基于小功率放大器的音質(zhì)效果的改進設(shè)計畢業(yè)設(shè)計說明書

1、hhhhh 2015屆畢業(yè)設(shè)計說明書課題名稱：基于小功率放大器的音質(zhì)效果的改進設(shè)計 所在學(xué)院 鐵道牽引與動力學(xué)院 班 級 檢修121 姓 名 學(xué) 號 201213210119 指導(dǎo)老師 完成日期 2014-12-17 I / 48畢業(yè)設(shè)計評分標準與答辯記錄班級學(xué)號姓名總得分課題名稱考核項目及分值考核內(nèi)容分值評分標準得分設(shè)計過程20選題的應(yīng)用性、工藝性、綜合性、先進性、和經(jīng)濟性。查閱文獻資料、參考書、使用工具書的能力。55432分析和解決問題方面的能力，創(chuàng)造性，獨立工作能力。55432工作態(tài)度與遵守紀律情況。1010864設(shè)計結(jié)果40文字的簡潔性、通暢性，條理性與邏輯性。1010864論據(jù)正確充

2、分、分析計算準確、使用公式與引用數(shù)據(jù)的正確性。1010864完成設(shè)計任務(wù)，貫徹國家標準，圖樣、數(shù)據(jù)表格、說明書質(zhì)量。1010864設(shè)計方案比較選擇的正確合理性，設(shè)計理念、設(shè)計方法、設(shè)計思路方面的獨到性和創(chuàng)新性。1010864答辯情況40闡述課題的設(shè)計思路、主要依據(jù)、結(jié)論、體會和改進意見。1010864回答問題的準確性、敏銳性、全面性，語言表達能力，邏輯條理性。3030241812指導(dǎo)老師評價指導(dǎo)教師簽名答辯記錄與答辯評價答辯教師簽名2015屆畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 一、 課題名稱：基于小功率語音放大器的音質(zhì)效果的改進設(shè)計 二、 指導(dǎo)老師： 三、 設(shè)計內(nèi)容與要求：1、課題概述話音放大器的作用是不失真地放

3、大輸入的音頻信號。由于人發(fā)出的聲音頻率在340Hz3400Hz之間，聲波在傳播中會產(chǎn)生反射、折射和干涉等現(xiàn)象，到達話筒的信號比人從聲帶中發(fā)出來的聲音要小，同時話筒是一種換能器，它將聲能轉(zhuǎn)化為電能，話筒的輸出信號一般很小，而輸出阻抗很大，則要求對話音進行放大。由于聲音在空氣中傳播產(chǎn)生諧波失真，諧波失真是指聲音回放中增加了原信號沒有的高次諧波成分而導(dǎo)致的失真，則要在話音放大器中設(shè)計濾波器，提高輸出信號的高保真性能。此外，話筒的頻率特性、性噪比和靈敏度也直接影響著重現(xiàn)聲音的音質(zhì)。但是我們現(xiàn)在的語音放大器的輸出含有較多的噪音。那么如何減少噪音和不必要的干擾從而提升放大器的音質(zhì)效果是一個很有意義的課題。

4、通過這次畢業(yè)設(shè)計，學(xué)生不僅可以學(xué)會如何設(shè)計小功率語音放大器，更可以學(xué)會如何在此基礎(chǔ)上使放大器的性能有所提升。2、設(shè)計內(nèi)容與要求：1. 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計并制作有一定輸出功率的話音放大電路，并提出其改進方法。2 技術(shù)指標（1） 電路采用5V單電源供電；（2） 前置放大器由兩級放大器構(gòu)成，其中放大器1的增益為20dB，放大器2的增益為 20dB，第二級放大器增益可調(diào)；（3） 帶通濾波器：通帶為300Hz3.4kHz ；（4） 輸出額定功率P>0.2W，失真度<10%；負載額定阻抗為8。 四、設(shè)計參考書模擬電子技術(shù) 高等教育出版社電力電子技術(shù) 高等教育出版社 數(shù)字電子技術(shù) 高等教育出版社電路

5、理論 高等教育出版社電工基礎(chǔ) 高等教育出版社集成放大電路的設(shè)計 高等教育出版社 五、內(nèi)容1、封面2、目錄3、內(nèi)容摘要(200-400字左右，中英文)4、引言5、正文（設(shè)計方案比較與選擇，設(shè)計方案原理、分析、論證，設(shè)計結(jié)果的說明及特點）6、結(jié)束語7、附錄(參考文獻、圖紙、材料清單等) 六、 設(shè)計進程安排第1周： 資料準備與借閱，了解課題思路。 第2-3周 設(shè)計要求說明及課題內(nèi)容輔導(dǎo)。第47周：進行畢業(yè)設(shè)計，完成初稿。第7-10周： 第一次檢查，了解設(shè)計完成情況。第11周： 第二次檢查設(shè)計完成情況，并作好畢業(yè)答辯準備。 第12周： 畢業(yè)答辯與綜合成績評定。 七、畢業(yè)設(shè)計答辯及論文要求1、 畢業(yè)設(shè)計

6、答辯要求答辯前三天，每個學(xué)生應(yīng)按時將畢業(yè)設(shè)計說明書或畢業(yè)論文、專題報告等必要資料交指導(dǎo)教師審閱，由指導(dǎo)教師寫出審閱意見。學(xué)生答辯時，自述部分內(nèi)容包括課題的任務(wù)、目的和意義，所采用的原始資料或參考文獻、設(shè)計的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評價。答辯小組質(zhì)詢課題的關(guān)鍵問題，質(zhì)詢與課題密切相關(guān)的基本理論、知識、設(shè)計方法、實驗方法、測試方法，鑒別學(xué)生獨立工作能力、創(chuàng)新能力。2、 畢業(yè)設(shè)計論文要求文字要求說明書要求打印(除圖紙外)，不能手寫。文字通順，語言流暢，排版合理，無錯別字，不允許抄襲。圖紙要求按工程制圖標準制圖，圖面整潔，布局合理，線條粗細均勻，圓弧連接光滑，尺寸標注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字

