高效音頻功率放大器畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）高效音頻功率放大器專業(yè)（系） 智能電網(wǎng)（電氣工程系） 班 級(jí) 智網(wǎng)102 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 完成日期 目 錄摘 要iabstractii第1章 任務(wù)與要求11.1課題概述11.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求11.3參數(shù)要求1第2章 引 言22.1研究背景22.2論文研究目標(biāo)和意義22.3論文章節(jié)安排3第3章 方案論證與設(shè)計(jì)43.1 總體設(shè)計(jì)分析43.2 原理分析43.2.1 d類放大器的工作原理43.2.2 d類放大器的系統(tǒng)分析63.2.3d類放大器的特點(diǎn)73.2.4d類放大器的要求73.3方案的選擇與設(shè)計(jì)93.3.1高效率功放類型的選擇93.3.2脈寬調(diào)制器（pwm）93.3.3高速

2、開(kāi)關(guān)電路93.3.4濾波器的選擇103.3.5信號(hào)變換電路103.3.6功率測(cè)量電路113.4 方案確定11第4章 硬件電路設(shè)計(jì)124.1硬件電路124.1.1三角波發(fā)生器124.1.2 前置放大電路124.1.3 脈寬調(diào)制電路134.1.4 整形輸出電路144.2主要芯片介紹154.2.1cd40106154.2.2ne5532164.2.31lm393174.3實(shí)物圖18第5章 電路調(diào)試205.1調(diào)試的設(shè)備205.2調(diào)試步驟205.2.1 通電前調(diào)試205.2.2通電調(diào)試205.2.3測(cè)試和調(diào)整205.3實(shí)際電路參數(shù)215.2.1三角波發(fā)生器電路215.2.2脈寬調(diào)制比較器21第6章 使用

3、說(shuō)明226.1 使用方法226.1.1 注意事項(xiàng)226.2故障分析226.3總結(jié)22第7章 心得體會(huì)（致謝）24參考文獻(xiàn)25附錄26附件一：總原理圖26附件二：元件清單27摘 要本次設(shè)計(jì)是制作一個(gè)高效的音頻功率放大器，以d類放大器的原理為基礎(chǔ)，用于對(duì)通頻帶范圍為0.00220khz的音頻信號(hào)進(jìn)行放大。功率放大部分采用+5v單電源供電,主要由前置放大模塊、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)稱輸出模塊構(gòu)成，三角波產(chǎn)生模塊有l(wèi)e393和ne5532構(gòu)成三角波發(fā)生器、前置放大由ne5532轉(zhuǎn)變。在8負(fù)載上，最大輸出功率為1.24w，輸出波形幾乎無(wú)失真。電壓放大倍數(shù)120連續(xù)可調(diào)，在輸出功

4、率500mw時(shí)測(cè)量的功率放大效率50%。關(guān)鍵字：音頻功率放大器，高效率，pwmabstractthis design is to produce a high efficient audio power amplifier to class d amplifier principle as the foundation, used to pass band range of 0.002 and khz audio signal amplification. power amplification part adopts single + 5 v power supply, mainly by

5、the preamplifier module, triangular wave produce module, comparator module, drive module, h bridge complementary symmetry output module structure, triangular wave produce module has le393 and ne5532 constitute a triangular wave generator, the preamplifier ne5532 transformation. in eight load, maximu

6、m output power is 1.24 w, output waveform almost no distortion. voltage amplification factor 1 and continuous adjustable, the output of 500 mw of power amplification efficiency were measured at 50% or more.key words: audio power amplifier, and high efficiency, pwm第1章 任務(wù)與要求1.1課題概述我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)是高校音頻功率放大器，它是

7、近年來(lái)剛發(fā)展起來(lái)的一種音頻放大器，通常叫做d類放大器。功率放大器的電源電壓為+5v，負(fù)載為8電阻。它具有功率大、效率高、失真小的特點(diǎn)。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1） 確定設(shè)計(jì)方案，繪制電路原理圖。2） 設(shè)計(jì)印刷板電路。3） 試制本機(jī)（含外觀設(shè)計(jì)）。4） 確定本機(jī)測(cè)試方案。5） 本課題組必須制作一組實(shí)物。6） 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、寫(xiě)出測(cè)試報(bào)告。1.3參數(shù)要求1）功率放大器a3db通頻帶為300hz3400hz，輸出正弦信號(hào)無(wú)明顯失真。b最大不失真輸出功率1w。c輸入阻抗10k，電壓放大倍數(shù)120連續(xù)可調(diào)。d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。e在輸出功率50

