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在本文中的D类音频功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号(PEM)的控制,使其工作在开关状态,理论上其效率可以达到100%,但其不足之出在于会产生高频干扰及噪声,但是若精心设计低通滤波器及合理的选择元器件参数,其音质噪声完全能够满足人们的需求。。
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目 录
摘 要…………………………………………………………………………………… (2)
第一章 引 言………………………………………………………………………… (4)
第二章 音响的基础知识……………………………………………………………… (5)
1、声音的基本特性………………………………………………………………………(5)
2、音响的结构及参数……………………………………………………………………(5)
3、放大器的技术指标……………………………………………………………………(5)
第三章 放大器的简介……………………………………………………………………
( 8 )
1、 放大器的种类………………………………………………………………………
( 6 )
(1)A 类放大器………………………………………………………………………… (6)
(2)B 类放大器………………………………………………………………………… (6)
(3)C 类功率放大器…………………………………………………………………… (7)
(4)D 类功率放大器…………………………………………………………………… (7)
2、 D 类功率放大器的原理………………………………………………………………
(8)
第四章 D 类放大器的设计………………………………………………………… (10)
1、一般 D 类功率放大器的组成情况和分类……………………………………………
(10)
2、 各单元电路的作用介绍……………………………………………………………
(10)
(1)前置放大器…………………………………………………………………………(10)
(2)脉冲宽度调制(PWM)电路……………………………………………………………
(11)
(3)三角波发生器………………………………………………………………………(11)
(4)驱动控制电路………………………………………………………………………(12)
(5)H 桥式功率放大电路(功率输出电路)……………………………………………
(12)
(6)输出低通滤波器……………………………………………………………………(13)
(7)负反馈电路………………………………………………………………………… (14)
(8)电平指示电路……………………………………………………………………… (15)
(9)音频功率放大器的供电电源………………………………………………………(15)
3、部分电路的结构………………………………………………………………………
(17)
(1)死区校正和全桥驱动………………………………………………………………(17)
(2)自举…………………………………………………………………………………(17)
(3)全桥结构……………………………………………………………………………(18)
第五章 D 类功率放大器的单元电路设计……………………………………………
( 20 )
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1 前置放大电路 ………………………………………………………………………
( 20 )
2 三角波产生电路………………………………………………………………………
( 20 )
3 脉冲调制电路…………………………………………………………………………
( 21 )
4 驱动控制电路…………………………………………………………………………(22)
5 功率输出电路…………………………………………………………………………(22)
6 滤波器电路……………………………………………………………………………(23)
7 电平指示电路(音量显示电路)………………………………………………………
(23)
8 供电电源电路…………………………………………………………………………(24)
第六章 D 类音频功率放大器的整体电路结构及结论………………………………(25)
结 论……………………………………………………………………………………(26)
参考文献…………………………………………………………………………………(28)
附 录……………………………………………………………………………………(29)
摘 要
近几十年来在音频领域中,A 类,B 类,AB 类音频功率放大器(额定输出功
率)一直占据“统治”地位,其发展经历了这样几个过程:所用器件从电子管,晶体管
到 集 成 电 路 过 程 ; 电 路 组 成 从 单 管 到 推 挽 过 程 ; 电 路 形 式 从 变 压 器 到
OTL,OCL,BTL 形式过程。其最基本类型是模拟音频功率放大器,它的最大缺点是
效率太低。A 类音频功率放大器的最高工作效率为 50%,B 类音频功率放大器的最高
工作效率为 78.5%,AB 类音频功率放大器的工作效率则介于两者之间。但是无论 A
类,B 类还是 AB 类音频功率放大器,当它们的输出功率小于额定输出功率时,效率
就会明显降低,播放动态的语言,音乐时平均工作效率只有 30%左右。音频功率放大
器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能,也就是说,这些类型的音频
功率放大器要有足够大的散热器。因此 A 类,B 类,AB 类音频功率放大器效率低,
体积大,并不是人们理想中的音频功率放大器。
在本文中的 D 类音频功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号(PEM)的
控制,使其工作在开关状态,理论上其效率可以达到 100%,但其不足之出在于会产
生高频干扰及噪声,但是若精心设计低通滤波器及合理的选择元器件参数,其音质噪
声完全能够满足人们的需求。本文中具体论述了一种基于晶体管的 D 类音频功率放
大器的设计组成与实现方法。
关键词:D 类音频功率放大器;PWM 调制器;H 桥功率放大器电路。
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Summary
In the audio frequency field in near these decades, As, Bs,and the AB amplifier of
power of audio frequency (specified output power ) has been occupying the position of "
ruling " all the time,Several pieces of course such as its experience: The devices used are
from the electron tube , the course of the integrated circuit that the transistor reaches; The
circuit makes up from in charge of recommending the course onlying to; The form of the
circuit is from voltage transformer to OTL, OCL, BTL form course. Its most basic type is an
analogue audio frequency power amplifier, its greatest shortcoming is that the efficiency is
too low. The supreme working efficiency of the A amplifier of power of audio frequency is
50%, the supreme working efficiency of the B amplifier of power of audio frequency is 78.
5%, the working efficiency of the AB amplifier of power of audio frequency lies between
the two. But no matter As, Bs or the AB amplifier of power of audio frequency, when their
output power is smaller than amount output power, efficiency can reduce obviously,
broadcast dynamic language , only 30% about working efficiency have on average at the
music. Audio frequency power amplifier weak to is it there is quite a lot of electric energy
that is transformed into heat energy when working to mean, that is to say , the amplifiers of
power of audio frequency of these types should have enough big radiators. So As, Bs and
AB power amplifier weak audio frequency have, heavy volume have, audio frequency
power amplifier, people of ideal.
