大学毕业总结

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半导体技术的进步使D类放大器在便携类，消费类电子产品领域再次受到关注。D类功率放大器的理论早在上世纪60年代就已经提出，但是由于当时晶体管反向器的转换速率较低，难以把载波干扰信号输入从输入信号中区分开来，输出信号有较大的失真，所以并未得到很大的发展。D类功率放大器又称开关型功率放大器，相比传统的A,B,C,AB类功率放大器，其具有高效、节能、数字化、体积小、重量轻的特点，适应便携设备高效节能的客观需求,从而在音频模拟集成领域具有很大的优势。随着设计技术的不断进步,D类功率放大器的性能指标也逐步提高。D类放大器，既能提供高效率又能实现高音频性能。本文采用龙鼎微电子公司推出的PAM8610设计制作的D类音频放大系统，有着优秀的主观听感和毫无生硬刺耳、令人不快的声音，不仅节省了输出量的电感和电容，节省了PCB面积，而且确保了量产时音质的一致性和可靠性，广泛适用于平板电视，LCD监视器，投影电视，多媒体播放系统，DVD播放器，游戏机，BoomBox,音乐设备等。关键词：A类音频功率放大器，B类音频功率放大器，C类音频功率放大器，AB音频功率放大器类，D类音频功率放大器，PAM8610

1AbstractSemiconductortechnologyprogressmadeinportabletypeDamplifier,consumerelectronicsfieldagain.ThetheoryofclassDpoweramplifierbackinthelastcentury60's,hashadraised,butduetotransistorinverteratlowerconversionrate,itisdifficulttointerferewiththecarriersignalinputfromtheinputsignaltodistinguishtheoutputsignalhasalargerdistortion,soitdidnotgetmuchdevelopment.ClassDswitchingpoweramplifierpoweramplifier,alsoknownascomparedtothetraditionalA,B,C,ABpoweramplifier,itshighefficiency,energysaving,digital,smallsize,lightweightcharacteristics,energyefficientportabledevicestoadapttotheobjectiveneedsoftointegrationinthefieldofanalogaudiohasagreatadvantage.Withthedesigntechnologyadvances,DPowerAmplifierperformanceisgraduallyimproving.ClassDamplifiers,notonlytoprovideefficientandcanachievehighaudioperformance.Inthispaper,thePAM8610PowerAnalogMicroelectronicsIntroducesClassDdesignoftheaudioamplificationsystem,withgoodsoundeffectandnostiffharsh,unpleasantvoice,notonlysavestheoutputinductorsandcapacitors,savingPCBarea,andensureproductionconsistencyandreliabilitywhenthesoundquality,widelyusedinflat-panelTVs,LCDmonitors,projectionTV,multimediaplaybacksystems,DVDplayers,gameconsoles,BoomBox,musicequipmentandsoon.Keywords：Aclass,,Bclass,Cclass,ABclass,Daudiopoweramplifier,,PAM8610

2摘要IAbstract111绪言1L1课题背景11.2本文的工作和意义21.3国内外概况31.4本文的组织结构42功率放大器原理52.1音响基础知识52.1.1声音的基本特性52.1.2音响的结构及参数52.2功率放大器基本理论62.2.2AV功放72.23功放的分类72.3传统功率放大器82.3.1A类功率放大器82.3.2B类功率放大器92.3.3AB类功率放大器112.3.4C类功率放大器112.4D类功率放大器概论113系统设计153.1PAM8610芯片简介153.2PAM8610性能参数163.3利用PAM8610芯片设计D类功率放大器163.3.1系统参数163.3.3EMI对策17

33.3.4PAM8610测量183.3.5印刷电路板（PCB）设计技术194总结21致谢22参考文献23独创性声明24学位论文（设计）版权使用授权书25

41绪言1.1课题背景近年来，半导体技术的进步使D类放大器在便携类，消费类电子产品领域再次受到关注。D类功率放大器的理论早在上世纪60年代就已经提出，但是由于当时晶体管反向器的转换速率较低，难以把载波干扰信号从输入信号中区分开来，输出信号有较大的失真，所以并未得到很大的发展。上世纪80年代后，M0S管的开关频率大大提高，由它构成的反向器的工作频率能够达到250KHZ以上，由分立电子元件设计的D类功率放大器开始出现，但是由于分立元件的较大体积和能耗，其优势未能充分发挥出来，难以与传统的A类，B类，AB类功率放大器竞争。90年代以后，以大规模集成电路为代表的半导体技术为D类功率放大器注入了新的活力，使其再次得到较大发展⑴D类功率放大器又称开关型功率放大器，具有高效、节能、数字化、体积小、重量轻的特点,适应便携设备高效节能的客观需求，从而在音频模拟集成领域具有很大的优势。随着设计技术的不断进步,D类功率放大器的性能指标也逐步提高。D类放大器，既能提供高效率又能实现高音频性能。它使用脉冲宽度调制（PWM）来把输入信号转换成方波信号，再去驱动输出级功率晶体管。可以有多种方法来产生PWM信号，最常用的方法是采用三角波载波与输入信号相比较。另外还可以对数字信号直接使用数字信号处理（DSP）的方法得到PWM信号。D类功率放大器中的高效率来自于输出级功率晶体管工作在开关状态下，没有静态电流功耗。D类功率放大器的保真度曾经不及传统的功率放大器，但随着M0S管速度的提高，已经可以得到较高的PWM信号，现在的D类功率放大器的保真度已经可以和AB类功率放大器媲美⑵。D类功率放大器最引人注目的特点在于其极高的效率，一般可达90%左右，这使其对于传统的A类和AB类功率放大器具有突出的优点。D类功率放大器对于电源电流的要求有较大降低，设备中电池的使用时间大大加长。采用D类功率放大器的设备可以使用较小的电池代替原有的大电池，减小的设备体积，降低了成本?历史上出现过三代D类放大器设计：第一代的范例是由托卡塔设计的TacTMillennium,它证实了D类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器，从而获得了一定的应用。第三代是最近一段时间，现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善,他

