数字功放电路设计
1+BIT+全数字音频功率放大系统+39页+2.6M
三、仿真要求
仿真工作重点在于对影响整机性能指标的数字信号处理部分、1BIT 功放部分和输出级 低通滤波部分进行分析。 其中数字处理部分的方案和算法将很大程度上决定了信噪比的重要 参数；1BIT 功放部分和输出级低通滤波部分的电路设计和优化是进一步提高整机指标的关 键，因此应将上述几部分联合起来仿真分析。
四、 本电路特点
本电路为 1BIT 全数字功率放大电路，与国内现有的产品相比，具有以下特点：
1、采用自行开发有自主知识产权的超大规模集成电路。该电路采用 8 倍超取样数字滤
3
波，多级噪声整形和△-∑调制，13 级到 24 级 PWM 信号输出的方案,保证了整个系 统的频响特性。
2、可兼容不同 BIT 数和不同格式数字音频信号。 数字信号选择器可实现对数字音频信
二、 数字功放的特点
1、高保真。数字功放的交越失真、失配失真和瞬态互调失真均小。 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。 2、高效率，可达７５％～９５％。 由于数字功放采用开关放大电路，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。 3、过载能力与功率储备能力强 数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。模拟功放分为 A 类、B 类或ＡＢ类等几类 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，出现削 顶失真，失真呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截
D类功率放大器电路设计与调试
D类功率放大器电路设计与调试D类放大器（数字音频功率）是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM （脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PWM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器。
D类放大或数字式放大器，是利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的，经常被用于高效率的音频放大器中。
在高保真音响设备和更高档的家庭影院设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率，这时，低失真、高效率的音频放大器就显得颇为重要，本文从实用角度出发，设计了一款低失真、高效率的音频放大器，与传统放大器相比，本放大器在效率、体积以及功率消耗方面具有明显的优势，它产生的热量小且为传统放大器的一半，其效率在78%以上，而传统的放大器效率仅在50%左右。
1 系统设计1.1 总体设计分析本系统由高效率功率放大器（D类音频功率放大器）、信号变换电路、外接测试仪表组成，系统框图如图1所示。
图1 系统方框图1.2 D类功放的设计D类放大器的架构有对称与非对称两大类，在此讨论的D类功放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。
D类功率放大器由PWM电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图2所示。
图2 D类音频功率放大器组成框图采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号幅度对三角波开展调制，得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。
采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。
全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。
实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。
2 硬件电路设计2.1 原理分析D类功率放大器的工作过程是：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，控制开关单元的开/关，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器工作。
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。
音频功率放大器设计
1 绪论随着时代科技的高速发展，大量的电子设备应运而生。
在现实生活中，绝大部分电子设备都离不开音频信号的处理，高效率音频放大器直接影响到了许多电子产品的质量。
传统的音频功放工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁。
功率输出受到限制。
低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。
高效率功率音频功率放大器设计的关键是功率放大器放大电路的研究，提高功放的效率的根本途径是减小功放管的功耗。
方法之一是减小功放管的导通角，增大其在一个信号周期内的截止时间，从而减小管子所消耗的平均功率，高频大功率放大电路中，功放工作处于丙类（C类）状态。
方法之二是使功放管工作处于开关状态（即D类状态），此时管子仅在饱和导通时消耗功率，而且由于管压降很小，故无论电流大小，管子的瞬时功率都不大，因此管子的平均功耗也就不大，电路的效率必然提高，但是应当指出，当功放中的功放管工作在C类或D类状态时，集电极电流将严重失真，因此必须采取措施消除失真，如采用谐振功率放大电路，从而使负载获得基本不失真的信号功率[1]。
1.1设计高效率功率音频功率放大器的目的和意义音频领域数字化的浪潮以及人们对音频节能环保的要求，要求我们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。
