音頻放大器的設(shè)計說明

.PAGE.XX師范大學(xué)XX學(xué)院電路與電子技術(shù)課程設(shè)計數(shù)字音頻放大器的設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)號所在學(xué)院通信工程學(xué)院專業(yè)名稱通信工程班級指導(dǎo)教師成績XX師范大學(xué)XX學(xué)院二○一四年十二月.PAGE.課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號2學(xué)生專業(yè)通信工程學(xué)生班級指導(dǎo)教師職稱發(fā)題日期年月日完成日期年月日設(shè)計題目數(shù)字音頻放大器的設(shè)計設(shè)計目的：了解音頻放大器工作原理掌握電路設(shè)計和主要參數(shù)測試方法掌握oscilloscope軟件的基本操作具體任務(wù)及要求：要求：采用D類音頻放大電路,前置電路通頻帶為20Hz～20KHz,振蕩器頻率大于200KHz,采用LC低通濾波器根據(jù)設(shè)計要求對電子元器件進(jìn)行選擇根據(jù)放大器工作原理并結(jié)合選擇的電子元件在QuartusⅡ軟件上進(jìn)行仿真并對其結(jié)果進(jìn)行模擬測試課程設(shè)計進(jìn)度安排：序號內(nèi)容安排時間1選題10月16日2收集資料10月17日-10月25日3完成初稿10月26日-11月30日4完成修改稿12月1日-12月19日5完成定稿12月20日-12月25日課程設(shè)計參考文獻(xiàn)：[1]康光華：電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分〔第五版,高等教育出版社,2006.1[2]康光華：電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分〔第五版,高等教育出版社,2006.1[3]馬建國：電子系統(tǒng)設(shè)計〔第一版,高等教育出版社,2004.1[4]焦春生：新型綠色能效D類音頻放大器設(shè)計應(yīng)用,現(xiàn)代電子技術(shù),2009.11[5]孫余凱、項綺明：模擬集成電路基礎(chǔ)與應(yīng)用,電子工業(yè)出版社,2006.4指導(dǎo)教師簽字院長審核簽字?jǐn)?shù)字音頻放大器的設(shè)計內(nèi)容摘要：數(shù)字音頻放大器是將輸入音頻模擬信號或PCM數(shù)字信息變換成PWM或PDM的脈沖信號用來控制大功率開關(guān)電路,經(jīng)過低通濾波器整形實現(xiàn)數(shù)字信號的放大輸出。數(shù)字音頻放大器也看上去成是一個一比特的功率數(shù)模變換器。放大器由由三角波振蕩器、前置放大電路、PWM比較器、驅(qū)動電路、功率放大電路和低通濾波器電路組成。輸入信號形成電路分PWM處理器和PDM處理兩種,將輸入信號的振幅變化變換成脈沖寬度的變化或脈沖密度的變化。低通濾波器的作用是將脈沖波形整形成漂亮的模擬波形,即濾除PWM或PDM信號的載波成分。常采用功率損耗小的LC型濾波器。本設(shè)計介紹了數(shù)字音頻放大器的組成及原理,然后用QuartusⅡ軟件進(jìn)行仿真和模擬,用以驗證實驗。關(guān)鍵詞：PWM調(diào)制低通濾波數(shù)字音頻ThedesignofdigitalaudioamplifierAbstract：DigitalaudioamplifierisananaloginputaudiosignalorthePCMdigitalinformationintoaPWMorPDMpulsesignalforcontrollingthepowerswitchingcircuit,low-passdigitalfiltershapingtoachieveanamplifiedoutputsignal.Alsoappearsasadigitalaudioamplifierisaonebitdigitaltoanalogconverterpower.Amplifierbythetriangularwaveoscillator,preamplifiercircuit,PWMcomparator,thedrivingcircuit,poweramplifierandalowpassfiltercircuit.InputsignalformingcircuitoftwoPWMprocessorandsub-processorPDM,theamplitudeoftheinputsignalisconvertedintoavariationorchangeinthepulsedensityofthepulsewidthchanges.Low-passfilterisshapedtothepulsewaveformbeautifulanalogwaveform,i.e.thecarriercomponentwasfilteredPWMorPDMsignal.OftenwithasmallpowerlossLCfilter.Thisdesignintroducestheconstitutionandtheprinciplesofdigitalaudioamplifier,andthenuseQuartusⅡsoftwaresimulationandmodelingtoverifytheexperiment.Keywords：PWMmodulationLow-passfilteringDigitalaudio目錄前言11數(shù)字音頻放大器的特點21.1過載能力與功率儲備21.2功放的失真度比較22數(shù)字音頻放大器的原理32.1數(shù)字音頻放大器工作原理圖32.2數(shù)字音頻放大器的組成4三角波振蕩器4前置放大電路5PWM比較器6驅(qū)動電路8功率放大電路8低通濾波器電路9電源模塊103系統(tǒng)仿真及問題分析104結(jié)束語11附錄13附錄1：芯片參考資料13附錄2：芯片管腳圖14附錄3：電路原理圖15參考文獻(xiàn)16..數(shù)字音頻放大器的設(shè)計前言音頻放大器發(fā)展至今也有近一個世紀(jì)的歷史了,時至今日音頻放大器仍在不斷的發(fā)展更新。隨著音頻市場的發(fā)展,近幾年數(shù)字市〔互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)字通信場也發(fā)生巨大的改變,各種數(shù)字音源相繼出現(xiàn)〔如MP3、Mini-Disk、DVD等。現(xiàn)目前的便攜式電子設(shè)備發(fā)展迅猛,從通信功能的移動手機到娛樂功能的MP3都有數(shù)字音頻,也需要用到數(shù)字音頻放大器。隨著半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)和發(fā)展,放大器的設(shè)計得到了更多的自由。就放大器的類別而言,已不限于A類、B類和AB類,而出現(xiàn)了更多類別的放大器。D類放大器孕育而生,這類放大器特點是斷續(xù)地轉(zhuǎn)換器件的開通,其頻率超過音頻,可控制信號的占空比以使它的平均值能代表音頻信號的瞬時電平,這種情況被稱為脈寬調(diào)制<PWM>。而純數(shù)字音頻放大器是基于PCM數(shù)字的數(shù)字處理技術(shù),這些數(shù)據(jù)來自CD、DVD、Mini-Disk、HDTV、數(shù)字衛(wèi)星廣播、數(shù)字音頻磁帶播放機、MP3播放機、家庭網(wǎng)絡(luò)、本地網(wǎng)以及從互聯(lián)網(wǎng)上下載的音頻信息等數(shù)字源。不經(jīng)數(shù)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換,線性編碼音頻PCM〔采樣率是32～192KHz信號可被直接重射進(jìn)強電流PWM脈沖內(nèi),然后送到揚聲器,其間只有一個普通無源濾波器。對于小型產(chǎn)品,數(shù)字放大器除了提供極高質(zhì)量的音頻信號外,還具有功效高、體積小、重量輕、散熱少等優(yōu)點。高功效意味著可延長電池壽命,并使產(chǎn)品的體積最小、重量最輕,由于不需要散熱片,這種小型化可以實現(xiàn)。