5们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。最后还不能忽视新的架构技术⑷。1.2本文的工作和意义D类音频功率放大器具有小尺寸、高效率的优势。利用D类功率放大器可以设计出更小更薄和更有效率的电子产品，可延长便携式产品电池的使用时间，因此在业界普遍得到认可。手机、DVD、MP3和PMP等多媒体产品的普及，尤其加速了D类功率放大器在便携式电子产品中的使用。本文基于龙鼎微电子公司推出的PAM8610o它是一片10W(每声道)，无输出LC滤波器并且带有直流音量控制的D类立体声音频放大器,PAM8610的新一代无滤波器技术实现了低EMI,低失真以及在音频范围内平直的频率响应,这种技术已经申请了美国专利，使用PAM8610的D类音频放大系统不仅节省了输出量的4个电感和电容，节省了PCB面积,而且确保了量产时音质的一致性和可靠性.目前.PAM推出了从1W到25W功率等级的D类放大器ICoPAM8610支持全套查分输入和单端输入。全查分输入架构大大提高了共模抑制比(CMRR)和纹波抑制比音量控制,PAM8610内部有32级的数字音量电位器实现-40db至lj+36db的音量控制，具体的音量大小由Volume引脚的直流电压决定。另外，可供客户选择的FADE模式可以使开机音量淡入.PAM8610内部有完善的短路保护和过热关断功能，为40脚的QFN6*6封装,在IC底部的导热铜板可以使IC的热量迅速传到PCB铜箔并散失到周围环境中⑸。PAM8610采用全新的电路结构，有着优秀的主观听感，毫无生硬刺耳令人不快的声音。PAM8610在12v电源电压、8Q负载、输出功率5W的时候，当对输出波形进行快速傅里叶变换，可以看到二次谐波失真为一65dB,三次谐波失真-80dB,失真频谱主要是偶次谐波成分。PAM8610这种类似电子管放大器的音频特性，可以得到温暖甜美的音色。同时它采用领先的无滤波调制技术，没有死区时间的约束，可以实现小信号的精确还原。输出级开关动作的次数只有目前流行的无滤波调制方式的一半，EMI特性非常优秀⑹。本文首先对比研究了各种传统功率放大器的原理特点呢，然后细致研究并设计了基于PAM8610芯片的D类立体声音频功率放大器。其输出功率为2X3W(负载4Q),数字音量控制64级，用两个按键实现，稳压电源电压+5V,其THD<10%—1.3国内外概况IMSResearch报告指出，2007年全球音频放大器市场产值已突破10亿美元，其中AB类音频放大器约占整体出货量的60%,

6但未来数年内，在手机、笔记本电脑与家庭影音系统等应用的贡献下，放大器的成长将快速攀升，预估D类放大器的产值至2011年将可较2006年增长两倍。另根据市场研究机构Gartner的预测，全球D类音频放大器市场规模将从2006年的3.34亿美元成长到2011年的6.88亿美元，年复合成长率高达15.6%o在这波增长中，最主要的驱动力来自液晶电视(LCDTV),而估计2009年全球液晶电视出货量仍可望成长25%,达1.26亿，以此为基础，D类放大器的增长自然是水涨船高。同样根据Gartner的报告，平板电视领域的D类音频放大器的年销售额将在2011年增长至3.59亿美元，年复合成长率达14.7%o除了液晶电视等大功率需求在近几年的明显提升外，随着D类和AB类放大器价差的接近，中低功率的应用，例如立体收音机、手机及笔记本电脑等也是不可忽视的成长力量，这些也是目前台湾地区模拟IC公司主攻的市场。在手机方面，随着手机喇叭输出功率越来越高，且D类放大器价格愈趋下降，D类放大器全面取代AB类放大器已是指日可待。在笔记本电脑市场情况亦然，D类放大器可节省功耗，对于亟需延长电池寿命的笔记本电脑而言无疑是较佳的选择。探究D类放大器产业生态，数年前该市场几乎是德州仪器、意法半导体、亚德诺(ADI)、美国国家半导体等外商盘踞的局面，其中尤以德州仪器市占率最高。不过，近几年随着台湾地区模拟业者的研发渐有成果，加上该地区晶圆代工业者提供模拟及混合信号制程的能力精进，使得台湾地区IC设计业者也能成功推出相关产品，例如瑞昱、茂达、普诚、德信、晶豪与震一等。据茂达科技介绍，该公司于两年前推出D类放大器，目前在台湾地区手机代工市场的占有率已达四分之一，另外的应用领域则包括便携式设备、便携式导航装置(PND)、液晶电视与显示器以及笔记本电脑等，其中尤以家用音响市场为主攻领域，如iPod扩充基座(Docking)等应用。其中，型号APA2600的D类音频放大器IC为采用薄型TQFN3x3-16无铅封装及新式调制方式，可有效节省PCB面积。其转换效率高达86%,无需外接散热片，输出功率在电源为5伏特时，4欧姆喇叭为2.8W；全差动结构与全桥式输出具备高效噪声抑制能力，具备短路及过热保护。普诚科技也锁定手机、便携式电子产品等领域。该公司所推出的立体声音频功率放大器PT2004与同类型产品TPA2012管脚兼容，是一款无需滤波器的2.2瓦立体声D类音频功率放大器，设有完善的冲击声抑制功能，可有效消除开/关机时的噪声。由以上厂商的产品导向可知，台湾地区D类音频放大器IC多应用于手机及便携式产品，至于高功率领域则仍由外商把持。不过，成立于2001年的德信科技在2006年推出手机用D类音频放大器后，2007年发表2.7瓦、双声道、免滤波式D类放大器，并于2008年下半年推出10W产品EUA2101,它是一颗拥有双通道桥接式(BTL)组态的高效率D类功率放大器。其输出功率在操作电压为12V旦输出负载为8欧姆喇叭环境中，当总谐波失真为10%时可连续输出10W的功率。同时芯片内部也具备短路保护及过温保护电路等机制，以避免在错误的操作条件下芯片被毁损。此外，该公司现正规划20瓦以上的高功率D

