基于altiumdesigner的音频功率放大器设计

基于altiumdesigner的音频功率放大器设计内容摘要：

，也就改变了甲类放大时效率低的状况，理论上 B 类放大器的效率可达 78． 5％。 图 22 B类放大器的典型工作状态 工作在乙类的放大电路，虽然效率提高了，但是存在严重的波形失真，使得输入信号的半个波形被削掉了。 我们通过乙类的工作状态图可以很明显看到，输出波形只 有半个周期，如果用两个晶体管输出 (如图 23 所示 )，让它们都工作在乙类状念，但一个在正半周工作，另一个在负半周工作，同时使这两个输出波形都能加到负载上，这样在负载上就有一个完整的波形，也就解决了效率与失真的矛盾。 但足这种结构没有直流偏置，管子的 Bi必须在 BEV 大于一个数值 (即门坎电压， NPN 硅管约为 ， PNP 锗管约为 ）时有显著的彼岸花。 当 输入信号 Vi 低于这个数值时， T1 和 T2 都截止， ic1 和 ic2 基本为零，负载 RL 上无电流通过，出现一段死区，如图 所示，这种现象成为交越失真。 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 50 一 l00％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 (乙类 )设计，然后增加偏置电流，使放大器进入 AB 类 (甲乙类 )，这能很好的克服交越失真。 AB 类放大器的典型工作状态如图 23 所示。 输出功率管导通时间在 50％一 l00％之间 ，当输出电平低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于 A 类 (甲类 )：当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。 这样在 AB 类 (甲乙类 )状态 开 始时，失真将会突然上升，其线性劣于 A 类 (甲类 )或 B 类 (乙类 )。 由于两输出. .. 功率管均少量正向导通偏置故其效率低于 B 类，不过它的正当使用在于它对 A 类的补充，且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。 图 23 AB 类放大器的典型工作状态 C 类 (丙类 )放大器 C 类 (丙类 )放大器，是指器件导通时 间 小于 50％的工作类别。 C 类功率放大器可提供高效 率，其功率转换效率大于 78． 5％，但是失真较高，很难用于音频功放。 这类放大器主要用于射频电路中，给放大器加 上 RCL 调谐 回路作为负载，可用于无线电台和电视发射系统。 C 类放大的典型工作状态如图 24 所示。 图 24 C 类放大器的典型工作状态 D 类 (丁类 )放大器 D 类放大器又称为数字放大器，采用 PWM 方式，工作于 开 关状态，无信号时无电流，. .. 而导通时，没有直流损耗。 D 类功率放大的最大优势在于其电源功率转换效率理论上可以达到 100％，是实用放大器中效率最高的。 与 AB 类放大器相比， D 类放大器需要更小的电 源电流，因此具有更长的电源使用时 间 或者更低的电源使用成本。 另外， D 类放大器更低的发热量，使得更小的封装成为可能，同时去掉了 AB 类放大器中所使用的降温设备。 基于这两个优点对于便携式电子 来 说， D 类功率放大器显然更具有吸引力。 D 类放大器需要衡数转换电路将音频正弦信号先变为脉冲方波，从而进行放大，再接一 个低通滤波器滤去脉冲波的高频部分，得到基波成分，也就 是 一个数 模 转换电路。 但是，实际困难还是非常大的。 从失真的角度来看，为保证采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器，插入放大器与扬声器之 间 ，以消除绝大部 分的射频成分，这至少需要 4 个电感 (考虑立体声 )，成本自然不低。 此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载 阻 抗保证平坦的频率响应。 T 类放大器 T 类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制 D 类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和 D 类功率放大器相当。 但它和普通 D 类功率放大器不同的是： 它不是使用脉冲调宽的方法， Tripath 公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“Digital Power Processing （ DPP） ”的数字功率技术，它是 T 类功率放大器的核心。 它把通信技术中处理小 信号的适应算法及预测算法用到这里。 输入的音频信号和进入 扬声器 的电流经过 DPP 数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。 从而使 音质 达到高保真线性放大。 它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的 功率谱 并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。 使声音的细节在整个频带上都清晰可 “闻 ”。 此外， T 类功率放大器的 动态范围 更宽，频率响应平坦。 DDP 的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。 在高保真方面，线性度与传统 AB 类功放相比 有过之而无不及。 名词解释 音响系统整体技术指标性能的优劣，取决于每一个单元自身性能的好坏，如果系统中的每一个单元的技术指标都较高，那么系统整体的技术指标则很好。 频率响应 频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为 2020kHz。 国际规定一般音频功放的频率范围是 4016 kHz177。 . .. 信噪比 信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。 动态范围 放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。 实际运用时，该比值使用 dB 来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于 90 dB。 自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真，而在输 入弱信号时，有不应被自身产生的噪声所淹没，为此好的音响系统应当具有较大的动态范围，噪声只能尽量减少，但不可能不产生噪声。 失真 失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。 波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。 a．谐波失真：所谓谐波失真是指音响系统重放后的声音比原有信号源多出许多额外的谐波成分。 