模擬電路課程設(shè)計(jì)音頻功率放大器

1、黃淮學(xué)院成績(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)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(jì)院系名稱信息工程學(xué)院專業(yè)電子信息工程班級(jí)電信1601B學(xué)生姓名田益博學(xué) 號(hào)課程設(shè)計(jì)學(xué)時(shí)業(yè)指導(dǎo)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(jì)的任務(wù).11.2、課程設(shè)計(jì)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(jì)原理2 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 3.2、PWM比較器電路設(shè)計(jì)3 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3.3防脈沖電路設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)結(jié)果與分析8 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 5.1音頻放大器的優(yōu)點(diǎn)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(huì)9摘要目前便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品(如：手機(jī)、MP3、PDA、便攜式GPS等)日益流行， 這對(duì)電池工作時(shí)間和壽命的要求也日益增強(qiáng)，以效率高、低失真為特點(diǎn)的D類功率放 大器就開始廣泛地應(yīng)用于這些產(chǎn)品中。在傳統(tǒng)晶體管放大器中，輸出級(jí)包含提供瞬時(shí)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(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。 對(duì)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(huì)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(fù)載的電流方向， 這樣輸出級(jí)的功耗極低。D類放大器的功耗主要來自輸出晶體管的導(dǎo)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(duì)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(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省印制電路板(PCB)面積和成本， 并且能夠延長(zhǎng)便攜本文對(duì)D類音頻功率放大器與傳統(tǒng)的音頻功放進(jìn)行了分析和比較， 然后對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析 和音頻功率放大器的基本原理緒論11、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)基本要求：額定輸出功率Po=10W，效率60%；負(fù)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(yīng)(fLfH)； 20Hz20KHz；輸入信號(hào)源為低阻話筒(20Q)，輸出電壓為5mV；RiN20kQ。發(fā)揮部分：擴(kuò)展設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)目的通過本次課程設(shè)計(jì)所要達(dá)到的目的是：增進(jìn)自己對(duì)模擬集成電路方面所 學(xué)知識(shí)的理解，提高自己在模擬集成電路應(yīng)用方面的技能，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué) 作風(fēng)，培養(yǎng)自身綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。通過電路設(shè)計(jì)初步 掌握工程設(shè)計(jì)方法，逐步熟悉開展科學(xué)實(shí)踐的程序和方法，為后續(xù)課程的學(xué) 習(xí)和今后從事的實(shí)際工作提供引導(dǎo)性的背景知識(shí)，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(jí)，放大級(jí)、輸出級(jí)3個(gè)部分,工作原理如圖1所示。 采用PWM技術(shù)完成對(duì)輸入音頻信號(hào)的調(diào)制；PWM級(jí)產(chǎn)生的PWM信號(hào)用于驅(qū)動(dòng) 功放電路（通常為MOSFET橋），將PWM信號(hào)進(jìn)行放大；輸出級(jí)為低通濾波器， 它將放大的PWM信號(hào)解調(diào)，同時(shí)濾掉高頻開關(guān)噪聲，得到放大的音頻信號(hào)，驅(qū) 動(dòng)揚(yáng)聲器輸出。3、各組成部分的工作原理3.1、設(shè)計(jì)原理音頻功率放大器主要由輸入級(jí)、放大級(jí)、輸出級(jí)三個(gè)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(hù)性能完善、 外圍電路簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。工作范圍為6-18V。輸入級(jí)：采用電容耦合輸入。用以去掉音頻信號(hào)中的低頻信號(hào)，與R1構(gòu)成 高通低頻響

8、應(yīng)。放大級(jí)：采用TDA2030A集成芯片，輸出功率大10W頻率響應(yīng)為101400Hz， 輸出電流峰值最大可達(dá)3.5A。其內(nèi)部電路包含輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)且有短 路保護(hù)和過熱保護(hù)，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(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將 電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的 波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的B倍，B是三極 管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過的電流會(huì) 等于基極電流的B倍，然后將這個(gè)信號(hào)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(hào)，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(jì)PWM比較器是由前置運(yùn)算放大器輸出信號(hào)與三角波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的核心電路， 其性能直接影響到輸出調(diào)制信號(hào)的準(zhǔn)確度，即影響到輸出信號(hào)的失真度。圖1 PWM比較器電路設(shè)計(jì)TN5-8為輸入級(jí)的輸入管，三角波信號(hào)Vtri和前置運(yùn)放輸出信號(hào)V in分別 從兩個(gè)基極輸入，再經(jīng)由P8、10作為二極管負(fù)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(jí)。采用三極管做輸入管是因?yàn)槿龢O管比MOS管更能夠抑制閃爍噪聲，同時(shí)三極管的

