全遥控数字音量控制的D类功率放大器

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资料介绍

几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占据“统治”地位，
其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形成从变压器输出到OTL、OCL、BTL形式过程。其基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快开发高效、节能、数字化的音频功率放大器，它应该具有工作效率高，便于与其他数字化设备相连接的特点。D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，它符合上述要求。近几年来，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进展，几家著名的研究机构及公司已经试验性地向市场提供了D类音频功率放大器评估模块及技术。这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子工业、商业界的特别关注，现在这一前沿的技术正迅猛发展，前景一片光明。
单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。在许多基于单片机的应用系统中，系统需要实现遥控功能，而红外遥控则是被采用较多的一种方法。红外遥控是通过红外管发送红外遥控编码对其设备进行控制的,不同设备的遥控发送的红外遥控编码都是不同的。由于红外无线解决了有线连接的许多不便，因而受到了家电设备厂商、电脑外围设备商、以及通信设备厂商的高度重视。
如果将遥控技术、单片机与D类音频功率放大器结合起来，那么得到的产品将是非常前沿的。本次设计就是全遥控数字音量控制的D 类功率放大器。
1 功放的基本知识
1.1 功放的分类
传统的功率放大器主要有A 类(甲类) 、B 类(乙类) 和AB (甲乙类)，除此之外，还有工作在开关状态下的D类（丁类）功放。
1.2 功放的工作原理及特点概述
A 类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器件,其晶体管总是工作在放大区，并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性放大区域，它的优点是输出信号的失真比较小,缺点是输出信号的动态范围小、效率低，理想情况下其效率为50 % ,考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损耗,A 类功率放大器的最高效率仅为45 %左右。
B 类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50 % ,因为其晶体管只在输入信号的正半周工作在放大区，在输入信号的负半周是截止的。它的优点是效率理想情况下可达78. 5 % ,比A类的提高了很多，其缺点是非线性失真却比甲类功放大，而且会产生交越失真,增加噪声。
AB类(甲乙类) 功率放大器是以上两种放大器的结合,使每个功率器件的导通时间在50 %～100 %。此类放大器目前最为流行,它兼顾了效率和失真两方面的性能指标,在设计该功率放大器时要设置功率晶体管的静态偏置电路,使其工作在甲乙类状态。这类功放失真小于乙类功放，但其效率比乙类功放要低一些。
D类功率放大器又叫开关型功率放大器，现在又有人称之为数字功率放大器。它利用晶体管的高速开关特性和低的饱和压降的特点，效率很高，理论上可以达到100%，实际上可以达到90%。此电路不需要严格的对称，也不需要复杂的直流偏置和负反馈，使稳定性大大提高。用同样的功耗的管子可得到比AB类放大器高4倍功率的输出。
D类功放的功率器件受一高频脉宽调制( PWM) 脉冲信号的控制,使其工作在开关状态, 理论上其效率可达100 %。因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积，在体积、效率和功耗上要求较高的场合具有很大的优势。另外，现代保真音响系统常采用数字音频设备如CD、DAT（digital audio tape），近年发展起来的DVD、计算机多媒体设备、MP3等也都是数字音频信号源。数字音频信号采用脉冲编码调制技术（PCM），信号分辨率通常为12位或16位，采样频率为44.1KHZ（CD）或48KHZ（DAT）。由于数字信号在存储、传输和数据出来上的优点，使人们开始追求数字式功放代替传统的模拟功放，这也使得D类功率放大器受到更大的关注。D类放大器虽然具有很高的效率,但由于功率晶体管的开关工作方式,D 类放大器引入的失真通常大于线性放大器,这是目前D 类放大器在音频放大领域并未得到广泛应用的主要原因。随着半导体及微电子制造技术的不断发展,高速、大功率器件已越来越多,人们对音频功率放大器的要求更加趋向高效、节能和小型化,所以D 类(丁类) 音频功率放大器越来越受到人们的重视。

设计构思
本设计是利用Ti公司全D类音频功放芯片TPA3004D2和MCS51系列微处理器设计
红外线遥控的数字音量控制立体声音频功率放大器。TPA3004D2是D类立体声音频功率放大芯片，具有每通道12W的功率输出，本方案将使立体声音量由直流电压实现–40 dB 到 36 dB增益范围调节。我们知道要很好地设计一个电路，必须在设计之前对此电路中所用到的器件的功能特性能够有一个全面的了解。在下面的介绍中将会先对两大模块进行说明，然后对模块中用到了8051单片机、EEPROM24C04、红外一体接收头、D/A转换器MAX541及D类功放芯片TPA3004D2的功能特性、工作原理及电路连接进行阐述。由于部分器件某些功能特性不常用或本电路没用到，在此就不多介绍。因为我们做事情就应该统领全局、抓住重点。