7类放大器产品线。得注意的是，相较于国外大厂具备与DSP整合的能力，台湾地区方面仅有瑞昱推出DSP整合方案。瑞昱半导体在2008年曾发表D类音频放大器芯片ALCU3、嵌入D类音频放大器的HD音效芯片ALC889,高整合型HD音效芯片ALC269等。其中，ALC113是一高度整合、具立体声效果的D类音频放大器芯片，可支持达四组音频输入，同时通过12c控制接口，可进行输出增益调节、音量调整等功能。瑞昱半导体音频产品经理王柏智特别指出，这是第一个结合了多音频输入和耳机放大器的高效能立体声效果D类音频放大器。至于ALC269则是一高度整合型高清音效芯片。ALC269结合了内建喇叭所需要使用每声道2瓦特的D类立体声音频放大器，可让笔记本电脑制造商缩减物料成本，提供了外部线路精简的设计，并缩小音效应用线路布局面积⑻。1.3本文的组织结构本文的内容安排如下1简介了D类功率放大器的发展前沿和应用领域，介绍了其突出的优点。2对比介绍了各种传统功率放大器和D类功率放大器的原理和特点。3详细介绍了电路中各个部分的设计电路,工作原理和模拟结果。4本文的结论部分，对整个论文工作进行系统的总结，对于下一步的工作提出自己的看法。2功率放大器原理2.1音响基础知识2.1.1声音的基本特性音量：它与声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听音的主观感觉。音调：是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量“频率”对应。人耳的听觉范围：20Hz—20KHz称之为可听声，低于20Hz称为次声，高于20KHz称为超声，人耳对3KHz—4KHz的声音最为敏感。音色：又叫做音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功率放大器的偶次谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳，清丽⑻。2.1.2音响的结构及参数

8前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对各种节目源信号进行选择和处理，对微弱信号将其放大到0.5—1V,进行各种音质控制，以美化音色。功率放大器，承担放大义务，是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，以推动扬声器发声。有电压放大和电流放大之分，要求是宏亮而不失真。2.1.2放大器的技术指标(1)额定功率音响放大器输出失真度小于某一数值(VI%)的最大功率成为额定功率,表达式：七，u。为负载两端的最大不失真电压，Rl为额定负载阻抗。其测量条件为信号发生器输出频率为lKHz,电压Ui=20mV的正弦信号。功率放大器的输出端接额定负载电阻比(代替扬声器)，输入端接U”逐渐增大输入电压L，直到U。的波形刚好不出现失真，此时对应的输出电压为最大输出电压。测量后应迅速减小U，以免损坏功率放大器。(2)频率响应放大器的电压增益相对于中音频f。(IKHz)的电压增益下降3dB时所对应的低音音频fl和高音音频f„称为放大器的频率响应。测量条件如下：调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的50%,输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率从20Hz—20KHz（保持Uj=20mV不变）测量负载电阻上对应的输出电压U。。（3）输入灵敏度使音响放大器输入额定功率时所需要的输入电压（有效值）成为灵敏度。（4）噪声电压使输入为零时，输出负载比上的电压称为噪声电压。测量时使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载R：的电压波形，用交流电压表测量其有效值。（5）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（6）输出阻抗功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。（7）阻尼系数阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力用。

