1、 PWM1 引言音频功率放大器简称为功放，是19世纪继收音机、电视机之后，随之出现的又一类新型电子产品。其作用是将声源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流推动扬声器进行声音的重放。可以说是音响器材中最大的一个家族了。自从有了晶体管，它的第一个应用便是制作音频放大器，然而随着社会的进步，人们因生活层次，文化习俗，音乐修养，欣赏口味的不同，对音视频设备的性能也有了更高层次的要求。这种数字化浪潮以及人们对音视频设备节能，环保的要求，迫使人们去开发高效，节能的音频功率放大器。传统的模拟音频功率放大器保真度高，但效率低，能耗大，且要求有良好的散热设备，主要有A类，B类和AB类，A类功放在整个
2、输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器件，优点是输出信号失真比较小，缺点是输出信号动态范围小，效率低，最高效率仅为45%左右。B类功放在整个输入信号周期内功率器件导通时间为50%，优点是效率在理想情况下可达78.5%，但缺点是会产生交越失真，增加噪声。AB类功率放大器是以上两种放大器的结合，使每个功率器件的导通时间在50%100%，它兼顾了效率和失真两方面的性能指标。随着半导体及微电子制造技术的不断发展，高效率器件已越来越多。近几年，电子产品正在向薄型化，便携式迅速发展。传统的模拟音频功率放大器已不能满足电子视听类LCDOLEDLCOSPDA等绿色节能,高效,体积小等新发展趋势。而D类功放具
3、有效率高、体积小、输出功率大、低EMI，具备多种工作模式等优点，逐渐成为了便携式设备中不可替代的产品，因而欲设计、制造高效率的音频功率放大器，首选D类功率放大器D类功率放大器工作在开关状态下，可以采用脉宽调制（PWM）模式，利用PWM能将音频输入信号转换成高频开关信号，通过一个比较器将音频信号与高频三角波进行比较，当反向端电压高于同向端电压时，输出为低电平，当反向端电压低于同相端电压时，输出为高电平,D类功放效率可达90%。2 设计总体方案2.1 整体电路设计构思采用常规，通用元器件设计的D类功率放大器的基本组成框图如图2.1.1所示：图2.1.1 D类功放基本组成框图主要由脉冲宽度调制器，功
4、率放大器和低通滤波器等三部分组成。我所设计的高频率音频功放的结构示意图如图2.1.2所示：图2.1.2 D类功放结构示意图首先，输入的音频信号进入前置运算放大器，输出一个被放大10余倍的音频信号，并与三角波形成电路形成的三角波信号一同进入PWM调制电路，产生一个随音频信号幅度变化的PWM波，分别经功率放大电路完成功率放大再经过低通滤波器LPF滤去音频信号经调制后的各次谐波，之后经输出转换电路输出。2.2 单元电路及工作原理2.2.1前置放大电路前置放大器是在功率放大器之前而加入的一级放大电路，其目的是对输入功率放大器的信号源进行加工处理，或放大，或衰减或进行阻抗交换，使其和功率放大器的输入灵敏
5、度相匹配，对其要保证低噪声，高信噪比，高转换速率，输出电阻要小及频带要宽等要求，前置放大电路如图2.2.1.1所示： 图2.2.1.1前置放大电路输入信号经1/2IC2组成20db同相放大器放大，送至PWM调制电路。2.2.2 PWM调制电路PWM调制电路如图2.2.2所示：图2.2.1.2 PWM调制电路让输出脉冲波的宽度受调制波幅度调制的技术称PWM技术，即脉宽调制技术。PWM实质上是一个电压比较器，如图所示，它的同向端输入前置放大器的输出信号电压，它的反相端输入三角波电压，这两个电压经比较后，输出与音频信号幅值成正比的脉宽信号。在点以前，音频信号电压大于三角波电压，比较器输出高电平，在点
6、以后，点以前，三角波的电压高于音频信号电压，则比较器输出低电平。在点以后，点以前，音频信号电压又高于锯齿波电压，则比较器输出高电平。这样，由比较器输出脉冲宽度与音频信号幅值成正比的PWM信号。将音频信号电压，锯齿波电压及比较器输出的PWM画在一起如图2.2.2所示：图2.2.2 PWM输出波形2.2.3 正反向放大电路由于功放级采用BTL（全桥输出级，即用两个半桥输出交替驱动负载，这种类型的负载连接被称为桥联负载）接法。所以需将一组信号源变换为正、负两组信号源，推动后级。此控制电路的要求一是把PWM信号整形成前后沿更加陡斜的脉冲，二是能倒向形成PWM和PWM两路脉冲以满足全桥功率开关管的要求。
7、正反相放大器电路如图2.2.3所示：图2.2.3 正反向放大电路2.2.4 功率放大电路功率放大电路分别对正负两个PWM信号进行功率放大，输出信号经过LJ、C6、L2、C7组成的LPF网络作用后，滤去高频谐波，还原出音频信号，送至输出电路，电路图如图2.2.4所示： 图2.2.4 功率放大电路全桥输出D类功放除具有AB类BTL功放的优点外，还具有较高的效率，但其输出端需要加一个外部LC滤波器，用于提取音频信号和防止在负载上耗散高频能量。3 电路的制作3.1功放电路的性能分析因专业知识有限，此次音频功放电路的制作采用了TDA2822来实现，电路中使用学生电源供电，用收音机作为音频信号的输入器材。
