音频放大器的设计

四川师范大学成都学院电路与电子技术课程设计数字音频放大器的设计学生姓名学号所在学院通信工程学院专业名称通信工程班级指导教师成绩四川师范大学成都学院二○一四年十二月课程设计任务书数字音频放大器的设计内容摘要：数字音频放大器是将输入音频模拟信号或PCM数字信息变换成PWM或PDM的脉冲信号用来控制大功率开关电路，经过低通滤波器整形实现数字信号的放大输出。

数字音頻放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器。

放大器由由三角波振荡器、前置放大电路、PWM比较器、驱动电路、功率放大电路和低通滤波器电路组成。

输入信号形成电路分PWM处理器和PDM处理两种,将输入信号的振幅变化变换成脉冲宽度的变化或脉冲密度的变化。

低通滤波器的作用是将脉冲波形整形成漂亮的模拟波形,即滤除PWM或PDM 信号的载波成分。

常采用功率损耗小的LC型滤波器。

本设计介绍了数字音频放大器的组成及原理，然后用QuartusⅡ软件进行仿真和模拟，用以验证实验。

关键词：PWM调制低通滤波数字音频The design of digital audio amplifier Abstract：Digital audio amplifier is an analog input audio signal or the PCM digital information into a PWM or PDM pulse signal for controlling the power switching circuit, low-pass digital filter shaping to achieve an amplified output signal.Also appears as a digital audio amplifier is a one bit digital to analog converter power. Amplifier by the triangular wave oscillator, preamplifier circuit, PWM comparator, the driving circuit, power amplifier and a low pass filter circuit.Input signal forming circuit of two PWM processor and sub-processor PDM, the amplitude of the input signal is converted into a variation or change in the pulse density of the pulse width changes.Low-pass filter is shaped to the pulse waveform beautiful analog waveform, i.e. the carrier component was filtered PWM or PDM signal. Often with a small power loss LC filter.This design introduces the constitution and the principles of digital audio amplifie r, and then use QuartusⅡ software simulation and modeling to verify the experiment.Keywords：PWM modulation Low-pass filtering Digital audio目录前言 (1)1 数字音频放大器的特点 (2)1.1 过载能力与功率储备 (2)1.2 功放的失真度比较 (2)2 数字音频放大器的原理 (3)2.1 数字音频放大器工作原理图 (3)2.2 数字音频放大器的组成 (4)2.2.1三角波振荡器 (4)2.2.2前置放大电路 (5)2.2.3PWM比较器 (6)2.2.4驱动电路 (8)2.2.5功率放大电路 (8)2.2.6低通滤波器电路 (9)2.2.7 电源模块 (10)3 系统仿真及问题分析 (10)4 结束语 (11)附录 (13)附录1：芯片参考资料 (13)附录2：芯片管脚图 (14)附录3：电路原理图 (15)参考文献 (16)数字音频放大器的设计前言音频放大器发展至今也有近一个世纪的历史了，时至今日音频放大器仍在不断的发展更新。

随着音频市场的发展，近几年数字市（互联网、数字网络、无线数字通信）场也发生巨大的改变，各种数字音源相继出现（如MP3、Mini-Disk、DVD等）。

现目前的便携式电子设备发展迅猛，从通信功能的移动手机到娱乐功能的MP3都有数字音频，也需要用到数字音频放大器。

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、B类和AB类，而出现了更多类别的放大器。

D类放大器孕育而生，这类放大器特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制(PWM)。

而纯数字音频放大器是基于PCM数字的数字处理技术，这些数据来自CD、DVD、Mini-Disk、HDTV、数字卫星广播、数字音频磁带播放机、MP3播放机、家庭网络、本地网以及从互联网上下载的音频信息等数字源。

不经数/模或模/数转换，线性编码音频PCM（采样率是32～192KHz）信号可被直接重射进强电流PWM脉冲内，然后送到扬声器，其间只有一个普通无源滤波器。

对于小型产品，数字放大器除了提供极高质量的音频信号外，还具有功效高、体积小、重量轻、散热少等优点。

高功效意味着可延长电池寿命，并使产品的体积最小、重量最轻，由于不需要散热片，这种小型化可以实现。

另外由于所需的功率只比提供给负载的稍微多一点，故电源也可更小。

总的来说，机壳会更小，结构上也不用考虑太多散热问题，设计更加灵活了。

最佳内部结构可符合EMI要求且不再需要特殊屏蔽。

音频信号曲线现在已从模拟完全转向数字了。

因此，数字放大器也会与PC 或其它数字设备一样在相对较短的时间内有巨大的改变。

消费者可以预计这种放大器会成为含有对解码、3D、均衡及音量、音调控制等进行数字音频处理能力的单一、完整器件。

1 数字音频放大器的特点1.1 过载能力与功率储备数字音频电路的过载能力远远高于模拟电路。

模拟放大电路分为A类、B类或AB类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管工作在饱和区，出现谐波失真，失真程度呈指数级增加，音质迅速变坏。

