數(shù)字音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與制作摘要：本數(shù)字音頻功率放大器的設(shè)計(jì)以芯片TDA8920B為核心。本文簡(jiǎn)要介紹了該芯片TDA8920B的功能，并描述了以其基本組成的數(shù)字音頻功率放大器。文章還包含對(duì)功率放大器的相關(guān)參數(shù)的一些簡(jiǎn)單測(cè)試方法，以及對(duì)該制作的評(píng)估。關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻；功率放大器；芯片TDA8920B；制作經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，數(shù)字音頻功率放大器的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。且由于數(shù)字功放所具有的諸如小體積大功率1的優(yōu)點(diǎn)，也使它的應(yīng)用已經(jīng)滲透到了許多需要用到音頻放大的領(lǐng)域，如舞臺(tái)擴(kuò)音、家庭影院等等。出于對(duì)所學(xué)應(yīng)用物理專業(yè)知識(shí)進(jìn)行鞏固與提升的目的，筆者選擇了數(shù)字音頻功率放大器的設(shè)計(jì)制作

2、這個(gè)課題。下面將會(huì)介紹以芯片TDA8920為核心的數(shù)字功放電路的設(shè)計(jì)過(guò)程.。1 音頻功率放大器的分類在數(shù)字功率放大器得到發(fā)展之前，我們熟悉的功放都是模擬功放。模擬功放是對(duì)時(shí)間軸上的連續(xù)變化的信號(hào)（如電壓、電流）進(jìn)行放大。后來(lái)出現(xiàn)的數(shù)字音頻功率放大器通俗的講則是對(duì)時(shí)間軸上的離散信號(hào)0、1進(jìn)行變換2。1.1 模擬功放模擬功放的基礎(chǔ)是是放大線性信號(hào)。按放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)來(lái)分類 ，有A類、 B 類、 AB類3。其中， A類放大器中，電流連續(xù)地流過(guò)所有輸出器件，即輸出級(jí)元件總處于導(dǎo)通區(qū)。它的電源轉(zhuǎn)換效率非常低，功耗也很大。B類放大器是一種器件導(dǎo)通時(shí)間為50%的放大器。 效率比A類高但隨之而來(lái)的失真更大。

3、AB類放大器則融合了A類放大器和B類放大器的特點(diǎn)。它在B類放大電路的基礎(chǔ)上升級(jí)， 但采用了一種推挽式電路， 因此每個(gè)晶體管都不會(huì)被徹底截止。1.2 數(shù)字功放數(shù)字功放就是核心功率放大部分完全處于開(kāi)與關(guān)狀態(tài)的放大器。D類放大器的內(nèi)部晶體管只有兩種工作狀態(tài)，即開(kāi)與關(guān)工作，它屬于數(shù)字功放。D類功放工作原理是先把模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào) (脈沖寬度調(diào)制)或PDM（脈沖密度調(diào)制）信號(hào),，而后用這兩種脈沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通或斷。D類放大器從理論上來(lái)講效率可達(dá)百分之百。電源利用率可逼近90%。它的轉(zhuǎn)換速率高，瞬態(tài)響應(yīng)特性好，可靠性極高，體積小，發(fā)熱小。圖1 數(shù)字功放與模擬功放的比較 2 芯片TDA

4、8920介紹2.1 功能說(shuō)明2.1.1 概述及特點(diǎn)TDA88920B是一種高效率低功耗的D類音頻功率放大器4。它的典型輸出為2×100W。此放大器有非常寬的電壓供應(yīng)，從±12.5V到±30V。同時(shí)它的靜態(tài)電流消耗非常低?？山M成立體聲單端（SE）放大器或單聲道橋接式（BTL）放大器。增益固定：立體聲單端（SE）30dB，單聲道橋接式（BTL）36dB。通過(guò)模擬輸入級(jí)輸入的音頻信號(hào)被數(shù)字脈寬調(diào)制5（PWM）器轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)。為了使輸出功率晶體管被驅(qū)動(dòng)，這一數(shù)字PWM信號(hào)施加以控制和信號(hào)交換電路和俱有高端和低端的驅(qū)動(dòng)電路。這樣就完成了一次從低功率數(shù)字PWM信號(hào)（在邏輯