8、TDA2822是双声道音频功率放大电路，应用非常广泛。它通常采用1.815V电源供电，因此，该电路适合在低电源电压下工作，静态电流小，交越失真也小，适用于单声道桥式（BTL）或立体声线路两种工作状态，采用双列直插8脚塑料封装。其引脚图及其内部结构如图3.1.1所示：图3.1.1 TDA2822内部结构采用TDA2822制作的音频功放的电路图如图3.1.2所示：图3.1.2 基于TDA2822的功放电路该电路电源电压范围1.8-15V,输出电流1A,静态输出电压为3V ,输入阻抗为100 K功耗为1.4W,失真度为0.2%，闭环增益为41dB.3.2电路制作过程中的注意事项（1）焊接时先焊接跳线
9、，再焊接电阻，再焊电容。必须注意焊接质量，应先在废旧电路板上多练习几次，然后正式焊接。元件的排列方位尽可能保持原理图相一致，布线方向最好与点路图走线方向一致。（2）各元件排列、分布要合理和均匀，力求整齐、美观、结构严谨的工艺要求。（3）电阻，二极管的放置方式分为平方与竖放两种：当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大情况下，一般采用平放较好，但电路元件数较多，且电路板尺寸不大的情况下，一般采用竖放。（4）在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装和检修。（5）设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。调试：本功放板调试特别简单，电
10、路板焊好电子元件后，要仔细检查电路板有无焊错的地方，特别要注意有极性的电子零件，如电解电容，一旦焊反即有烧毁元器件之险，要特别注意，放大器的输出端先不接扬声器，而是接万用表，观察万用表读数是否正常。最后接上音箱，输出音乐信号。旋转音量电位器，看音量大小是否有变化，至此完成电路的组装与调试。4 总结此次的毕业设计采用了LM386功放电路设计原理，完成了高效率音频功率放大器的设计与制作。在此期间，我查阅了大量资料，找老师辅导，与同学交流，反复修改论文，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实，通过这次实践，我了解了音频功率放大器的用途及工作原理。熟悉了音频功率放大器的设计步骤，锻炼了设计实践能力，
11、培养了自己独立的设计能力，此次毕业设计是我对专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。但是毕业设计也暴露出了自己专业基础的许多不足之处，比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等，这次实践是对自己大学三年所学知识的一次大检验，使我明白了自己知识还很不全面，马上要毕业了，自己的 求学之路还很长，以后更应该在工作实践中逐渐学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。参考文献：1 茅于海：漫谈音频D类放大器J.电子技术应用，2006（5）。2 童诗白：华成英:模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社.2001。3 姚福安：音频功率放大器设计，山东大学学报，2
12、003年06期。4 牟小令：高效率音频功率放大器，西南师范大学学报，2003年01期。5 张 平：关于音频功率放大器的应用，安阳大学学报，2002年02期。6 曾广兴：现代音响技术应用，广东科技出版社，1997年3月。7 方佩敏：音频功率放大器，电子世界，2003年08期。8 谢自美：电子线路设计 实验 测试，华中科技大学出版社致谢本设计是在顾老师的精心指导和鼓励下完成的。顾老师深厚扎实的学识，严谨的学风和真诚谦逊的品质，是我在这次设计过程中受益匪浅，在此，谨向顾老师表示衷心的感谢！感谢所有支持和帮助过我的老师和同学!此外，我要感谢在我的论文中所有被援引过的文献的作者们，他们是我的知识之源！最
13、后，再次向所有给予我帮助和鼓励的同学和老师致以最诚挚的谢意！附录电路电子元件清单论文题目设计并制作高效率音频功率放大器实验工具电路板一块、电铬铁一个、松香、导线若干、学生电源。电路元件序号元器件编号品名数量性能参数1C1电容器20.1uFC2100 uF3C3100.0 uF4C4470.0uF5C510.0 uF6R1电阻4707RP电位器10K8R6110小喇叭32指导教师文献综述传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：（1）数字语音数据到模拟语音信号的变换实现；（2）利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大
14、器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。D类功放是一种将输入模拟音频信号或数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）脉冲信号,然后用PWM脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点.数字音频功率放大器也看成是一个功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路（半桥式和全桥式）和低通滤波器（LC）等四部分组成。5 张 平：