10、 跨導(dǎo)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(jí)則采用兩級(jí)放大 形式，負(fù)載管均采用二極管連接形式，它與恒流源負(fù)載相比，雖然在漏端產(chǎn) 生的寄生電容多了一個(gè)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(diǎn)將被推到離原點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方。輸入級(jí)采用兩級(jí)放大結(jié) 構(gòu)，可用來提高輸入級(jí)的增益，提高比較器精度。輸出級(jí)由N33、N3536、 N3940和它們后面的施密特觸發(fā)器組成。輸出級(jí)有很小的負(fù)載電容，但要求 SR+和SR-相等，且應(yīng)足夠高。根據(jù)電流鏡像，PWM比較器輸入級(jí)的工作電 流應(yīng)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(jí)的恒流 源水平，大電流同時(shí)能夠提高跨導(dǎo)、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(zhǔn)。這里可將N34、N41 42同時(shí)接到N33、N3940以減小溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)，保證P5和N3536對(duì)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(shí)也增大驅(qū)動(dòng)能力，以便驅(qū)動(dòng)下一級(jí)輸 入負(fù)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(gè)正反饋回路，從而使這個(gè)比較器形成 遲滯。3.3防脈沖電路設(shè)計(jì)防脈沖電路在整個(gè)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(zhǔn)度。特別是對(duì)PWM比 較器輸出的調(diào)制波形。這種竄擾或其它外部噪音會(huì)使調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生誤差脈沖信 號(hào)，這種誤差脈沖信號(hào)如果傳輸?shù)捷敵龆耍蜁?huì)增大輸出信號(hào)的失真。而設(shè) 計(jì)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(jì)圖L5是與三角波對(duì)應(yīng)的周期性方波信號(hào)，當(dāng)三角波處于上升沿時(shí)，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(hào)，它是PWM比較器輸出 的調(diào)制信號(hào)傳輸過來的，從PWM比較器輸出到防脈沖電路，L7的信號(hào)在芯片 版圖中經(jīng)歷了有限距離的信號(hào)傳輸，因而它會(huì)受到擾動(dòng)，其信號(hào)波形會(huì)隨機(jī)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(hào)。OUT是脈沖防止 電路最終要輸出到輸出級(jí)的信號(hào)，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(jí)的信號(hào)與PWM比較器輸出的調(diào)制信號(hào)完全匹配。4、電路仿真結(jié)果圖3電路仿真圖4.1公式計(jì)算R1是音量調(diào)節(jié)電位計(jì)，本電路采用22k電位計(jì)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(shí)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(fù)反饋的強(qiáng)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(fù)反饋。靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性好。D1、D2是保護(hù)二極管，防止輸出電壓峰值損壞集成塊TDA2030A，實(shí)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(shí)，輸出假設(shè)閉環(huán)控制時(shí)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(shí)THD為開環(huán)控制時(shí)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(jì)中，可采 用求和積分器代替簡(jiǎn)單的加法器。由于積分器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)低通濾器，因 此可衰減反饋信號(hào)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(shí)的占空比誤差(由于輸入信號(hào)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(hào)。 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(jì)結(jié)果與分析5.1音頻放大器的優(yōu)點(diǎn)本文介紹了一種D類音頻功率放大器的設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)整個(gè)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(yīng)用電源電壓范圍廣等優(yōu)點(diǎn)， 可應(yīng)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(dòng)態(tài)補(bǔ)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(dòng)態(tài)補(bǔ)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(shí)特性設(shè)計(jì)困難，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制也同樣難以實(shí)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(jì)難度大，整個(gè)放大 器結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜。而單周控制技術(shù)則具有控制方法簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好，抗干 擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，更適合于D類音頻功率放大器。噪聲整形技術(shù)、增強(qiáng)采 樣控制技術(shù)和補(bǔ)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(hào)長(zhǎng)度、保持信噪比的有效方法，但過采樣會(huì)使主開關(guān)工 作頻率很高，從而產(chǎn)生較大的功率損耗，導(dǎo)致放大器效率下降，因此噪聲整 形技術(shù)主要應(yīng)用于小功率D類放大器中。增強(qiáng)采樣和補(bǔ)償采樣改善了數(shù)字 式D類放大器的保真度。增強(qiáng)采樣在自然采樣和統(tǒng)一采樣之間達(dá)到優(yōu)化，但 還不能完全消除PWM頻譜中的諧波信號(hào)和邊帶信號(hào)，放大器保真度會(huì)受到 影響。補(bǔ)償采樣實(shí)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(hào)失真。相比之下，補(bǔ)償采樣比增強(qiáng)采樣算法更簡(jiǎn)單， 更易于編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性也更強(qiáng)6、心得體會(huì)總而言之，這一次的課程設(shè)計(jì)是我做的第一個(gè)課程設(shè)計(jì)，也是第一次