高保真音頻功率放大器電路設(shè)計

1、成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文高保真音頻功率放大器電路設(shè)計作者姓名：馬瑤專業(yè)名稱：電子科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師：何 勇 講師高保真音頻功率放大器電路設(shè)計摘要在音頻領(lǐng)域發(fā)展的幾十年里，a類、b類、ab類音頻功率放大器一直占著主導(dǎo)地位。隨著科技的不斷發(fā)展，音頻功率放大器也有了新的研究成果d類功率放大器。d類功率放大器有很多優(yōu)點(diǎn)，因為低功耗產(chǎn)生熱量較少，節(jié)省印制電路板（pcb）面積和成本，并且能夠延長便攜式系統(tǒng)的電池壽命。d類放大器，是通過控制開關(guān)單元的on/off，驅(qū)動揚(yáng)聲器的放大器。d類放大器是最近幾年才發(fā)展起來的，在系統(tǒng)的耐用上以及音頻質(zhì)量等都有了很大的提高。本文介紹了大功率d類音頻放大電路的設(shè)計

2、，比較了他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)分析了音頻放大器的原理.d類音頻放大器采用脈寬調(diào)制（pmw）信號而不是ab放大器通常采用的線性信號，d類放大器比ab類放大器效率高的多，利用上述技術(shù)原理，輸出級的損率變得極低.本文中的d類音頻功率放大器的功率器件受一高頻脈寬調(diào)制信號的控制，使其工作在開關(guān)狀態(tài)，理論上效率可達(dá)100%，但其不足之處在于會產(chǎn)生高頻干擾及噪聲.本文具體論述了一種基于晶體管的d類音頻功率放大器的設(shè)計組成。關(guān)鍵詞 ：脈寬調(diào)制器 信號變換 功率測量與顯示 pwm調(diào)制 功率放大abstrakin the audio field for decades, a class, b class, ab

3、audio power amplifier has occupied the leading position, with the technology continuous development of the audio poweramplifier also has a new research-d power amplifier. class d power amplifier has many advantages, because the low-power generating less heat, saving printed circuit board (pcb) area

4、and cost, and can extend battery life in portable systems. class d amplifier, through the control switch unit on / off, the amplifier drives the speaker. class d amplifier is only developed in recent years, the durability of the system and so on and the audio quality has been greatly improved. in th

5、is paper, the design and application of the class-d audio amplifier are described, the theory of all kinks of audio power amplifiers is introduced emphatically. the pulse width modulation(pwm) signal is adopted in audio class d amplifier, which is a switch-mode amplifier, and the linear signal is ad

6、opted in audio class ab amplifier. the main advantage of class d amplifier is their efficiency, which higher than that of class ab amplifiers. in d in the article audio frequency power advice, power of amplifie modulate the control of the signal by one high-frequency pulse width originally, make it

7、work switch state, its efficiency in theory can up to 100%, but in a insufficient one it is it can produce high frequency interfere and noise to lie in to appear.keywords: pulse-width modulation, signal conversion, power measurement and display， pwm modulation;d power amplifier;the voltage switching

8、 drive circuitiii目錄摘要iabstrakii目錄iii前言- 1 -1.概述- 2 -1.1立題依據(jù)及研究意義- 3 -1.2 功率放大器的現(xiàn)狀- 4 -1.3 論文的主要研究內(nèi)容- 5 -1.3.1 a類(甲類)放大器- 6 -1.3.2 b類(乙類)放大器- 6 -1.3.3 ab類甲乙類)放大器- 7 -1.3.4 c類(丙類)放大器- 7 -1.3.5 d類(丁類)放大器- 7 -1.3.6 e類(戊類)放大器- 7 -1.3.7簡介d類放大器的工作原理- 8 -2 d類功率放大器的系統(tǒng)設(shè)計- 10 -3 方案論證與比較- 12 -4 硬件單元分析及闡述- 13 -4

9、.1 三角波發(fā)生電路- 13 -4.2 音頻前置放大電路- 14 -4.3 pwm比較電路- 16 -4.4 mosfet管h橋驅(qū)動電路- 18 -4.5vmosfet功率放大電路- 20 -4.6 lc低通濾波器電路- 20 -5.仿真與調(diào)試- 21 -5.1失真原因- 23 -5.2lc濾波器的選擇- 24 -6.成果及結(jié)論- 25 -總結(jié)- 26 -致 謝- 27 -參考文獻(xiàn)- 28 -前言 隨社會的發(fā)展，功放成為社會發(fā)展必不可少的一部分。功率放大器，目前已發(fā)展為一個相當(dāng)成熟的技術(shù)領(lǐng)域。近幾十年來，隨科技不斷的進(jìn)步，功放從線路，元?dú)饧矫?，甚至思想，精神上都有非常大的進(jìn)步。功放音頻技術(shù)的