8、0mw時(shí)測(cè)量的功率放大器效率（輸出功率/放大器總功耗）50%。2）具有輸出短路保護(hù)功能。第2章 引 言2.1研究背景以家庭影院為標(biāo)志的現(xiàn)代家庭影音系統(tǒng)自20世紀(jì)80、90年代興起后，馬上得到廣大民眾，特別是年輕一代的青睞，你驚人的速度進(jìn)入千家萬(wàn)戶和公共娛樂(lè)場(chǎng)所。隨著數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，家庭影音系統(tǒng)日趨成熟與完美，越來(lái)越多的電子愛(ài)好者期望能自己制作出體現(xiàn)自己意愿特殊的家庭影音系統(tǒng)。我們畢業(yè)研究的課題，就是家庭影音系統(tǒng)的一部分，最高效的d類功放，它正慢慢的改變我們的生活，使我們的生活變得更美好。本文的d類音頻功率放大器主要采用pwm原理實(shí)現(xiàn)，即用模擬音頻信號(hào)的幅度來(lái)調(diào)制一系列矩形脈沖的

9、寬度，一個(gè)模擬音頻信號(hào)與三角波通過(guò)比較器，原來(lái)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)通過(guò)開(kāi)關(guān)輸出電路放大，再將被放大的脈寬調(diào)制信號(hào)中所包含的低頻分量濾出來(lái)就可以得到放大以后的音頻信號(hào)。2.2論文研究目標(biāo)和意義本文分析了現(xiàn)在世界音頻領(lǐng)域數(shù)字化的發(fā)展方向和人們對(duì)于節(jié)能環(huán)保的需求，了解到現(xiàn)代音頻領(lǐng)域?qū)τ谝纛l功率放大器的要求是高效、節(jié)能。并且它可以在音頻頻率范圍內(nèi)，高效率，低失真地進(jìn)行音頻信號(hào)功率放大。傳統(tǒng)功率放大器是利用模擬功率放大器進(jìn)行模擬信號(hào)放大，如a類、b類和ab類放大器。a類放大器主要特點(diǎn)是：放大器工作點(diǎn)q設(shè)定在負(fù)載線中點(diǎn)附近,晶體管在輸入信號(hào)整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也

10、可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率理論最大值僅有25，且有較大非線性失真。由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。b類放大器主要特點(diǎn)是：放大器靜態(tài)點(diǎn)在(vcc，0)處，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。在輸入信號(hào)正半周期內(nèi)，三極管一個(gè)導(dǎo)通一個(gè)截止，輸出端正半周正弦波；同理，當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半波正弦波也是一樣，所以必須用兩管推挽工作。其特點(diǎn)是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是交越失真較大。即當(dāng)信號(hào)在-0.6v 0.6v之間時(shí)，兩個(gè)三極管都無(wú)法導(dǎo)通而引起。所以這類放

11、大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。ab類功率放大器能夠提供高品質(zhì)的信號(hào)放大性能，所以已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，然而ab類功率放大器工作時(shí)，由于直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，工作期問(wèn)必須處于線性放大區(qū)，因此其功率耗散較大，在大輸出功率情況下，ab類放大器會(huì)對(duì)功率器件構(gòu)成極大威脅。其特點(diǎn)是：1效率低，其輸出功率不可能很大；2大功率輸出時(shí)，通常需要散熱器，因此系統(tǒng)體積較大。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，更多、更新的便攜式多媒體產(chǎn)品都要求其中的音響系統(tǒng)具有更小的外形設(shè)計(jì)和更大的電池容量，所以上述缺點(diǎn)都成為ab類功率放大器的致命弱點(diǎn)，限制了ab類音頻功放的進(jìn)一步發(fā)展。d類放大器的應(yīng)用十分廣泛，可以說(shuō)，凡是需要進(jìn)行音頻放大的場(chǎng)合，都可以

12、采用d類放大器。所以，從最經(jīng)典的電話機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)、音響設(shè)備，一直到現(xiàn)代的手機(jī)、mp3播放機(jī)、lcd電視機(jī)、計(jì)算機(jī)音響、 ，都可以采用d類放大器。然而和現(xiàn)代的模擬音頻放大器相比，d類放大器目前的價(jià)格還略為偏高。所以目前主要用在最需要采用d類放大器的場(chǎng)合。因?yàn)閐類放大器的最大優(yōu)點(diǎn)是效率高、省電。所以它特別適用于采用電池供電的設(shè)備。例如手機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、攜帶型dvd播放機(jī)等。這些設(shè)備在采用了d類放大器以后可以大大延長(zhǎng)電池的壽命。其它如大功率的音響設(shè)備，因?yàn)楹碾姾艽?，所以也是非常需要采用高效率的d類放大器。d類功率放大器工作于開(kāi)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。所以，通