7、書寫。曲線圖表要求：所有曲線、圖表、線路圖、程序框圖、示意圖等不準用徒手畫，必須按國家規(guī)定的標準或工程要求繪制。 摘 要隨著社會的發(fā)展、人們生活水平的提高，音響作為一件平常的家用電器已經(jīng)走進了千家萬戶。音響是什么？音響的定義究竟怎樣呢?促使你是一位音響發(fā)燒友,也許一下子也難以回答這個問題。其實，音響就是“用來擴聲和重放或指欣賞音樂用的高品質(zhì)電子電聲裝置”。其基本組成為：音源、功放和音箱。一套音響要被人接受，首先其保真度要高，即聲音經(jīng)過加工、傳輸和重放過程中能忠實地還原音樂原有的內(nèi)容。要做到高保真，以下幾點必須做到：1，音源輸出信號的失真要小；2，音響設(shè)備在技術(shù)、性能方面，有很高的指標；3，要高

8、保真聆聽，使放音環(huán)境符合聲學(xué)要求，注意音箱的擺位。傳統(tǒng)的高保真音響一般都是雙聲道設(shè)計，聽音者在規(guī)定的位置上，即使閉上眼睛也能感覺到舞臺上各個人物或樂器的位置?？梢姡@三部分都起著舉足輕重的作用?，F(xiàn)在我要詳細探討的就是這三大件之一功放。因此，本課程設(shè)計針對小功率放大器音效改進的問題，進行了認真的分析，找出影響音效的主要因數(shù)。本文主要介紹基于LM356功放電路的設(shè)計，它在音頻應(yīng)用場合能提供非常低的失真度和高質(zhì)量的音色，還具有了高增益、低功耗、外接元件少等特性。在當今社會中，經(jīng)過了幾代科學(xué)家的不斷努力和嘗試，它的技術(shù)已經(jīng)日益成熟，能讓我們近一步了解音頻功率放大器。關(guān)鍵詞：功放 音質(zhì) 失真ABSTRA

9、CTWith the development of society,the improvement of people's living standard,the sound as an ordinary household electrical appliances have already walked into thousands of households.What is the sound?The sound of the definition of what motivates you?Is an audio fancier,maybe all of a sudden it

10、 is difficult to answer this question.In fact,the sound is"used to sound reinforcement and playback or to enjoy high-quality electronic electro acoustic device for the music".Its basic composition is the sound source,power amplifier and speakers.A set of sound to be accepted,the first of i

11、ts high fidelity to,namely the sound through the processing,transmission and playback process can faithfully music original content.To achieve high fidelity,the following points must be done:1,the audio output signal distortion is small;2,audio equipment in the technology,performance,there is a high

12、 index;3,to high fidelity listen,make the playback environment to meet the acoustic requirements,pay attention to the positioning of the speakers.Hi Fi tradition are generally two channel design,listen on the specified position,even if the eyes closed can also feel the stage the various characters o

13、r the placement of instruments.Visible,the three part plays an important role.Now I want to explore in detail is the big three-one of the power amplifier.Therefore,this course is designed for small problems audio power amplifier,has carried on the earnest analysis,find out the main factor affecting

14、the sound.Based on LM356 amplifier circuit design were introduced in this paper,in audio applications it can provide a very low distortion and high sound quality,also has the high gain,low power consumption,less external components.In today's society,through the continuous efforts of several gen

15、erations of scientists and try,its technology is increasingly mature,can make us further understand the audio power amplifier.Key word：Power amplifier sound quality distortion目錄第一章緒 論11.1 功率放大器概述11.1.1功率放大器概念11.1.2工作原理11.1.3基本組成11.1.4三種工作狀態(tài)21.2 數(shù)字音頻功率放大器21.2.1數(shù)字音頻功率放大器的發(fā)展現(xiàn)狀概述21.2.2數(shù)字功放的發(fā)展歷史31.2.3數(shù)字功

16、放領(lǐng)域的新技術(shù)31.2.4數(shù)字功放是專業(yè)功放的主要發(fā)展方向31.3 模擬音頻功率放大器41.3.1模擬音頻功率放大器分類41.4 數(shù)字功放和模擬功放對比詳解5第二章工作原理72.1 系統(tǒng)概述、設(shè)計思路72.2 系統(tǒng)組成與工作原理72.2.1 LM386的工作原理72.2.2注意事項92.2.3 LM386功能框圖112.2.4設(shè)計電路圖122.2.5元器件明細表132.2.6調(diào)試所需的儀器設(shè)備132.2.7設(shè)計的難點和可能出現(xiàn)的問題132.2.8 出現(xiàn)的問題及解決方案142.2.9 預(yù)期達到的性能指標14第三章數(shù)字音頻功率放大器的改進設(shè)計153.1 調(diào)制方式的改進設(shè)計153.1.1傳統(tǒng)PWM調(diào)