92.2功率放大器基本理论理想的功率放大器是将较小的功率的信号不失真放大到负载所需要的程度。根据工作方式的不同，功率放大器可主要分为线性功率放大器和非线性功率放大器。功放的工作原理就是将音源播放的各种声音信号进行放大，以推动音箱发出声音。从技术角度看，功放好比一台电流的调制器，它将交流电转变对直流电，然后受音源播放的声音信号控制，将不同大小的电流，按照不同的频率传输给音箱，这样音箱就发同相应大小、相应频率的声音了。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。按当前音响消费的需求，民用音响中的功放已基本定型为两大类，即纯音乐功放和家庭影院AV功放2.2.1纯音乐功放纯音乐功放在设计上强调最低的信号失真，忠实地表现出音乐的场面、细节和演奏、录制的技巧以满足人们对音乐的最佳欣赏要求，这就是人们常说的HI-FI（hi-fidelity,高保真）。在设计和生产上，纯音乐功放的要求极为严格。纯音乐功放品质的高低并不完全由它的技术指标所决定，不能简单地看它标注的功率多少高，频响多么宽，失真多么低，而应该特别注重其设计生产工艺和音乐的解晰力。比如技术指标并不太高的胆机就要比很多晶体管功放声音好听。2.2.2AV功放一般来说包括功放部分和信号处理部分。其功放部分原理上与传统功放没有什么区别，只不过增加了几个声道，也就是将几个功放结合在了一起；其信号控制处理部分涉及信号的音频、视频选择、信号解码处理、信号声场处理以及收音、监听等功能。一般一台高品质的AV功放首先应该在影视节目的信号处理上有较好的声场还原，声道隔离度要高，气氛渲染也不能太夸张；其次在功放部分的音质表现上，尤其是主声道的音质要求尽量接近较好的纯音乐功放皿。2.23功放的分类

10功放一般分为前级功放、后级功放与合并级功放，所谓的合并机就是把前级、后级集于一身的机器。其前级是用来把信号作初步放大、调节音量的；而后级则是把前级来的信号作大量放大来推动扬声器。前级也分为有源及无源两种。有源的前级是使用电源把信号放大，而无源的前级就只有调节音量的功效。老实讲，当今成功的无源前级不多，因为音源与后级的内阻有很大分别，只靠一个音量开关把音源与后级连接起来，其内阻的差别会使动态、细节、频应尽失！有源的前级除了调节音量外，还可作初部广大及降低音源及后级间内阻之别，即用作缓冲。后级是把从前级来的信号放大给杨声器用的，后级必须够力去推动扬声器。所谓够力，不是指越大声越够力。必须有能力去支持整个乐团的大场面而不失其细节。分开前、后级比合并机好，因为各自有更大的空间去造得更精密。而两者间也更少干扰，细节表现较多；而且，分开前后级会给发烧友有更多推动机的选择，更多东西可玩儿「⑵。功率放大器的首要指标是效率，即输出功率占放大器消耗功率的比，效率越高消耗越小。另外一个重要指标是总谐波干扰（THD）,用来衡量放大后输出信号的保真度，THD越小信号的线性度越好，保真度越好。线性功率放大器具有较高的线性度，但是效率较低。非线性功率放大器具有很高的效率，便于集成，但是其保真度一般不及传统的线性功率放大器皿。功率放大器的效率定义

11为:n=Kxioo%(2.i)Pi为输出到负载的平均功率，P,为电源消耗的平均偶功率，负载上的平均功率可以表示为：在输入为正弦信号Vsin(wt)的情况下，“小与£。，二TJ)R-2R(2.3)信号的THD是其保真度的度量，干扰信号越大，干扰频率分量越多THD越大。经过功率放大后的信号不可避免的存在非线性失真。考虑一个输入信号Heos(wt+C),输出信号通过傅里叶分解而得到其各个w0倍频的谐波分量。输出信号的干扰的d(t)可以表示为：d(t)=V2cos(2wot+02)+V3cos(3w«t+03)+•••+VNcos(Nwot+0N)(2.4)式中每一项为w。倍频的谐波。这时输出信号的THD可以表示为：THD=(2.5)2.3传统功率放大器传统功率放大器根据其工作方式和导通角的不同可以分为A类，B类，AB类和C类。A类功率放大器在整个信号周期内导通，导通角为360度。B类功率放大器在半周期内导通，即导通角问为180度。AB类功率放大器则介于两者之间，即其导通角在略大于180度而远小于360度的范围内。C类功率放大器的导通角则小于180度”、2.3.1A类功率放大器A类功率放大器具有最小的失真，但同时其效率也最低。A类功率放大器中的晶体管始终偏置在开启下，在整个信号周期内导通，导通角为360度，静态工作点Q置于负载线的中心，具有最大的线性范围。A类功率放大器最大的特点是信号失真最小，具有最好的保真度，所以适合使用在高质量的音响设备中。A类功率放大器中输出级的晶体管偏置电流大于输入流，始终都有静态电流和功耗。巨大的功耗使得这类功率放大器需要较多的散热设备，从而使其大而笨重，价格也很昂贵。假设输出信号为％sin(wt),

