高效率音频功率放大器
摘要：在音频领域发展的几十年里，A类，B类，AB类音频功率放大器一直占着主导地位，随着科技的不断发展，音频功率放大器也有了新的研究成果—D类功率放大器。D类功率放大器有很多优点，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。D类放大器，是通过控制开关单元的ON/OFF，驱动扬声器的放大器。D类放大器是最近几年才发展起来的，在系统的耐用上以及音频质量等都有了很大的提高。
关键词：D类功率放大器、TDA8922TH、PWM调制、电压开关型驱动电路。
目录
一、绪论 (3)
1.1 D类功放的发展背景 (3)
1.2 D类功放诞生的原因 (3)
1.3功率放大器的基本组成 (4)
1.4 对功率放大器的基本要求 (5)
二、D类功放的特点与电路组成 (6)
2.1 功放的分类 (6)
2．2几类经典功放的工作原理点 (6)
2.4 D类功放的特点 (9)
2.5 D类功放的组成与原理 (9)
2.6 D类功放的要求 (11)
2.7 D类功放选择 (13)
三、结论 (21)
3.1 调试过程 (22)
3.2 毕业设计感想 (22)
四、致谢 (23)
五、参考文献 (23)
任务要求
我们要做的毕业设计是高效率音频功率放大器，它是近年来刚发展起来的一种音频放大器，通常叫做D类功率放大器。它的工作电压在12.5V-30V之间，工作效率在理想状态下为100%，它具有功率大、效率高、失真小的特点。
一、绪论
在高保真音响设备中，功率放大器用来对各种音源输出的音频信号进行加工处理和不失真地放大，使之达到一定的功率去推动扬声器发声。其中，如何对音频信号进行功率放大，使之达到功率大、效率高、失真小，是功率放大器所要解决的最主要问题。也是我们所做的毕业设计任务要求。
1.1 D类功放的发展背景
以家庭影院为时代标志的现代家庭影音系统自20世纪80、90年代兴起后，马上得到广大民众，特别是青年一代的青睐，以惊人的速度进入了千家万户和公共娱乐场所。随着数字电路和计算机技术的不断发展，家庭影音系统工程日趋成熟与完美，越来越多的电子爱好者期望能自己制作出体现自己意愿特殊的家庭影音系统。我们毕业研究的课题，就是家庭影音系统的一部分，最高效的功放，它正慢慢改变我们的生活，使我们的生活变得更美好。
1.2 D类功放诞生的原因
几十年在音频领域中，A类，B类，AB类音频功率放大器一直占据统治地位。音频功率放大器发展经历了这样的几个过程：所有器件从电子管、晶体管到集成电路的过程：电路组成从单管到推挽的过程：电路形成从变压器输出到OTL、OCL、BTL的形式过程。其基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备的环保要求。迫使人们开发，高效、节能、环保、数字化的音频功率放大器，它应该具有工作效率高，便于与其它数字化设备相连接的特点。D类功率放大器就是PWM型功率放大器。它基本符合上面的要求。近几年来，国际上对D类功放的研究与开发已经有了很大
的发展。几家著名的研究机构与公司已经成功的研制出好几种此类的音频功率放大器。这一技术显示了它高效、节能、环保、数字化的特点。现在这一技术正在迅猛发展，前景一片光明。
1.3功率放大器的基本组成
在高保真音响电路中，功放电路通常由两个或两个以上的音频声道所组成。每个声道分为两个主要的部分，即前置放大器和功率放大器。两部分电路可分设在两个机箱内，也可组装在同一个机箱内，后者称为综合放大器。
由于左、右声道完全相同，所以在双声道电路中只介绍其中一路，电路组成框图如图1.3所示。图中左侧为前置放大器，右侧为功率放大器。
图1.3 功率放大器电路组成框图
（1）前置放大器的组成。前置放大器具有双重功能：它要选择所需要的音源信号，并放大到额定电平；还要进行各种音质控制，以美化声音。这些功能由均衡放大、音源选择、输入放大和音质控制等电路来完成。
○1音源选择。音源选择电路的功能是选择所需的音源信号送入后级，同时关闭其他音源通道。各种音源的输出是各不相同的，通常分为高电平与低电平两类。调谐器、录音座、CD唱机、VCD/DVD影碟机等音源的输出信号电平达50～500mV，称为高电平音源，可直接送入音源选择电路；而动圈式和动磁式电唱机的输出电平仅为0.5～5mV，称为低电平音源，须经均衡放大后才能送入音源选择电路。线路输入端又称为辅助输入端，可增加前置放大器的用途和灵活性，供连接电视信号和其他高电平音源之用。
○2输入放大。输入放大器的作用是将音源信号放大到额定电平，通常是1V 左右。输入放大器可设计为独立的放大器，也可在音质控制电路中完成所需要的放大。
○3音质控制。音质控制的目的是使音响系统的频率特性可以控制，以达到高保真的音质；或者根据聆听者的爱好，修饰与美化声音。有时还可以插入独立的均衡器，以进一步美化声音。音质控制包括音量控制、响度控制、音调控制、左、右声道平衡控制、低频噪声和高频噪声抑制等。
（2）功率放大器的组成。虽然功率放大器的电路类型很多，但基本上都由激励级、输出级和保护电路所组成。
○1激励级。激励级又可分为输入激励级和推动激励级，前者主要提供足够的电压增益，后者还需提供足够的功率增益，以便能激励功放输出级。