传统的音频功率放大器工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，仍然很难满足大功率输出；而且需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路。
这次音频功率放大器的设计为了达到高效率的设计，采用D类功率放大器，D 功放是基于脉冲宽度调制技术的开关放大器，包括脉冲宽度调制器，功率桥电路，低通滤波器。
这种类型的功放已经展示出了良好的性能，要想设计出并实现电源效率高于90%，THD低于0.01%，低电磁噪音的D类功率放大器，或者甚至包括能将高保真音质技术引入的D类的放大器[2]。
D类功放的设计原理
D类功放的设计原理D类功放，全称为“数字功率放大器”，是一种电子功率放大器的类型，它的设计原理基于数字信号的处理和模拟功率放大电路的协同工作。
相比于传统的A类、B类、AB类功放，D类功放具有更高的功率效率，更小的尺寸和重量，更好的线性度，以及更低的功率损耗。
下面将详细介绍D类功放的设计原理。
1.PWM调制原理D类功放的核心设计原理是采用脉宽调制（PWM）技术。
PWM是一种通过调整信号的脉冲宽度来控制平均输出功率的方法。
D类功放通过将原始的模拟音频信号转换为数字信号，并通过比较器产生一个与模拟信号频率相同的矩形波，然后根据输入音频信号的幅值调整矩形波的脉宽，最后通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。
2.数字信号处理D类功放的设计中需要进行数字信号处理。
首先，输入的模拟音频信号需要经过模数转换器（ADC）转换为数字信号，然后通过数字信号处理器（DSP）进行数字信号的滤波、均衡、增益控制等处理，最后再经过数字模数转换器（DAC）转换回模拟信号。
3.比较器比较器是D类功放中的一个关键组件，用于将模拟音频信号与产生的PWM矩形波进行比较。
比较器的作用是根据输入信号的幅值调整PWM信号的脉宽，从而控制输出功率。
比较器通常由操作放大器和参考电压产生器组成。
4.滤波器在PWM调制之后，需要通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。
滤波器的作用是去除PWM信号中的高频分量，保留音频信号的低频成分。
常见的滤波器类型包括低通滤波器和带通滤波器。
5.输出级D类功放的输出级通常采用开关管（如MOSFET）构成。
开关管的特点是具有较低的开通电阻和较高的关断电阻，从而实现更小的功率损耗和更高的功率效率。
输出级通常由多个开关管组成，根据功率需求可以并联或串联排列。
输出级的设计需要考虑电压和电流的控制，包括过电压和过电流的保护。
6.反馈控制为了提高D类功放的线性度和稳定性，通常需要采用反馈控制。
通过对输出信号与输入信号进行比较，调整PWM信号的脉宽和幅值，以使输出信号尽可能接近输入信号。
TPA3116D2的D类数字功放设计与制作
[9]倪磊.D类音频功率放大器的分析和设计要素[J].电子与封装,2008(06):21-25+29.
[10] 曾宝国,曾妍.D类功率放大器的原理及应用[J].科技资讯,2008(03):18-19.
西安交通工程学院
毕业设计（论文）中期检查表
学院
电气工程学院
专业
电气工程及其自动化
学生姓名
周杰
学号
14033030150
班级
电气1401
导师姓名
聂怡波
职称
高级工程师
单位
题目名称
基于TPA3116D2的D类数字功放设计制作
检查内容
检查结果
题目是否更换及更换原因
学生出勤情况
进度评价
（完成总工作量的百分比）
本文档中的功率器件D类音频放大器通过高频PWM信号，使其在一个开关处工作，从理论上讲，它的效率可达到100％，但它的缺点是产生高频干扰和噪声，但如果精心设计低通滤波器件的参数，其音质和噪声能够充分满足人们的需求。
第二章 功率放大器
2.1简介
把音源器材输出的信号扩大是功率放大器存在的意义, 使信号有充足的功率让音响发声同时又具有满意的性能。功率放大器在状态高电流和高电压下运行, 因此在制造、安装和调试功率放大器的过程中, 每一步直接影响到功放的正常运行和回放质量的声音工作等上。前置放大器接管基于多种来源的控制, 并加强微弱信号的 0.5～1 V, 各种质量控制过程信号, 以提高声音。功率放大器,这是音频信号前置放大器输出的功率放大器, 以驱动扬声器发出声音。
[2] 张杰,张兢,徐勤,王玉菡.“模拟电子技术基础”入门教学方法探讨[J].中国电力教育,2010(01):103-104.
功率放大器的设计
课程设计任务书学生姓名：专业班级：电子1003班指导教师：葛华工作单位：信息工程学院题目: 功率放大器的设计初始条件：计算机、Proteus软件、Cadence软件要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：2周2、技术要求：（1）学习Proteus软件和Cadence软件。
（2）设计一个功率放大器电路。
（3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电路进行仿真。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：2013.11.11做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。
2013.11.11-11.16学习Proteus软件和Cadence软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。
2013.11.17-11.21对功率放大器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