17、制方案153.1.2改進后的雙路反寬調(diào)制方案163.2 脈寬調(diào)制器的改進設(shè)計183.2.1 NBDD采樣方式19第四章總結(jié)與展望21參考文獻23附表24第一章緒 論1.1 功率放大器概述功放的作用就是把來自音源或前級放大器的弱信號放大，推動音箱放聲。一套良好的音響系統(tǒng)功放的作用功不可沒。功放，是各類音響器材中最大的一個家族，其作用主要是將音源器材輸入的較微弱信號進行放大后，產(chǎn)生足夠大的電流去推動揚聲器進行聲音的重放。由于考慮功率、阻抗、失真、動態(tài)以及不同的使用范圍和控制調(diào)節(jié)功能，不同的功放在內(nèi)部的信號處理、線路設(shè)計和生產(chǎn)工藝上也各不相同1。1.1.1功率放大器概念功率放大器（英文名稱：powe

18、r amplifier），簡稱“功放”，是指在給定失真率條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動某一負載（例如揚聲器）的放大器。功率放大器在整個音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出2。1.1.2工作原理利用三極管的電流控制作用或場效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流（或電壓）是原先的倍的大信號，這現(xiàn)

19、象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流放大，就完成了功率放大3。1.1.3基本組成功率放大器通常由3部分組成：前置放大器、驅(qū)動放大器、末級功率放大器。1)前置放大器起匹配作用：其輸入阻抗高（不小于10k），可以將前面的信號大部分吸收過去，輸出阻抗低（幾十以下），可以將信號大部分傳送出去。同時，它本身又是一種電流放大器，將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化成電流信號，并給予適當?shù)姆糯蟆?)驅(qū)動放大器起橋梁作用：它將前置放大器送來的電流信號作進一步放大，將其放大成中等功率的信號驅(qū)動末級功率放大器正常工作。如果沒有驅(qū)動放大器，末級功率放大器不可能送出大功率的聲音信號。3)末級功率放大器起關(guān)鍵作用：它將驅(qū)動放大器送來

20、的電流信號形成大功率信號，帶動揚聲器發(fā)聲，它的技術(shù)指標決定了整個功率放大器的技術(shù)指標4。1.1.4三種工作狀態(tài)功率放大器按工作狀態(tài)的不同，可分為甲類、乙類和甲乙類三種。甲類放大器的特點是工作點選在輸出特性曲線線性區(qū)的中間位置，信號電流在整個周期內(nèi)都流通，失真小但效率低，輸出功率也小。乙類放大器工作點選在基極電流等于零的那條輸出特性曲線上，信號電流只在半周期內(nèi)流通，效率高，輸出功率大，但失真嚴重。第三類放大器的工作點既不象乙類放大選得那樣低，也不象甲類那樣高，電流截止的時間小于半周期，工作性能介于甲類和乙類之間5。1.2 數(shù)字音頻功率放大器數(shù)字功放的基本電路是早已存在的D類放大器（國內(nèi)稱丁類放大

21、器）。以前，由于價格和技術(shù)上的原因，這種放大電路只是在實驗室或高價位的測試儀器中應(yīng)用。這幾年的技術(shù)發(fā)展使數(shù)字功放的元件集成到一兩塊芯片中，價格也在不斷下降。理論證明，D類放大器的效率可達到100%。然而，迄今還沒有找到理想的開關(guān)元件，難免會產(chǎn)生一部分功率損耗，如果使用的器件不良，損耗就會更大些。但是不管怎樣，它的放大效率還是達到90%以上6。1.2.1數(shù)字音頻功率放大器的發(fā)展現(xiàn)狀概述隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路被廣泛應(yīng)用于各類電子電路中。隨著近十幾年來半導(dǎo)體技術(shù)的進步，功率放大電路也得到了飛速的發(fā)展和應(yīng)用。音頻功率放大電路是原理上最為基本、應(yīng)用上最為廣泛的功率放大電路。目前大部分音響系

22、統(tǒng)中的功放都是模擬類型，傳統(tǒng)的模擬功放按放大器的工作狀態(tài)可分為：A類、B類、AB類等形式。A類、AB類功放是音響系統(tǒng)中最為常用的功放。傳統(tǒng)類音頻放大器的一個共同缺點是效率很低，A類音頻放大器的理論效率是25%，實際效率大約為15-20%;B類音頻放大器的理論最大效率是78.5%;AB類音頻放大器的理論效率75%，實際效率在50-70%之間。無論A類，B類還是AB類音頻功率放大器，當它們的輸出功率小于額定輸出功率時，效率就會明顯降低，播放動態(tài)的語言、音樂時平均工作效率只有30%左右。音頻功率放大器的效率低就意味著工作時有相當多的電能轉(zhuǎn)化成熱能，也就是說，這些類型的音頻功率放大器要有足夠大的散熱器

23、。在半導(dǎo)體設(shè)計潮流走向輕薄短小之際，不僅半導(dǎo)體組件本身的封裝要小，整個模塊的尺寸也變成決定系統(tǒng)客戶接受與否的關(guān)鍵規(guī)格。全球音視頻領(lǐng)域的數(shù)字化浪潮以及人們對音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快研究開發(fā)高效、節(jié)能、易于與數(shù)字化設(shè)備接口的音頻功率放大器。D類數(shù)字音頻放大器就是在這樣的背景下興起的。D類數(shù)字音頻功率放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM(Pulse Code Modulation,脈沖編碼調(diào)制）數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號，然后用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。由于其開關(guān)管工作于開關(guān)狀態(tài)，因