○2输出级。输出级的作用是产生足够的不失真输出功率。为了获得满意的频率特性、谐波失真和信噪比等性能指标，可在输出级与激励级之间引入负反馈。○3保护电路。保护电路用来保护输出级功率管和扬声器，以防过载损坏。此外，一个完备的高保真功率放大器，还必须设置直流稳压电源及电平显示电路等。
1.4 对功率放大器的基本要求
（1）输出功率要大。为了得到足够大的输出功率，功放管的工作电压和电流接近极限参数。功放管集电极的最大允许耗散功率与功放管的散热条件有关，改善功放管的散热条件可以提高它的最大允许耗散功率。在实际使用中，功放管都要按规定安装散热片。
（2）效率要高。扬声器获得的功率与电源提供的功率之比称为功率放大器的效率。功率放大器的输出功率是由直流电源提供的，由于功放管具有一定的内阻，所以它会有一定的功率损耗。功率放大器的效率越高越好。
（3）非线性失真要小。由于功率放大器中信号的动态范围很大，功放管工作在接近截止和饱和状态，超出了特性曲线的线性范围，必须设法减小非线性失真。
二、D类功放的特点与电路组成
2.1 功放的分类
传统的功率放大器主要有A类（甲类）、B类(乙类)、AB类（甲乙类），除此之外，还有工作在开关状态下的D类（丁类）功放。
2．2几类经典功放的工作原理及特点
A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器。其晶体管总是工作在放大区，并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性放大区域。它的优点是输出信号的失真比较小。缺点是输出信号的动态范围小，效率低，理想情况下的效率为50%。考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损耗，A类功率放大器的效率仅为20%左右。
图2.2.1
B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50%，因为其晶体管只有在输入信号的正半周期工作在放大区，在输入信号的负半周是截止的。它的优点是在理想的情况下其效率为78.5%，比A类提高了很多。其缺点是非线性失真比A类功放大，而且会产生交越失真，增加噪声。
图2.2.2
AB类功率放大器是以两类的结合，是每个功率放大器的导通时间在50%—100%，此类功率放大器流行过一段时间，它兼顾了失真与效率两方面的性能指标。在设计该功率放大器是要设置晶体管的静态偏置电路。使其工作在甲乙类状态，这类放大器的失真要比乙类的小，但其效率比乙类功放要低一些。
图2.2.3
2.3 传统功放与D类功放的比较
功率消耗在所有线性输出级，因为产生输出电压vout的过程中不可避免地会在至少一个输出晶体管内造成非零的ids和vds。功耗大小主要取决于对输出晶体管的偏置方法。
A类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流（dc）电流源，能够提供扬声器需要的最大音频电流。A类放大器输出级可以提供优良的音质，但功耗非常大，因为通常有很大的dc偏置电流流过输出级晶体管（这是我们不期望的），而没有提供给扬声器（这是我们期望的）。
B 类放大器拓扑结构没有dc偏置电流，所以功耗大大减少。其输出晶体管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流。由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。但是B 类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差（交越失真）。
A/B 类放大器是A类放大器和B类放大器的组合折衷，它也使用dc偏置电流，但它远小于单纯的A类放大器。小的dc偏置电流足以防止交越失真，从而能提供良好的音质。其功耗介于A类放大器和B类放大器之间，但通常更接近于B类放大器。与B类放大器电路类似，A/B类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。
不幸的是，即使是精心设计A/B类放大器也有很大的功耗，因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。由于漏源极之间的电压降很大，所以会产生很大的瞬时功耗ids×vds。D类放大器由于具有不同的拓扑结构，其功耗远小于上面任何一类放大器。D类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲。这种波形有利于降低功耗，因为当输出晶体管在不导通时具有零电流，并且在导通时具有很低的vds，因而产生较小的功耗ids×vds 。
2.4 D类功放的特点
（1）效率高。在理想情况下，D类功放的效率为100%（实际效率可达90%左右）。B类功放的效率为78.5%（实际效率约50%），A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。这是因为D类功放的放大元件是处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。
理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降