另外由于所需的功率只比提供給負(fù)載的稍微多一點,故電源也可更小。總的來說,機殼會更小,結(jié)構(gòu)上也不用考慮太多散熱問題,設(shè)計更加靈活了。最佳內(nèi)部結(jié)構(gòu)可符合EMI要求且不再需要特殊屏蔽。音頻信號曲線現(xiàn)在已從模擬完全轉(zhuǎn)向數(shù)字了。因此,數(shù)字放大器也會與PC或其它數(shù)字設(shè)備一樣在相對較短的時間內(nèi)有巨大的改變。消費者可以預(yù)計這種放大器會成為含有對解碼、3D、均衡及音量、音調(diào)控制等進(jìn)行數(shù)字音頻處理能力的單一、完整器件。1數(shù)字音頻放大器的特點1.1過載能力與功率儲備數(shù)字音頻電路的過載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬電路。模擬放大電路分為A類、B類或AB類功率放大電路,正常工作時功放管工作在線性區(qū)；當(dāng)過載后,功放管工作在飽和區(qū),出現(xiàn)諧波失真,失真程度呈指數(shù)級增加,音質(zhì)迅速變壞。而數(shù)字放大在功率放大時一直處于飽和區(qū)和截止區(qū),只要功放管不損壞,失真度不會迅速增加,如下圖1-1所示。圖1-1數(shù)字音頻放大器原理框圖由于數(shù)字音頻電路采用開關(guān)放大電路,效率極高,可達(dá)75%~90%〔模擬功放效率僅為30%~50%,在工作時基本不發(fā)熱。因此它沒有模擬電路的靜態(tài)電流消耗,所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲備,加之前后無模擬放大、無負(fù)反饋的牽制,故具有更好的"動力"特性,瞬態(tài)響應(yīng)好,"爆棚感"極強。1.2功放的失真度比較晶體管在小電流時的非線性特性會引起模擬功放在輸出波形正負(fù)交叉處的失真〔小信號時的晶體管會工作在截止區(qū),此時無電流通過,導(dǎo)致輸出嚴(yán)重失真稱為交越失真,交越失真是模擬功放天生的缺陷；而數(shù)字功放只工作在開關(guān)狀態(tài),不會產(chǎn)生交越失真。模擬功放存在推挽對管特性不一致而造成輸出波形上下不對稱的失配失真,因此在設(shè)計推挽放大電路時,對功放管的要求非常嚴(yán)格,即使如此也未必能夠做到完全對稱。而數(shù)字功放對開關(guān)管的配對無特殊要求,無須嚴(yán)格匹配；模擬功放為保證其電聲指標(biāo),幾乎無一例外都采用負(fù)反饋電路,在負(fù)反饋電路中,為抑制寄生振蕩,采用相位補償電路,從而會產(chǎn)生瞬態(tài)互調(diào)失真。數(shù)字功放在功率轉(zhuǎn)換上無須反饋電路,從而避免了瞬態(tài)互調(diào)失真。1.3高效率性由于數(shù)字放大電路采用開關(guān)放大電路,效率極高,可達(dá)75%～95%〔模擬功放一般僅為30%～50%,甚至更低,在工作時發(fā)熱量非常小。功率器件均工作在開關(guān)狀態(tài),因此它基本上沒有模擬功放的靜態(tài)電流損耗,所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲備,而且瞬態(tài)響應(yīng)好。2數(shù)字音頻放大器的原理本文中的數(shù)字音頻放大器是將音頻模擬信號與三角波信號比較變換成PWM脈沖方波信號用來控制大功率開關(guān)電路,經(jīng)過低通濾波器的濾波整形實現(xiàn)信號的放大輸出。數(shù)字音頻放大器采用脈沖寬度調(diào)制PWM系統(tǒng)和開關(guān)電源供電音頻信號。全部信息被調(diào)制在PWM信號的寬度變化中,功率管工作在飽和、截止兩種狀態(tài),失真小、效率高。其工作原理是將模擬音頻信號經(jīng)PWM設(shè)備調(diào)制成數(shù)字信號；然后高效功率放大、低頻濾波；解調(diào)信號后,驅(qū)動揚聲器。