24、此具有高效率、低功耗等優(yōu)點。目前，D類音頻功率放大器在移動電話、平面電視、LCD顯示器以及各種以電池供電的便攜式游戲設(shè)備等消費類電子產(chǎn)品中已獲得廣泛的應(yīng)用。在手機、PDA、MP3Player等應(yīng)用中，以D類取代AB類放大器的趨勢便已相當明顯。數(shù)字音頻功放的概念早在20世紀60年代已被提出，但由于當時技術(shù)條件的限制，進展一直較慢。1983年，M.B.Sandler等學(xué)者提出了D類放大的PCM數(shù)字音頻功放的基本結(jié)構(gòu)，主要技術(shù)要點是如何把PCM信號變成PWM。1999年意大利POWERSOFT公司推出了數(shù)字音頻功放的商業(yè)產(chǎn)品，從此，第4代音頻功率放大器數(shù)字音頻功率放大器進入了工程應(yīng)用領(lǐng)域，并獲得了世

25、界同行的廣泛認可，市場日益擴大，數(shù)字音頻功率放大器已經(jīng)成為近年來的研究熱點之一7。 1.2.2數(shù)字功放的發(fā)展歷史隨著元器件的發(fā)展換代,功放也經(jīng)歷了電子管,晶體管,集成電路,場效應(yīng)管四個階段。制造出了上述四種放大器為主的功率放大器。電路形式上則經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的發(fā)展過程。數(shù)字功放的概念早在二十世紀六十年代就被提出,由于當時技術(shù)條件的限制,進展較慢。1983年,M.B.Sandler等學(xué)者提出了D類放大器的PCM(脈碼調(diào)制)數(shù)字功放的基本結(jié)構(gòu),主要技術(shù)要點是如何把PCM的信號變成PWM(脈沖調(diào)寬信號)。美國Tripass公司設(shè)計了改進的D類數(shù)字功放。取名為T類功放。1999年意大利POWERSO

26、FT公司推出了數(shù)字功放的商業(yè)產(chǎn)品,從此,第四代音頻功率放大器,數(shù)字功放進入了工程應(yīng)用,并獲得了世界同行的認可,市場日益擴大8。即使是在數(shù)字處理時代,也在日新月異地產(chǎn)生,應(yīng)用新的技術(shù),如AV功放從誕生到現(xiàn)在,就經(jīng)歷了杜比環(huán)繞,杜比定向邏輯,AC-3,DTS的進程。1.2.3數(shù)字功放領(lǐng)域的新技術(shù)數(shù)字功放領(lǐng)域的新技術(shù)主要包括專業(yè)功放開關(guān)電源和H類電路功放兩種，兩種功放各有千秋，側(cè)重不同，可根據(jù)使用需要按需選擇。1）專業(yè)功放開關(guān)電源：作為一種全新的功放專用開關(guān)電源,它在現(xiàn)代高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)上,解除了其大環(huán)路反饋;消除了因穩(wěn)壓需要而調(diào)整開關(guān)脈寬造成開關(guān)轉(zhuǎn)換速率突降,形成對功放大動態(tài)瞬間輸出供電電力

27、不足的矛盾。這種新型電源具有功率密度大,體積小,重量輕,高效率,高可靠性和低噪聲,低污染的優(yōu)良品質(zhì),極大的節(jié)約了電能,降低了耗材與成本,明顯的減少了電磁干擾。有些功放再前級供電電路采用了這類電源。2） H類電路功放根據(jù)供電電源的不同,這類功放工作時可在兩個電壓上切換,低功率時選低電壓工作,高功率時選高電壓。大家常稱為二級功放(也有三級功放,如QSC4050是三級電源供電)。當?shù)图壗M電壓低于某一值時,即可切換到高壓組電壓供電,其中驅(qū)動切換電路的是用LM311比較器做的,這類功放的效率比AB類高9。1.2.4數(shù)字功放是專業(yè)功放的主要發(fā)展方向在專業(yè)功放領(lǐng)域,目前廣泛應(yīng)用的人然是晶體管模擬功放。這類功

28、放技術(shù)成熟,電路穩(wěn)定,款式,檔次,種類非常多,價格優(yōu)勢大。數(shù)字功放的技術(shù)發(fā)展逐步完善,是集成了多種新技術(shù)的功放中的黑馬,夠符合專業(yè)功放的使用要求,具有大功率,高效率,智能化,網(wǎng)絡(luò)化,高穩(wěn)定性等優(yōu)點。缺點是有較大的失真度(數(shù)字功放參數(shù)標示)。因為價格的因素,目前主要應(yīng)用在中高端及網(wǎng)絡(luò)音頻領(lǐng)域。純數(shù)字功放指除了音箱接口為模擬外,音頻的輸入,處理,放大都以數(shù)字形式進行的一類功放。不同于D類工作的模擬信號功放,這類功放工作方式與傳統(tǒng)模擬功放完全不同,克服了模擬功放固有的一些缺點,并具備了一些獨有的特點9。1)過載能力和功率儲備數(shù)字功放電路的過載能力軟軟高于模擬功放。模擬功放正常工作時功放管工作在線性區(qū)

29、,隨著過載量的增加,工作點進入功放管的飽和區(qū),此時的非線性放大會產(chǎn)生大量諧波成分,諧波失真度急劇增加,音質(zhì)變壞。數(shù)字功放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。2）高效率數(shù)字功放采用開關(guān)放大電路,效率極高,可達75%-90%(模擬功放效率僅為30%到50%),工作時基本不發(fā)熱;沒有模擬功放的靜態(tài)電流消耗,能量幾乎都轉(zhuǎn)換為音頻輸出;無前后模擬放大,負反饋電路,有更好的瞬態(tài)響應(yīng)。3)無交越失真和匹配失真數(shù)字功放對開關(guān)管的配對無特殊要求,不需要嚴格的挑選即可使用,不存在交越失真和匹配失真;模擬功放為保證其電聲指標,采用負反饋電路,為抑制寄生振蕩,采用相位補償電路,會