5、電平上）到高功率PWM信號(hào)的轉(zhuǎn)變。一個(gè)二階低通濾波器將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏ㄟ^(guò)揚(yáng)聲器解析的模擬音頻信號(hào)。TDA8920B是內(nèi)含高效D-MOS管，驅(qū)動(dòng)器，振蕩器，信號(hào)交換電路一片式D類放大器。為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，芯片內(nèi)置了溫度傳感器和最大電流測(cè)量器。TDA8920B的雙聲道包含了兩個(gè)PWM系統(tǒng)，兩個(gè)負(fù)反饋回路和兩個(gè)差分輸入級(jí)。它還包含了兩個(gè)聲道共用的的振蕩器，所有參考源和模擬功能與數(shù)字定時(shí)管理器。TDA8920B包含兩個(gè)獨(dú)立的高輸出功率、高效低失真、低靜態(tài)電流的放大信道。放大信道可以被連接為以下配置：?jiǎn)温暤罉蚪迂?fù)載（BTL）式，立體聲單端（SE）式該音頻放大系統(tǒng)可以用MODE引腳切換三種工作模式。待

6、機(jī)模式：只消耗非常低的電源電流；靜音模式：此模式下放大器在工作，但是輸出端的音頻信號(hào)由于輸入級(jí)VI轉(zhuǎn)換器的禁用而被抑制；運(yùn)行模式：此模式下放大器完全運(yùn)行并且能夠輸出信號(hào)。2.1.2 脈寬調(diào)制頻率放大器的輸出信號(hào)是載波頻率大約317kHz的PWM信號(hào)。用二階低通濾波器可以可以將放大器輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為揚(yáng)聲器可以解析的模擬音頻信號(hào)。這一轉(zhuǎn)換頻率以連接在引腳OSC和引腳VSSA之間的外連電阻Rosc來(lái)確定定。載波頻率最好設(shè)置為300kHz至350kHz之間。在引腳OSC端接一個(gè)30k的外部電阻可以設(shè)置載波頻率為317kHz。 如果兩個(gè)或者更多的放大器應(yīng)用于一個(gè)音頻系統(tǒng)中，建議最好使用外部時(shí)鐘電路

7、以使所有芯片都以同一頻率運(yùn)行。2.1.3 保護(hù)機(jī)制TDA8920B包含了以下保護(hù)：過(guò)溫保護(hù)；過(guò)流保護(hù)；窗保護(hù)；電源電壓保護(hù)，欠壓保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)，不平衡保護(hù)。每種錯(cuò)誤條件所觸發(fā)的芯片保護(hù)回應(yīng)都不一樣。2.2 芯片內(nèi)部框圖見(jiàn)圖2。2.3 引腳信息見(jiàn)圖3。圖2 芯片TDA8920BTH內(nèi)部框圖圖3 芯片TDA8920BTH引腳描述圖4 芯片TDA8920BTH引腳配置2.4 靜態(tài)特性圖5 芯片TDA8920BTH的靜態(tài)特性2.5 立體聲雙SE配置的特性圖6 芯片TDA8920BTH在立體聲雙SE模式下的應(yīng)用2.6 輸出功率估計(jì)在SE模式下的可達(dá)到的輸出功率可以由以下表達(dá)式來(lái)估計(jì)： （1） 最大電流（

8、內(nèi)部限制為8A）為： （2） 變量含義：=負(fù)載阻抗=振蕩器頻率=最小脈沖寬度（典型值為150ns）=單邊電壓（所以，如果電壓為對(duì)稱的±30V，=30V=限幅條件下的輸出功率=THD=10%條件下的輸出功率=1.24×3 基于TDA8920B的功放電路設(shè)計(jì)電路圍繞該芯片搭建，采用了立體聲雙SE的模式。3.1 調(diào)制信號(hào)（三角波）發(fā)生器的設(shè)計(jì)芯片內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)置了振蕩電路，該振蕩電路產(chǎn)生的三角波信號(hào)將作為音頻的調(diào)制信號(hào)對(duì)音頻進(jìn)行調(diào)制。由于音頻放大電路的特殊性，要求該調(diào)制信號(hào)應(yīng)當(dāng)滿足以下兩點(diǎn)：（1）調(diào)制后的信號(hào)應(yīng)能被完整地恢復(fù)。 所以依據(jù)奈奎斯特定律，載波頻率至少應(yīng)當(dāng)滿足人的耳朵所能聽(tīng)