2.1數(shù)字音頻放大器工作原理圖前置放大電路PWM比較器三角波振蕩器前置放大電路PWM比較器三角波振蕩器音頻輸入信號功率放大電路低通濾波電路驅(qū)動功率放大電路低通濾波電路驅(qū)動電路輸出圖2-1數(shù)字音頻放大器原理框圖圖2-2工作波形示意圖圖2-1為數(shù)字音頻放大器原理框圖,包括兩個部分。第一部分是脈寬調(diào)制部分,輸入的音頻信號經(jīng)電壓放大后,與固定頻率的三角波相比較,比較器輸出寬度被調(diào)制的高、低電平,并放大成合適的電壓值。第二部分是功率放大部分,被放大后的PWM信號通過驅(qū)動電路控制功率放大電路,經(jīng)低通濾波器濾波后,進(jìn)行輸出。圖2-2為工作波形示意圖,其中<a>為輸入信號；<b>為鋸齒波與輸入信號進(jìn)行比較的波形；<c>為調(diào)制器輸出的脈沖<調(diào)寬脈沖>；<d>為功率放大器放大后的調(diào)寬脈沖；<e>為低通濾波后的放大信號。2.2數(shù)字音頻放大器的組成數(shù)字音頻放大器由三角波振蕩器、前置放大電路、PWM比較器、驅(qū)動電路、功率放大電路和低通濾波器電路組成。接下來我將一一介紹數(shù)字音頻放大器各部分的組成。2.2.1三角波振蕩器三角波發(fā)生電路如圖2-3所示,三角波是對輸入音頻信號進(jìn)行抽樣的載波,對此有兩方面的要求：其一,調(diào)制后的信號可以被完整地恢復(fù)。根據(jù)Nyquist采樣定理,三角波的頻率至少是音頻信號最高頻率的兩倍,人類聽到的聲頻范圍是20Hz~20kHz,說明三角波的頻率應(yīng)在40kHz以上。為確保音頻信號的采樣本設(shè)計采用三角波的頻率為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。在高頻的情況下,產(chǎn)生頻率、幅度穩(wěn)定的三角波,對一般的波形發(fā)生器來說很難實現(xiàn)。在此,我們采用XX儀器生產(chǎn)的SN74HC14N芯片,該芯片為施密特觸發(fā)器,其輸入電壓為2～6V。它能將輸入的正弦波變換成方波,然后經(jīng)NE5532A芯片積分,以產(chǎn)生頻率200KHZ,幅值2V的三角波。在仿真過程中,經(jīng)測,輸出波形頻率可達(dá)500kHZ,如圖2-4所示。三角波的幅值為：〔2-1三角波的頻率為：〔2-2圖2-3三角波振蕩電路圖2-4三角波波形模擬圖2.2.2前置放大電路前置放大器〔又稱電壓放大器、控制放大器的作用是對它的輸入各種音頻節(jié)目源信號進(jìn)行選擇和放大,并調(diào)整輸入信號的頻響、幅度等,以美化音質(zhì)。功率放大器則是將前置放大器送來的信號進(jìn)行無失真的單純功率放大,以推動揚聲器放音。前置放大器和功率放大器可以獨立裝成兩臺機器,也可以組裝在一臺機器內(nèi)。組裝在一起的稱為綜合功率放大器或綜合放大器港臺或市場上則稱為合并式功放,而把分開做成兩臺機器的有時又稱為前級和后級功放。前置放大器電路采用XX儀器生產(chǎn)的NE55532A芯片,其工作頻率可達(dá)10MHZ,工作電壓為3V～20V,其放大倍數(shù)大、功耗低,且自帶保護電路,因此外圍電路少。前置放大器電路如圖2-5所示。音頻輸入及輸出均加上濾波電容,以減少電路的失真度。要求輸入電阻大于10K,因此選用22K的電阻。即輸入電阻滿足要求。前置放大輸出波形如下圖2-6。圖2-5前置放大器電路我們選擇同相放大器的目的是容易實現(xiàn)輸入電阻R1≥10kΩ,滿足輸入電阻越大越好的要求。取V+=Vcc/2=2.5V,輸入電阻R1大于10kΩ,故取R1=R2=51kΩ,反饋電阻采用電位器R4,取R4=20kΩ,反相端電阻R3取2.4kΩ,則前置放大器的最大增益Av為Av=1+R4/R3=1+20/2.4≈9.3〔2-3圖2-6前置放大輸出波形2.2.3PWM比較器PWM調(diào)制器：把原始音頻信號加上一定直流偏置后送到運放的正輸入端,另通過自激震蕩產(chǎn)生一個三角波加到運放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波時,比較器輸出為高電平,反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零,直流偏置三角波峰值的1/2,則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時間一樣,輸出就是一個占空比為1:1的方波,當(dāng)有音頻信號輸入時,正半周期間,比較器輸出高電平的時間比低電平長,方波的占空比大于1:1；負(fù)半周期間,由于還有直流偏置,所以比較器正輸入端的電平還是大于零,但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少,方波占空比小于1:1。