30、產(chǎn)生瞬態(tài)互調(diào)失真。4)易與揚聲器匹配模擬功放中的功放管內(nèi)阻較大,所以在匹配不同阻值的揚聲器時,模擬功放電路的工作狀態(tài)會受到負載(揚聲器)大小的影響。數(shù)字功放內(nèi)阻小于0.2(開關(guān)管的內(nèi)阻加慮波器內(nèi)阻),相對于負載(揚聲器)的阻值(4-8)很小,與揚聲器的匹配簡單。此外數(shù)字功放還具有體積小(1U高度的數(shù)字功放可以做到幾千瓦輸出功率),重量輕(只有十幾公斤),聲像定位準確,維修方便，生產(chǎn)調(diào)試簡單等優(yōu)點。誰在啊數(shù)字功放的不斷改進,成本不斷下降,其替代模擬功放大規(guī)模應(yīng)用于音響領(lǐng)域?qū)⒑芸鞎崿F(xiàn)10。1.3 模擬音頻功率放大器傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器工作時，直接對模擬信號進行放大，工作期間必須工作于線性放大

31、區(qū)，功率耗散較大，雖然采用推挽輸出，減小了功率器件的承受功率，但在較大功率情況下，仍然對功率器件構(gòu)成極大威脅，功率輸出受到限制。此外，模擬功率放大器還存在以下的缺點：1)電路復(fù)雜，成本高。常常需要設(shè)計復(fù)雜的補償電路和過流，過壓，過熱等保護電路，體積較大，電路復(fù)雜。2)效率低，輸出功率不可能做的很大。1.3.1模擬音頻功率放大器分類1)A類放大器：A類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q設(shè)定在負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，效率的

32、理論最大值僅有25%，且有較大的非線性失真。由于效率比較低。2)B類放大器：B類放大器的主要特點是：放大器的靜態(tài)點在（VCC，0）處，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導(dǎo)通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當Vi為負半波正弦波，所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高（78%），但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點是“交越失真”較大。即當信號在-0.6V 0.6V之間時，Q1、Q2都無法導(dǎo)通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計師摒棄。3)AB類放大器：AB類放大器的主要特點是：晶體管的導(dǎo)通時間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真

33、較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點。1.4 數(shù)字功放和模擬功放對比詳解1)過載能力與功率儲備：數(shù)字功放電路的過載能力遠遠高于模擬功放。模擬功放電路分為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)字功放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。2)交越失真和失配失真:模擬B類功放在過零失真，這是由于晶體管在小電流時的非線性特性而引起的在輸出波形正負交叉處的失真。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。3)功放和揚聲器的匹配:由于模擬

34、功放中的功放管內(nèi)阻較大，所以在匹配不同阻值的揚聲器時，模擬功放電路的工作狀態(tài)會受到負載（揚聲器）大小的影響。而數(shù)字功放內(nèi)阻不超過0.2(開關(guān)管的內(nèi)阻加濾波器內(nèi)阻)，相對于負載（揚聲器）的阻值（48）完全可以忽略不計，因此不存在與揚聲器的匹配問題。4)瞬態(tài)互調(diào)失真:模擬功放幾乎全部采用負反饋電路，以保證其電聲指標，在負反饋電路中，為了抑制寄生振蕩，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)換上沒有采用任何模擬放大反饋電路，從而避免了瞬態(tài)互調(diào)失真。5)聲像定位:對模擬功放來說，輸出信號和輸入信號之間一般都存在著相位差，而且在輸出功率不同時，相位失真亦不同。而數(shù)字功放采用數(shù)字信號放大

35、，使輸出信號與輸入信號相位完全一致，相移為零，因此聲像定位準確。6)升級換代:數(shù)字功放通過簡單地更換開關(guān)放大模塊即可獲得大功率。大功率開關(guān)放大模塊成本較低，在專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊。7)生產(chǎn)調(diào)試:模擬功放存在著各級工作點的調(diào)試問題，不利于大批量生產(chǎn)。而數(shù)字功放大部分為數(shù)字電路，一般不需調(diào)試即可正常工作，特別適合于大規(guī)模生產(chǎn)。第二章工作原理2.1 系統(tǒng)概述、設(shè)計思路功率放大器的作用是給音響放大器的負載（揚聲器）提供一定的輸出概率。當負載一定時，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性失真盡可能小，效率盡可能高。功放常見的電路形式有OTL（Output Transformer l

36、ess）和OCL(Output Capacitor less)電路。有用集成運算放大器和晶體管組成的功放，也有專用集成電路功放。 LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻或電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，工作電壓范圍寬,4-12V or 5-18V，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW,且外圍元件少。設(shè)計功放電路由輸入級、中間級和輸出級三部分組成的：輸入級是由1

37、00uF的耦合電容及100k的電位器組成的，它具有隔直、調(diào)節(jié)音量及增益的作用；中間級是由集成運放LM386以及由R1、RV4、C2等組成的可調(diào)增益放大電路；輸出級是由低通濾波器及揚聲器組成的，其中L1為高頻扼流圈；由于該電路為雙聲道功率放大器，所以下部分電路與上部分電路完全對稱，故電路原理同上11。2.2 系統(tǒng)組成與工作原理2.2.1 LM386的工作原理LM386內(nèi)部電路原理圖如圖2.1所示。與通用型集成運放相類似，它是一個三級放大電路。圖2.1 LM386的工作原理12第一級為差分放大電路，T1和T2、T3和T4分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T1和T

