超大甚大功率音頻放大器

摘D類(lèi)頻功率放大器采用脈寬調(diào)節(jié)PWM）術(shù)來(lái)提高功放效率，利用占空比調(diào)節(jié)音頻波形。本文描述了D類(lèi)放的三角波發(fā)生器、音頻前置放大器、比較器、方波放大器、H-橋低濾波器的電路設(shè)計(jì)。并列出了在電路設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，以求保證功放的高效性和良好的音質(zhì)效果。關(guān)詞

功放、脈寬調(diào)制；高效、音質(zhì)InclassDpoweramplifier,pulsewidthmodulationtechnologyisusedtoenhanceitsefficiency.ThedutycycleisusedtoregulatetheAudioWaveform.SixcircuitsofclassDpoweramplifier:trianglewaveoscillator,audio-preamplifier,parator,square-waveamplifier,h-bridge,low-passfilteraredetaileddescribedhere.Someimportantattentionsaregiven.technologyimprovedthesoundisalsodiscussedhere。Keywords:poweramplifier；pulsewidthmodulation(PWM);highefficiency；soundquality1

設(shè)任與求1.1

設(shè)任設(shè)計(jì)并制作一個(gè)基于PWM的D類(lèi)音頻功率放大器。該音頻放大器包括鋸齒波振蕩器、前置放大電路、PWM波形成方波放大電路H橋率大電路、低通濾波電路構(gòu)成，其框圖如圖所示。圖(1)PWMD類(lèi)音頻功放組成框圖1.2技指1．基本要求1）設(shè)計(jì)一個(gè)音頻信號(hào)前置放大路，使其放大倍數(shù)不小于400倍音頻輸入信號(hào)的幅值小于10mV-1dB的通頻帶為20Hz～20kHz；2）設(shè)三角波振蕩器，其頻率大于200kHz；

）設(shè)PWM形及類(lèi)關(guān)放大器的驅(qū)動(dòng)電路，要求其驅(qū)動(dòng)電路具有較好的驅(qū)動(dòng)性能，能驅(qū)動(dòng)H橋關(guān)放大器或半橋型開(kāi)關(guān)放大器；）設(shè)LC低濾波器，使其還原音頻信，要求失真度；）功放大電路帶載（音響設(shè)備）時(shí)，最大不失真功率輸出10W。2.發(fā)揮部分1）為減小功率放大電路輸出音信號(hào)的失真度，在保證開(kāi)關(guān)放大器正常開(kāi)關(guān)工作的前提下，盡量提高三角波振蕩頻率；2）設(shè)智能音量指示電路，使整個(gè)功放有較好的動(dòng)感效果；3）功放大電路的效率≥75％；4）盡提高最大不失真輸出功率；1.3題評(píng)本題首先要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是保真度；二是效率。為保證功放的保真度，應(yīng)采用失真度較小的功放芯片，并設(shè)計(jì)合適的低通濾波電路D類(lèi)放的效通常較高，理想情況下可達(dá)100%，本題要求效率，出功率10W，經(jīng)析，增大負(fù)載可提高輸出效率8歐負(fù)的效率通常能達(dá)到80%～90%2.方案較論2.1各種方案比與選擇根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，本系統(tǒng)的組成方框圖如圖(1)所。下面對(duì)每個(gè)框電路的設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行論證與比較方案一：采用FPGA芯產(chǎn)生三角波，使用VHDL語(yǔ)編寫(xiě)三角波發(fā)生程序。音頻前置放大電路采用NE5532A片比器采用393PH-橋電路通波電路用分立元件構(gòu)成。該方案中三角波波形準(zhǔn)確，采用分立元件構(gòu)成的電路工作性能好，但采用產(chǎn)三角波成本較高，分立元件構(gòu)成的電路難以調(diào)試。故不采用該方案。方案二：采用單片機(jī)產(chǎn)生三角波，使用語(yǔ)編寫(xiě)三角波發(fā)生程序。音頻前置放大、PWM比較器類(lèi)率放大、方波放大等均采用集成芯片構(gòu)成，低通濾波電路采用一階低通濾波電路。該方案采用單片機(jī)產(chǎn)生三角波，波形較好。但考慮到D類(lèi)放的便攜性與易實(shí)現(xiàn)性，故不采用該方案。方案三：采用SN74HC14N產(chǎn)方波，再經(jīng)NE5532A芯對(duì)方波積分產(chǎn)生角波；音頻前置放大電路采用NE5532A對(duì)頻進(jìn)行放大處理，處理后的音頻信號(hào)與三角波進(jìn)行PWM調(diào)制PWM調(diào)采用儀器生產(chǎn)的LM393芯，該芯片為雙電壓比較器，采用單電源供電，且適用圍廣PWM波大電路采用儀器的芯橋電路采用德律風(fēng)根生產(chǎn)的TDA2030音功放芯片；濾波電路采用LC低通濾波器。整個(gè)電路采用220V交電經(jīng)變壓器供電，為不同的芯片提供不同的電壓輸出。該方案普遍采用高效率、低功耗、發(fā)