12输出到负载上的平均功率可表示为PDD=VDD7jlQ+^Lsin(VVZ)dt=VDDlQ=(2.7)oL勺J_由电源提供的平均功率为v„„le,其中Iq为Q点的偏置电流。P、=Pdd+Pss=2Vdd1q(2.8)其中Poo和Pss分别为正负电源消耗的功率。可得A类功率放大器的效率为n=l——X100%=-I-^|X100%(2.9)4reRLVcc&卜cj当V际Vcc且Vp=I°Rl时A类功率放大器具有最大的功率nmax=25%(2.10)-VEE图2.iA夹方基放•大器2.3.2B类功率放大器B类功率放大器相对于A类功率放大器具有较高的效率，但其代价是有较大的信号失真。B类功率放大器的输出级功率晶体管的静态偏置电流为零，仅在信号周期内导通，即导通角为180度。在正弦信号每半周期内，上下两个晶体管只有一侧导通，理论上没有两个晶体管同时导通的情况发生。B类功率放大器正负电源提供的电流为半正弦波，在忽略交越失真的情况屋输出到负载的

13平均功率可经计算得:(2.11)(2.12)(2.13)图2.2B类功率放大器则B累功率放大器的效率为:V21f尸而n=2Vdd当V「=Vm,时，B累功率放大器具有最大的效率7T-=78.5%4当输入信号在零附近时，B类功率放大器两侧的晶体管会存在同时闭合的现象，引起输出信号的失真，这种现象称为B类功率放大器的交越失真。交越失真相当于丢失了部分的输入信号，严重干扰了输出信号的性能所以B类功率放大器的输出信号的THD要大于A类功率放大器。B类功率放大器主要用于对功耗要求较高而对保真度要求一般的场合同。

14图2.2B类功率放大器的交越失真2.3.3AB类功率放大器AB类功率放大器则介于两者之间，导通角在180度到360度之间，略大于180度到360度之间，兼顾了两者的效率和失真度。AB类功率放大器在一个信号周期内，大部分时间那只有一侧的晶体管导通，但是在输入信号接近零时，两侧的晶体管会同时处于导通，这时有一部分偏置电流存在，多损耗了一小部分功率，但是这样的工作方式能够大大降低零输入附近的交越失真。AB类功率放大器相对于A类的非线性失真，保证了较好的线性度。这样的优异能使得AB类放大器成为绝大多数功率放大器设计中的选择。2.3.4C类功率放大器C类功率放大器与AB类功率放大器工作情况相反，其导通角小于180度。这使其具有比B类功率放大器更高的效率，一般可接近90%,适用于对功耗要求极高的场合。但是较小的导通角给信号引入更大的失真。2.4D类功率放大器概论以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功率损耗。无信号时电流愈大则直流损耗越大，效率越低。为此，要提高效率则应降低工作点，当无信号输入时，也没有直流损耗。但是,信

15号导通角逾小波形的失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求是相互矛盾的。如果输入波形其他边沿很陡峭，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣化不大而效率又可以得到提高。波形陡峭的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后边沿是垂直升降的，导通状态都不会发生变化，这样就诞生了工作于脉冲放大状态的D类功率放大器。D类放大器工作于开关状态，无信号输入时无电流，而导通时，没有直流损耗。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时器件并没有完全短路，尚有一定的管压降，故存在较少直流损耗，效率不能达到100%,实际效率在80%〜90%,是实用放大器中效率最高的。正是由于D类放大器的效率高，100瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，连电路板都可以做的很小，大大减小了体积和重量。并且由于工作比音频高10余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响会很小⑼.D类功放放大的晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接，电流流通但晶体管无电压，因此无功率消耗。当输出晶体管关闭时，全部电源供应电压即出现在晶体管上，但没有电流，因此也不消耗功率，故理论上的效率为百分之百。D类功放放大的优点是效率最高，供电器可以缩小，几乎不产生热量,因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。但这种功放工作复杂，增加的线路本身亦难免有偏差，所以真正成功的产品甚少,售价也不便宜。有一些D类功放集成块音色音质很好，不过它们现在还只应用在汽车音响中，一些有兴趣的DIY高手把它们改制到了家用音响中「⑶。一部功放从外表虽然不能断定音质，但如能观察到供电变压器和滤波电容的大小，便已先对此机的性能或素质略知一二。A类功固然需要巨大的供电器，即使AB类机也是愈大愈好。今日许多优质功放都采用环形变压器，取其效率较方型变压器高而漏磁少。滤波电容等于水塘，储水量越多，供水量越足，功放的供电充足稳定，才能保证输出晶体管输出最大时仍有取之不尽的电能。许多英国制造的合并式功放虽然功率并不太大，但却有一个非常充沛的供电器，配合简单的讯号通道可以达成优异的声音。有些产品的面板上除了音量、平衡、讯源选择和电源掣外，其它的控制全部取消，令讯号通道尽量缩短。为追求声音纯美，不惜牺牲控制功能。当前的电子器件倾向于便携和小的尺寸，音频功率放大器采用了D类技术,D类功率放大器由于它的高效率，理论上可以达到100%,而受到关注。D类放大器的输出级是CMOS的功率晶体管组成，提供扬声器负载需要的大量的电流，这些晶体管工作在或者是截止状态，或者是线形区，而不是饱和区，由于晶体管只是工作在周期间的一小部分是激活的，减小了开关的导通损耗。高的效率也因此成为可能，效率受D类输出级的晶体管的导通电阻(Ron)影响口，