In D in the article audio frequency power device , power of amplifier modulate the
control of the signal (PEM ) by one high-frequency pulse width originally, make it work in
switch state, efficiency its in theory can up to 100%, but a insufficient one its is it is it can
produce high frequency interfere and noise to lie in to appear, but if design the low open
wave filter and rational choice components and parts parameter meticulously, its tone
quality noise can meet people's demands.
Keyword: D amplifier of power of audio frequency; PWM modulating device ;
Amplifier circuit of power of H bridge.
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第一章 引 言
全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频节能环保的要求,迫使人们尽快
研究开发高效,节能,数字化的音频功率放大器。它应该具有工作效率高,便于与其
他数字设备相连接的特点。模拟功率放大器通过采用优质的元件,复杂的补偿电路,
深负反馈,使失真变的很小,但大功率和高效率一直没有很好的解决。D 类音频功率
放大器是 PWM 型功率放大器,它工作于开关状态下,符合上述的要求。
传统的音频功率放大器工作时,直接对模拟信号进行放大,工作期间必须工作于
线性放大区,功率耗散较大,虽然采用推挽输出,减小了功率器件的承受功率,但在
较大功率情况下,仍然对功率器件构成极大威胁,功率输出受到限制。此外,模拟功
率放大器还存在以下的缺点:
电路复杂,成本高。常常需要设计复杂的补偿电路和过流,过压,过热等保护电
路,体积较大,电路复杂。
效率低,输出功率不可能做的很大。
D 类开关音频功率放大器的工作基于 PWM 模式:将音频信号与采样频率比较,
经过自然采样,得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的 PWM 波,然后经过驱
动电路,加到功率 MOS 的栅极,控制功率器件的开关,实现放大,将放大的 PWM
信号送入滤波器,则还原为音频信号。
D 类功率放大器工作于开关状态,理论效率可达 100%,实际的运用也可达 80%
以上。功率器件的耗散功率小,产生热量少,可以大大减小散热器的尺寸,连续输出
功率很容易达到数百瓦。功率 MOS 有自我保护电路,可以大大简化保护电路,而且
不会引入非线形失真。
对于高电感的扬声设备,在设计电路的时候,是可以省去低通滤波器(LPF),
这样可以大大的节省体积和花费。而且有更高的保真度,这一点,在国外的 5V D 类
音频功率放大器中已经得到了运用,如:TEXAS 公司的 TPA2002D2。
近几年,国际上加紧了对 D 类音频功率放大器的研究与开发,并取得了一定的
进展,几家著名的研究机构及公司已经试验性地向市场提供了 D 类音频功率放大器
评估模块及技术。这一技术一经问世立即显示出其高效,节能,数字化的显著特点,
引起了科研,教学,电子工业,商业界的特别关注。不久的将来,D 类音频功率放大
器必然取代传统的模拟音频功率放大器。
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第二章 音响的基础知识
1 声音的基本特性
音量:它与声波的物理量“振幅”有关,声波的振幅大,人耳就感觉声音响,音量
大,反之,则声音轻,音量小,音量的大小是人耳听音的主观感觉。
音调:是人耳对声音调子高低的主观感觉,声调的高低与声音的物理量 “频率”对
应。
人耳的听觉范围:20Hz—20KHz 称之为可听声,低于 20Hz 称为次声,高于
20KHz 称为超声,人耳对 3KHz—4KHz 的声音最为敏感。
音色:又叫做音品或音质,它是由声音的波形决定的,电子管功率放大器的偶次
谐波多,奇次谐波少,声音柔美,甜润,晶体管功放奇次谐波多,声音冷艳,清丽。
2 音响的结构及参数
前置放大器和功率放大器,前置放大器承担控制任务为主,对各种节目源信号进
行选择和处理,对微弱信号将其放大到 0.5—1V,进行各种音质控制,以美化音色。
功率放大器,承担放大义务,是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大,以推动
扬声器发声。有电压放大和电流放大之分,要求是宏亮而不失真。
3 放大器的技术指标
(1) 额定功率
音响放大器输出失真度小于某一数值(<1%)的最大功率成为额定功率,表达
式: , 为负载两端的最大不失真电压, 为额定负载阻抗。
(2) 测量条件
信号发生器输出频率为 1KHz,电压 U
i
=20mV 的正弦信号。功率放大器的输出端
接额定负载电阻 R
L
(代替扬声器),输入端接 U
i
,逐渐增大输入电压 U
i
,直到 U
o
的
波形刚好不出现失真,此时对应的输出电压为最大输出电压。测量后应迅速减小 U
i
,
以免损坏功率放大器。
(3) 频率响应
放大器的电压增益相对于中音频 f
0
(1KHz)的电压增益下降 3dB 时所对应的低
音音频 f
L
和高音音频 f
H
称为放大器的频率响应。
测量条件如下:调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的 50%,输入端接
音调控制器,使信号发生器的输出频率从 20Hz—20KHz(保持 =20mV 不变)测
量负载电阻上对应的输出电压 。
(4) 输入灵敏度
使音响放大器输入额定功率时所需要的输入电压(有效值)成为灵敏度。
(5) 噪声电压
使输入为零时,输出负载 上的电压称为噪声电压。
测量:使输入端对地短路,音量电位器为最大值,用示波器观察输出负载 的
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