13、過(guò)使用d類放大器可以實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能。具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。2.3論文章節(jié)安排本論文大致可分為三個(gè)部分：第一部主要介紹了功率放大器的一些基本知識(shí)；第二部分包含第四章至第六章，給出介紹了d類功率放大器的制作與原理；第三部分包括第七章，是論文總結(jié)及未來(lái)相關(guān)展望。本文的內(nèi)容組織安排如下：第一章主要講述論文的研究背景、論文研究目標(biāo)以及章節(jié)安排。第二章系統(tǒng)地介紹系統(tǒng)地介紹了在整個(gè)項(xiàng)目制作過(guò)程中我們由設(shè)計(jì)方案的選擇與確定到最終整個(gè)項(xiàng)目的完成過(guò)程中，我們所做的一些具體事項(xiàng)。例如：方案確定后我們對(duì)這個(gè)項(xiàng)目實(shí)施的一些安排與調(diào)試等情況。；第三部分對(duì)我們這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了總的一個(gè)概括，以及我們對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的總結(jié)與心得。第3章

14、 方案論證與設(shè)計(jì)3.1 總體設(shè)計(jì)分析本課題設(shè)計(jì)的是電子產(chǎn)品中的高效率、高保真度、 小體積的d類音頻功率放大器。功率放大器由+5v供電，負(fù)載為8電阻。通過(guò)分析此項(xiàng)目可分為d類功率放大器、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、及功率測(cè)量顯示裝置等模塊完成并實(shí)現(xiàn)器功能。3.2 原理分析3.2.1 d類放大器的工作原理d類功放是放大元件處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)的一種放大模式。無(wú)信號(hào)輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和狀體，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開(kāi)關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想的晶體管因?yàn)闆](méi)有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會(huì)有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種損耗只與管子的特性有關(guān)，而與信號(hào)輸出的大小無(wú)

15、關(guān)，所以特別有利于超大功率的場(chǎng)合。d類放大器的電路組成可以分為三個(gè)部分：pwm調(diào)制器、脈沖控制的大電流開(kāi)關(guān)放大器、低頻濾波器。電路結(jié)構(gòu)組成有圖3-2-1 所示。圖3-2-1 d類功放的工作原理框圖 如下圖3-2-2所示為脈寬調(diào)制d類功放的原理框圖，三角波產(chǎn)生器產(chǎn)生的三角波v1與音頻輸入信號(hào)通過(guò)比較器比較產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)v2，v2經(jīng)開(kāi)關(guān)功率放大后經(jīng)過(guò)濾波后輸出v0。圖3-2-2 d類放大器的工作波形示意圖第一部分為pwm調(diào)制器，最簡(jiǎn)單的只需要用一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的比較器即可完成。把原始的音頻信號(hào)加上一定的直流偏置后放在運(yùn)放的正輸入端，在將一個(gè)有自激震蕩生成的三角波添加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正向輸入端上的電位

16、高于負(fù)端三角波的電位時(shí)比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。當(dāng)音頻輸入信號(hào)輸入時(shí)，正半軸期間，比較器輸出高電平的時(shí)間比低電平的時(shí)間長(zhǎng)，方波的占空比大于1:1；負(fù)半軸期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號(hào)幅度高于三角波幅度的時(shí)間卻大為減少，方波的占空比小于1:1。這樣，比較器輸出的波形就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)幅度調(diào)制后的波形，成為pwm（pulse width modulation 脈寬調(diào)制）或者pdm（pulse duration modulation 脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)制）波形。音頻信號(hào)被調(diào)制到脈沖波形中，脈沖波形的寬度與輸入的音頻信號(hào)的幅度成正比。第二部分就是

17、d類功放，這是一個(gè)脈沖控制的大電流開(kāi)關(guān)放大器，把比較器輸出的pwm信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率pwm信號(hào)。能夠輸出的最大功率有負(fù)載、電源和晶體管允許流過(guò)的電流來(lái)決定。第三部分需要把大功率pwm波形中的聲音信息還原出來(lái)。其方法也很簡(jiǎn)單，只需要用一個(gè)低通濾波器。由于此時(shí)電流很大，rc結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)有很大損耗，所以采用lc低通濾波器。當(dāng)占空比大于1:1的脈沖到來(lái)時(shí)，電容c的充電時(shí)間大于放電時(shí)間，輸出電平上升；在小于脈沖到來(lái)時(shí)，放電時(shí)間長(zhǎng)，輸出電平下降正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相一致，所以原音頻信號(hào)被回復(fù)出來(lái)。3.2.2 d類放大器的系統(tǒng)分析功率放大器的輸出呈開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即輸出為一方波波形，由