9、到的最高頻率20000Hz的2倍，即應(yīng)當(dāng)為40000Hz以上。（2）產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)必須穩(wěn)定，即頻率和幅度必須保持一致。由于芯片內(nèi)置了振蕩電路，且本設(shè)計(jì)不計(jì)劃采用外部時(shí)鐘電路，所以無(wú)法對(duì)在內(nèi)部產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)的穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化。引腳OSC和VSSA間的電阻ROSC決定振蕩頻率。其中調(diào)制信號(hào)的頻率采用芯片手冊(cè)推薦的317kHz，此時(shí)引腳OSC和VSSA間的電阻ROSC應(yīng)當(dāng)選擇30k。3.2 輸出端濾波電路的設(shè)計(jì)輸出端濾波器負(fù)責(zé)將PWM信號(hào)解析為喇叭能識(shí)別的模擬音頻信號(hào)。一個(gè)良好的輸出濾波可以保證PWM信號(hào)中的稱EMI(電磁干擾)信號(hào)被基本濾除，從而使THD（總諧波失真）隨之降低。因?yàn)樵摴β史糯笃魇菓?yīng)用

10、于音頻的，根據(jù)音頻信號(hào)的特點(diǎn)，為了獲得在通帶中最大的平坦響應(yīng)，不妨采用二階巴特沃斯濾波器。其中，為了使THD趨于最小，濾波器中電感和電容的取值還應(yīng)當(dāng)隨著負(fù)載喇叭的阻抗大小而有相應(yīng)變化。該電路的輸出濾波由R9、R22、C22、C24、C31、C32、L3、L4組成。電路原理圖及原件取值如圖7所示。圖7 TDA8920B組成立體聲SE放大電路原理圖3.3 元件的選用為了預(yù)防高頻脈沖被帶入音頻處理電路，電源的濾波電容最好選用高速低等效串聯(lián)電阻ESR的電極電容，如伊娜FOR AUDIO系列電容，尼吉康金字電容等。耦合電容應(yīng)當(dāng)選用被發(fā)燒友和功放廠家廣泛認(rèn)同的ROE電解電容。性能的好壞，與高頻去耦電容也有

11、很大關(guān)系，低感抗型電容不失為一種好的選擇。云母電容完全可以滿足振蕩電容的要求，精度比較高的金屬膜電阻可以滿足振蕩電阻的要求。4 印制電路的優(yōu)化辦法4.1 電源電路電源中的種種信號(hào)會(huì)與信號(hào)回路產(chǎn)生干擾，如電源的寄生反饋對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，對(duì)模擬、數(shù)字部分的干擾。 電源線路上會(huì)在電路的狀態(tài)的切換中產(chǎn)生尖峰，從而產(chǎn)生瞬間的噪聲。 可以使用去耦電容削弱噪聲的影響。此種噪聲往往由于負(fù)載變化而產(chǎn)生。 去耦電容與芯片的引腳的連接線應(yīng)該盡量短。 電源變壓器應(yīng)當(dāng)選用帶負(fù)載能力高、穩(wěn)定、少外漏電磁干擾的。 如果電源變壓器對(duì)電路實(shí)在"貢獻(xiàn)”了太多干擾，可以用金屬罩把它屏蔽起來(lái)。4.2 地線接地可以減少很多的

12、干擾，接地和屏蔽可以大大減少噪聲對(duì)電路的影響。設(shè)計(jì)地線同時(shí)也要注意幾點(diǎn)。 首先，要區(qū)分模擬信號(hào)接地與數(shù)字部分接地的區(qū)別。 模擬部分頻率低，在連接線和元件之間的電感相對(duì)較小，但是地線如果被連接成環(huán)路則會(huì)引入很大的環(huán)流干擾，模擬部分推薦采用單點(diǎn)接地的方法。 相反數(shù)字部分的頻率會(huì)很高，為了降低地線的阻抗，推薦采用短距多點(diǎn)接地的方法。 其次，由于數(shù)字部分與模擬部分的不同，在PCB的設(shè)計(jì)上要有目的的把它們分離開(kāi)來(lái)，數(shù)字地與模擬地要分別連接電源的地端。5 制作相關(guān)圖片5.1 電路版圖8 電路版正面圖9 電路版背面5.2 成品圖圖10 成品正面圖圖11 成品背面圖6 性能指標(biāo)功率放大器有非常多的指示指標(biāo)，例

