1、基于YDA138e数字功放的设计1 引言几十年来在音频范畴中，连续占据“统领”地位的是A类、B类音频功率放大器和AB类音频功率放大器，其发展已经经历了这么几个过程：从设备使用元件上来说有真空管，晶体管，集成电路的过程；从电路形式上来说有单管电路到推挽电路的过程；从电路构成上来说经历了变压器输出到OCL ，BTL，OTL模式的过程。其根本都是模拟音频放大器，其最大的弊端是他的低效率。在视频和音频范畴，人们对音频和视频设备需求量较大，迫使人们尽快研究出高效的数字化、节能的音频功率放大器，它具有另一个特性就是使用方便，高效连接其他数码设备。YDA功率放大器是D类音频功率放大器中的一种，上述要求可以被
2、满足。近年来，D类音频功率放大器的研究和开发被国际社会公认，而且获得了长足的进展，一些知名的研究机构和单位评估模块和技术的市场都提供了D类音频功率放大器，通过实验，立即显示出这种技术的高效率，以及其他多项显著功能，以吸引人们特别的注意。比如在科研，教学，电子行业，商业界等方面，现在这一前沿技术的飞速发展，前景自然也是是光明的。数字功放板拥有体积小，功耗低，高性能和低成本，易于推广的的特点。在许多基于数字功放板的应用中，系统也可以按照需要实现远程控制功能。2功放的基本知识2.1功放的分类传统的功率放大器可以分为甲类功放（又称A类）、乙类功放（又称B类）、甲乙类功放（又称AB类）和在开关状态的丁类
3、功放（又称D类）。2.2线性功放的工作原理及特点概述A类输入信号的连续电流在功率放大器流经放大元件，它总是在晶体管的线性区域操作，对输入信号的工作总是星期放大晶体管区，其优点是输出信号比较小，输出信号的动态范畴的低效率是其主要的弊端，理想的情况下，50%的效率，考虑到晶体管的饱和电压和电流的穿透消耗，功率放大器的最大效率仅仅是45%左右。通过B类功率放大器输入信号的时间的功率器件由于在负半周期只有50%的正半周期输入信号的放大晶体管区域，输入信号被切断。它的优点是在理想条件下，效率高达78.5%，比水平更高，缺点是比CPI功率放大器的非线性失真大，将有一个交叉失真，噪声增大。AB类（B类）功率
4、放大器的两个放大器的组合，使各50%的功率器件的导通时间接近达到100%。该放大器是目前最流行的，它的效率和失真性能指标都说明在静态偏置电路提供A类和B类条件的设计功率晶体管放大器。该放大器失真小于B放大器，但效率较低比较于B类放大器。所谓的开关功率放大器的D类放大器，现在它被称为数字功率放大器。选用高速开关晶体管的饱和电压低、效能高的特点，理论上能够达到100%，高达90%的事实。该电路不需要严格的对称，直流偏移，不需要繁杂的反馈和负反馈，从而大大提升稳定性。与同功率比较输出功率AB电子管功率放大器是他们的四倍。2.3D类功率放大器的特点 通过高频率的脉冲宽度调制（PWM）脉冲信号，这是在关
5、机状态下，高达100%的效率来控制D类放大器的电源设备的原理。这可以大大减少能源消耗，降低放大器的数量，体积，效率和功率要求的场合具有很大的优势。另外，当代高保真音响系统通常使用数字音频设备，譬如CD，DAT（数字音频磁带），近年来发展的dvd，计算机多媒体设备，MP3等音频数字信号源。选用脉冲编码调制（PCM）的数字音频信号，信号的分辨率一般是12或16，采样频率44.1kHz（CD）或48kHz（DAT）。因为有数字信号的保存，传输和数据的输出等益处，人们开始寻求数字功率放大器代替传统的模拟放大器，D类功率放大器的关注。而D类放大器的效能高，但因为有功率开关晶体管，D类放大器的线性放大器的
6、失真，D类放大器，这是在音频范畴目前尚未普遍利用的主要原因。随着半导体和微电子制造技术的发展，高速，高功率器件已经被越来越多的人倾向于要求高效音频功率放大器，节能和小型化，D类音频功率放大器（丁类）占位主要。 1.效率高，发热少 2.节约能源的数量，体积小，重量轻 3.D类功率放大器和AB类功率放大器的效率比较条件：24V电源电压，负载4欧，1000Hz，连续输出，效率高 4.失真比较大3模拟功放3.1放大的概念1）放大电路紧要指放大微弱电信号的放大：电压，电流的幅值和功率。放大电路，放大电路可以微弱的电压或电流信号输入放大器幅度，从而放大的信号能量。2）低功率信号经由放大电路放大，能量获得加
7、增强，额外的能量是由直流电源供给，只可通过控制电路，信号转换为能量，提供给负载。因此，放大作用实质上是一种能量掌管。能量控制功效的装置称为有源器件，如双极型晶体管。3.2放大电路的主要技术指标 权衡放大电路放大能力的标准有很多其中之一是放大倍数。界说为输出转变量（信号）的幅值与输入变化量幅值（信号）之比。常用的有电压放大倍数，电流放大和功率放大，它们通常是由正弦量的定义。3.3模拟功放的缺点主要缺点是对散热要求比较高，重量大，体积大，效率低，维修难度比较高。4数字功放4.1数字功率放大器的作用数字功放有许多优秀性能，主要表现在：1.转化率高，瞬态响应特性好，中音和高音清晰，明亮，分层。2.信号
8、动态范围大，可高达95dB。3.相移全频带极小，不产生声染色。4.没有任何附加装置可以方便地实现远程控制，控制和监测功能。5.功率转换效率可以达到8095%，大大降低了冷却机的温度增量，简单。6.的最小负荷阻抗连接到1欧姆，无论是高能量转换效率的负载阻抗保持不变。7.能适应各种网络音频传输系统。8.高可靠性。9.体积小，重量轻。12000W9.5kg1263.15W/1kg4.2数字功放原理也被称为D类数字放大器功率放大器，主要区别在于工作状态模拟放大器电子管放大器。通过与占空比正比于输入信号的脉冲串构成的PWM调制处理电路中的模拟音频信号输入时，放大后的开关电路由低通滤波器滤除高频分量，被放