10、歷史進(jìn)程可以分為：電子管，晶體管，集成電路，以場效應(yīng)管這四個階段。在生活應(yīng)用當(dāng)中，手機(jī)、電腦、mp3等數(shù)碼播放器，電子產(chǎn)品更方便我們的使用。但傳統(tǒng)音頻功率放大器，設(shè)備工作效率低，體積大不易攜帶，功耗高等都限制了這些產(chǎn)品的發(fā)展。為改善音頻功率放大器的這些缺點(diǎn)，d類功率放大器應(yīng)運(yùn)而生，d類功放具有極高的轉(zhuǎn)化效率，體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)迅速占領(lǐng)音頻市場。本設(shè)計目的在于了解音頻功放的發(fā)展歷史，通過對比個類音頻功放，更多的了解d類功率放大器的工作原理和社會需要。德福雷斯于1906年，發(fā)明了真空三極管，開創(chuàng)了人類音頻技術(shù)的歷史先河。1927年貝爾實(shí)驗室發(fā)明了負(fù)反饋電子技術(shù)后，音頻技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新的時代。5

11、0年代電子管放大技術(shù)發(fā)展達(dá)到了高潮時代，至今電子管放大器仍為人們喜愛。1.概述d類功放指的是d類音頻功率放大器（有時也稱為數(shù)字功放）。通過控制開關(guān)單元的on/off，驅(qū)動揚(yáng)聲器的放大器稱d類放大器。d類放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來。已經(jīng)問世多年，與一般的線性ab類功放電路相比，d類功放有效率高、體積小等特點(diǎn)。d類功放是放大元件處于開關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無信號輸入時放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個接通的開關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗

12、電只與管子的特性有關(guān)，而與信號輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場合。很多人自認(rèn)為是音樂發(fā)燒友，但其實(shí)這些人也只懂得表面一些簡單的東西，并不知道什么才是專業(yè)的發(fā)燒器材，因而只會盲目的選擇器材，最后效果還打不到預(yù)想的那樣，還浪費(fèi)金錢。下面南京汽車音響改裝專家教你如何了解功放的類別，這樣就可多點(diǎn)知識了。功放分幾大類（a、b、c、d四類）： 1、a類功放（又名甲類功放） a類功放輸出中有兩組或兩個晶體管用遠(yuǎn)處遇到點(diǎn)狀態(tài)，也就是說沒有信號輸入時都保持著導(dǎo)電狀態(tài)。a類功放的工作方式具有最佳的線性，新晶體管輸出均放大信號全波，不存在有什么交越失真，因此被稱為是聲音最理想的放大線路設(shè)計。但a類功放也有

13、缺點(diǎn)，最大的缺點(diǎn)就是效率低，因為無訊號是仍有滿電流流入，電能轉(zhuǎn)為高熱量。a類功放是重播音樂的理想選擇，它能提供很好平滑的音質(zhì)、音色、圓潤、高音透明，所這些優(yōu)點(diǎn)用以補(bǔ)償它的缺點(diǎn)。但是，a類功放體積大，重量也不輕，成本高，所以價格也不低，一般而言汽車上都不選用，這里指作了解。 2、b類功放（乙類功放） b類功放工作方式和a類功放差不多，只是b類功放當(dāng)無信號輸入時，輸出晶體管不導(dǎo)電，所以不消耗功率。有信號時每對輸出管放大一半波形，在一開一關(guān)輪流工作完成一個全波放大，但在輸出晶體管輪換時便會發(fā)生交越失真形成非線性。南京汽車隔音專家介紹，純b類功放的效率平均為75%，產(chǎn)生的熱量更低，可以安裝較小的散熱器

14、。 3、ab類功放 與a類和b類相比，ab類功放可以說在性能上有所不及，ab類功放再無信號時也有少量電流通過輸出晶體管，它在信號弱時，用a類工作模式，獲得最佳線性，當(dāng)信號提高到一定程度時，自動轉(zhuǎn)為b類工作模式工作，獲得較高的效率。 4、c類功放（丙類功放） 這類功放很少聽說，因為它失真非常高的功放，只適合在通訊上使用，不適用于汽車音響。 5、d類功放（丁類功放） d類功放放大的晶體管一經(jīng)開啟會直接將其負(fù)載與共電器連接，電流流通，但晶體管無電壓，所以無功率消耗。當(dāng)輸出晶體管關(guān)閉時，全部電源供應(yīng)電壓即在晶體管上，但沒有電流，也不消耗功率，所以不需要散熱，機(jī)身小重量也輕，理論上失真低，線性好。但是南