熱小、失真度小的芯片構(gòu)成電路。故能滿(mǎn)足D類(lèi)放設(shè)計(jì)中的高效率、低失真度的要求，本設(shè)計(jì)采用此方案。2.2方案論證3系硬設(shè)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)D

類(lèi)功放采用脈沖寬度調(diào)制PWM系和開(kāi)關(guān)電源供電音頻信號(hào)。全部信息被調(diào)制在PWM信號(hào)的寬度變化中，功率管工作在飽和、截止兩種態(tài)，失真小、效率高。其工作原理是將模擬音頻信號(hào)經(jīng)PWM設(shè)備調(diào)制成數(shù)字信號(hào)然高效功率放大低濾波解調(diào)信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。本設(shè)計(jì)中的D類(lèi)功放原理框如圖，包括兩個(gè)部分。第一部分是脈寬調(diào)制部分，輸入的音頻信號(hào)經(jīng)電壓放大后與固定頻率的三角波相比較較器輸出寬度被調(diào)制的高電平并大成合適的電壓值第部分是功率放大部分放大后的PWM信控制H-橋的通斷，經(jīng)低通濾波器濾波后，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，產(chǎn)生聲音。方框圖如下(2)所：

圖(2)PWMD類(lèi)音頻功放組成框圖圖(3)系統(tǒng)總體框圖與D類(lèi)功放電路工作波形3.2單元路的設(shè)計(jì)3.2.1三波發(fā)生電路

圖(4)

三角產(chǎn)電三角波發(fā)生電路如(4)所，三角波的作用是用來(lái)調(diào)制音頻信號(hào)，對(duì)此有兩方面的要求：其一，調(diào)制后的信號(hào)可以被完整地恢復(fù)。根yquist采樣定理，三角波的頻率至少是音頻信號(hào)最高頻率的兩倍聽(tīng)到的聲頻圍是20Hz~20kHz明角波的頻率應(yīng)在40kHz以上。為確保音頻信號(hào)的采樣本設(shè)計(jì)采用三角波的頻率200kHz；其二，三角波要有穩(wěn)定的頻率和幅度，否則，調(diào)制后的脈寬會(huì)產(chǎn)生變形，從而降低音頻輸出的信噪比，音質(zhì)變差，噪聲增大在頻的情況下，產(chǎn)頻率度定的三角波對(duì)一般的波形發(fā)生器來(lái)說(shuō)很難實(shí)現(xiàn)。在此，我們采用儀器生產(chǎn)SN74HC14N芯，該芯片為施密特觸發(fā)器，其輸入電壓為2～6V。能將輸入的正弦波變換成方波，然后E5532A片積分，以產(chǎn)生頻率200KHZ幅值1的三角波。在仿真過(guò)程中，經(jīng)測(cè)，輸出波形頻率可為.72V，圖所。

圖(5)

三角波3.2.2前置放大電

圖(6)前置大路從音頻發(fā)生器發(fā)出的電壓信號(hào)設(shè)頻前置放大電路的輸入信號(hào)為。根題目需要，出電壓應(yīng)低于三角波的峰值電壓15V。因此，R8選擇500K的可調(diào)電阻，使放大倍數(shù)在0～500倍之間可調(diào)，滿(mǎn)的400倍以上的放大倍數(shù)。前放仍采用儀器生產(chǎn)的NE5532A芯片，其作頻率可達(dá)10MHZ，工作電壓為3V～20V，其放大倍數(shù)大、功耗低圍電路少。音頻輸入及輸出均加上濾波電容，減少電路的失真度。求輸入電阻大于10K,因R9選用22K的Ri=R9=22K輸入電阻滿(mǎn)足要求置放大輸出波形如下7圖（）