此额外的谐波成分信号是信号源频率的倍频或分频，它是由负反馈网络或放大器的非线性特性引起的。 高保真音响系统的谐波失真应小于 1%。 b．互调失真：互调失真也是一种非线性失真，它是两个以上的频率分量按一定比例混合，各个频率信号之间互相调制，通过放音设备后产生新增加的非线性信号，该信号包括各个信号之间的和及差的信号。 c．瞬态失真：瞬态失真又称瞬态响应，它的产生主要是当较大的瞬态信号突然加到放大器时由于放大器的反映较慢，从而使信号产生失真。 一般以输入方波信号通过放音设备后，观察放大器输出信号的包络波形是否输入的方波波形相似来表达放大器 对瞬态信号的跟随能力。 输出功率 输出功率是指功放电路输送给负载的功率。 目前人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一，使用时 需要 注意。 额定功率（ RMS） 它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。 经常把谐波失真度为 1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。 很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。 最大输出功率 当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率 称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率 峰值输出功率 . .. 功放所能输出的最大音乐功率称为峰值输出功率，它不考虑失真，通常为（ RMS）功率的 倍左右。 峰值 峰值功率 它是指正电压峰值到负电压的峰值的功率，它是峰值输出功率的四倍。 它的出现是厂家出于商业目的，并无实际意义。 . .. 第 3 章 音频功率放大器的设计 现在的音频功率放大器基本上均采用集成功率放大器 (除发烧级外 )。 其原因是，采用集成功率放大器可以得到稳定的静态工 作点，这个静念工作点不随电源电压的变化而变化，而采用分立元器件构成的音频功率放大器，将可能经常受温度和电源电压变化的困扰，使静态工作点漂移；除此之外，集成功率放大器还具有芯片级的过电流保护和过热保护，这是分立器件构成的音频功率放大器所无法比拟的：集成功率放大器的第三个优势就是成本低廉，以 TDA2030A 为例，其大批量购买的价格仅为一元多人名币，这是音频功率放大器所用的两个功率晶体管所无法达到的价格；最后就是电路简单，按照评估电路版图设计就不会出现自激振荡现象，而分立元器件构成的音频功率放大器的电路较复杂，不 易调试。 本次设计就是使用以 TDA2030A 为核心的电路设计。 TDA2030A 芯片介绍 TDA2030A 实物 TDA2030 是德律风根生产的音频功放电路，采用 V型 5 脚单列直插式塑料封装结构。 按引脚的形状引可分为 H 型和 V型。 该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。 并具有内部保护电路。 意大利SGS 公司、美国 RCA 公司、日本日立公司、 NEC 公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。 实物如图 31： 图 31 TDA2030A实物图 TDA2030A 的管脚功能及图 （ 1）脚是正相输入端 （ 2）脚是反向输入端 （ 3）脚是负电源输入端 . .. （ 4）脚是功率输出端 （ 5）脚是正电源输入端 图 32 TDA2030 管脚图 TDA2030A 的工作 TDA2030A 能在最低177。 6V最高177。 22V的电压下工作， TDA2030A 在电源电压177。 14V，负载电阻为 4Ω时输出 14 瓦功率（失真度≤ 0． 5％）；在电源电压177。 16V，负载电阻为 4Ω时输出 18 瓦功率（失真度≤ 0． 5％）。 该电路由于价廉质优，使用 方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。 输出功率： 10 ~ 20W（额定功率）； 频率响应： 20Hz ~ 100kHz（≤ 3dB） 谐波失真：≤ 1％ (10W,30Hz~20kHz）； 输出阻抗：≤。 输入灵敏度： 600mV（ 1000Hz，额定输出时） TDA 2030A 性能主要指标 TDA 2030A 是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括 TDA 2030 在内的几种。 我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。 TDA2030A 集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能比较完善。 根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过 20W，而 TDA 2030A 的输出功率却能达 18W，若使用两块电路组成 BTL 电路，输出功率可增至 35W。 另一 方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。 然而在TDA 2030A 集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。 . .. TDA2030A 集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。 在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才 5 端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。 TDA2030A 的 BTL 电路 TDA2030A 的 BTL 电路的特点是在相同的电源供电条件下可以得到较普通功放两倍以上的功率。 在177。 12V供电时输出功率可达到 20W 以上，想获得更大的输出功率克提高输入电压，最大不超过177。 22V，其内部电路包括输入电路，中间级，输出电路，电路图如图 33： 图 33 TDA2030A的 BTL 电路图 TDA2030A 的 OCL 电路 OCL 功放的形式是采用双电源，无输出耦合电容，如图 34 所示，由于无输出耦合电容低频响应得到改善，属于高保真电路。 双电源采用初级线圈中间点接地、上下电压对称相等的变压器，经过整流滤波后构成177。 18 V的双电源，输出功率为 20 W。 图 34 TDA2030A的 OCL 电路图 . .. TDA2030A 的 OTL 电路 单电源供电音频放大电路是 典型应用电路，由一块 TDA 2030 和较少元件组成单声道音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等突出的优点。 特别是集成块内部设计有完整的保护电路，能自我保护。 电路图如图 35。 图 35 TDA2030A的 OTL 电路图 小结 TDA2030A 使用方便，外围元件少，一般不需要。