15、京汽車音響專家表示，這類功放工作復(fù)雜，增加的線路本身難免有偏差，所以價格也不便宜1.1立題依據(jù)及研究意義隨著全球音視頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求,迫使人們盡快研究開發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器。它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字設(shè)備相連接的特點(diǎn)。d類音頻功率放大器是pwm型功率放大器即為模擬開關(guān)式音頻功率放大器，它符合上述要求。近幾年，國際上加緊了對d類音頻功率放大器的研究與開發(fā)，并取得了一定進(jìn)展，幾家著名研究機(jī)構(gòu)及公司已試驗性地向市場提供了d類音頻功率放大器評估模塊及技術(shù)。這一技術(shù)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)，引起了科研、教學(xué)、電子工業(yè)、

16、商業(yè)界的特別關(guān)注。不久的將來，d類音頻功率放大器必然取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器。幾十年來在音頻領(lǐng)域中，a類、b類、ab類音頻功率放大器一直占據(jù)“統(tǒng)治”地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個過程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過程；電路組成從單管到推挽過程；電路形式從變壓器輸出到otl、ocl、btl形式過程。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它們的最大缺點(diǎn)是工作效率太低，a類音頻功率放大器的最高工作效率為50%，b?類音頻功率放大器的最高工作效率為78.5%， ab類音頻功率放大器的工作效率介于二者之間。無論?a類、b類、ab類音頻功率放大器，當(dāng)它們的輸出功率小于額定輸出功率時，效率就更低，播放動態(tài)的

17、語言、音樂時的平均工作效率只有30%左右。此外，傳統(tǒng)模擬功率放大器還存在以下的一些缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，成本高，常常需要設(shè)計復(fù)雜的補(bǔ)償電路和過流，過壓，過熱等保護(hù)電路，體積較大，電路復(fù)雜。輸出功率不可能做的很大。模擬開關(guān)式功率放大器又稱為數(shù)字功放或d類功放，工作于開關(guān)狀態(tài)，理論效率可達(dá)100%，實(shí)際的運(yùn)用也可達(dá)80%以上。功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱器的尺寸，連續(xù)輸出功率很容易達(dá)到數(shù)百瓦。功率mos有自我保護(hù)電路，可以大大簡化保護(hù)電路，而且不會引入非線形失真。所以，采用這種模擬開關(guān)式音頻功率放大器作為本畢業(yè)設(shè)計所要研究的內(nèi)容，具有較大的研究意義。 此次設(shè)計主要通過對比a類、b類

18、、ab類功率放大器的工作狀態(tài)，工作模式，闡述它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而具體的講解d類功率放大器的工作模式，及工作原理。分析d類功放各個部分原理結(jié)構(gòu)額對組電路圖進(jìn)行電路仿真，（運(yùn)用mutisim）獲取各部分的音頻信號，對其進(jìn)入深入分析，進(jìn)而充分了解d類功率放大器。本文充分講述了功率放大器的發(fā)展歷史，以及對幾大主要類型的功率放大器工作原理的對比講解，讓我們可以更加直觀的認(rèn)識和學(xué)習(xí)這些功率放大器如何運(yùn)行1.2 功率放大器的現(xiàn)狀 日常生活中，我們常接觸到各種音響設(shè)備，譬如揚(yáng)聲器，它為什么能把我們微弱的聲音放大呢？這肯定離不開功率放大電路。功率放大電路的發(fā)展已經(jīng)有一個世紀(jì)了，它是最基本的放大電路。功率放大器

19、的主要作用是將前置放大器或者音頻信號處理系統(tǒng)輸出的信號進(jìn)行處理放大，然后推動音響系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器進(jìn)行發(fā)聲，以滿足對聲音響度的要求。我們研究的晶體管與場效應(yīng)管可以用來進(jìn)行線性放大，也可以用來做電子開關(guān)。其中d類功率放大器就是一種工作在開關(guān)狀態(tài)下的放大器。d類功率放大器是現(xiàn)代數(shù)碼放大器的雛形。然而，與傳統(tǒng)的a/b類放大器相比，它本身也存在固有的成本、性能、電磁輻射較強(qiáng)和容易干擾其他設(shè)備等方面的問題，解決這些問題就是d類放大器的發(fā)展新趨勢。國內(nèi)外研究狀況國外幾家公司在d類音頻功率放大器的研究方面取得了一定的進(jìn)展。他們?yōu)榱颂崆罢碱I(lǐng)數(shù)字音頻功放的市場，用他們自己研制的專用ic及器件，采用專門技術(shù)做成“評估

20、模塊”，如：lm4651，lm4652組合（170qw）d類音頻功率放大器；cs44210，ircs8001組合（50w）d類音頻功率放大器；tfipath technology公司推出的t類功率放大器；microsemi公司突出lxe1710評估套件，并聲稱他們采用了不同于d類音頻功率放大器的技術(shù)，但經(jīng)研究分析，我們認(rèn)為這些音頻功率放大器是d類音頻功率放大器的派生。目前國外以評估形式銷售專用器件供開發(fā)上使用，商業(yè)化d類音頻功率放大器產(chǎn)品很少，偶見d類音頻功率放大器上市，而且價格昂貴。國內(nèi)有幾家公司正在研究開發(fā)d類音頻功率放大器，但大多采用的是國外“評估件”、專用ic，開發(fā)成本高，如：成都天奧

