音频功率放大器设计毕业论文.doc
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1、摘 要本系统以高效率音频功率放大器为核心,输出开关管采用高速VMOSFET管,连接成互补对称H桥式结构,最大不失真输出功率大于2W,平均效率可达到70%左右,兼有输出1:1双变单电路,单片机实现功率测量显示电路。此外还有输出短路保护及指示、输出音量电平指示等辅助功能,比较理想地实现了设计指标的要求。音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,从最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是最基本的一种。为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,
2、在大功率的电子设备中也需要。因为,功率越大,效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高挡的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。D类放大器在这些设备中也扮演了极重要的角色。关键词 高效率,音频,功率放大 AbstractThis system with high efficiency audio power amplifier as the core, output switch tube with a high VMOSFET tube, connected into comple
3、mentary symmetry H bridge type structure, maximum output power greater than 1 not distortion W, average efficiency can reach 70%, with output 1:1 double change single circuit, single chip microcomputer power measurement show circuit. In addition to the output short circuit protection and instruction
4、s, output volume level instructions auxiliary functions, an ideal way to realize the requirement of design index.Audio amplifier has is a century of history, from the earliest tube amplifiers first application is audio amplifier. However, up to now, it will continue to update, development and progre
5、ss. Mainly because of the human auditory is all sorts of feeling of quite important, also is the most basic one. In order to meet the need of it, the audio amplifier will be constantly improved.High efficiency of the audio amplifier not just in portable equipment need, in high power electronic equip
6、ment also need. Because, the greater the power, efficiency and also more important. But along with the improvement of peoples living conditions, high fidelity audio equipment and higher to block of home theater gradually began to rise. In these devices, often need dozens of tile or even hundreds of
7、watts of audio power. At this time, low distortion, high efficiency of the audio amplifier will become one of the key components. D class in these devices amplifier also play an extremely important role.Key Words High efficiency, audio, power amplifier目录摘 要IAbstractII1引 言11.1 音频放大器发展过程11.2音频放大器的现状11
8、.3 音频放大器的设计意义21.3本次设计完成的任务22方案论证比较与选择32.1 音频功率放大电路的简介32.2 音频放大器分类32.2.1 A类(甲类)放大器32.2.2 B类(乙类)放大器42.2.3 AB类甲乙类)放大器52.2.4 D类(丁类)放大器52.3 方案论证与比较62.4 总体方案设计63 D类电路工作原理74 D类功放各部分电路分析84.1 三角波产生电路84.1.1 NE555介绍94.2 比较器104.3前置放大器电路114.4 驱动电路124.5 H桥互补对称输出电路124.5 低通滤波器13结 论14致 谢15参考文献16附 录17A1.1 电路图17A1.2 元
9、件清单181引 言音频放大器已经快有一个世纪的历史了,最近几年,电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展。音质好、电源效率高、发热少的D类放大器成为市场的需求。并且由于D类放大器的耗电低、发热少等诸多特点,越来越得到日益强调环保的市场的认同。1.1 音频放大器发展过程音频放大器即以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。音频放大器基本分为D类放大器、线性放大器、A类放大器、B类放大器以及AB类放大器五大类,其中D类放大器以其诸多的特点成为目前社会上音频放大器的主流类型,本次设计以D类放大器为设计对象。简单地说,历史上出现过三代D类放大器设计:第一代的范例是由托
10、卡塔设计的TacTMillennium,证实了D类放大器的概念,但是该技术还不能提供足够的性能,这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择,音量,平衡和音调控制等复杂的前端功能,而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器变得价格可以承受,其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器,从而获得了一定的应用。第三代是最近一段时间,现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善,他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成精确的音频,输入晶体管需要在动态范围
11、的两端都能同样出色地工作,以帮助精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出,并额外增加一套输入晶体管,这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。最后还不能忽视新的架构技术。1.2音频放大器的现状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。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
12、率放大器中已经得到了运用,如:TEXAS公司的TPA2002D2。另外,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。1.3 音频放大器的设计意义在传统晶体管放大器中,输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器,AB类放大器和B类放大器。与D类放大器设计相比较,即使是最有效的线性
13、输出级,它们的输出级功耗也很大。这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著优势,因为低功耗产生热量较少,节省印制电路板(PCB)面积和成本,并且能够延长便携式系统的电池寿命。另外,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。1.3本次设计完成的任务在本次设计中,采用以高效率音频功率放大器为核心,输出开关管采用高速VMOSFET管,连接成互补对称H桥式结构,最大不失真输出功率大于2W,平均效率可达到7
14、0%左右,兼有输出1:1双变单电路,单片机实现功率测量显示电路。此外还有输出短路保护及指示、输出音量电平指示等辅助功能,比较理想地实现了设计指标的要求。并且,虽然本人的水平不够,但是了解目前的音频放大器的知识,为以后的工作和学习提供帮助。2方案论证比较与选择2.1 音频功率放大电路的简介 音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是最基本的一种。为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。进入21世纪以后,各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种
15、重要的发展趋势。从作为通信工具的手机,到作为娱乐设备的MP3播放器,已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机,便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点,就是都有音频输出,也就是都需要有一个音频放大器;另一个特点就是它们都是电池供电的,都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下,D类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。因为,功率越大,效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这
16、些设备中,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。2.2 音频放大器分类 长期以来,高品质音频放大器的工作类别,只限于A类(甲类)和AB类(甲乙类)。其原因在于过去只有电子管这样的器件,B类(乙类)电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的A类(甲类)。 随着半导体器件的出现和发展,放大器的设计得到了更多的自由。就放大器的类别而言,已不限于A类(甲类)和AB类(甲乙类)。这里将各种类别的放大器简介如下。不过需要指出,就目前来说用于音频功率放大器的工作类别,A类(甲类)、AB类(甲乙
17、类)和B类(乙类)这三类放大器仍覆盖着半导体放大器的绝大多数。2.2.1 A类(甲类)放大器 A类(甲类)放大器,是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。这种放大器,由于避免了器件开关所产生的非线性,只要偏置和动态范围控制得当,仅从失真的角度来看,可认为它是一种良好的线性放大器。A类放大器在结构上,还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作,其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过,而不使任一器件截止。这一措施的最大优点是它不会突然地耗尽输出电流,如果负载阻抗低于标定值,放大器会短期出现截止现象,在失真上可能略有增加,但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流
18、源型(VCIS),它本质上是一个单独的射极跟随器,并带有一个有源发射极负载,以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时,需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。 图2.1 A类(甲类)放大器功率2.2.2 B类(乙类)放大器 B类(乙类)放大器,是指器件导通时间为50的一种工作类别。这类放大器可以说是最为流行的一种放大器,也许目前所生产的放大器有99是属于这一类。图2.2 B类(乙类)放大器功率2.2.3 AB类甲乙类)放大器 AB类(甲乙类)放大器,实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合,每个器件的导通时间在50100之间,依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按B类(乙
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