16图2.3D类音频功率放大器的结构框图图2.3是D类功率放大器的简单框图，D类音频功率放大器在工作方式上与产生控制PWM电压信号的开关电源相似。图2.4所示为一般的D类音频功率放大器的组成情况，它主要是由PWM波产生电路，功率放大电路，滤波电路和负反馈电路四部分组成。图2.4一般D类功率放大器的总体结构D类音频功率放大器根据开关放大器的工作方式不同，又分为两种类型：电压开关型D类功率放大器：使放大器工作时，开关上的电压波形为方波。电流开关型D类功率放大器：使放大器工作时，开关上的电流波形为方波。D类功率放大器在设计上必须要注意的包括过电流保护及过热保护，此二保护电路为功率IC或功率放大器所必备，否则将造成安全问题，甚至伤及其所连接之电源器件或整个系统。过电流保护或短路保护的简单测试方式乃将任一输出端与电源端(Vcc)或地端(Ground)短路，在此状况下短路保护电路将被启动而将输出晶体管关掉，此时将没有讯号驱动喇叭而没有声音输出。由于输出短路是属于一种严重的异常现象，在短路之后要回到正常的操作状态必需重置(Reset)放大器，有些IC则可在某一延迟(Delay)时间后自动恢复。详阅各IC的datasheet即可得知各家各产品不同的作法。至于过热保护，其保护温度通常设定在150C、16(TC,过热后IC自动关掉输出晶体管而不再送出讯号，待温度下降20℃或30℃之后自动回复到正常操作状态［闾。另外D类功率放大器必须要解决AB类功率放大器所没有的EMI电磁干扰，电磁干扰是由于D类功率放大器之功率晶体管以开关方式操作，在高速开关及大电流的状况下所产生。在大多数的市场要求下此项EMI干扰必须通过FCC等电磁干扰的规范，解决的方案是使用LC滤波器或磁珠(bead)滤波器以过滤其高频谐波。在此规范下EMI成为D类一个进入门坎之一，中高功率的D类功率放大器因为EMI太强目前采用LC滤波器来解决，小功率则用Bead处理即可，但通常还要配合PCBlayout及零件的摆设位置

17i⑹。比如，采用D类放大器后，D类放大器接扬声器的线路不能太长，这会相当于外接了一个天线。一些公司的D类放大器仅可支持2cm,做得好的D类放大器则可支持到10cm,比如TI的D类放大器。目前，市场上有些PDA和智能手机的做法是采用两个单声道的D类，这样设计更简单一些，而采用立体声D类设计更因难，这也是后者为什么销售状况不是很好的主要原因。D类功率放大器的高效率效应除了节省电源件器的成本以外亦节省电源的浪费或电池的消耗，优化了整个材料系统及使用环境。尤其欧美国家特别重视绿色环保，就如同高功因控制器(PFC)一样，D类功率放大器有可能成为一种诉求。虽然目前D类放器的价格比AB类要高出近50%多，但是，随着D类产品的上量，价格差别会逐渐消除。

183系统设计3.1PAM8610芯片简介龙鼎微电子公司推出的PAM8610,它是一片10W(每声道)，无输出LC滤波器并且带有直流音量控制的D类立体声音频放大器I&PAM8610的新一代无滤波器技术很好实现了低EMI,低失真以及在音频范围内平直的频率响应，这种技术已经申请了美国专利，使用PAM8610的D类音频放大系统不仅节省了输出量的4个电感和电容.节省了PCB面积,而且确保了量产时音质的一致性和可靠性.目前，PAM推出的从1W至25W功率等级的D类放大器IC.PAM8610支持全套查分输入和单端输入.全查分输入架构大大提高了其共模抑制比(CMRR)和纹波抑制比音量控制,PAM8610内部有32级的数字音量电位器实现-40db至IJ+36db的音量控制，具体的音量大小由其Volume引脚的直流电压决定，另外，可供客户选择的FADE模式可以使开机音量淡入，PAM8610内部有完善的短路保护和过热关断功能.为40脚的QFN6*6封装，在IC底部的导热铜板可以使IC的热量迅速传到PCB铜箔并散失到周围环境中，如图3.1所示为PAM8610芯片的结构图。全新的电路结构，PAM8610有着优秀的主观听感，毫无生硬刺耳令人不快的声音。PAM8610在12v电源电压，8Q负载、输出功率5W的时候，对输出波形进行快速傅里叶变换，可以看到二次谐波失真为一65dB,三次谐波失真一80dB,失真频谱主要是偶次谐波成分。PAM8610这种类似电子管放大器的音频特性，可以得到温暖甜美的音色。同时它采用领先的无滤波调制技术，没有死区时间的约束，可以实现小信号的精确还原。输出级开关动作的次数只有目前流行的无滤波调制方式的一半，其EMI特性非常优秀,⑷。导法漫二宸。建覆A?PANI8610———2E—S图3.1PAM8610芯片引脚结构图