21、集團(tuán)投資45萬人民幣在其博士后工作站研究d類音頻功率放大器，但目前仍處在研究中小功率階段。我們研究的d類音頻功率放大器適應(yīng)低，中，高壓電源供電，能說出中功率，大功率及超大功率，所以我們隊d類音頻功率放大器的研究在大功率領(lǐng)域處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。1.3 論文的主要研究內(nèi)容 本次課題要研究d類功率放大器，通過對其各個部件的剖析，深入的學(xué)習(xí)，要求充分的掌握d類音頻功率放大器的各部件功能，作用，以及優(yōu)缺點(diǎn)。音頻放大器分類 長期以來，高品質(zhì)音頻放大器的工作類別，只限于a類(甲類)和ab類(甲乙類)。其原因在于過去只有電子管這樣的器件，b類(乙類)電子管放大器產(chǎn)生的失真使它們甚至在公共廣播用時都難于被人們所接

22、受。所有的自稱為高保真放大器均工作于推挽式的a類(甲類)。 隨著半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)和發(fā)展，放大器的設(shè)計得到了更多的自由。就放大器的類別而言，已不限于a類(甲類)和ab類(甲乙類)。這里將各種類別的放大器簡介如下。不過需要指出，就目前來說用于音頻功率放大器的工作類別，a類(甲類)、ab類(甲乙類)和b類(乙類)這三類放大器仍覆蓋著半導(dǎo)體放大器的絕大多數(shù)。1.3.1 a類(甲類)放大器a類(甲類)放大器，是指電流連續(xù)地流過所有輸出器件的一種放大器。這種放大器，由于避免了器件開關(guān)所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來看，可認(rèn)為它是一種良好的線性放大器。 a類放大器在結(jié)構(gòu)上，還有兩

23、類不同的工作方式。其中一類是將兩個射極跟隨器相聯(lián)工作，其偏置電流要增加到在正常負(fù)載下有足夠的電流流過，而不使任一器件截止。這一措施的最大優(yōu)點(diǎn)是它不會突然地耗盡輸出電流，如果負(fù)載阻抗低于標(biāo)定值，放大器會短期出現(xiàn)截止現(xiàn)象，在失真上可能略有增加，但不致出現(xiàn)直感上的嚴(yán)重缺陷。另一類可稱作為控制電流源型(vcis)，它本質(zhì)上是一個單獨(dú)的射極跟隨器，并帶有一個有源發(fā)射極負(fù)載，以達(dá)到合適的電流泄放。這一類作為輸出級時，需要在開始設(shè)計之前就把所要驅(qū)動的阻抗是多低搞清楚。1.3.2 b類(乙類)放大器 b類(乙類)放大器，是指器件導(dǎo)通時間為50的一種工作類別。這類放大器可以說是最為流行的一種放大器，也許目前所生

24、產(chǎn)的放大器有99是屬于這一類。由于大家比較熟悉，這里不作詳細(xì)介紹。 1.3.3 ab類甲乙類)放大器 ab類(甲乙類)放大器，實(shí)際上是a類(甲類)和b類(乙類)的結(jié)合，每個器件的導(dǎo)通時間在50100之間，依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類放大器的偏置按b類(乙類)設(shè)計，然后增加偏置電流，使放大器進(jìn)入ab類(甲乙類)。 ab類(甲乙類)放大器在輸出低于某一電平時，兩個輸出器件皆導(dǎo)通，其狀態(tài)工作于a類(甲類)；當(dāng)電平增高時，兩個器件將完全截止，而另一個器件將供給更多的電流。這樣在ab類(甲乙類)狀態(tài)開始時，失真將會突然上升，其線性劣于a類(甲類)或b類(乙類)。不過筆者認(rèn)為，它的正當(dāng)使用在于它對

25、a類(甲類)的補(bǔ)充，且當(dāng)面向低負(fù)載阻抗時可繼續(xù)較好地工作。 1.3.4 c類(丙類)放大器 c類(丙類)放大器，是指器件導(dǎo)通時間小于50的工作類別。這類放大器，一般用于射頻放大，很難找到用于音頻放大的實(shí)例。 1.3.5 d類(丁類)放大器 這類放大器，其特點(diǎn)是斷續(xù)地轉(zhuǎn)換器件的開通，其頻率超過音頻，可控制信號的占空比以使它的平均值能代表音頻信號的瞬時電平，這種情況被稱為脈寬調(diào)制(pwm)，其效率在理論上來說是很高的。但是，實(shí)際困難還是非常大的，因為200khz的高功率方波是不是好的出發(fā)點(diǎn)尚不清楚；從失真的角度來看，為保證采樣頻率的有效性，必須將一個陡峭截止頻率的低通濾波器插入放大器與揚(yáng)聲器之間，