9、大的输入信号波形的减少，在开关状态的数字放大器扬声器重放放大器中，晶体管的导通状态的内部阻力的理论是零，有两端没有电压，当然，不消耗功率；最后，无穷大的电阻，并且电流为零，也不消耗。因此，晶体管本身作为控制元件，不消耗功率，功率效率特别高。在应用到低音炮放大器中，由于过程是一个低频率，低通截止频率可以降低到大约为5kHz 。用切比雪夫，巴特沃斯或贝塞尔根据性能要求其他电路的过滤器。滤波器的设计要求较高的烂摊子造成无线电干扰。为了降低功耗，一般采用被动元件。下面的图显示了功率放大器的组合物，如图4-1所示：图4-1数字功率放大器的组成5数字功放和模拟功放的区别5.1过载能力与功率储备数字放大器电
10、路过载模拟放大器是远远高于。模拟放大电路分为线性区，在平常工作中B或AB类功率放大器，功率放大管；超载时，放大管工作在饱和区，电力谐波失真，失真指数增加，质量迅速恶化。数字放大器，功率放大器已饱和和截止区，只要功率管的变形不损坏，不迅速增加。如图5-1所示：图5-1全数字功放与普通功放过载失真度比较5.2交越失真和失配失真 在零，这是因为B放大器的非线性特性的符号的交叉造成的失真的模拟晶体管（输出波形的畸变电流，小信号晶体管将在年底，如果工作没有电流，会导致输出失真严重）。只能在开关状态的数字放大器工作，无交叉失真。推挽放大器的输出波形的失配仿真是由功率放大器引起的设计不一致的推挽放大管的不对
11、称失真特性，高的要求。匹配无特殊要求的开关的数字放大器，基本上不需要使用严格的选择过程。5.3功放和扬声器的匹配由于真空管放大器的性能，模拟放大器大所以，当电阻匹配不同的扬声器，模拟放大电路的工作状态是由负载的大小的影响（喇叭）。数字放大器的电阻小于0.2欧姆（内加电阻开关滤波器电阻），相对于扬声器负载（4欧姆或8欧姆）可以忽略。5.4瞬态互调失真几乎所有的模拟电路都在使用负反馈放大器，确保不失真，引入负反馈电路，以抑制寄生振荡，相位补偿电路，这将产生一个瞬态互调失真的问题。数字放大器的功率转换不使用反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。5.5 声像定位模拟放大器在输入信号和输出信号之间，通常有一
12、个相位差，相位失真不在相同的输出功率也不同。利用数字信号的放大，相位的输出信号和输入信号的数字放大器是一样的，相移为零，所以声音图像定位精度。5.6升级换代高功率数字放大器能够通过简单的改换开关放大器模块获取。用在专业领域的低成本开关电源模块的扩展，发展前景。5.7生产调试现有的模拟放大器的调试问题在所有层次的工作，不利于大规模生产。数字放大器主要是数字电路，一般不需要调试正常工作，特别适合大批量生产。整体性能比较如表5-1和5-2所示：表5-1数字功放与模拟功放主要技术特性对比表5-2数字功放与模拟功放主要技术特性对比6YDA138-E资料 6.1概述Yda138-e是集成化D类音频功率放大
13、器，不失真输出功率为3瓦，噪声系数、串扰特性等指标较优异，使它可以获得更好的声音。非耦合输出和无低通滤波电路，使它可以直接驱动扬声器，降低整个功放和PCB空间成本。它是一种理想的便携式设备（如笔记本电脑）音频功放。YDA138（D-3）是一种高效率的数字音频功率放大器，具有单路12V电源供电。YDA138有一个“纯脉冲直接喇叭驱动电路”，它直接驱动扬声器，同时降低失真脉冲输出信号，并减少信号噪音，实现了最高标准的低失真率的特点和低噪声特性。具体的Yda138-e类型的电路图如图6-1所示：图6-1Yda138-e电路图6.2作用YDA138具有过电流保护功能和时钟停止保护功能保护功能的数字放大
14、器。此外，它具有输出电流限制功能的保护功能的耳机放大器。此外，YDA138具有热保护功能，低电压故障预防功能，电源电压动态保护功能。6.3特点 1.D类放大器无滤波器，低静态电流和低EMI；2.在4欧姆负荷和5V电源条件，提供了较高的3W输出功率；3.达到很高的90%的效率；4.低噪声，低失真；5.短路电流的保护；6.热能量的保护；7.很少的外部元器件，节约空间和价钱；8.没有铅的封装。6.4应用1.LCD电视机、监控；2.便携式电脑；3.扬声器；4.DVD播放器，游戏机；5.手机/免提电话。 7结论本人用YDA138-E功放板测出了以下具体数据：其最大频率是20KHZ，最大的输出功率是4W，
15、当输出电压为10.12V时输入的电源功率为2.8W，输出的音频功率为2W，效率为71.4%。 根据数据得到，数字功放板理论上可达到90%以上的效率，实际测得71.4%，而甲乙类模拟功放理论上只能达到78.5%的效率，实际只能做到50%左右，所以证明数字功放比模拟功放利用效率更高。参考文献1 邓木生周红兵模拟电子电路分析与应用M.北京：高等教育出版社，2008.2 邓木生张文初数字电子电路分析与应用M.北京：高等教育出版社，2008.3 张友汉.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2004年.4 李瀚荪.电路分析基础M.高等教育出版社.2001,78-865沈尚贤.电子技术导论M.北京:高
16、等教育出版社,1985.6童建华:音响设备技术M.（电子工业出版社）2010年1月7邹天汉:数字功放和音箱设计与制作M.人民邮电出版社/2004 8 谢自美.电子线路设计实验测试M.武汉:华中科技大学出版社，2000. 9李东生等编著.Protel99SE 电路设计技术入门与应用M.2002 年 2 月第 1 版. 10清源计算机工作室编著.Protel99SE 电路设计与仿真M.2001 年 5 月第 1 版 .11方佩敏:音频功率放大器J.电子世界，2003年08期12丁明.实作D类功率放大器J.无线电与电视.2002.2,23-2813张义申.陆坤等.电子设计技术M.西安:电子科技大学出