2013.11.22 提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)Abstract (II)1 功放的工作原理及分类 (1)1.1功放的工作原理 (1)1.2功放的分类 (1)2 软件介绍 (2)2.1 Proteus (2)2.1.1 Proteus简介 (2)2.1.2工作界面 (2)2.1.3 对象的放置和编辑 (3)2.1.4 连线 (4)2.2Cadence软件 (4)2.2.1 Cadence简介 (4)2.2.2 Cadence软件的特点 (4)2.2.3电路PCB的设计步骤 (4)3 设计方案 (6)3.1 运算放大电路的设计 (6)3.2 功率放大电路的设计 (7)3.3 音频功率放大电路 (9)3.4方案总结及仿真 (10)4 Candence软件操作 (11)4.1 Cadence画电路原理图 (11)4.2 布线及PCB图 (11)4.2.1布线注意事项 (11)4.2.2 PCB制作 (12)5.心得体会 (14)6.参考文献 (15)摘要功率放大器（英文名称：power amplifier），简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。
数字音频功放处理芯片设计与实现
数字音频功放处理芯片设计与实现1 引言目前，数字技术在人类文明中发挥着越来越重要的作用，正成为生活中必不可少的部分。
"数字功放电路"是指用数字技术对音频信号进行处理，使模拟的音频信号转换为数字信号，并最终以脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM )或脉冲密度调制(PulseDensity Modulation，PDM)的方式，驱动大功率开关晶体管(一般用M OS场效应管)，并经一个LC电路进行∑变换后得到模拟的音频信号，并滤除高频脉冲成分，然后驱动扬声器放音。
与传统的模拟功放相比，数字功放的优点有：(1)数字功放的效率高，在80％以上，像TI的TPA203XDl系列最高可达到88％，APOGEE的DDX8000效率为90％，在工作时发热非常小；而模拟功放的AB类功放效率最高也只有60％，若是纯A类功放的效率也只有30％左右。
经过对比，在输出相同功率的情况下，数字功放的发热量只有AB类功放发热量的25％左右；而耗电量只有AB类的60％左右。
(2)数字功放的音质可以同纯A类相媲美，但A类的效率极低，容易发热，功率不容易做大；AB类音质较差，在小信号时容易出现交越失真，功率大时也容易发热。
相比之下数字功放有功率大、效能高、失真低的优点。
(3)抗干扰能力强，数字功放的信号放大部分采用数字放大方式，因为数字信号不容易受到外界杂散电波的干扰。
数字功放的放大工作方式是：把输入的模拟信号先转换成数字信号，再把数字信号进行放大处理。
而模拟功放直接对输入的信号放大，模拟信号容易受到外界杂散电波的干扰，产生一些杂音，影响整机性能。
(4)适合于大批量生产，由于产品的一致性好，所以生产中无须调试，只保证元器件正确安装即可。
数字功率放大器主要分为数字信号处理、桥式功率放大和低阶模拟低通滤波器3个部分。
音频信号处理作用是对输入的数字音频信号[脉冲编码调制(PulseCode Mod ulation，PCM)编码]进行过采样、噪声整形、重新量化编码成PWM形式的输出。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
数字功放电路设计
在很多个人计算机或小家电音响数字功放设计中，电源部分由市电经整流、滤波和稳压电路等处理后供给，电路复杂，而且体积大而重。
本方案音响功放采用了SWITCH-MODE POWER SUPPLY，使得供电变的简单灵活更实用，且低成本，低功耗，体积小，效率高，设计灵活使用方便的数字功率放大技术。
图1
1、方案设计
图1是功放电路原理图，功能模块上主要有：供电部分，信号输入部分、信号处理功率放大部分、输出部分最后由扬声器或喇叭输出的解决方案。
为实
现上述目的，本方案提出用9v或1 2 V直流稳压电源即通用的S W I T C H-MODE POWER SUPPLY供电。
输入端是直接从数码信号源如PC音频输出端、CD唱机、DVD影碟机、DVD Audio以及LCD或DTV数码电视等输入的数码音频信号，而不是经过ADC模数转换或DAC数模转换处理的音乐模拟信号。
所述功率放大电路主要由，供电电路、信号输入、功放IC处理以及信号输出组成。
输出部分由扬声器或喇叭组成。
本方案所要达到的效果是：通过电路分析信号输入与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰，由于采用无负反馈的放大电路、低通滤波器等处理，可以将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在20Hz-20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性，使得整个频段内无相对相移，声场定位准确。
另外，由于它不需传统音响功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“动力”特征，即"动态特性"好。
除此之外，如附图2所示：LC滤波器的差分实现，它们为滤波器提供相反极性的脉冲，其中滤波器包含两个电感器、两个电容器和扬声器。
2、具体实施方式及应用
如附图1所示：本方案的音响功放的信号流向如下所述：右声道信号（SP_IN_R）由R5，C2的RC串联电路送入功放IC的RINP脚，经IC处理一路由BSRP脚输出给由C13，L2，C17组成的LC低通滤波电路，最后输出给终端SP_OUT_R+；另一路由BSRN脚输出给由C16，L3，C18组成的LC低通滤波电路，最后输出给终端SP_OUT_R-;右声道地信号由RINN脚进入。
左声道信号（SP_IN_L）由R6，C4的RC串联电路送入功放IC的LINP脚，经IC处理一路由BSLP脚输出给由C6，L6，C10组成的LC低通滤波电路，最后输出给终端SP_OUT_-；另一路由BSLN脚输出给由C9，L7，C11组成的LC低通滤波电路，最后输出给终端SP_OUT_L+;右声道地信号由RINN脚进入。
图2是功放的低通滤波器电路图。
图2
在输出级和扬声器之间插入一个低通滤波器以将电磁干扰（EMI）减至最小，并且避免以太多的高频能量驱动扬声器。
为了保持开关输出级的功耗优点，要求该滤波器（见图1）是无损的（或接近于无损）。
低通滤波器通常采用电容器和电感器，只有扬声器是耗能元件。
3、结语
本方案音响功放创新的采用了SWITCH-MODE POWER SUPPLY，使得供电变的简单灵活更实用。
更为重要的是成功实现了用一块芯片就实现了将数字信号源与数字处理直接结合起来提供端到端数字音频系统。
简化了电路设计，容易实现。