18、傅利葉級(jí)數(shù)分析知： (3-1)高次諧波經(jīng)由低通濾波器濾除后，輸出信號(hào)最大值為4vcc/，因此負(fù)載所能得到的最大功率為： (3-2)而電路的平均輸入電流為： (3-3)電源的輸入功率為： (3-4)由上可知： （3-5）所以d類放大器理想的效率可以達(dá)到100，但是由于元器件并非理想器件，所以器件中等效電阻會(huì)損耗功率，假設(shè)功率晶體管的導(dǎo)通電阻為,所有其它無(wú)源電阻為，濾波器電阻為，負(fù)載電阻為，其效率為： （3-6）晶體管開(kāi)關(guān)損耗： （3-7）是載波頻率，和是功率晶體管的開(kāi)斷時(shí)間，考慮電阻損耗和開(kāi)關(guān)損耗，其效率為： （3-8）故負(fù)載電阻相對(duì)其他電阻的比值越大則效率越高。3.2.3d類放大器的特點(diǎn)（1）

19、效率高。在理想情況下，d類功放的效率為100%（實(shí)際效率可達(dá)90%左右）。b類功放的效率為78.5%（實(shí)際效率約50%），a類功放的效率才50%或25%（按負(fù)載方式而定）。這是因?yàn)閐類功放的放大元件是處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無(wú)信號(hào)輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開(kāi)關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想晶體管因?yàn)闆](méi)有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會(huì)有很小的飽和壓降而消耗部分電能。 （2）功率大。在d類功放中，功率管的耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號(hào)輸出的大小無(wú)關(guān)，所以特別有利于超大功率的場(chǎng)合，輸出功率可達(dá)數(shù)百瓦。 （3）失真低。d

20、類功放因工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而功放管的線性已沒(méi)有太大意義。在d類功放中，沒(méi)有b類功放的交越失真，也不存在功率管放大區(qū)的線性問(wèn)題，更無(wú)需電路的負(fù)反饋來(lái)改善線性，也不需要電路工作點(diǎn)的調(diào)試。 （4）體積小、重量輕。d類功放的管耗很小，小功率時(shí)的功放管無(wú)需加裝體積龐大的散熱片，大功率時(shí)所用的散熱片也要比一般功放小得多。而且一般的d類功放現(xiàn)在都有多種專用的ic芯片，使得整個(gè)d類功放電路的結(jié)構(gòu)很緊湊，外接元器件很少，成本也不高。3.2.4d類放大器的要求（1）對(duì)功率管的要求。d類功放的功率管要有較快的開(kāi)關(guān)響應(yīng)和較小的飽和壓降。d類功放設(shè)計(jì)考慮的角度與ab類功放完全不同。此時(shí)功放管的線性已沒(méi)有太大意義，更重要

21、的是開(kāi)關(guān)響應(yīng)和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號(hào)的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開(kāi)關(guān)響應(yīng)要好。另外，整機(jī)的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所以，管子的飽和壓降小不但效率高，且功放管的散熱結(jié)構(gòu)也能得到簡(jiǎn)化。若干年前，這種高頻大功率管的價(jià)格昂貴，限制了d類功放的發(fā)展，現(xiàn)在小電流控制大電流的mosfet已在hi-fi功放上得到廣泛應(yīng)用。 （2）對(duì)pwm調(diào)制電路的要求。pwm調(diào)制電路也是d類功放的一個(gè)特殊環(huán)節(jié)，要把20khz以下的音頻調(diào)制成pwm信號(hào)，三角波的頻率至少要達(dá)到200khz（三角波的頻率應(yīng)在音頻信號(hào)頻率的1020倍以上）。當(dāng)頻率過(guò)低時(shí)要達(dá)到同樣要求的thd（總諧

22、波失真）標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)無(wú)源lc低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如果三角波的頻率高，輸出波形的鋸齒小，就能更加接近原波形，使thd小，而且可以用低數(shù)值、小體積和精度要求相對(duì)差一些的電感和電容來(lái)構(gòu)成低通濾波器，造價(jià)相應(yīng)降低。但是，晶體管的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨頻率的上升而上升，無(wú)源器件中的高頻損耗、射頻的聚膚效應(yīng)都會(huì)使整機(jī)效率下降。更高的調(diào)制頻率還會(huì)出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于1mhz。而在實(shí)際的中小功率d類數(shù)字功放中，當(dāng)三角波的頻率達(dá)到500khz以上時(shí)，也可以直接由揚(yáng)聲器的音圈所呈現(xiàn)的電感來(lái)還原音頻信號(hào)，而不用另外的lc低通濾波器。 另外在pwm調(diào)制器中，還要注意到調(diào)制用的三角波的形狀要好、頻率