193.2PAM8610性能参数1,2*10W的D类数字功放IC。电源13V时，在保证THD小于10%的情况下，可向8Q负载提供10W的输出功率2,低噪声：-90dB3,超过90%的效率4,32步进直流音量控制有32分贝到-75分贝范围，具有关机静音及淡出功能5,具有过流，过热和短路保护6,较低的THD+N设计7,低静态电流设计8,杂音抑制功能9,封装：薄40引脚，QFN尺寸为6mm*6mm10,无铅环保。3.3利用PAM8610芯片设计D类功率放大器为了满足器件的设计要求，应该对外部器件进行恰当的选择。通常的设计这里不做讨论，只针对比较重要和特殊的部分做出解释。3.3.1系统参数(1)电源退耦电容D类放大器工作的时候，会以窄脉冲的形式向电源汲取电能。在评估板上，一个大电容、低ESR的电解电容可以快速的补充能量以防止电源电压瞬间跌落。考虑到电解电容在高频时电感效应增加，在IC电源引脚旁边就进放置小电容MLCC电容(101_^和0.11^并联)，以避免这些消极的影响,⑺。(2)BSN和BSP电容PAM8610的输出级的全H桥全部使用NMOS,必须使用BSN和BSP电容来保证H桥完成开关动作。推荐使用至少220nF的电容和至少25V的耐压。(3)输入电阻比和输入电容G输入电阻同内部数字电位器一起，共同决定闭环增益。关于输入电阻的阻值,在PAM8610的数据手册上有详细的说明。为了提高共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSRR),尽量确保差动输入端的输入电阻匹配(误差不超过1%)。输入电容和输入电阻串联，组成了一个高通滤波器，低频响应就由这两个元件决定，-3dB转折频率可以由下式得到：f；=l/(2nCRj

20为了降低失真，要求输入电容有比较低的交流失真和比较低的损耗，并且保证两个差分输入电容匹配i⑻。(4)J和&8c放大器的谐振频率由C。耻和的乘积共同决定；fosc=6.6/(CoscXR,J可以在225kHz~275kHz之间选择，如果取Rosc=120kQ和C°sc=220pF,则整个放大器开关频率约250kHz。(5)内部基准电压源退耦电容PAM8610的内部输入放大器,DVC和0SC部分的电源由IC内部集成的LD0(低压差稳压器)提供。这些LD0的引出脚上推荐使用luF的退耦电容，并且尽量靠近IC引脚。(6)输出铁氧化磁珠了限制EML需要在IC的输出引脚上串接铁氧化磁珠(FB)。这些磁珠需要有足够的低频阻抗和尽量高的高频阻抗，能够承受的持续电流要大于4AO3.3.2电源设计在实验室，评估板使用稳压电源供电。一般来说，D类放大器的电源抑制比(PSRR)比传统线性放大器低，应该尽量保证电源有较小的纹波。由于PAM8610有90%的高效率，电源储备可以比线性放大器小得多，但是必须要求电源有高速的响应，在这里，高速低串联等效电阻(ESR)的大电容储能电容是必须的。一个最为便宜简单的直流稳压源是利用集成稳压芯片LM7805制作的，其电路图如图3.2所示：图3.25V稳压电源原理图3.3.3EMI对策虽然PAM8610有着优异的EMI特性，但是在系统设计中必须考虑EMI对策。输出端在某些极端时刻，同扬声器电磁电路可能形成尖锋脉冲，这些尖峰脉冲包含了大量高频的能量。输出引脚上串接铁氧化磁珠（FB）,这些磁珠在频率高于1MHz的时候有很高的阻抗，可以避免高能量辐射到外部。同时，在铁氧化磁珠之后，输出端和地之间跨接小电容（典型值200pF）可以进一步吸取多余的高频能量。在系统结构中，应该尽量减短扬声器到放大器输出端的引线，也可以在引线上加上磁环以取得更好的效果。在某些应用中（例如收音机），可以将PAM8610的放大器部分放在金属屏蔽罩内以获得最佳的EMI特性:闻。

213.3.4PAM8610测量直接在PAM8610的输出引脚上看不到真实的信号波形。在实验室，必须使用美国AudioPrecision公司的AUX0025滤波器滤除高频调制信号，才可以用音频分析仪对放大器的性能进行计量。AUX0025在20Hz—20kHz有平直的频响和相位曲线，在20kHz后频响曲线急剧的下跌，以滤除高频信号。业余条件下，可以使用简单的RC滤波器滤除高频调制信号.RLOAD为负载电阻（通常为8Q）,电阻R1和C1组成一个简单的滤波器。使用数字存储示波器的两个通道在TESTPOINTP和TESTPOINTN两个测试点上分别可以看到正、负半周的信号，利用MATH功能将两个通道想减，就可以看到放大后的信号波形。使用简单的RC滤波器滤除高频调制信号.RLOAD为负载电阻（通常为80,电阻R1和C1组成一个简单的滤波器。使用数字存储示波器的两个通道在TESTPOINTP和TESTPOINTN两个测试点上分别可以看到正、负半周的信号，利用MATH功能将两个通道想减，就可以看到放大后的信号波形。如图3.3所示：5IOOUTPRLOADitOOUTNa31rv/tnrN图3.3RC滤波器当然滤波器也可由两个电感，电容和一个电阻组成。功率输出器输出的信号送入该滤波器的左端的两个输入端，右端接扬声器发声。当然对于高电感的扬声器可以省去该滤波电路，而直接接功率输出电路的输出端。如图3.4所示图3.4LC滤波器3.3.5印刷电路板（PCB）设计技术相对于线性放大器，D类放大器高速开关的工作状态对PCB设计提出严格要求，必须注意地线和电源供给回路，注意输入、输出走线。这些对系统的音频性能、稳定性和EMI特性产生明显影响。考虑到实际应用，普通的双层布线就完全可以满足要求。

