畢業(yè)論文-高效率音頻功率放大器

1、<p>　　膅荿蒈蝿襖膂莄螈羇莇螃螇腿芀蠆螆芁蒅薄螅羈羋蒀螄肅蒄莆螃膆芆蚅袃裊蒂薁袂羇芅蕆袁膀蒀蒃袀節(jié)莃螂衿羂膆蚈袈肄莁薄袇膆膄蒀袇袆莀莆羆羈膂蚄羅肁莈薀羄芃膁薆羃羃蒆蒂羂肅艿螁羈膇蒄蚇羈芀芇薃肀罿蒃葿蚆肁芆蒞蚅膄蒁蚃蚅袃芄蠆蚄肆蕿薅蚃膈莂蒁螞芀膅螀蟻羀莀蚆蝕肂膃薂蝿膅荿蒈蝿襖膂莄螈羇莇螃螇腿芀蠆螆芁蒅薄螅羈羋蒀螄肅蒄莆螃膆芆蚅袃裊蒂薁袂羇芅蕆袁膀蒀蒃袀節(jié)莃螂衿羂膆蚈袈肄莁薄袇膆膄蒀袇袆莀莆羆羈膂蚄羅肁莈薀羄芃膁薆羃羃蒆蒂羂肅

2、艿螁羈膇蒄蚇羈芀芇薃肀罿蒃葿蚆肁芆蒞蚅膄蒁蚃蚅袃芄蠆蚄肆蕿薅蚃膈莂蒁螞芀膅螀蟻羀莀蚆蝕肂膃薂蝿膅荿蒈蝿襖膂莄螈羇莇螃螇腿芀蠆螆芁蒅薄螅羈羋蒀螄肅蒄莆螃膆芆蚅袃裊蒂薁袂羇芅蕆袁膀蒀蒃袀節(jié)莃螂衿羂膆蚈袈肄莁薄袇膆膄蒀袇袆莀莆羆羈膂蚄羅肁莈薀羄芃膁薆羃羃蒆蒂羂肅艿螁羈膇蒄蚇羈芀芇薃肀罿蒃葿蚆肁芆蒞蚅膄蒁蚃蚅袃芄蠆蚄肆蕿薅蚃膈莂蒁螞芀膅螀蟻羀莀蚆蝕肂膃薂蝿膅荿蒈蝿襖膂莄螈羇莇螃螇腿芀蠆螆芁蒅薄螅羈羋蒀螄肅蒄莆螃膆芆蚅袃裊蒂薁袂羇芅蕆袁膀蒀蒃袀節(jié)

3、莃螂衿羂膆蚈袈肄莁薄袇膆膄蒀袇袆莀莆羆羈膂蚄羅肁莈薀羄芃膁薆羃羃蒆蒂羂肅艿螁羈膇蒄蚇羈芀芇薃肀罿蒃葿蚆肁芆蒞蚅膄蒁蚃蚅袃芄蠆蚄肆蕿薅蚃膈莂蒁螞</p><p><b>　　蘭 州 商 學(xué) 院</b></p><p>　　本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　論文（設(shè)計(jì)）題目： 高效率音頻功率放大器 </p><p&

4、gt;　　學(xué) 院、 系： 信息工程學(xué)院 </p><p>　　計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 </p><p>　　專 業(yè) (方 向)： 電子信息工程 </p><p>　　年 級(jí)、 班： 　 2007級(jí) </p><p>　　學(xué) 生 姓 名：

5、 肖來兄 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： 彭會(huì)萍 </p><p>　　2011 年 5 月 30 日</p><p><b>　　聲 明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得

6、的成果。對(duì)本論文（設(shè)計(jì)）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。因本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。</p><p>　　本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成果歸蘭州商學(xué)院所有。</p><p><b>　　特此聲明</b></p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：</p><p>　　2011

7、年 5 月 30 日</p><p><b>　　高效率音頻放大器</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)根據(jù)D類功放的工作原理設(shè)計(jì)的D類音頻功率放大器，能對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大，放大器的通頻帶達(dá)到20HZ~20ＫHZ，輸出功率1W，輸出信號(hào)無明顯失真。根據(jù)D類功放的原理分別設(shè)計(jì)了

8、前置放大模塊、三角波產(chǎn)生模塊、比較器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、H 橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出及低通濾波模塊等。其中三角波產(chǎn)生器及比較器共同組成脈寬調(diào)制（PWM）模塊，H 橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路采用驅(qū)動(dòng)電流小、低導(dǎo)通電阻及良好開關(guān)特性的VMOSFET 管，濾波器采用兩個(gè)相同的四階 Butterworth 低通濾波器。</p><p>　　[關(guān)鍵詞] 高效 音頻 D類功放 放大器</p><p><

9、b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　According to the working principle of class D amplifier, this product is designed and the audio signal can be amplified to the amplifier's pass band to 20HZ ~ 20KHZ, th

10、e output power 1W, the output signal without significant distortion. Class D amplifier according to the principle of preamp modules were designed, triangular wave generator module, comparison module, driver module, H bri

11、dge output and the complementary symmetric low-pass filter module. One triangular wave generator and pulse width</p><p>　　[Key Words] High-Efficient, Audio, Class D amplifier,Amplifier</p><p>&l