而数字放大在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功放管不损坏，失真度不会迅速增加，如下图1-1所示。

图1-1 数字音频放大器原理框图由于数字音频电路采用开关放大电路，效率极高，可达75%~90%（模拟功放效率仅为30%~50%），在工作时基本不发热。

因此它没有模拟电路的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，加之前后无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“动力”特性，瞬态响应好，“爆棚感”极强。

1.2 功放的失真度比较晶体管在小电流时的非线性特性会引起模拟功放在输出波形正负交叉处的失真（小信号时的晶体管会工作在截止区，此时无电流通过，导致输出严重失真）称为交越失真，交越失真是模拟功放天生的缺陷；而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。

模拟功放存在推挽对管特性不一致而造成输出波形上下不对称的失配失真，因此在设计推挽放大电路时，对功放管的要求非常严格，即使如此也未必能够做到完全对称。

而数字功放对开关管的配对无特殊要求，无须严格匹配；模拟功放为保证其电声指标，几乎无一例外都采用负反馈电路，在负反馈电路中，为抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而会产生瞬态互调失真。

数字功放在功率转换上无须反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。

1.3 高效率性由于数字放大电路采用开关放大电路，效率极高，可达75%～95%（模拟功放一般仅为30%～50%，甚至更低），在工作时发热量非常小。

功率器件均工作在开关状态，因此它基本上没有模拟功放的静态电流损耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，而且瞬态响应好。

2 数字音频放大器的原理 本文中的数字音频放大器是将音频模拟信号与三角波信号比较变换成PWM 脉冲方波信号用来控制大功率开关电路，经过低通滤波器的滤波整形实现信号的放大输出。

数字音频放大器采用脉冲宽度调制PWM 系统和开关电源供电音频信号。

全部信息被调制在PWM 信号的宽度变化中，功率管工作在饱和、截止两种状态，失真小、效率高。

其工作原理是将模拟音频信号经PWM 设备调制成数字信号；然后高效功率放大、低频滤波；解调信号后，驱动扬声器。

2.1 数字音频放大器工作原理图输出 图2-1 数字音频放大器原理框图图2-2 工作波形示意图图2-1为数字音频放大器原理框图，包括两个部分。

第一部分是脉宽调制部分，输入的音频信号经电压放大后，与固定频率的三角波相比较，比较器输出宽度被调制的高、低电平，并放大成合适的电压值。

第二部分是功率放大部分，被放大后的PWM 信号通过驱动电路控制功率放大电路，经低通滤波器滤波后，进行输出。

图2-2为工作波形示意图，其中(a)为输入信号；(b)为锯齿波与输入信号进行比较的波形；(c)为调制器输出的脉冲(调宽脉冲)；(d)为功率放大器放大后的调宽脉冲；(e)为低通滤波后的放大信号。

2.2 数字音频放大器的组成数字音频放大器由三角波振荡器、前置放大电路、PWM 比较器、驱动电路、功率放大电路和低通滤波器电路组成。

接下来我将一一介绍数字音频放大器各部分的组成。

2.2.1 三角波振荡器三角波发生电路如图2-3所示，三角波是对输入音频信号进行抽样的载波，对此有两方面的要求：其一，调制后的信号可以被完整地恢复。

根据Nyquist 采样定理，三角波的频率至少是音频信号最高频率的两倍，人类听到的声频范围是20 Hz~20kHz ，说明三角波的频率应在40 kHz 以上。

为确保音频信号的采样本设计采用三角波的频率为200 kHz ；其二，三角波要有稳定的频率和幅度，否则，调制后的脉宽会产生变形，从而降低音频输出的信噪比，音质变差，噪声增大。

在高频的情况下，产生频率、幅度稳定的三角波，对一般的波形发生器来说很难实现。

在此，我们采用德州仪器生产的SN74HC14N 芯片，该芯片为施密特触发器，其输入电压为2～6V 。

它能将输入的正弦波变换成方波，然后经NE5532A 芯片积分，以产生频率200KHZ ，幅值2V 的三角波。