言之，這一次的課程設(shè)計是我做的第一個課程設(shè)計，也是第一次