38、2的有源負載；T3和T4信號從管的基極輸入，從T2管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。使用鏡像電流源作為差分放大電路有源負載，可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電容的增益。 第二級為共射放大電路，T7為放大管，恒流源作有源負載，以增大放大倍數(shù)。第三級中的T8和T9管復(fù)合成PNP型管，與NPN型管T10構(gòu)成準互補輸出級。二極管D1和D2為輸出級提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。引腳2為反相輸入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端（引腳5）應(yīng)外接輸出電容后再接負載。 電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極，形成反饋通路，并與R5和R6構(gòu)成

39、反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負反饋，使整個電路具有穩(wěn)定的電壓增益。LM386是一個單電源供電的音頻功放，為美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品，采用8引線雙列直插封裝和貼片式。圖2.2 LM386音頻功率放大器的引腳排列13LM386的外形和引腳的排列如圖2.2和2.3所示。引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10F。LM386的電源電壓4-12V或5-18V(LM386N-4)；靜態(tài)消耗電流為4mA；電壓增益為20-200dB；在1、8腳開路時，帶寬為300KHz；輸入阻抗為50K；音頻功率0

40、.5W。盡管LM386的應(yīng)用非常簡單，但稍不注意，特別是器件上電、斷電瞬間，甚至工作穩(wěn)定后，一些操作（如插拔音頻插頭、旋音量調(diào)節(jié)鈕）都會帶來的瞬態(tài)沖擊，在輸出喇叭上會產(chǎn)生非常討厭的噪聲14。2.2.2注意事項1)通過接在1腳、8腳間的電容（1腳接電容+極）來改變增益，斷開時增益為20dB。因此用不到大的增益，電容就不要接了，不光省了成本，還會帶來好處-噪音減少，何樂而不為？2)PCB設(shè)計時，所有外圍元件盡可能靠近LM386；地線盡可能粗一些；輸入音頻信號通路盡可能平行走線，輸出亦如此。這是死理，不用多說了吧。3)選好調(diào)節(jié)音量的電位器。質(zhì)量太差的不要，否則受害的是耳朵；阻值不要太大，10K最合適

41、，太大也會影響音質(zhì)，轉(zhuǎn)那么多圈圈，不煩那！4)盡可能采用雙音頻輸入/輸出。好處是：“”、“”輸出端可以很好地抵消共模信號，故能有效抑制共模噪聲。5)第7腳（BYPASS）的旁路電容不可少！實際應(yīng)用時，BYPASS端必須外接一個電解電容到地，起濾除噪聲的作用。工作穩(wěn)定后，該管腳電壓值約等于電源電壓的一半。增大這個電容的容值，減緩直流基準電壓的上升、下降速度，有效抑制噪聲。在器件上電、掉電時的噪聲就是由該偏置電壓的瞬間跳變所致，這個電容可千萬別省??！6)減少輸出耦合電容。此電容的作用有二：隔直 + 耦合。隔斷直流電壓，直流電壓過大有可能會損壞喇叭線圈；耦合音頻的交流信號。它與揚

42、聲器負載構(gòu)成了一階高通濾波器。減小該電容值，可使噪聲能量沖擊的幅度變小、寬度變窄；太低還會使截止頻率（fc1/(2*RL*Cout)）提高。分別測試，發(fā)現(xiàn)10uF/4.7uF最為合適，這是我的經(jīng)驗值。7)電源的處理，也很關(guān)鍵。如果系統(tǒng)中有多組電源，太好了！由于電壓不同、負載不同以及并聯(lián)的去耦電容不同，每組電源的上升、下降時間必有差異。非常可行的方法：將上電、掉電時間短的電源放到+12V處，選擇上升相對較慢的電源作為LM386的Vs，但不要低于4V，效果確實不錯15！圖2.3 LM386引腳圖表2.1 LM386集成電路的引腳、功能及數(shù)據(jù)引腳號功能說明在路電阻紅筆測量黑筆測量1增益調(diào)整元件134

43、2負反饋端003音頻信號輸入端114接地線端005音頻信號輸出端236電源電壓輸入端237旁路元件連續(xù)端1248增益調(diào)整元件244引腳2：反相輸入端；引腳3：同相輸入端；引腳4：接地端；引腳5：輸出端；引腳6：工作電源引入端；引腳1與8：電壓增益設(shè)定端；引腳7與地之間串接旁路電容，旁路電容容值一般取10F16。2.2.3 LM386功能框圖 圖2.3 LM386功能框圖LM386集成功放屬于直接耦合的多級放大器結(jié)構(gòu)，它是一個三級放大電路。2.2.4設(shè)計電路圖圖2.4 LM386多級放大設(shè)計電路圖(此圖由于展示頁面過小固另附于附表)如圖2.4，LM386多級放大設(shè)計電路圖，該電路是由輸入級、中間

44、級和輸出級三部分組成的。輸入級是由100Fm的耦合電容及100Wk的電位器組成的，它具有隔直、調(diào)節(jié)音量及增益的作用。中間級是由集成運放LM386以及由R2、R7、C1等組成的放大電路。其工作原理如下：輸入信號通過C1耦合，由反相輸入端輸入運放，需要大增益時，將開關(guān)J1閉合，集成運放5輸出端經(jīng)過R2反饋到反相端，形成電壓并聯(lián)反饋。根據(jù)反相比例運算關(guān)系可知，當R1滑點在中點時，放大倍數(shù)約為-50。當R2滑點在底端，運算放大器的輸入端被短路，對低頻信號來說負反饋增強，增益下降，反之亦然。同時滑動R1時還可調(diào)節(jié)輸入電壓，當R1滑點在底端時，輸入電壓為零，此時增益也最小；當R2滑點在頂端時，輸入電壓為輸