13、如PO、頻率響應(yīng)特性、THD總諧波失真、S/N信噪比、效率，輸出阻抗ZO、阻尼系數(shù)等。配備必要的儀器儀表主要有：音頻信號(hào)發(fā)生器、音頻毫伏表、示波器、失真度測(cè)量?jī)x，假負(fù)載等。6.1 輸出功率功放的負(fù)載所承受的功放的輸出端給其的功率叫做輸出功率，它的基本單位是瓦特。在輸出端所接負(fù)載和功放的放大能力一定的情況下，功放的輸出功率與輸入信號(hào)的幅度有關(guān)系。在給定的THD總諧波失真的條件下，功放所能輸出的在其條件下的最大輸出功率。給功放輸入 1kHz的正弦波信號(hào)，測(cè)量假負(fù)載RL上的電壓UO，利用下式計(jì)算輸出功率： (3) 功率放大器的功率測(cè)量電路如圖12所示。圖12輸出功率的測(cè)試的實(shí)驗(yàn)接線圖6.3 頻率響應(yīng)

14、頻率響應(yīng)是一種指示音頻功率放大器對(duì)各個(gè)頻率的放大能力的指標(biāo)。通過(guò)這個(gè)指標(biāo)，我們可以直觀的看到工作頻率的范圍，以及在其范圍內(nèi)功放的輸出是否在幅值大小上有較大波動(dòng)。它的單位一般為dB。它又有幅度和相位兩種響應(yīng)。通常來(lái)講，音頻功率放大器的頻率響應(yīng)只是表明幅度頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)的測(cè)試接線方法如下圖。圖13 頻率響應(yīng)的測(cè)試的實(shí)驗(yàn)接圖6.3 信噪比信噪比，用英文表示就是S/N，是分貝表示的輸出幅度與噪聲幅度的值。它的值越大，說(shuō)明噪聲越小，聽(tīng)感越好。一般來(lái)說(shuō)，音頻功放的信噪比的要求在50分貝以上。至于一些性能優(yōu)異的功放，音頻功放的信噪比甚至要達(dá)到72分貝以上。6.4 失真度系數(shù)音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路之后輸出信

15、號(hào)的波形不可能完全和輸入信號(hào)一致，一定會(huì)發(fā)生一些失真?？梢杂檬д娑认禂?shù)來(lái)表示失真的大小。測(cè)量輸出信號(hào)的各種諧波合成有效電壓和基波有效電壓，兩者作比即可得失真度系數(shù)。通常而言，失真度有專門的失真儀進(jìn)行準(zhǔn)確精密和便捷的測(cè)量。測(cè)試電路如圖14。圖14 失真度的測(cè)試的實(shí)驗(yàn)接線圖一般的測(cè)試中將會(huì)測(cè)量人耳聽(tīng)力范圍20Hz至20kHz這個(gè)范圍內(nèi)的不同的頻率的失真度。一般認(rèn)為1kHz的失真度為基準(zhǔn)，如果其他頻率的失真度與之相比差別不大，則表示在整個(gè)音頻頻段中失真度比較均勻。反之說(shuō)明在整個(gè)音頻頻段中在某些頻率位置產(chǎn)生了比較大的失真。人耳甚至可以聽(tīng)到輸出音頻的異樣。結(jié)束語(yǔ)在一個(gè)多月的糾結(jié)彷徨后，該畢業(yè)設(shè)計(jì)終于從紙上的選題題目轉(zhuǎn)變成了實(shí)物。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)很多大大小小的問(wèn)題。鞏固之前所學(xué)的知識(shí)和學(xué)習(xí)新知識(shí)就成了解決這些問(wèn)題的方法之一。在本次簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)了模擬電路、信號(hào)與系統(tǒng)，電路分析等科目知識(shí)的結(jié)合。這種鞏固再學(xué)習(xí)的過(guò)程其實(shí)是對(duì)自己知識(shí)的一種升華，也讓我深深的感悟到了知識(shí)內(nèi)部原來(lái)有著很強(qiáng)的相關(guān)性。畢業(yè)設(shè)計(jì)絕對(duì)不僅僅是一種畢業(yè)前需要我們應(yīng)付的最后的測(cè)試，更是學(xué)校提供給我們最后的寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。參考文獻(xiàn)1