12、t;b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、引言1</b></p><p>　　二、音頻功率放大器2</p><p><b>　?。ㄒ唬┍尘?</b></p><p><b>　?。ǘ┌l(fā)展3</b></p><p

13、><b>　?。ㄈ┲笜?biāo)5</b></p><p>　　1、最大輸出功率5</p><p>　　2、脈沖寬度調(diào)制5</p><p><b>　　3、轉(zhuǎn)換速率7</b></p><p><b>　?。ㄋ模┓诸?</b></p><p>&l

14、t;b>　　1、A類放大器8</b></p><p><b>　　2、B類放大器9</b></p><p>　　3、AB類放大器10</p><p>　　4、D類放大器11</p><p>　　三、D類功率放大器的原理12</p><p>　　四、D類音頻功率放大器的設(shè)

15、計(jì)13</p><p>　?。ㄒ唬┰O(shè)計(jì)任務(wù)與要求13</p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)任務(wù)13</b></p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)要求13</b></p><p>　　（二）方案論證14</p><p>　?。ㄈ└鞑糠蛛娐贩治雠c計(jì)算14</p

16、><p>　　1、脈寬調(diào)制電路14</p><p>　　2、前置放大電路19</p><p>　　3、短路保護(hù)電路20</p><p><b>　　4、驅(qū)動(dòng)電路21</b></p><p>　　5、H型互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路21</p><p>　　6、信號(hào)變換電路22&

17、lt;/p><p>　　7、功率測(cè)量及顯示電路22</p><p>　　（四）部分電路的仿真電路22</p><p>　　1、前置放大器的仿真電路22</p><p>　　2、比較器的仿真電路23</p><p>　　五、系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)23</p><p><b>　　六、結(jié)論2

18、4</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)25</p><p><b>　　致　謝26</b></p><p><b>　　高效率功率放大器</b></p><p><b>　　一、引言</b></p><p>　　電子信息技術(shù)幾乎主

19、宰了整個(gè)電器行業(yè)的發(fā)展，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展在功率放大器的設(shè)計(jì)上功能也不斷地更新。功率放大器在家電、數(shù)碼產(chǎn)品中的應(yīng)用也越來越廣泛，與我們的日常生活有著密切的關(guān)系。隨著生活水平的提高，人們?cè)絹碓阶⒅匾曈X、音質(zhì)的享受，在大多數(shù)的情況下，增強(qiáng)系統(tǒng)性能，如更好的聲音效果，是促進(jìn)消費(fèi)者購(gòu)買產(chǎn)品的一個(gè)重要因素。音頻功率放大器作為音響等電子設(shè)備的后綴放大電路，它的主要作用是將前級(jí)的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大以推動(dòng)負(fù)載工作，獲得良好的聲音效果，同時(shí)音頻功率

20、放大器又是音響等電聲設(shè)備消耗電源能量的主要部分。</p><p>　　目前，音頻功率放大器仍以模擬功放為主流產(chǎn)品，模擬功放經(jīng)歷了數(shù)十年的不斷改進(jìn)和完善，其技術(shù)已發(fā)展到了頂峰。模擬類功放是以線性放大為基礎(chǔ)，功率放大器件有電子管和晶體管兩類，按功放靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置可分為A類放大、A∕B類放大和C類放大三種。晶體管功放的最大優(yōu)點(diǎn)是電源轉(zhuǎn)換效率高（C類功放最大可達(dá)55%）、體積小、重量輕、發(fā)熱量不大、生產(chǎn)成本低；缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)

21、換效率低、偶次諧波失真大，音質(zhì)和可靠性指標(biāo)都略遜于電子管功放。隨著晶體管制造技術(shù)的不斷提高和新技術(shù)的應(yīng)用，各種實(shí)用性指標(biāo)和可靠性指標(biāo)都有了很大的改善，并不斷向更大的輸出功率、更小的體積、更輕的重量、更多的功能和智能化方向發(fā)展。</p><p><b>　　二、音頻功率放大器</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┍尘?lt;/b></p>

22、;<p>　　進(jìn)入21世紀(jì)以后，各種便攜式的電子設(shè)備成為了電子設(shè)備的一種重要的發(fā)展趨勢(shì)。從作為通信工具的手機(jī)，到作為娛樂設(shè)備的MP3播放器，已經(jīng)成為差不多人人具備的便攜式電子設(shè)備。陸續(xù)將要普及的還有便攜式電視機(jī)，便攜式DVD等等。所有這些便攜式的電子設(shè)備的一個(gè)共同點(diǎn)，就是都有音頻輸出，也就是都需要有一個(gè)音頻放大器；另一個(gè)特點(diǎn)就是它們都是電池供電的，都希望能夠有較長(zhǎng)的使用壽命。在這種需求的背景下，D類放大器被開發(fā)出來了,它的