23、的準(zhǔn)確性要高、時(shí)鐘信號(hào)的抖晃率要低，這些參數(shù)都會(huì)影響到后面輸出端由lpf所復(fù)原的音頻信號(hào)的波形是否與輸入端的原音頻信號(hào)的波形完全相同，否則會(huì)使兩者有差異而產(chǎn)生失真。 （3）對(duì)低通濾波器的要求。位于驅(qū)動(dòng)輸出端與負(fù)載之間的無(wú)源lc低通濾波器也是對(duì)音質(zhì)有重大影響的一個(gè)重要因數(shù)。該低通濾波器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。嚴(yán)格地講，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)去，但作為一個(gè)功放產(chǎn)品指定音箱是行不通的，所以d類功放與音箱的搭配中更有發(fā)燒友馳騁的天地。實(shí)際證明，當(dāng)失真要求在0.5%以下時(shí)，用二階butterworth最平坦響應(yīng)低通濾波器就能達(dá)到要求。如要求更高則需用四階濾波器，這時(shí)成本和匹配等問(wèn)題都必

24、須加以考慮。近年來(lái)，一般應(yīng)用的d類功放已有集成電路芯片，用戶只需按要求設(shè)計(jì)低通濾波器即可。 （4）d類功放的電路保護(hù)。d類功率放大器在電路上必須要有過(guò)電流保護(hù)及過(guò)熱保護(hù)。此二項(xiàng)保護(hù)電路為d類功率ic或功率放大器所必備，否則將造成安全問(wèn)題，甚至傷及為其供電的電源器件或整個(gè)系統(tǒng)。過(guò)電流保護(hù)或負(fù)載短路保護(hù)的簡(jiǎn)單測(cè)試方法：可將任一輸出端與電源端（vcc）或地端（ground）短路，在此狀況下短路保護(hù)電路應(yīng)被啟動(dòng)而將輸出晶體管關(guān)掉，此時(shí)將沒(méi)有信號(hào)驅(qū)動(dòng)喇叭而沒(méi)有聲音輸出。由于輸出短路是屬于一種嚴(yán)重的異?，F(xiàn)象，在短路之后要回到正常的操作狀態(tài)必需重置（reset）放大器，有些ic則可在某一延遲（delay）時(shí)

25、間后自動(dòng)恢復(fù)。至于過(guò)熱保護(hù)，其保護(hù)溫度通常設(shè)定在150160c，過(guò)熱后ic自動(dòng)關(guān)掉輸出晶體管而不再送出信號(hào)，待溫度下降20c30c之后自動(dòng)回復(fù)到正常操作狀態(tài)。 （5）d類功放的電磁干擾。d類功率放大器必須要解決ab類功率放大器所沒(méi)有的emi（electro magnetic interference，電磁干擾）問(wèn)題。電磁干擾是由于d類功率放大器的功率晶體管以開(kāi)關(guān)方式工作，在高速開(kāi)關(guān)及大電流的狀況下所產(chǎn)生的。所以d類功放對(duì)電源質(zhì)量更為敏感。電源在提供快速變化的電流時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生振鈴波形或使電壓變化，最好用環(huán)牛變壓器供電，或用開(kāi)關(guān)電源供電。此外解決emi的方案是使用lc電源濾波器或磁珠（bead）濾波

26、器以過(guò)濾其高頻諧波。中高功率的d類功率放大器因?yàn)閑mi太強(qiáng)目前采用lc濾波器來(lái)解決，小功率則用bead處理即可，但通常還要配合pcb版圖設(shè)計(jì)及零件的擺設(shè)位置。比如，采用d類放大器后，d類放大器接揚(yáng)聲器的線路不能太長(zhǎng)，因?yàn)樵谠摼€路中都攜帶著高頻大電流，其作用猶如一個(gè)天線輻射著高頻電磁信號(hào)。有些d類放大器的接線長(zhǎng)度僅可支持2cm，做得好的d類放大器則可支持到10cm。3.3方案的選擇與設(shè)計(jì)3.3.1高效率功放類型的選擇方案一：采用a類、b類、ab類功率放大器。這三類功放的效率均達(dá)不到題目的要求。 方案二：采用d類功率放大器。d類功率放大器是用音頻信號(hào)的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作在