26、以消除絕大部分的射頻成分，這至少需要4個電感(考慮立體聲)，成本自然不會低。此外，表現(xiàn)在頻響方面，它只能對某一特定負(fù)載阻抗保證平坦的頻率響應(yīng)。 1.3.6 e類(戊類)放大器 這類放大器，是一個極端聰明的半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用，它在幾乎所有工作時間內(nèi)，通過的電壓或電流是較小的，亦即功率耗散很低。遺憾的是，它僅用于射頻技術(shù)，而不用于音頻。 1.3.7簡介d類放大器的工作原理可能讀者都早就熟悉了a類、b類、ab類和c類放大器，其實(shí)所有這些放大器的區(qū)別只是在于靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇。a類放大器具有最大的靜態(tài)工作電流，也就是它在沒有輸入信號的時候也會消耗電流，因而顯然它的效率是最低的。但是，只要選擇合適的工作點(diǎn)，它

27、通常具有最低的失真。b類放大器則選擇了50%的導(dǎo)通時間，它的效率肯定比a類放大器要高,但是失真也要嚴(yán)重很多。ab類放大器則是介于a類和b類之間。它的導(dǎo)通時間也是介于50%到100%之間。c類放大器是指那些導(dǎo)通時間小于50%的放大器，通常用于負(fù)載為調(diào)諧回路的射頻放大器中。 d類放大器是一種完全不同的放大器，其實(shí)稱之為d類放大器似乎并不恰當(dāng)。因為它并不只是放大器工作點(diǎn)的選擇。所以也有人稱之為“數(shù)字音頻放大器”。似乎這個名稱更為恰當(dāng)。因為有一種d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(pulse width modulation)。所謂脈寬調(diào)制技

28、術(shù)也就是把模擬音頻信號的幅度來調(diào)制一系列矩形脈沖的寬度。這樣，一個模擬音頻信號就變成了一系列寬度受到調(diào)制的等幅脈沖信號。為什么要這樣做呢？因為這時候，要把信號放大，只要對這系列的脈沖信號放放大就可以了。而原來的模擬信號并不是包含在這個脈沖信號的幅度之中，而是包含在它的寬度之中。只要把這個放大以后的脈寬調(diào)制信號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。在沒有信號的時候，輸入信號就是對稱方波。所以如果在放大的時候，幅度上產(chǎn)生失真并不會使原來的音頻信號產(chǎn)生失真。在這種情況下的放大器就可以完全工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)工作狀態(tài)，晶體管的效率是很高的。因為在完全導(dǎo)通的時候晶體管的電流很大但是壓降

29、很小(由其飽和電阻決定)，而在截止的時候，加在晶體管的電壓很高，但是流過晶體管的電流很小(只是其漏電流而已)。同時還可以使晶體管在沒有音頻信號時完全工作在截止?fàn)顟B(tài)，這樣其效率就更高。這種脈寬調(diào)制可以用一個等幅三角波來對音頻信號進(jìn)行采樣。為了避免失真這個三角波的頻率必須遠(yuǎn)高于音頻信號的最高頻率分量。 現(xiàn)在的音頻功率放大器主要有電子管式功率放大器、晶體管式功率放大器和集成電路功率放大器等三種。目前，以晶體管或集成電路式功率放大器為主。電子管式功率放大器的生產(chǎn)工藝相當(dāng)成熟，產(chǎn)品的穩(wěn)定性很高，離散度極小。它的動態(tài)范圍比較大，過負(fù)載能力強(qiáng)，不容易發(fā)生飽和削波失真；電路的負(fù)反饋深度較淺，也不容易發(fā)生瞬態(tài)互

30、調(diào)失真。這些使電子管功放音色純美動聽。集成電路功放隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展而大量涌現(xiàn)出來，它的突出優(yōu)點(diǎn)是體積小、電路簡單、性能優(yōu)越和保護(hù)功能齊全等。晶體管功放是應(yīng)用最廣泛的形式，它的諧波失真已經(jīng)減少到0.5以下。場效應(yīng)管是一種很有潛力的功率放大器件，它是一種噪音小、動態(tài)范圍大的電壓控制器件。另外它還具有負(fù)溫度特性，音色和電子管機(jī)相似，保護(hù)電路簡單。2 d類功率放大器的系統(tǒng)設(shè)計d類功放包括：三角波發(fā)生器、波形調(diào)制器、脈沖整形電路、mosfet橋功放電路、lc低通濾波器。 d類功放原理框圖：三角波發(fā)生器音頻輸入及前置放大波形調(diào)制器驅(qū)動電路mosfet放大電路lc低通濾波器喇叭圖2.1 d類放大器原理