23、最大特點(diǎn)就是它能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。高保真音頻放大器不只是在便攜式的設(shè)備中需要，在大功率的電子設(shè)備中也需要，因?yàn)楣β试酱?，效率也就越重要。而隨著人們的居住條件的改善，高保真音響設(shè)備和更高檔的家庭影院也逐漸開始興起。在這些設(shè)備中，往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率，這時(shí)低失真、高效率的音頻放大器就成為其中的關(guān)鍵部件。音頻放大器的目的是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號(hào)，信號(hào)音量和功率級(jí)都要理想——如實(shí)、有效且失真

24、低。音頻范圍為約20Hz～ 20kHz，因此放大器在此范圍內(nèi)必須有良好的頻率響應(yīng)(驅(qū)動(dòng)頻帶受限的揚(yáng)聲器時(shí)要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根據(jù)應(yīng)用的</p><p><b>　?。ǘ┌l(fā)展</b></p><p>　　D類工作模式在1959年由Baxandall首先提出，即使用脈沖形式的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)高速的功率開關(guān)，該脈沖信號(hào)一般都是脈寬凋制(PWM)信號(hào)，它的低頻部分包

25、含了調(diào)制信號(hào)的信息，通過一個(gè)低通濾波器以后，可以將調(diào)制信號(hào)重現(xiàn)。從60年代起，人們就開始嘗試研制D類放大器，最早是想用真空管來研制D類放大器，但由于受到真空管在電壓降和電流能力方面的限制，降低了放大器的效率，限制了放大器的輸出。在60年代后期，雙極型晶體管取代了真空管，此時(shí)研制低頻高效D類放大器的條件已經(jīng)成熟，然而由于D類放大器需要在高頻條件下工作，其工作頻率至少為20KHz音頻頻率的4～5倍，因此在這樣的高頻下，使用雙極型晶體管會(huì)產(chǎn)生

26、連續(xù)的開關(guān)損耗，這限制了D類放大器效率的提高。直到1970年金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管出現(xiàn)后，滿足了D類放大器對(duì)高開關(guān)速度和低導(dǎo)通損耗的要求，實(shí)現(xiàn)了高性能的開關(guān)器件，這才開發(fā)出寬頻帶D類音頻功率放大器，D類音頻功率放大器從一經(jīng)問世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù) 字化的顯著特點(diǎn)，引起了電子工業(yè)界的廣泛關(guān)注。</p><p>　　由于現(xiàn)在設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，D類音頻功率放大器的性能得到了突飛猛進(jìn)的改善，在音質(zhì)方面已經(jīng)逐漸追

27、上了AB類的性能，這使得其近年來在市場(chǎng)上有極快的發(fā)展，根據(jù)專業(yè)調(diào)研公司的數(shù)據(jù)，2005年全球D類音頻放人器銷售總值己達(dá)2億美元以上，2006年增長(zhǎng)至約3.5億美元，而2008年市場(chǎng)需求將會(huì)超過6億美元，按照這樣的增長(zhǎng)速度，預(yù)計(jì)到2010年將達(dá)到10億左右的規(guī)模，發(fā)展前景十分樂觀。</p><p>　　目前D類音頻功率放大器市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品幾乎都來自歐美的各大半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(National)、德

28、州儀器(TI)、美信(Maxim)和Tripath公司，此外還有歐洲的意法半導(dǎo)體(ST)、歐勝(Wolfon Micro)和飛利浦(PHILIPS)等，而包括臺(tái)灣在內(nèi)的中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)都極少有能夠與他們競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)品。</p><p>　　國(guó)際方面，首先介紹的是美國(guó)的Tripath公司，該公司擁有稱為數(shù)碼功率處理(DPPTM)的專利技術(shù)，此技術(shù)采用多種信號(hào)處理技術(shù)，包括自適應(yīng)預(yù)處理、噪聲整形、預(yù)失真處理和△一∑調(diào)制電路

29、，進(jìn)一步減小了失真和噪聲，確保了音頻高保真性能的同時(shí)也完成了高效率的放大，Tripath公司將基于DPPTM原理設(shè)計(jì)的放大器稱為T類放大器，該類放人器具有高保真、高效率、體積小、重量輕等特點(diǎn)，該類放大器在推動(dòng)40hm 負(fù)載時(shí)功率可達(dá)90W，THD+N小于0.1％，效率高達(dá)90％。</p><p>　　作為全球D類音頻功率放大器行業(yè)的領(lǐng)先公司，TI于2005年5月推出較為先進(jìn)20W單聲道高功率數(shù)字輸入D類音頻放大器

30、TPA3200D1，該芯片突破傳統(tǒng)的模擬輸入，向全數(shù)字化功放更進(jìn)一步，該芯片在18V電源電壓下推動(dòng)80hm負(fù)載時(shí)功率可達(dá)20W，THD+N小于0.1％，效率高達(dá)85％以上。另外，NS，ST，PHILIPS，YAMAHA等公司也紛紛推出自主設(shè)計(jì)的D類音頻功率放大器，如NS的l.M系列，ST的sTA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等等。</p><p>　　國(guó)內(nèi)方面，1998年11月，成都天