45、入音頻交流電壓，且此時增益也最大。（此時應(yīng)調(diào)節(jié)R7使運放固有增益最大，約為200） 當僅需要小增益時，將開關(guān)J1斷開，靠運放固有放大增益放大，在LM386的1腳和8腳之間有一只外接可變電阻和電容，可調(diào)節(jié)可變電阻將電壓增益調(diào)為任意值，直至200（反向放大）。同時滑動R1還可調(diào)節(jié)輸入電壓，當R2滑點在底端時，輸入電壓為零，音量也為零；當R2滑點在頂端時，輸入電壓為輸入音頻交流電壓。輸出級是由低通濾波器及揚聲器組成的，其中L1為高頻扼流圈。當高頻噪聲被L1扼制，通過R3及C11流入地線。低音頻信號通過L1、C3后，流經(jīng)揚聲器放出音樂。由于該電路為雙聲道功率放大器，所以下部分電路與上部分電路

46、完全對稱，故電路原理同上17。2.2.5元器件明細表表2.2 元器件明細表元器件名稱參數(shù)備注C1100uF電解電容×2C2200uF電解電容×3C310uF電解電容×4C410uF×1C547nF×2R1270k×2R210×2R310可變電阻器L11mH×2電源適配器220V交流到9V直流×1LM386×2開關(guān)×32.2.6調(diào)試所需的儀器設(shè)備儀表工具：萬用表、手機、示波器、電烙鐵、proteus仿真。2.2.7設(shè)計的難點和可能出現(xiàn)的問題設(shè)計的難點在于使用兩種增益對音頻信號就行放大，當

47、需要小增益時，可斷開反饋電阻上的開關(guān)J2、J3（與R3相鄰的開關(guān)），用LM386本身的放大增益進行放大，若需要大增益放大時，將LM386增益調(diào)至最大，同時將J2、J3閉合，滑動音量調(diào)節(jié)鈕即可大范圍調(diào)節(jié)輸入電壓及增益。第二個難點在于輸出級，用高頻扼流圈阻止高頻信號通過，流入地線?？赡艹霈F(xiàn)噪聲問題：盡管LM386的應(yīng)用非常簡單，但稍不注意，特別是器件上電、斷電瞬間，甚至工作穩(wěn)定后，一些操作（如插拔音頻插頭、旋音量調(diào)節(jié)鈕）都會帶來的瞬態(tài)沖擊，在輸出喇叭上會產(chǎn)生非常討厭的噪聲。因此需要注意以下幾點：1)在PCB設(shè)計時，所有外圍元件盡可能靠近LM386。2)同時地線盡可能粗一些；輸入音頻信號通路盡可能平

48、行走線，輸出亦如此。3)另外選好調(diào)節(jié)音量的電位器也可以降噪，質(zhì)量要稍微好點的，阻值10KW最合適，太大也會影響音質(zhì)。4)需要加裝第7腳（BYPASS）的旁路電容。實際應(yīng)用時，BYPASS端必須外接一個電解電容到地，起濾除噪聲的作用。工作穩(wěn)定后，該管腳電壓值約等于電源電壓的一半。在器件上電、掉電時的噪聲就是由該偏置電壓的瞬間跳變所致，因此增大這個電容的容值，可減緩直流基準電壓的上升、下降速度，有效抑制噪聲。5)仿真時輸入幅度不能太大，否則輸出波形易失真，范圍調(diào)制20mV200mV。2.2.8 出現(xiàn)的問題及解決方案1)調(diào)節(jié)不管用，經(jīng)老師知道后知道是可變電阻懸空未接地，重新接地后，問題解決，音量大小

49、調(diào)節(jié)很正常。2)焊工要提高，布線有些飛線，得到經(jīng)驗后明白布線要橫直適宜。3)在輸出接口以及電源接口上有待提高，插接不是很方便。2.2.9 預(yù)期達到的性能指標1）輸出功率在8負載上輸出每路不少于0.5W的不失真功率，其相對應(yīng)的音樂功率為1W。2）頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)反映功率放大器對音頻信號各頻率分量的放大能力，功率放大器的頻響范圍應(yīng)不底于人耳的聽覺頻率范圍，因而在理想情況下，主聲道音頻功率放大器的工作頻率范圍為20-20kHz。國際規(guī)定一般音頻功放的頻率范圍是40-16 kHz±1.5dB18。第三章數(shù)字音頻功率放大器的改進設(shè)計與模擬功放器相比，效率高是數(shù)字功放器的最大優(yōu)勢。但由

50、于數(shù)字功放器采用的是全新的放大體制，失真度指標不如模擬功放器。數(shù)字功放器目前普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，受脈寬調(diào)制方式和輸出級開關(guān)放大器存在損耗的主要影響，實際效率大多約為85%，失真度約為0.5。隨著時代的進步和科技水平日新月異的變化，我們追求性能指標更佳的高品質(zhì)音響的愿望始終不會停步，因此繼續(xù)研發(fā)功率更大、效率更高和保真度更佳的高效數(shù)字功率放大器勢在必行。本文在研究了數(shù)字音頻功放器的基礎(chǔ)上，對部分電路進行了改進優(yōu)化設(shè)計，下面將詳細介紹和分析改進優(yōu)化設(shè)計方案。3.1 調(diào)制方式的改進設(shè)計D類數(shù)字功放器的后級開關(guān)放大電路必須依靠PWM信號來驅(qū)動，目前數(shù)字功放器大多采用兩路信號驅(qū)動的BTL的驅(qū)動形式，對于