這樣,比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形,稱為PWM<脈寬調(diào)制>或PDM〔脈沖持續(xù)時間調(diào)制。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。圖2-7PWM比較器電路圖2-8PWM輸出模擬波形音頻信號經(jīng)前置放大器放大后,與三角波相比較,輸出PWM方波。要求三角波信號的頻率在200KHZ,幅值4V左右,與之相比較的音頻信號頻率20HZ～20KHZ可調(diào)。因此,PWM比較電路的工作頻率應(yīng)能達(dá)到200KHZ。因為輸出端是集電極開路結(jié)構(gòu),所以必須加上拉電阻。因供電為5V單電源,為給V+=V-提供2.5V的靜態(tài)電位,取R12=R15,R13=R14,4個電阻均取10kΩ。由于三角波Vp-p=2.5V,所以要求音頻信號的Vp-p不能大于2V,否則會使功放產(chǎn)生失真。電路如圖2-7所示。本次設(shè)計選用的是XX儀器的LM393芯片,該芯片為雙電壓比較器集成電路,具有工作電壓范圍寬,單電源、雙電源均可工作,消耗電流小,輸入失調(diào)電壓小,共模輸入電壓范圍寬,輸出與TTL,MOS,CMOS兼容,比較性能非常好,輸出波形完美等特點。輸入的三角波Vp-p為1-5V,所以要求放大之后的音頻信號的Vp-p不能超過5V,否者會使功放產(chǎn)生失真。該電路供電為5V雙電源,輸出為幅值5V的方波信號,如圖2-8所示。2.2.4驅(qū)動電路驅(qū)動電路主要完成兩個功能：〔1將PWM信號整形變換成互補對稱的輸出驅(qū)動信號；〔2通過門電路的串并完成延時與后級電路的驅(qū)動。驅(qū)動電路電路圖如下圖2-9所示：圖2-9驅(qū)動電路2.2.5功率放大電路圖2-10功率放大電路功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅(qū)動負(fù)載,帶載能力要強。四個場效應(yīng)管驅(qū)動一大電流進(jìn)入低阻抗感性負(fù)載,場效應(yīng)管輪流成對導(dǎo)通,當(dāng)一對導(dǎo)通時另一對就截止；為了避免兩對場效應(yīng)管同時處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài),電路應(yīng)該保證一對場效應(yīng)管導(dǎo)通和另一對場效應(yīng)管截止不會重疊,這就要求從前面的驅(qū)動電路出來的信號上升下降時間很短。受調(diào)制的方波總是使功率開關(guān)管盡可能快的改變狀態(tài),縮短了場效應(yīng)管工作在線性工作區(qū)的時間,使效率大大提高。由于MOS在導(dǎo)通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內(nèi),MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多,而且開關(guān)頻率越快,損失也越大。導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大?？s短開關(guān)時間,可以減小每次導(dǎo)通時的損失；降低開關(guān)頻率,可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。功率放大電路如圖2-10所示。