31、奧公司發(fā)布了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的D類音頻功率放大器，并于2000年研制出6通道專用芯片DPPC2006，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了90％以上，目前，該公司數(shù)字音頻功放IC已廣泛應(yīng)用于DVD、汽車音響、家庭影院和背投電視等領(lǐng)域。</p><p>　　2005年12月，成都華微《數(shù)字音頻功放芯片丌發(fā)與模塊制造》項(xiàng)目己成功通過國(guó)家電子信息發(fā)展基金辦公室驗(yàn)收，并得到高度評(píng)價(jià)。同時(shí)諸多公司也己開始或者有計(jì)劃向D類音頻功放芯片化方向投入

32、大量人力與物力，種種跡象表明，近幾年，國(guó)內(nèi)公司在 D類音頻功率放大器開發(fā)方面將作出突破。因此，對(duì)D類音頻功率放大器的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究具有非常重要的意義。</p><p><b>　?。ㄈ┲笜?biāo)</b></p><p><b>　　1、最大輸出功率</b></p><p>　　輸出功率反映音頻功率放大器的負(fù)載能力，通常音頻放

33、大器廠家會(huì)提供產(chǎn)品的在一定工作電壓和額定負(fù)載下的最大輸出功率。芯片的效率在不同的條件下肯定也不相同。</p><p><b>　　2、脈沖寬度調(diào)制</b></p><p>　　脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率

34、控制與變換的許多領(lǐng)域中。 </p><p>　　脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。圖2-1所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。因此，從圖中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。</p><p>　　通過圖2-1的

35、分析可以看出，生成的矩形脈沖的寬度取決于脈沖下降沿時(shí)刻時(shí)的語音信號(hào)幅度值。因而，采樣值之間的時(shí)間間隔是非均勻的。在系統(tǒng)的輸入端插入一個(gè)采樣保持電路可以得到均勻的采樣信號(hào)，但是對(duì)于實(shí)際中-<<的情況，均勻采樣和非均勻采樣差異非常小。如果假定采樣為均勻采樣，第k個(gè)矩形脈沖可以表示為：   </p><p><b>　?。?-1）</b></p>

36、;<p>　　其中，x{t}是離散化的語音信號(hào)；是采樣周期；是未調(diào)制寬度；m是調(diào)制指數(shù)。然而，如果對(duì)矩形脈沖作如下近似：脈沖幅度為A，中心在t = 處，在相鄰脈沖間變化緩慢，則脈沖寬度調(diào)制波可以表示為：</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p><b>　　其中， 。</b></p><p&

37、gt;　　無需作頻譜分析，由式（2-2）可以看出脈沖寬度信號(hào)由語音信號(hào)x(t)加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)<<時(shí)，相位調(diào)制部分引起的信號(hào)交迭可以忽略，因此脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。</p><p>　　PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn).由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理

38、論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。</p><p><b>　　3、轉(zhuǎn)換速率</b></p><p>　　功放的轉(zhuǎn)換速率涉及它的高頻性能,轉(zhuǎn)換速率越高,高音的音質(zhì)越佳。功率放大器的轉(zhuǎn)換速率的定義是放大器瞬時(shí)輸出電壓上升(或下降)的最大時(shí)間變化率,即輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大導(dǎo)數(shù)()。它反映了放大器跟隨能力的大小。由于現(xiàn)代立體聲音樂節(jié)奏強(qiáng)烈

39、,信號(hào)變化量大,而且又有較多中、高頻分量的打擊樂器,這就要求放大器須有跟得上輸入信號(hào)躍變的速率。衡量放大器的響應(yīng)速度一般是用電壓轉(zhuǎn)換速率。其定義是在1微秒時(shí)間里電壓升高幅度。轉(zhuǎn)換速率低的功率放大器瞬態(tài)響應(yīng)差,而轉(zhuǎn)換速率相當(dāng)高(數(shù)百V/μs)的功率放大器,穩(wěn)定性差,而且還有可能引入噪聲和干擾。轉(zhuǎn)換速率究竟以多大為最佳,目前尚無定論,根據(jù)信號(hào)源與聽感要求,轉(zhuǎn)換速率在30～100 V/μs的功率放大器比較符合需要。由于晶體管功放的開關(guān)速度(與

40、轉(zhuǎn)換速率有關(guān)的一個(gè)參數(shù))沒有電子管功放那么快,因此它的轉(zhuǎn)換速率也沒有電子管功放那么高?，F(xiàn)今晶體管功放的轉(zhuǎn)換速率一般可做到10～15V/μs。MOS-FET場(chǎng)效應(yīng)晶體管功放的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到50～70Ⅴ/μs,即達(dá)到電子管功放同樣的水平,因此高音音質(zhì)非常清晰,層次分明。</p><p><b>　?。ㄋ模┓诸?lt;/b></p><p>　　根據(jù)不同的需要出現(xiàn)了各種類型的功率

41、放大器，分為線性功率放大器和數(shù)字功率放大器（D類功率放大器和T類功率放大器），線性功率放大器按導(dǎo)通角又分為A類、B類、AB類功率放大器。</p><p><b>　　1、A類放大器</b></p><p>　　A類功放也被稱為甲類功放，此類功放的導(dǎo)通角θ=180°。如圖2-2所示，A類放大器的偏置電流大于輸入電流，Q點(diǎn)（靜態(tài)偏置點(diǎn)）處于負(fù)載線的中心，A類功率