51、兩路信號的選取方案值得研究。3.1.1傳統(tǒng)PWM調(diào)制方案傳統(tǒng)的全橋數(shù)字音頻功放器結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，輸入音頻信號經(jīng)放大器放大后，在比較器里對高頻三角波進行調(diào)制，從而形成占空比與音頻輸入信號幅度成正比變化的PWM信號并且分成相位相反的兩路信號分別驅(qū)動兩路半橋開關(guān)電路。當音頻信號輸入為零時，各信號的波形如圖3-2所示，我們觀察到此時的輸出信號OUT 1和OUT2的電壓變化為0到VDD之間，差分后的全橋輸出的電壓變化為+VDD到一VDD之間，全橋輸出的是占空比為50%的方波信號，該信號電壓即使經(jīng)過低通濾波器濾波后仍會在負載揚聲器兩端產(chǎn)生較大的峰值電流，造成一定的靜態(tài)功耗，使得放大器的效率下降。這種調(diào)

52、制方案對濾波器的要求十分嚴格，必須使用較理想且尺寸大的低通濾波器來濾除紋波電流，這無疑會加大制作成本和系統(tǒng)體積。圖3-1 傳統(tǒng)數(shù)字音頻功率放大器結(jié)構(gòu)圖3-2 傳統(tǒng)PWM調(diào)制方案的輸出信號波形3.1.2改進后的雙路反寬調(diào)制方案采用傳統(tǒng)調(diào)制方案的D類音頻功放器具有靜態(tài)功耗大的缺點。本文設(shè)計的數(shù)字功放器則采用的是雙路反寬調(diào)制方案，該調(diào)制方案結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，用兩個單獨的比較器分別產(chǎn)生兩個半橋開關(guān)放大電路所需的驅(qū)動信號，比較器的反相輸入端都接高頻三角波，而同相輸入端則不同，它們分別接電壓放大器的正負極，這兩級輸出的兩路音頻信號相位相同。當音頻信號輸入為零時，各信號波形如圖3-4所示，我們觀察到此時的

53、輸出信號OUT1與OUT2都為同相方波信號且占空比均為50%(因很難做到完全同相，所以會存在一定的相移)，差分后的全橋輸出電壓幾乎為零，經(jīng)低通濾波器后此時的揚聲器負載電流極小，從而極大地降低了輸入信號為零時的靜態(tài)功耗。當音頻輸入信號為正時，各信號波形如圖3-5所示，我們觀察到此時輸出信號OUTl和OUT2的波形有變化，前者的占空比大于50%，而后者的占空比則小于50%;當音頻輸入信號為負時兩輸出信號情況則相反，各信號波形如圖3-6所示。這兩種情況差分后的全橋輸出電壓在大部分的時間內(nèi)仍然為零，我們觀察波形看到輸出電壓脈沖相當窄且幅值在0到VDD之間而不是0到2VDD之間變化。像這種當有信號輸入時

54、，如果其中一路PWM輸出脈沖的占空比變大的話，則另一路PWM輸出脈沖的占空比一定會變小，亦即這兩路PWM信號脈寬總是此消彼長、反向變化，雙路反寬度信號指的就是這兩路信號，這種調(diào)制方式稱為雙路反寬調(diào)制。與傳統(tǒng)調(diào)制方案相比，該調(diào)制方案極大地減小了開關(guān)電流和紋波電流，抑制了靜態(tài)功耗，提高了效率。如果應(yīng)用在輸出功率較大的放大器中時，因開關(guān)電流和紋波電流會增加，這時我們也只需要配一個尺寸小結(jié)構(gòu)簡單的低通濾波器即可，從而極大地降低了制作成本和減少了系統(tǒng)體積19。圖3-3 改進的數(shù)字音頻功率放大器結(jié)構(gòu)圖3-4 零信號輸入時的輸出信號波形圖3-5 正信號輸入時的輸出信號波形圖3-6 負信號輸入時的輸出信號波形

55、3.2 脈寬調(diào)制器的改進設(shè)計脈寬調(diào)制按采樣方式的不同，主要分為NPWM脈寬調(diào)制(自然采樣法)與UPWM脈寬調(diào)制(歸一化采樣法)兩大類。最近又出現(xiàn)了一種新的LPWM脈寬調(diào)制(混合采樣法)，它實質(zhì)上是綜合了NPWM和UPWM的一種采樣方式。NPWM是直接把模擬音頻信號送到比較器與三角載波信號比較，然后進行采樣;UPWM則不同，它是先對模擬音頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換形成PCM編碼信號，再把PCM信號送到比較器與三角載波信號進行比較采樣。UPWM是數(shù)字功放器目前應(yīng)用最廣的一種脈寬調(diào)制方式。LPWM采用的是混合采樣法，即把UPWM采樣方式插入到NPWM采樣當中。UPWM采樣方式的缺點是音頻信號在A/D轉(zhuǎn)換過程中，不可避免地會產(chǎn)生誤差，造成轉(zhuǎn)換后形成的數(shù)字信號PCM不能百分之百地反映原始模擬信號，另外還需采取內(nèi)插方式對采樣后的數(shù)字信號進行處理。而NP WM采樣方式因模擬音頻信號與三角載波比較之前不用A/D轉(zhuǎn)換，所以它比另外兩種采樣方式的失真度指標更佳。表3-1 NPWM調(diào)制方式的分類采樣方式邊沿電平縮寫自然采樣脈寬調(diào)制NPWM單邊二電平NADS三電平MBDS雙邊二電平NADD三