2.2.6低通濾波器電路最后一級需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。方法很簡單,只需要用一個低通濾波器。但由于此時電流很大,RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會耗能,不能采用,必須使用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1：1的脈沖到來時,C的充電時間大于放電時間,輸出電平上升；窄脈沖到來時,放電時間長,輸出電平下降,正好與原音頻信號的幅度變化相一致,所以原音頻信號被恢復(fù)出來。濾波器的作用是濾除載波,使輸入的音頻信號完全通過。所以設(shè)計濾波器要使20到20kHz的通頻帶盡可能平坦,150k的載波要衰減盡可能大。在這里使用的是四階巴特洛斯濾波器,它具有高頻衰減快的優(yōu)點,通過軟件模擬后,最后確定C1＝1uF,C2＝0.68uF,L1＝22uH,L2＝47uH。電路圖如圖2-11所示。圖2-11低通濾波器電路電源模塊圖2-12電源模塊電路我們這次設(shè)計的數(shù)字功放所有模塊都采用5V電源供電,所以電源一塊設(shè)計起來比較簡單,我們就采用集成穩(wěn)壓塊L7805CV。L7800系列輸出電流為1.5A,這足夠滿足我們的要求,無需再去擴流,電路圖如圖2-12所示。3系統(tǒng)仿真及問題分析下面就仿真過程中遇到的一些問題及解決方案總結(jié)一下。在仿真之前對于仿真用的電路芯片有兩種方案并對其進(jìn)行了分析：方案一：采用NE555芯片,利用其經(jīng)典電路產(chǎn)生三角波。音頻前置放大電路采用NE5532A芯片,PWM比較器采用393PH-橋電路、低通濾波電路采用分立元件構(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,但不好NE553產(chǎn)生300kHz的三角波,并且分立元件構(gòu)成的電路難以調(diào)試。故不采用該方案。方案二：采用SN74HC14N產(chǎn)生方波,再經(jīng)NE5532A芯片對方波積分產(chǎn)生三角波；音頻前置放大電路采用NE5532A對音頻進(jìn)行放大處理,處理后的音頻信號與三角波進(jìn)行PWM調(diào)制。PWM調(diào)制采用XX儀器生產(chǎn)的LM393芯片,該芯片為雙電壓比較器,采用單電源供電,且適用范圍廣；PWM波放大電路采用XX儀器的NE5532A芯片；H-橋電路采用雙場效應(yīng)管對管；濾波電路采用LC低通濾波器。整個電路采用220V交流電經(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。故能滿足D類功放設(shè)計中的高效率、低失真度的要求,本設(shè)計采用此方案。在開始選定原理圖后,由于原理圖中的運放型號在仿真軟件中沒有,最后還是找不到的采取更換電路和器件的方法,使仿真順利進(jìn)行。例如在仿真三角波時,使用施密特觸發(fā)器產(chǎn)生方波,然后用積分電路將方波轉(zhuǎn)換成三角波。給比較器電路加入了標(biāo)準(zhǔn)的正弦波和三角波后,輸出的是很標(biāo)準(zhǔn)的PWM,但在實測中,PWM中的方波就像原理中的記錄波形一樣,存在好多毛刺,好像被什么干擾似的,最后查閱了很多資料后,才知道了是高頻信號的干擾,這個干擾很奇怪,甚至干擾到了輸入信號,輸入的信號都不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。這一問題采用兩種方案解決。第一,從電源一塊去解決,發(fā)現(xiàn)干擾信號是通過電源線進(jìn)行的。所以,應(yīng)該將數(shù)字地與模擬地分開,減小相互之間的干擾,采用電源一點供電,然后在支路供電中全部串聯(lián)一個比較大的電感；第二,通過電容的作用減小干擾。首先,給電源與地之間跨接一個比較大的電容,起到一個濾除紋波效果,其次是給每個集成芯片的正電源與地之間接入一個0.01uF~0.1uF的瓷片電容,起到一個減小干擾的作用。這部分的解決方案主要在繪制PCB板的時候加上去,并且