42、放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)一般選在負(fù)載線的中點(diǎn)，所有輸出器件在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均有電流流過，使其處于良好的線性工作狀態(tài)。這種放大電路，由于不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)失真和交越失真，只要偏置和動(dòng)態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來看，它是一種優(yōu)質(zhì)的線性放大電路，其聲音表現(xiàn)是相當(dāng)不錯(cuò)的。由于較小的非線性失真，使得A類功率放大器一般都用在較高檔次的音響系統(tǒng)中。但是由于電源不斷地輸出功率，在沒有信號(hào)時(shí)，這些功率全部消耗在器件上，并轉(zhuǎn)化為熱量形式好散出去。有信號(hào)時(shí)，其

43、中一部分轉(zhuǎn)化為有用輸出功率，信號(hào)愈大，輸出給負(fù)載的功率愈多，因此A類功放的效率較低</p><p><b>　　2、B類放大器</b></p><p>　　B類放大器亦稱為乙類放大器，導(dǎo)通角θ=90°，雖然管耗小，但是有利于提高效率，使得輸出信號(hào)的半個(gè)波形被削掉了。但是如圖2-3所示，如果利用兩個(gè)管子都工作在乙類放大狀態(tài)，一個(gè)工作在正半周期，另一個(gè)工作在負(fù)半

44、周期，從而在負(fù)載上得到一個(gè)完整的波形，解決效率與失真的矛盾。</p><p>　　輸出功率用輸出電壓有效值和輸出電流有效值的乘積來表示。設(shè)輸出電壓的幅值為，則輸出功率 </p><p><b>　　（2-3）</b></p><p><b>　　最大輸出功率為：</b></p><p><b&

45、gt;　　（2-4）</b></p><p>　　設(shè)輸出信號(hào)為=sint，則直流電源的供給功率為：</p><p>　?。?-5） </p><p>　　其中為輸出功率，為管耗功率。</p><p><b>　　則效率η為：</b></p><p>　

46、?。ó?dāng)時(shí)成立） （2-6）</p><p><b>　　3、AB類放大器</b></p><p>　　由于乙類放大器，當(dāng)輸入信號(hào)在-0.6V — +0.6V時(shí)T1和T2都截止，負(fù)載上無電流通過，出現(xiàn)一段死區(qū)，這種現(xiàn)象叫交越失真。</p><p>　　如圖2-4所示AB類放大器能夠很好的克服交越失真，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為

47、T1、T2提供一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘?，使之處于微?dǎo)通狀態(tài)。</p><p>　　當(dāng)有信號(hào)時(shí)，在信號(hào)的負(fù)半周期，T1導(dǎo)電，有電流通過負(fù)載,同時(shí)向C充電；在信號(hào)的正半周期，T2導(dǎo)電，則已充滿電的電容起電源的作用，通過負(fù)載放電。</p><p>　　AB類放大器通過兩個(gè)偏置電壓（）來避免交越失真。由于這一優(yōu)點(diǎn)，AB類放大器在傳統(tǒng)的音頻放大器中得到了廣泛應(yīng)用。在電子設(shè)備中，AB類放大器還占有很大的市場(chǎng)。&

48、lt;/p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，由于此時(shí)兩個(gè)晶體管仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此每一個(gè)晶體管的功率損耗均大于B類放大器，即AB類放大器的最大工作效率小于B類放大器，但大于A類放大器。</p><p><b>　　4、D類放大器</b></p><p>　　D類(數(shù)字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制

49、)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM或PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn),數(shù)字音頻功率放大器也看上去成是一個(gè)1比特的功率數(shù)模變換器。放大器由輸入信號(hào)處理電路、開關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開關(guān)電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成。D類放大或數(shù)字式放大器利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號(hào)的。</p><p>　?。?） 具

50、有很高的效率，通常能夠達(dá)到85%以上。 </p><p>　?。?） 體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。 </p><p>　?。?） 無裂噪聲接通。 </p><p>　?。?） 低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試。</p><p>　　D類放大器的原理，在三、四章節(jié)在詳細(xì)敘述，它的主要特點(diǎn)是高效率高效率、低功耗、

51、小體積；缺點(diǎn)是信號(hào)失真度相對(duì)較大，但是隨著D類放大器的發(fā)展，必定會(huì)有所改善。</p><p>　　三、D類功率放大器的原理</p><p>　　D類放大器是一種完全不同的放大器，它并不只是放大器工作點(diǎn)的選擇，因此也稱之為“數(shù)字音頻放大器”，因?yàn)橛幸环ND類放大器可以接收數(shù)字輸入而省去D/A變換。D類放大器所采用的技術(shù)其實(shí)就是脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），所謂脈寬調(diào)制技術(shù)也就是把模擬音頻信號(hào)的幅度來

52、調(diào)制一系列矩形脈沖的寬度。如圖3-1所示，一個(gè)模擬音頻信號(hào)與三角波（或鋸齒波）通過比較器形成一系列寬度受到調(diào)制的等幅脈沖信號(hào)，只要對(duì)這系列的脈沖信號(hào)放大就可以了，而原來的模擬信號(hào)就被調(diào)制為寬度不同的等幅信號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過開關(guān)輸出電路放大，將被放大的脈寬調(diào)制信號(hào)中所包含的低頻分量濾出來就可以得到放大以后的音頻信號(hào)。其工作波形圖如圖3-2所示。</p><p>　　如上圖3-2所示為脈寬調(diào)制D類功放的原理框圖，三角波