前置放大輸出波形

3.2.3PWM比較音頻信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后PWM方波。設(shè)計(jì)要求三角波信號(hào)的頻率在00KHZ幅值10V左右與之相比較音頻信號(hào)頻20HZ～20KHZ可調(diào)。因此，比電路的工作頻率應(yīng)能達(dá)2，輸入電壓0V上。電路如下圖8）所示：圖（8）PWM比較電路本次設(shè)計(jì)選用的是儀器的LM393芯片，該芯片為雙電壓比較器集成電路，具有工作電壓圍寬電源雙源均可工作耗電流小輸入失調(diào)電壓小共模輸入電壓圍寬，輸出與TTL,MOS,CMOS兼等特點(diǎn)入的三角波Vp-p為9.72V所以要求放大之后的音頻信號(hào)的Vp-p不超過(guò)9.72V否會(huì)功放產(chǎn)生失真該電路供電為雙源輸為幅值的波信號(hào)，如圖（圖（9PWM輸出波形

3.2.4方波放大電路圖（10）

方波放大電路附加（同相與反相電路3.2.5H-及低通濾波電路

圖（11）

功率放大與低通濾波電路本設(shè)計(jì)采用橋補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出電路，它VMOSFET的要導(dǎo)通電阻小，關(guān)速度快，開(kāi)啟電壓圍大（本次采12v供電），因出功率不是很大則可選用功率相對(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管IRFD120和RFD9120VMOS對(duì)管的參數(shù)能夠滿(mǎn)上述要求，故采用之。實(shí)際電路如上圖所示。互PWM開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開(kāi)啟分別驅(qū)QN1,QP1,QN2,QP2.經(jīng)兩個(gè)階濾波器濾波后推動(dòng)喇叭工作。3.3單元路的功能以及工原分3.4發(fā)揮分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.5電原圖4軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)和CPLD4.1程序總體流圖4.2各個(gè)功能模流程圖4.3程序清單(可列入附錄5．統(tǒng)的組裝

5.1板圖可列入附錄5.2整機(jī)結(jié)構(gòu)圖工藝說(shuō)5.3面板圖及可部件說(shuō)6．統(tǒng)調(diào)試根據(jù)題目要求對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，注意抓住采分點(diǎn)。在測(cè)試每項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)給出該項(xiàng)指標(biāo)的定義或意義(如靈敏度、信噪比的嚴(yán)格定義)。然后逐項(xiàng)測(cè)試。6.1電路的測(cè)試案(方法根據(jù)系統(tǒng)功能及指標(biāo)擬定測(cè)試方案(方法)，通常以方框圖的形式給出。6.2測(cè)試儀器選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試儀器，如：直流電壓測(cè)試采用直流電壓表(最好用多位數(shù)字表)；交流電壓測(cè)試選擇幾十千赫以下用低毫伏表，幾百千赫以上用高頻毫伏表；頻率測(cè)試采用頻率計(jì)；．波形測(cè)試采用示波器。注明儀器名稱(chēng)、型號(hào)和測(cè)試精度。6.3測(cè)試結(jié)果根據(jù)要求分項(xiàng)測(cè)試，各項(xiàng)都要注明測(cè)試條件，如輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、電源電壓；測(cè)試儀器以及其它一些需要注明條件；然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行列表(有些情況要進(jìn)行多次的測(cè)量，這時(shí)也要注明)；最后說(shuō)明達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，并和設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，說(shuō)明最終測(cè)試指標(biāo)的精度。6.4發(fā)揮分的測(cè)試發(fā)揮部分的測(cè)試可作為單獨(dú)一項(xiàng)，以突出重點(diǎn)，增加論文份量。7．統(tǒng)電路存在不足和進(jìn)的方向(或稱(chēng)結(jié)論

參考文①康光華②康光華

電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第五版）華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編

高等教育2006.1高等教育2006.1③王正勇protelDXP實(shí)用教程（第一版）高等教育致本次課題得到了楠老師冷英師湯剛老師周震老師大量的指導(dǎo)以及各位同學(xué)的幫助，在此表示衷心的感！附錄(電路圖及有關(guān)設(shè)計(jì)文件附

錄1

總

電

原

理

圖

附

錄2

印

制

電

路

板

圖附三原清電容：4.7μF×20.1F（104）×9200pF）×1支4.7F×4支電感：支電阻：22kOhm×1支500kOhm×1支電位器）50kOhm×1支60kOhm×1支10kOhm×1支10kOhm×1支電位器）MOS管：IRFD9120×2支IRFD120×2支芯片：NE5532×3片SN74HC14N×1片SN74LS08J×1片SN74LS0