221放大器的AVCC、AGND为内部输入放大器，DVC和OSC部分的电源和参考地；PVCCR、PGNDR、PVCCL、PGNDL为内部输出级的大电流电源和参考地。输出级高速开关会引起低电平的跳动，同时电源馈线上引入杂讯。最坏的时候，还有可能形成一个环路，辐射噪声。在PCB设计时，必须分离PGND和AGND,以电源主滤波电容的两个引脚作为电源和地的参考点进行星形布线，避免相互通道的干扰。2布局时，偏置电源AVCC（26脚），右通道电源PVCCR（第32、39脚）和左通道电源PVCCL（第12、19脚）的滤波电容尽量靠近各自的引脚，使其达到最佳的退耦效果。3.左右声道的电源线和地线分别走线，以提高声道分离度。4.电源和功率地走线尽量宽大，以减少IR（电流X电阻损失），从而稍微改善放大器的性能。5.BSL和BSR电容（第15、16、35、36脚）以最短的线距来连接输出线与IC的引脚。6.为了减小EMA干扰，需将输出磁珠及输出EMI限制电容靠近输出端以得到最佳的EMI特性，滤波器所用的电容应当连接到PGND地。7.在IC底部的导热铜板可以使IC的热量迅速地传导到PCB铜箔并散失到周围环境中。为了能把大功率芯片中的热量尽可能地散发出来，所用PCB铜皮的厚度必须大于0.035mm。同时把热传导到反面的PCB铜皮上，必须在芯片正下方钻几个通孔，通常为9个或16个，瞳孔的沉铜要足够厚。同时，反面铜皮上不应有绝缘漆，还要全部敷上焊锡，以利散热⑶］。如图图3.5为基于PAM8610的D类功率放大器设计图。

23speii

244总结这次毕业设计，从确定课题，资料查找、理论学习，以及认真的研究，我丝毫都不敢马虎。我结合大学四年学到的理论知识进行了积极的思考。虽然不可避免地遇到很多问题，但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，终于完成了这次毕业设计。它不仅是一个对四年学习知识情况和我的应用动手能力的检验，而且还是对我的钻研精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。我深刻的感受到了做毕业设计的意义所在。通过完成本课题，我学会了查阅资料和利用工具书，在知识理论体系方面,我更深入地学习了电子方面相关专业知识，提高利用软件仿真的能力。也掌握了功率放大器的基本理论知识，更深入的掌握了功率放大器的理论及应用，让我体会到了PAM8610的方便性和灵活性，并能够熟练的应用PAM8610,而且让我认识到很多新的设计思想，使我受益无穷。更为重要的是，我发现自己该学的东西还有很多，光靠自己在书本上所学过的这点知识是远远不够的。本设计主要完成了如下工作：(1)分析了声音的产生原理及各类功率放大器的区别及优缺点(2)运用PAM8610设计D类功率放大器本设计的重点、难点是：(1)熟悉功率放大器的理论，并将PAM8610运用到功率放大器电路中去，实现D类功率放大器功能。(2)熟练运用PROTEL99SE绘制D类功率放大电路本课题的研究虽然取得了一定的收获，但基于时间和个人知识水平的限制,在很多方面还有待于进一步改进和完善。文中不免有错误和待改进之处，真诚欢迎各位老师提出宝贵意见。

25致谢经历不知从何入手的无助，不知电路整体如何设计，不知电路为什么出错的苦恼，到出现光芒时的窃喜还有最后攻破难关的雀跃，现在回头想想，通过这个过程真的是收获甚多。在此我首先要真诚的感谢我的指导老师杨庆老师，在整个论文的设计与操作过程中，自始至终得到了杨庆老师的悉心指导和深切关怀，以及对我的设计思想的正确引导，为本次设计提出了各方面的指导性意见，为我提供各方面的重要资料，杨庆老师对我论文不厌其烦的精心修改，杨庆老师还多次耐心地审阅了论文全稿，提出了许多宝贵的意见。没有导师杨庆老师的及时指导，我是无法完成我的毕业论文的。在我将要完成学业之际，我要对杨庆老师致以诚挚的谢意和良好的祝愿！同时也要感谢我的父母，是他们让我能够全心全意的投入设计。在论文写作期间，我参考了许多知名作家的教材和辅导资料，看了许多业内杂志，还浏览网上的许多学术期刊，其中有些观点和见解直接为我所引用。在此，我感谢各原创作者和想关单位。由于本人学识有限，加之时间仓促，文中不免有错误和待改进之处，真诚欢迎各位师长、同行提出宝贵意见。

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27独创性声明本人声明所呈交的论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日

28学位论文（设计）版权使用授权书本论文（设计）作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权湖北民族学院可以将本论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文（设计）。本论文属于保密口，在.不保密口。,年解密后适用本授权书。（请在以上方框内打“J”）指导教师签名:学位论文作者签名:日期：年月日日期：年月日