53、產(chǎn)生器產(chǎn)生的三角波V1與音頻輸入信號(hào)通過比較器比較產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)V2，V2經(jīng)開關(guān)功率放大后經(jīng)過濾波后輸出V0。</p><p>　　四、D類音頻功率放大器的設(shè)計(jì)</p><p>　?。ㄒ唬┰O(shè)計(jì)任務(wù)與要求</p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)并制作一個(gè)高效率音頻功率放大器及其參數(shù)的測(cè)量、

54、顯示裝置。功率放大器的電源為+5V（電路其他部分的電源電壓不限），負(fù)載為8Ω電阻。</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　?。?）功率放大器</b></p><p>　　（a）3dB通頻帶為20Hz～２0ＫHz，輸出正弦信號(hào)無明顯失真。</p><p>　?。╞

55、）最大不失真輸出功率≥1W。</p><p>　?。╟）輸入阻抗>10KΩ，電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)。</p><p>　?。╠）低頻噪聲電壓（20kHz以下）≤10mV，在電壓放大倍數(shù)為10、輸入端對(duì)地交流短路時(shí)測(cè)量。</p><p>　?。╡）在輸出功率500mW時(shí)測(cè)量功率放大器效率（輸出功率/放大器總功耗）≥50﹪。</p><p

56、>　?。?）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)放大倍數(shù)為1的信號(hào)變換電路，將功率放大器雙端輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出，經(jīng)RC濾波供外接測(cè)試儀表用，如圖4-1所示：</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測(cè)量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5%。</p><p>　　（4）還增加了短路保護(hù)功能。</p><p><b>　　（二）方案論證</b&g

57、t;</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，D類放大的系統(tǒng)組成方框圖如下圖4-2所示，它有三角波發(fā)生器電路、比較器電路、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)功率輸出電路和低通濾波器組成。</p><p>　　圖 4-2 系統(tǒng)的組成方框圖</p><p>　?。ㄈ└鞑糠蛛娐贩治雠c計(jì)算</p><p><b>　　1、脈寬調(diào)制電路</b>&

58、lt;/p><p>　　電路以音頻信號(hào)為調(diào)制波，頻率為150kHz的三角波為載波，兩路信號(hào)均加上2.5V的電流偏置電壓，通過比較器進(jìn)行比較，得到幅值相同、占空比隨音頻幅度變化的脈沖信號(hào)。比較電路采用高速、精密的比較器芯片LM311，由于比較器芯片LM311的輸出級(jí)是集電極開路結(jié)構(gòu)，輸出端須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采用芯片資料上的推薦阻值1K。常規(guī)PWM調(diào)制電路如下圖4-3所示：</p><p&g

59、t;　?。?）三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　三角波的作用是用來調(diào)制音頻信號(hào)，對(duì)此有兩方面的要求:其一,調(diào)制后的信號(hào)可以被完整地恢復(fù)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，三角波的頻率至少是音頻信號(hào)最高頻率的兩倍，人類聽到的聲頻范圍是20 Hz~20kHz，說明三角波的頻率應(yīng)在40 kHz以上，為確保音頻信號(hào)的采樣，可取三角波的頻率為150 kHz；其二，三角波要有穩(wěn)定的頻率和幅度，否則調(diào)制后的脈寬會(huì)產(chǎn)生變形，從而降低音頻輸

60、出的信噪比，音質(zhì)變差，噪聲增大。</p><p>　　采用555芯片構(gòu)成三角波產(chǎn)生電路。對(duì)555組成多諧振蕩器的電容C1充放電特性加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容C1的線性充放電獲得三角波。利用T1、T2和R6構(gòu)成恒流源對(duì)C1實(shí)現(xiàn)線性充電，利用T3、T4和R7構(gòu)成的恒流源實(shí)現(xiàn)對(duì)C1的放電。電容C1上的三角波經(jīng)U1同相跟隨器輸出。電路中電容C1選用漏電流很低的聚苯乙烯電容。電路工作原理如下：接通電源瞬間，555芯片的3腳輸出高

61、電平，二極管D3截止，D4導(dǎo)通，從而D2也截止，D1導(dǎo)通，電源通過T1、T2、R1，D1對(duì)電容C1恒流充電，當(dāng)C1上的電壓達(dá)到 時(shí)，555芯片的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即3腳輸出低電平，D3導(dǎo)通，D4截止，從而D1也截止，D2導(dǎo)通，電容C1通過D2、T3、T4、R2恒流放電，直到C1電壓等于，電容又開始充電，如此循環(huán)，則C1上可以得到線性度良好的三角波，輸出加一級(jí)電壓跟隨器，以提高帶負(fù)載能力。</p><p>　　輸出三角