31、簡圖d類功放工作波形示意圖：圖2.2 d類功放工作波形示意圖（a）為輸入信號；（b）為鋸齒波與輸入信號進(jìn)行比對的波形；（c）為調(diào)制器輸出的脈沖（條款脈沖）；（d）為功率放大器放大后的調(diào)寬脈沖；（e）為低通濾波后的放大信號。3 方案論證與比較根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，本系統(tǒng)的組成方框圖如圖 (1) 所示。下面對每個框內(nèi)電路的設(shè)計方案分別進(jìn)行論證與比較方案一：采用fpga芯片產(chǎn)生三角波，使用vhdl語言編寫三角波發(fā)生程序。音頻前置放大電路采用ne5532a芯片，pwm比較器采用393ph-橋電路、低通濾波電路采用分立元件構(gòu)成。該方案中三角波波形準(zhǔn)確，采用分立元件構(gòu)成的電路工作性能好，但采用fpga產(chǎn)生三

32、角波成本較高，分立元件構(gòu)成的電路難以調(diào)試。故不采用該方案。方案二：采用單片機(jī)產(chǎn)生三角波，使用c語言編寫三角波發(fā)生程序。音頻前置放大、pwm比較器、d類功率放大、方波放大等均采用集成芯片構(gòu)成，低通濾波電路采用一階低通濾波電路。該方案采用單片機(jī)產(chǎn)生三角波，波形較好。但考慮到d類功放的便攜性與易實(shí)現(xiàn)性，故不采用該方案。方案三：本設(shè)計采用音頻放大器 ne5532，它是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器（雙運(yùn)放）集成電路。；采用運(yùn)算放大器構(gòu)成方波-三角波發(fā)生電路，選用 tl082 寬頻帶雙 jfet 輸入運(yùn)算放大器。pwm調(diào)制。pwm調(diào)制采用lm31芯片，精密、高速比較器，采用雙電源供電；h-橋電路采用選用功率相

33、對大、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動的對管，irf540 和 irf9540 對管參數(shù)能夠滿足上述要求；濾波電路采用 lc 低通濾波器可以避免引入阻性功率衰減。該方案普遍采用高效率、低功耗、發(fā)熱小、失真度小的芯片構(gòu)成電路。故能滿足d類功放設(shè)計中的高效率、低失真度的要求，本設(shè)計采用此方案。4 硬件單元分析及闡述4.1 三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路如圖(4)所示，三角波的作用是用來調(diào)制音頻信號，對此有兩方面的要求：其一，調(diào)制后的信號可以被完整地恢復(fù)。根據(jù)nyquist 采樣定理，三角波的頻率至少是音頻信號最高頻率的兩倍，人類聽到的聲頻范圍是20 hz20khz ，說明三角波的頻率應(yīng)在40 khz 以上

34、。為確保音頻信號的采樣本設(shè)計采用三角波的頻率為150 khz ；其二，三角波要有穩(wěn)定的頻率和幅度，否則，調(diào)制后的脈寬會產(chǎn)生變形，從而降低音頻輸出的信噪比，音質(zhì)變差，噪聲增大。在高頻的情況下，產(chǎn)生頻率、幅度穩(wěn)定的三角波，對一般的波形發(fā)生器來說很難實(shí)現(xiàn)。采用運(yùn)算放大器構(gòu)成方波-三角波發(fā)生電路，選用 tl082 寬頻帶雙 jfet 輸入運(yùn)算放大器。供電電壓范圍+/-18v，增益帶寬達(dá)到 4mhz。完全可以滿足本設(shè)計需求。具體電路原理圖如下圖所示：圖4.1三角播發(fā)生器上圖是經(jīng)典的運(yùn)放方波三角波發(fā)生器電路，其中前一級的 u1a 運(yùn)放組成遲滯電壓比較器，其輸出為對稱的方波信號。第二級的 u1b 運(yùn)放組成積

35、分器，其輸出為三角波信號。其中 1n5992 為 4.7v 穩(wěn)壓管，兩個串聯(lián)使用可以得到 5v 的穩(wěn)壓值。調(diào)節(jié)圖中滑動變阻器 r5 可以改變輸出方波與三角波的頻率值。調(diào)節(jié)圖中r5可以得到輸出頻率為 153khz 的三角波，調(diào)節(jié)輸出端滑動變阻器 r3 可以改變輸出三角波幅值，峰峰值可調(diào)范圍達(dá)到 015v，完全滿足本設(shè)計需要利用multisim仿真出來的波形如下圖所示：圖4.2三角波仿真結(jié)果4.2 音頻前置放大電路 前放采用德州儀器生產(chǎn)的ne5532芯片，它是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器（雙運(yùn)放）集成電路。與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當(dāng)高的小信號帶寬，電源電壓范圍