27、高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)lc低通濾波器后輸出音頻信號(hào)。由于輸出管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，故具有極高的效率。理論上為100，實(shí)際電路也可達(dá)到8095，所以我們決定采用d類功率放大器。3.3.2脈寬調(diào)制器（pwm）方案一：可選用專用脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓限制。方案二：采用三角波產(chǎn)生器及比較器等集成芯片設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制器，這樣各部分的功能清晰，實(shí)現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。3.3.3高速開(kāi)關(guān)電路（1）輸出方式方案一：選用推挽單端輸出方式（電路如圖3-3-3所示）。電路輸出載波峰-峰值不可能超過(guò)5v電源電壓，最大輸出功率遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求。 圖3-3-3 高速開(kāi)關(guān)電路 方案二：選用h橋輸出方式,此方式可充分利用電源電壓

28、，浮動(dòng)輸出載波峰-峰值可達(dá)10v，有效地提高了輸出功率，且能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。其電路如圖3-3-4所示： 圖3-3-4 高速開(kāi)關(guān)電路 （2）開(kāi)關(guān)管的選擇：為提高功率放大器的效率和輸出功率，開(kāi)關(guān)管的選擇非常重要，對(duì)它的要求是高速，低導(dǎo)通電阻，低損耗。方案一：選用晶體三極管、igbt管。晶體三極管需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，并存在存儲(chǔ)時(shí)間，開(kāi)關(guān)特性不夠好，使整個(gè)功放的靜態(tài)損耗及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗較大；igbt管的最大缺陷是導(dǎo)通壓降太大，不利于提高效率。方案二：選用vmmosfet管，vmosfet管具有較小的驅(qū)動(dòng)電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開(kāi)關(guān)特性，符合設(shè)計(jì)的要求，有利于提高效率，故選用vmosfet管。3.3.

29、4濾波器的選擇方案一：采用兩個(gè)相同的二階butterworth低通濾波器。缺點(diǎn)是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。方案二：采用兩個(gè)相同的四階butterworth低通濾波器，保證20khz頻帶的前提下使負(fù)載上的高頻載波電壓進(jìn)一步得到衰減，有利于提高功放的音質(zhì)。3.3.5信號(hào)變換電路方案一：可采用三個(gè)運(yùn)算放大器或單個(gè)運(yùn)算放大器搭制雙端信號(hào)變單端信號(hào)的電路，但是這樣做很難達(dá)到電阻平衡且電路復(fù)雜。方案二：采用低噪音、高速運(yùn)算放大器芯片ne5532設(shè)計(jì)該電路。3.3.6功率測(cè)量電路方案一：使用模擬電路，將電壓值轉(zhuǎn)換為功率值。通過(guò)一定的電路將其送至三位表頭顯示。方案二：使用單片機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)采集信號(hào)變換

30、電路輸出的單端信號(hào)的模擬量，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送至led顯示。3.4 方案確定通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在考慮成本、節(jié)能。高效等各個(gè)方面的問(wèn)題后，方案二更適應(yīng)我們的選擇，更能滿足我們的需求。我們發(fā)現(xiàn)方案二的硬件電路更適合電路的制作與調(diào)試，所以決定使用方案二。第4章 硬件電路設(shè)計(jì)4.1硬件電路4.1.1三角波發(fā)生器 圖4-1-1 三角波發(fā)生器圖通過(guò)給vcc提供5v電源，由r5和r6分壓得到2.5v電壓給lm393的2腳和ne5532的3腳，2、3腳通過(guò)電壓比較器le393輸出信號(hào)給ne5532的2腳，ne5532輸出反饋給lm393的2腳，并輸出三角波；電容起濾波的作用。4.1.2 前置放大電路圖5-1

31、-2 前置放大電路圖音頻信號(hào)輸入，通過(guò)電容c1濾掉高頻雜波，r1、r2中間分的2.5v電壓，給雙運(yùn)放ne5532的3腳信號(hào)，2、3腳通過(guò)ne5532得到輸出并反饋給2腳。4.1.3 脈寬調(diào)制電路 圖4-1-3-1脈寬調(diào)制電路圖脈寬調(diào)制比較器電路主要芯片是lm393，此處要注意的是三角波與音頻信號(hào)的電壓線重合，即正向端、反向端的電壓相等。其電壓平衡我們通過(guò)使用相同大小的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖4-1-3-2 脈寬調(diào)制比較器輸出波形4.1.4 整形輸出電路pwm調(diào)制后，通過(guò)6施密特觸發(fā)器控制4個(gè)三極管的關(guān)斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)間接控制irf640、irf9640，最后通過(guò)lc震蕩電路來(lái)抗干擾，最后推動(dòng)喇叭工作。圖4-