62、波頻率的計(jì)算：電阻R1上電壓等于T1的≈0.7V，故流過R1的電流約為=0.7／300=0.233mA,忽略T1的基極電流，則流過R1的電流即為T2的射級(jí)電流，也約等于T2的集電極電流，故C1的充電電流約為2mA，由電路理論知識(shí)，設(shè)充電時(shí)間為，放電時(shí)間為，則有：</p><p>　　=+ （4-1）</p><p>　　=×

63、 （4-2）</p><p><b>　　可得三角波的周期：</b></p><p>　　故三角波頻率為：KHZ</p><p>　　該電路的特點(diǎn)是采用恒流源對(duì)電容線性充、放電產(chǎn)生三角波，波形比方波經(jīng)阻容電路或者積分電路得到的三角波效果好。由方波直接經(jīng)阻容電路得到的三角波波形是指數(shù)函數(shù)，方波經(jīng)積分電路得到的波形雖然是線性，

64、但是積分電路存在積分漂移，得到的三角波中含有一定的直流分量，而且該直流分量與積分電路中積分電容的初始條件有關(guān)，是一個(gè)隨機(jī)的量，常規(guī)的做法是在積分電容上并聯(lián)一個(gè)開關(guān)，當(dāng)積分電路開始工作時(shí)，先把開關(guān)按下給電容放電，讓積分電路的初始電荷為零，如此來控制積分電路的直流分量為零。</p><p>　　三角波產(chǎn)生電路如下圖4-4所示：</p><p>　　圖4-4三角波產(chǎn)生電路</p>

65、<p>　　三角波波形圖如下圖4-5所示：</p><p>　　載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實(shí)現(xiàn)，選擇 150 kHz 的載波，使用四階 Butterworth LC 濾波器，輸出端對(duì)載頻的衰減大于 60dB，滿足設(shè)計(jì)的要求，所以我們選用載波頻率為150 kHz。</p><p>　　電路參數(shù)的計(jì)算：在 5V單電源供電下，我們將運(yùn)放 5 腳和比較器3 腳的電位用

66、R8調(diào)整為 2.5 V，同時(shí)設(shè)定輸出的對(duì)稱三角波幅度為 1 V。若選定R10為 100 kΩ，并忽略比較器高電平時(shí)R11上的壓降，則R9的求解過程如下：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　所以取為39K。</b></p><p>　　選定工作頻率為f=150kHz，并設(shè)定，則電容的

67、計(jì)算過程如下：</p><p>　　對(duì)電容的恒流充電或放電電流為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　則電容兩端的最大電壓值為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中為半周期，=。的最大值為2V，則

68、 （4-6） （4-7）</p><p>　　取=220Pf，取=10k，取為20K的可變電位器。使電路的震蕩頻率f在150KHZ左右可調(diào)。通過使產(chǎn)生的三角波，在以2.5V上下1V震蕩。<

69、;/p><p><b>　?。?）比較器電路</b></p><p>　　選用LM311精密、高速比較器，電路如圖4-6所示，因供電為5V單電源，為給V+=V-提供2.5V 的靜態(tài)電位，取R12=R15，R13=R14，4個(gè)電阻均取 10 kΩ。由于三角波=2V，所以要求音頻信號(hào)的不能大于2V否則會(huì)使功放產(chǎn)生失真。</p><p><b>

70、;　　2、前置放大電路</b></p><p>　　設(shè)置前置放大器，可使整個(gè)功放的增益從1～20連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。當(dāng)功放輸出的最大不失真功率為1W時(shí)，其8Ω上的電壓=8V，此時(shí)送給比較器音頻信號(hào)的值應(yīng)為2V，則功放的最大增益約為4（實(shí)際上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其電壓增益要略大于 4），因此必須對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行前置放大，其增益應(yīng)大于 5。前放仍采用寬頻帶、低漂移、

71、滿幅運(yùn)放TLC4502，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。選擇同相放大器的目的是容易實(shí)現(xiàn)輸入電阻≥10kΩ的要求，同時(shí)采用滿幅運(yùn)放可在降低電源電壓時(shí)仍能正常放大。取V+=Vcc/2=2.5V，要求輸入電阻大于10kΩ，故取R1=R2=51kΩ，則=51/2=25.5kΩ，反饋電阻采用電位器R4，取R4=20kΩ，反相端電阻R3取 2.4kΩ，則前置放大器的最大增益Av為：</p><p><b>　　(4-

72、8)</b></p><p>　　調(diào)整使其增益約為8，則整個(gè)功放的電壓增益從0~32可調(diào)。</p><p>　　考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值,取=2V，則要求輸入的音頻信號(hào)最大幅度。如果超過250mV，則輸出會(huì)產(chǎn)生波削失真。電路圖如下圖4-7所示：</p><p><b>　　3、短路保護(hù)電路</b></p>

73、;<p>　　過流采樣電阻取0.1Ω與8Ω負(fù)載進(jìn)行串聯(lián)，該電路中前級(jí)放大電路的增益為：==≈75</p><p>　　經(jīng)放大后的信號(hào)在經(jīng)過由D1、C1、R5構(gòu)成的峰值檢測(cè)電路，輸出直流電平，送給由D5、R7和比較器LM311構(gòu)成的遲滯比較器進(jìn)行比較，一旦過載就立即鎖定。由D2、D3、R6、C2構(gòu)成開機(jī)延遲電路，防止開機(jī)瞬間比較器進(jìn)入自鎖狀態(tài)。電路圖如下圖4-8所示：</p><p

