原创 【TI博客大赛】基于MSP430F449的音频功放-1

本系统是以D类功率放大器为核心的实用音频放大器。系统通过前置放大电路对输入信号进行调理后，采用脉宽调制技术（PWM）对信号调制，利用占空比的变化控制功率开关管的导通与截止，然后对输出经过滤波实现音频信号的功率放大。系统最大不失真输出功率可达15W，具有四路音源选择功能，高、中、低音调调节功能，数字音量控制等一系列功能。系统还具有效率高达70%、输出噪声低、音源显示、音量显示等等特点，较好的到达了题目设计指标。

一 、系统指标分析

题目要求：设计并制作低频功率放大器。其原理示意图如下：

图1  原理示意图

具体实现要求有：输入信号幅度为（5～700）mV_pp 时最终最大不失真功率为大于15W。根据题目要求采用双电源供电不大于±20V负载8Ω，效率应该大于50%，输入短路时输出噪声低于400mV，还具有音调调节、音源选择以及数字或模拟音量控制功能。

以下就各功能实现进行方案论证。

二、系统方案论证

1、功率放大器方案论证

根据题目可分析本系统的核心即为功率放大部分，功率放大器根据其工作方式的不同可分为模拟功率放大器和数字功率放大器。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。数字功率放大器则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，一般也称为D类功率放大器。

1）功率放大器类型选择

方案一：采用模拟放大器作为系统的功率放大。

模拟放大器又可依据放大器的电流导通角分为A类、B类、AB类以及C类放大器。

（1）A类放大器。A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25％，且有较大的非线性失真。由于效率比较低，现在设计基本上不在再使用。

　　（2）B类放大器。B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示)，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时，

Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

（3）AB类放大器。AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

（4）C类放大器。C类放大器的特点为电流流通时间小于半个周期。其效率更高，失真更大，只用于高频功率放大器中。

图 2 A类功率放大器工作状态

图3  B类功率放大器工作状态

图4 C类功率放大器工作状态

方案二：采用数字放大器（即D类放大器）作为系统的功率放大器。

　  D类(数字音频功率)放大器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或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通断的音频功率放大器，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上去成是一个1比特的功率数模变换器。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，结构示意图如图4：

图5   D类放大器结构示意图

其具有以下特点：

　　1. 具有很高的效率，通常能够达到85%以上。

　　2. 体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

　　3. 无裂噪声接通。

4. 低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。

所以最终选用方案二，利用D类功率放大器的特性完成功率放大要求。

2）D类功率放大器主电路选择方案

方案一：采用功率放大集成芯片。由于本部分包括调制器、开关放大器以及滤波器，一般D类集成芯片内部均包含这些部分。但是依题目要求不能采取该方案。

方案二：采用分立器件搭建放大器电路。D类功率放大器的结构还可细分为如下部分：脉冲调制器包括三角波发生电路、比较器电路，开关放大电路包括PWM波形驱动电路、桥式变换电路，滤波器则主要为LC低通滤波器。

最终选用方案二。