17、版.1996致谢这次完成毕业论文多谢孙业歧老师的细心教诲，不辞辛劳的帮助我们完成毕业论文，指导我们做实验，耐心的给我讲述原理，认真的帮助我们修改毕业论文，在此在此表示感谢。另外还要感谢我的老师和同学，在这大学四年的过程中他们给我提供了很多的有用的信息，让我学到了很多的东西。在这次完成毕业论文的过程中也给了我很大的帮助。附录英文翻译Class D Audio Amplifiers:What, Why, and HowClass D amplifiers, first proposed in 1958, have become increasingly popular in recent year
18、s. What are Class D amplifiers? How do they compare with other kinds of amplifiers? Why is Class D of interest for audio? What is needed to make a “good”audio Class D amplifier? What are the features of ADIs Class D amplifier products? Find the answers to all these questions in the following pages.A
19、udio Amplifier BackgroundThe goal of audio amplifiers is to reproduce input audio signals at sound-producing output elements, with desired volume and power levelsfaithfully, efficiently, and at low distortion. Audio frequencies range from about 20 Hz to 20 kHz, so the amplifier must have good freque
20、ncy response over this range (less when driving a band-limited speaker, such as a woofer or a tweeter). Power capabilities vary widely depending on the application, from mill watts in headphones, to a few watts in TV or PC audio, to tens of watts for “mini” home stereos and automotive audio, to hund
21、reds of watts and beyond for more powerful home and commercial sound systemsand to fill theaters or auditoriums with sound. A straightforward analog implementation of an audio amplifier uses transistors in linear mode to create an output voltage that is a scaled copy of the input voltage. The forwar
22、d voltage gain is usually high (at least 40 dB). If the forward gain is part of a feedback loop, the overall loop gain will also be high. Feedback is often used because high loop gain improves performance suppressing distortion caused by nonlinearities in the forward path and reducing power supply n
23、oise by increasing the power-supply rejection (PSR).The Class D Amplifier AdvantageIn a conventional transistor amplifier, the output stage contains transistors that supply the instantaneous continuous output current. The many possible implementations for audio systems include Classes A, AB, and B.
24、Compared with Class D designs, the output-stage power dissipation is large in even the most efficient linear output stages. This difference gives Class D significant advantages in many applications because the lower power dissipation produces less heat, saves circuit board space and cost, and extend