36、大等特點(diǎn)。因此很適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備、儀器、控制電路及電話通道放大器。用作音頻放大時音色溫暖，保真度高，其工作頻率可達(dá)10mhz，工作電壓為3v20v，其放大倍數(shù)大、功耗低，且自帶保護(hù)電路，因此外圍電路少。電路圖如下圖所示：圖4.3 前置放大器電路ne5532ip雙電源+/-15v 供電，輸入音頻信號為正弦信號，不需要進(jìn)行偏置。其中 r1 為平衡電阻，取值參照 r1=r3/r4，但同時作為運(yùn)放輸入電阻需要較大的阻值，本設(shè)計選為 r1=10k，音頻輸入加上濾波電容c1構(gòu)成一階高通濾波器，起到隔直流作用，以減少電路的失真度。圖4.4前置放大器仿真結(jié)果4.3 pwm比較電路這部分主要采用一

37、個電壓比較器實(shí)現(xiàn)，音頻信號經(jīng)前置放大器放大后，與三角波相比較，輸出pwm方波。圖4.5 pwm電路電路工作原理：把放大后的音頻信號送到比較器正輸入端，產(chǎn)生的三角波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零，則比較器輸出一個占空比為 1:1 的方波，當(dāng)有音頻信號輸入時，正半周期間，比較器輸出高電平的時間比低電平長，方波的占空比大于 1:1；負(fù)半周期間，方波占空比小于 1:1。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形，稱為 pwm（脈寬調(diào)制）或 pdm（脈沖持續(xù)時間調(diào)制），從而音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。具體

38、仿真波形如下圖 圖4.6 輸出pwm波形仿真本次設(shè)計選用的是德州儀器的lm393芯片，該芯片為雙電壓比較器集成電路，具有工作電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，消耗電流小，輸入失調(diào)電壓小，共模輸入電壓范圍寬，輸出與ttl,mos,cmos兼容等特點(diǎn)。輸入的三角波vp-p為9.72v，所以要求放大之后的音頻信號的vp-p不能超過9.72v，否者會使功放產(chǎn)生失真。該電路供電為12v雙電源，輸出為幅值12v的方波信號，4.4 mosfet管h橋驅(qū)動電路主要是將比較器輸出的脈沖波形進(jìn)行整形，減少輸入 mosfet 放大器的噪聲。并且產(chǎn)生一對反向信號，用于驅(qū)動 mosfet 管組成的 h 橋電路。具體電

39、路比較簡單，沒有充分考慮死區(qū)時間控制，僅采用一個緩沖器進(jìn)行延時，這樣會導(dǎo)致 h 橋電路中單個管子發(fā)熱較大。如果效果不好可以考慮采用具有死區(qū)時間控制的 hip4080 專用全橋驅(qū)動 ic。具體電路與調(diào)制電路連接如下圖所示：圖4.7 調(diào)制驅(qū)動電路其中 cd40106 為施密特觸發(fā)器，u1b 起到對 pwm 調(diào)制波形進(jìn)行整形的作用。u2b 作為反相器，獲得相反的 pwm 波形。u3a 采用的是 cd4010 cmos緩沖器，起到延時作用，具有一定的死區(qū)時間控制作用。整個電路采用的是 15v單電源供電方式。獲得的 h 橋驅(qū)動 pwm 信號為 015v，具體仿真波形如下圖所示：圖4.8 調(diào)制驅(qū)動電路仿真

40、4.5vmosfet功率放大電路本設(shè)計考慮到對 hi-fi 功放性能的影響，并且設(shè)計功率為 10w，擬采用全橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計中要求 vmosfet 的是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電流小。由于輸出功率稍大于 10w，屬較大功率輸出，可選用功率相對大、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動的對管，irf540 和 irf9540 對管參數(shù)能夠滿足上述要求。具體電路原理圖如下圖（橋功率放大器）所示：圖4.9 全橋驅(qū)動電路4.6 lc低通濾波器電路采用 lc 低通濾波器可以避免引入阻性功率衰減，并且對目前設(shè)計要求的限制，本設(shè)計中需要重新設(shè)計低通濾波器，通過 ads 中的濾波器設(shè)計工具進(jìn)行設(shè)計，獲得滿足

41、20hz20khz 的信號高保真效果。電路圖如下圖所示圖4.10 lc低通濾波電路5.仿真與調(diào)試本設(shè)計對上述系統(tǒng)進(jìn)行分模塊設(shè)計，然后分別調(diào)試各模塊，在各模塊滿足性能后，再進(jìn)行系統(tǒng)的級聯(lián)調(diào)試。對系統(tǒng)整體性能測試，檢查是否滿足設(shè)計要求。將上述各模塊電路進(jìn)行級聯(lián)獲得總電路原理圖如下圖 4.8 所示：圖5.1所示 d類功率放大器整體電路圖圖5.2 pwm仿真圖5.3 全橋驅(qū)動輸出仿真圖5.4 負(fù)載仿真結(jié)果5.1失真原因失真原因包括調(diào)制技術(shù)或調(diào)制器實(shí)現(xiàn)中的非線性，以及為了解決沖擊電流問題輸出級所采用的死區(qū)時間。在d類調(diào)制器輸出脈寬中通常對包含音頻信號幅度的信息進(jìn)行編碼。用于防止輸出級沖擊電流附加的死區(qū)時