32、1-4整形輸出電路圖1圖4-1-4整形輸出電路圖24.2主要芯片介紹4.2.1cd40106cd40106由六個(gè)斯密特觸發(fā)器電路組成。每個(gè)電路均為在兩輸入端具有斯密特觸發(fā)器功能的反相器。觸發(fā)器在信號(hào)的上升和下降沿的不同點(diǎn)開(kāi)、關(guān)。上升電壓(vt+)和下降電壓(vt-)之差定義為滯后電壓。圖4.2 cd40106引腳圖引腳功能如下：2 4 6 8 10 12 數(shù)據(jù)輸出端cn3838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本 知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)1 3 5 9 11 13 數(shù)據(jù)輸入端cn3838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作

33、用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)14 電源正cn3838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)7 接地cn3838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào) absolute maximum ratings 絕對(duì)最大額定值：dc supply voltage 直流供電電壓 (vdd)0.5 to +18 vdcinput voltage輸入電壓 (vin)0.5 to vdd +0.5 vdcstorage temperature range儲(chǔ)存溫度范圍 (ts)65 to +150powe

34、r dissipation功耗 (pd)：dual-in-line 普通雙列封裝700 mwsmall outline 小外形封裝500 mwrecommended operating conditions 建議操作條件： dc supply voltage 直流供電電壓 (vdd)3 to 15 vdcinput voltage輸入電壓 (vin)0 to vdd vdcoperating temperature range工作溫度范圍 (ta)55 to +1254.2.2ne5532ne5532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

35、的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬，電源電壓范圍大等特點(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(shí)音色溫暖，保真度高，在上世紀(jì)九十年代初的音響界被發(fā)燒友們譽(yù)為“運(yùn)放之皇”，至今仍是很多音響發(fā)燒友手中必備的運(yùn)放之一。參數(shù)數(shù)值通道數(shù)2推薦電源電壓 (v)5-15增益帶寬(mhz)10功率帶寬(khz)140轉(zhuǎn)換速率(v/us)9輸入失調(diào)電壓(mv)5 (max)輸入噪聲電壓(nv/hz)5共模抑制比(db)70(min)靜態(tài)電流(ma)8 圖4-2 ne5532引腳圖4.2.31lm393lm393是高增益,寬頻帶器件，象大多數(shù)比較器一樣，如果輸出端到輸

36、入端有寄生電容而產(chǎn)生耦合，則很容易產(chǎn)生振蕩。這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在當(dāng)比較器改變狀態(tài)時(shí)，輸出電壓過(guò)渡的間隙，電源加旁路濾波并不能解決這個(gè)問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)pc板的設(shè)計(jì)對(duì)減小輸入輸出寄生電容耦合是有助的。減小輸入電阻至小于10k將減小反饋信號(hào)，而且增加甚至很小的正反饋量(滯回1.010mv)能導(dǎo)致快速轉(zhuǎn)換,使得不可能產(chǎn)生由于寄生電容引起的振蕩，除非利用滯后，否則直接插入ic(集成電路板integrated circuit，縮寫(xiě)：ic) 并在引腳上加上電阻將引起輸入輸出在很短的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)振蕩，如果輸入信號(hào)是脈沖波形，并且上升和下降時(shí)間相當(dāng)快，則滯回將不需要。引出端序號(hào)符號(hào)功能1out a輸出a2in a-反向輸

37、入a3in a+同向輸入a4gnd接地端5in b+同向輸入b6in b-反向輸入b7out b輸出b8vcc電源電壓主要功能：輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，不受 vcc端電壓值的限制.此輸出能作為一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)地sps開(kāi)路(當(dāng)不用負(fù)載電阻沒(méi)被運(yùn)用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動(dòng)和器件的值所限制.當(dāng)達(dá)到極限電流(16ma)時(shí)，輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升。輸出飽和電壓被輸出晶體管大約60ohm 的sat限制。當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí),輸出晶體管的低失調(diào)電壓(約1.0mv)允許 輸出箝位在零電平。4.3實(shí)物圖 圖4.3圖4.4第5章 電路調(diào)試正確的調(diào)試系統(tǒng)才能使各