25、s battery life in portable systems.Linear Amplifiers, Class D Amplifiers, and Power DissipationLinear-amplifier output stages are directly connected to the speaker (in some cases via capacitors). If bipolar junction transistors (BJTs) are used in the output stage, they generally operate in the linea
26、r mode, with large collector-emitter voltages. The output stage could also be implemented with MOS transistors, as shown in Figure 1.Figure 1. CMOS linear output stage.Power is dissipated in all linear output stages, because the process of generating VOUT unavoidably causes nonzero IDS and VDS in at
27、 least one output transistor. The amount of power dissipation strongly depends on the method used to bias the output transistors. The Class A topology uses one of the transistors as a dc current source, capable of supplying the maximum audio current required by the speaker. Good sound quality is pos
28、sible with the Class A output stage, but power dissipation is excessive because a large dc bias current usually flows in the output-stage transistors (where we do not want it), without being delivered to the speaker (where we do want it).The Class B topology eliminates the dc bias current and dissip
29、ates significantly less power. Its output transistors are individually controlled in a push-pull manner, allowing the MH device to supply positive currents to the speaker, and ML to sink negative currents. This reduces output stage power dissipation, with only signal current conducted through the tr
30、ansistors. The Class B circuit has inferior sound quality, however, due to nonlinear behavior (crossover distortion) when the output current passes through 0 and the transistors are changing between the on and off conditions. Class AB, a hybrid compromise of Classes A and B, uses some dc bias curren
31、t, but much less than a pure Class A design. The small dc bias current is sufficient to prevent crossover distortion, enabling good sound quality. Power dissipation, although between Class A and Class B limits, is typically closer to Class B. Some control, similar to that of the Class B circuit, is needed to allow the Class AB circuit to supply or sink large output currents.Unfortunately, even a well-designed class AB amplifier has significant power dissipation, because its midrange output volta