74、><b>　　4、驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　經(jīng)前面脈寬調(diào)制得到的PWM信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件，需加強(qiáng)PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，首先，讓PWM信號(hào)通過施密特觸發(fā)器芯片74HC14進(jìn)行波形整形，然后把兩路脈沖信號(hào)分別輸入到由晶體三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱式射級(jí)跟隨器，增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流，使之能夠有效、快速地驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管。</p><p>　　5、H型互補(bǔ)對(duì)

75、稱輸出電路</p><p>　　對(duì)VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。因輸出功率稍大于 1W，屬小功率輸出，可選用功率相對(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管，IRF9540 和IRF540 VMOS對(duì)管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。互補(bǔ)PWM開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開啟Q5和Q8或Q6和Q7，分別經(jīng)兩個(gè)4階 Butterworth濾波器濾波后推動(dòng)喇叭工作。</p><p&

76、gt;<b>　　6、信號(hào)變換電路</b></p><p>　　由于功放輸出具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，故對(duì)變換電路輸入阻抗要求不高，所以可選用較簡(jiǎn)單的單運(yùn)放組成的差動(dòng)式減法電路來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　7、功率測(cè)量及顯示電路</p><p>　　功率測(cè)量及顯示電路由有效值轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)系統(tǒng)組成。有效值轉(zhuǎn)換器選用高精度的AD637，單片機(jī)系統(tǒng)主

77、要有89C51單片機(jī)、A∕D轉(zhuǎn)換器AD574和鍵盤顯示接口電路等組成。</p><p>　　（四）部分電路的仿真電路</p><p>　　1、前置放大器的仿真電路</p><p>　　2、比較器的仿真電路</p><p><b>　　五、系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)</b></p><p>　?。?）最大不失真輸

78、出功率 仿真數(shù)據(jù)如下表1所示：</p><p>　　（2）效率的測(cè)量 仿真數(shù)據(jù)如下表2所示：</p><p><b>　　六、結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要是在PWM脈寬調(diào)制模塊和H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出模塊，在脈寬調(diào)制模塊需要首先熟悉TLC4502和LM311芯片的使用方法，以防在使用時(shí)電路接錯(cuò)。通過本次設(shè)計(jì)是自己在各個(gè)方面得到了

79、提高，通過本次設(shè)計(jì)對(duì)自己的提高有：（1）對(duì)各類放大器的工作原理更加熟悉。（2）對(duì)D類放大器的實(shí)現(xiàn)方式有了更高層次的掌握。（3）提高了自己的動(dòng)手能力，使自己更加明白了一個(gè)道理，細(xì)節(jié)決定成敗，鍛煉了自己做事的態(tài)度。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王一群.實(shí)用音頻功放制作[M].福建:福建科技出版社,2006.133-135

80、</p><p>　　[2] 魯四惠.D類音頻功率放大器[J].實(shí)用影音技術(shù),2005,(9):51-53</p><p>　　[3] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)[M].北京:高等教育出版社,2007.11-18</p><p>　　[4] 鐘清華,鐘國(guó)新,李子升,吳錦銘.D類音頻功率放大器的全橋PWM改進(jìn)方案與實(shí)現(xiàn)[J].電聲技術(shù),2004,(7):33-3

81、6 </p><p>　　[5] 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,1988.85-89</p><p>　　[6] 毛大平.淺談功率放大器的基本技術(shù)指標(biāo)[J] .現(xiàn)代電影技術(shù)應(yīng)用技術(shù)研究,2008,(6):35-40 </p><p>　　[7] 洪志良.模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.165-196 </p&g

82、t;<p>　　[8] 李金平.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.26-34</p><p>　　[9] 黃令華,王新安,劉偉.前置運(yùn)算放大器的噪聲分析與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)集成電路,2008,(5):56-60</p><p>　　[10]牟小令.高效率音頻功率放大器[N].西南大學(xué)學(xué)報(bào), 2003年1月25日</p><p><

83、b>　　致　謝</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)在彭會(huì)萍老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下已完成，從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計(jì)和調(diào)試，無不凝聚著彭老師的心血和汗水，在四年的本科學(xué)習(xí)和生活期間，也始終感受著導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向彭會(huì)萍老師表示深深的感謝和崇高的敬意。 不積跬步何以至千里，本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知

84、識(shí)，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向蘭州商學(xué)院、信息工程學(xué)院的全體老師表示由衷的謝意。感謝他們四年來的辛勤栽培。 芀蒂螆肅蒅螁螅膇羋蚇螄芀蒄薃螃罿芆葿袃肁蒂蒞袂膄芅蚃袁羃蒀蠆袀肆莃薅衿膈薈蒁袈芀莁螀袇羀膄蚆羇肂莀薂羆膅膂蒈羅襖莈莄羄肇膁螃羃腿蒆蠆羂芁艿薄羈羈蒄蒀羈肅芇蝿肀膆蒃蚅聿羋芆薁肈羇蒁蕆蚅膀芄蒃蚄節(jié)蕿螂蚃