38、模塊電路正常工作，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的顯示。5.1調(diào)試的設(shè)備電源發(fā)生器xj17232l一臺(tái)示波器ds5022m一臺(tái)信號(hào)/電源線-一套信號(hào)源sfg1003一個(gè)恒溫烙鐵sbk9360一個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表ut39b一塊圖5-1調(diào)試設(shè)備、型號(hào)、數(shù)量5.2調(diào)試步驟調(diào)試主要分為通電前調(diào)試、通電調(diào)試、測(cè)試和調(diào)整三個(gè)步驟。5.2.1 通電前調(diào)試在通電前，我們需要檢查各個(gè)元器件的管腳是不是正確，是否有接反向了的元件，在實(shí)際操作中也確實(shí)發(fā)現(xiàn)有這樣的問(wèn)題；其次是檢查背面線路的正確性，我們需要讓它和原理圖相同，所以，沒(méi)檢查一斷線路就要做好標(biāo)記，要做到不重復(fù)、不遺漏、不缺少3點(diǎn)；最后，用萬(wàn)用表測(cè)量板子電源端與接地端的電阻，檢查電路

39、電源與接地端是否短路，發(fā)現(xiàn)時(shí)及時(shí)解決，不要在通電后才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。5.2.2通電調(diào)試經(jīng)過(guò)通電前的測(cè)試后，我們就進(jìn)行通電調(diào)試，接通電源后首先觀察電路是否有異常的現(xiàn)象，例如電路有無(wú)冒煙、是否聞到異味、手摸元件是否發(fā)燙、電源是否短路等現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)這些現(xiàn)象的時(shí)候，我們要及時(shí)斷開(kāi)電源，尋找問(wèn)題發(fā)生的原因，看是否有短接、搭到線的問(wèn)題，然后解決它。5.2.3測(cè)試和調(diào)整測(cè)試是指在安裝完畢后，對(duì)電路參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行的測(cè)量。調(diào)整則是再測(cè)試的基礎(chǔ)上對(duì)電路的參數(shù)進(jìn)行修正，使其符合要求。本次項(xiàng)目我們采用的是邊安裝邊調(diào)試的方法，就是把整個(gè)電路分成幾個(gè)模塊分別進(jìn)行安裝、調(diào)試。這里主要用到了靜態(tài)調(diào)試。靜態(tài)調(diào)試 靜態(tài)調(diào)試一般指沒(méi)

40、有外加信號(hào)的條件下測(cè)試電路各點(diǎn)的電位。如測(cè)模擬電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，數(shù)字電路的各輸人、輸出電平，測(cè)出的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值相比較，若超出允許范圍，則應(yīng)分析原因進(jìn)行處理。5.3實(shí)際電路參數(shù)5.2.1三角波發(fā)生器電路靜態(tài)調(diào)試接通電源不接入音頻信號(hào)測(cè)試同向端、反向端的、輸出端的電位測(cè)試點(diǎn)電源端接地端同相段反相端輸出端測(cè)試值5.0v0v2.55v2.55v1.5v5.2.2脈寬調(diào)制比較器靜態(tài)調(diào)試 只接通電源不接入音頻信號(hào)跟載波信號(hào)對(duì)電路進(jìn)行測(cè)量測(cè)試點(diǎn)電源端接地端同相端反相端輸出端測(cè)試值5.0v0v2.49v2.49v第6章 使用說(shuō)明6.1 使用方法接入5v電源和音頻信號(hào)，輸出接喇叭。6.1.1 注意事項(xiàng)在使用是注

41、意電壓的大小，避免在高溫、高濕度環(huán)境下使用。6.2故障分析表6-2功放調(diào)試過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題及解決方法序號(hào)故障現(xiàn)象故障產(chǎn)生的原因解決方法1電路只有輸出的雜音電路中從lm393到cd40106be有線沒(méi)有連接將沒(méi)有連接的線路連接起來(lái)2輸出的矩形波比較平滑電容充放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將電容的容量換小一點(diǎn)3放大電路的放大倍數(shù)為負(fù)芯片4腳沒(méi)接地將芯片4腳接地4放大后的音頻信號(hào)干擾較大電源本身的波形不平滑在電源跟地之間接一個(gè)電容濾波6.3總結(jié)本設(shè)計(jì)是幾個(gè)模塊串聯(lián)起來(lái)組成的，需要我們一個(gè)一個(gè)模塊的調(diào)試，這就要求我們每個(gè)模塊都做到完美，一個(gè)小小的失誤就可能導(dǎo)致電路的不成功，所以一定要細(xì)心，而我們也在上面花費(fèi)了很多時(shí)間。在原理圖設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們有很多參考的圖，所以我們要充分利用這些資源，