42、間會引入非線性時序誤差，它在揚(yáng)聲器產(chǎn)生的失真與相對于理想脈沖寬度的時序誤差成正比。用于避免沖擊最短的死區(qū)時間對于將失真減至最小經(jīng)常是最有利的。5.2lc濾波器的選擇d類放大器的主要成本缺點(diǎn)是lc濾波器。lc濾波器裝置中的電感器，占用pcb（印制電路板）面積并且增加成本。在大功率放大器中，d類放大器的總體系統(tǒng)成本仍具有競爭力，因為在散熱裝置節(jié)省的大量成本可以抵消lc濾波器的成本。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。在極個別情況下，例如，用于蜂窩電話的低成本放大器，放大器ic的成本可能比lc濾波器的總成本還要低。即使是忽略成本方面的考慮，lc濾波器占用的pcb（printed circu

43、it board）面積也是小型應(yīng)用中的一個問題。為了滿足這些考慮，有時會完全取消lc濾波器，以采用無濾波放大器設(shè)計。這樣可節(jié)省成本和pcb面積，雖然失去了低通濾波器的好處。如果沒有濾波器，emi和高頻功耗的增加將會不可接受，除非揚(yáng)聲器采用電感式并且非?？拷糯笃鳎娏鳝h(huán)路面積最小，而且功率水平保持很低。盡管這種設(shè)計在便攜式應(yīng)用中經(jīng)常采用，例如，蜂窩電話，但不適合大功率系統(tǒng)，例如，家庭音響。另一種方法是將每個音頻通道所需要的lc濾波器元器件數(shù)減至最少。這可以通過使用單端半橋輸出級實(shí)現(xiàn)，它需要的電感器和電容器數(shù)量是差分全橋電路的一半。但如果半橋輸出級需要雙極性電源，那么與產(chǎn)生負(fù)電源相關(guān)的成本可能就

44、會過高，除非負(fù)電源已經(jīng)有一些其它目的，或放大器有足夠多的音頻通道，以分?jǐn)傌?fù)電源成本。另外，但這樣會降低輸出功率并且經(jīng)常需要使用一個大的隔直流電容器。6.成果及結(jié)論 通過這次項目，我更深的認(rèn)識到學(xué)習(xí)時遇到問題是在所難免的，一定不能浮躁，冷靜下來再通過各種途徑去學(xué)習(xí)，去解決它，這樣才能達(dá)到做項目的真正目的。幾十年來在音頻領(lǐng)域中，a類b類ab類音頻功率放大器一直占據(jù)著統(tǒng)治地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個過程：所用器件從電子管，晶體管，到集成電路的過程，電路組成從單管到推挽過程，電路形成從變壓器輸出到otl,ocl,btl形式過程，其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點(diǎn)是效率太低。全球音視頻領(lǐng)域數(shù)字化

45、的浪潮以及人們對音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快開發(fā)高效，節(jié)能，數(shù)字化的音頻功率放大器，它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字化設(shè)備相連接的特點(diǎn)。d類音頻功率放大器是pwm型功率放大器，它符合上述要求。近幾年，國際上加緊了對d類功率放大器的研究與開發(fā)，并取得了一定的進(jìn)展，幾家著名的研究機(jī)構(gòu)及公司已經(jīng)試驗性地向市場提供了d類音頻功率放大器評估模塊及技術(shù)。這一技術(shù)一經(jīng)問世立即顯示出高效，節(jié)能，數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，引起了科研，教學(xué)，電子工業(yè)，商業(yè)界的特別關(guān)注，現(xiàn)在這一前沿技術(shù)正迅速發(fā)展，前景一片光明。本設(shè)計詳細(xì)討論d類功放的工作原理，優(yōu)越性以及其局限性，對于本系統(tǒng)設(shè)計，有些指標(biāo)還有待于進(jìn)一步提高。例如：在功放效率，最大不失真功率等方面還有較大的潛力可挖，這些都有待于我們通過對電路的改進(jìn)和對元器件的最佳選擇進(jìn)一步完善。在這次畢業(yè)設(shè)計中，我走了許多彎路，但這同時使我從中積累了許多經(jīng)驗教訓(xùn)，正是這些經(jīng)驗教訓(xùn)使我對d類放大器的工作原理有了更深刻的認(rèn)識，對集成電路的設(shè)計有了更深刻的理解?？偨Y(jié)通過這次項目，我們更深的認(rèn)識到學(xué)習(xí)時遇到問題是在所難免的，一定不能浮躁，冷靜下來再通過各種途徑去學(xué)習(xí)，去解決它，這樣才能達(dá)到做項目的真正目的。幾十年來在音頻領(lǐng)域中，a類b類ab類音頻功率放大器一直占據(jù)著統(tǒng)治