電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書姓名_ 班級 指導(dǎo)老師 設(shè)計(jì)課題： 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求查找一個(gè)感興趣的電工電子技術(shù)應(yīng)用電路，要求電子元件超過3050個(gè)或以上，根據(jù)應(yīng)用電路的功能，確定封面上的題目，然后完成以下任務(wù)：1、 分析電路由幾個(gè)部分組成，并用方框圖對它進(jìn)行整體描述；2、 對電路的每個(gè)部分分別進(jìn)行單獨(dú)說明，畫出對應(yīng)的單元電路，分析電路原理、元件參數(shù)、所起的作用、以及與其他部分電路的關(guān)系等等；3、 用簡單的電路圖繪圖軟件繪出整體電路圖，在電路圖中加上自己的班級名稱、學(xué)號、姓名等信息；4、 對整體電路原理進(jìn)行完整功能描述；5、 列出標(biāo)準(zhǔn)的元件清單；設(shè)計(jì)步驟1、 查閱相關(guān)資料，開始撰寫設(shè)計(jì)說明書；2、 先

2、給出總體方案并對工作原理進(jìn)行大致的說明；3、 依次對各部分分別給出單元電路，并進(jìn)行相應(yīng)的原理、參數(shù)分析計(jì)算、功能以及與其他部分電路的關(guān)系等等說明；4、 列出標(biāo)準(zhǔn)的元件清單；5、 總體電路的繪制及總體電路原理相關(guān)說明；6、列出設(shè)計(jì)中所涉及的所有參考文獻(xiàn)資料。設(shè)計(jì)說明書字?jǐn)?shù)不得少于3000字。參考文獻(xiàn)1談文心. 高頻電子線路M. 西安: 西安交通大學(xué)出版社2謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試(第二版)M. 武昌:華中科技大學(xué)出版社，20003毛哲，張雙德電路計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)仿真與測試 M武漢：華中科技大學(xué)出版社，20034朱力恒電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教程M北京：電子工業(yè)出版社，20035王遠(yuǎn). 模擬電子技術(shù)(第二

3、版)M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，20006電子制作合訂本2006下 電子制作雜志社電子報(bào)合訂本1991年7崔瑋 等. Protel99SE電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)M北京：海洋出版社，20058楊幫文.新型集成器件實(shí)用電路（修訂版）M北京：電子工業(yè)出版社，2006目錄1、 總體方案與原理說明22.三角波產(chǎn)生的電路43.比較器電路54.橋式輸出級電路65.基準(zhǔn)電壓源電路76.總體電路原理相關(guān)說明86.1 數(shù)字功率放大器的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)96.2數(shù)字功率放大器的系統(tǒng)框架97.總體電路原理圖108.元件清單119.參考文獻(xiàn)1210.設(shè)計(jì)心得體會131、 總體方案與原理說明 模擬音頻功率放大器經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)

4、展，在技術(shù)和性能上目前已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)巔峰，很難出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。效率成為制約模擬音頻功率放大器發(fā)展的主要因素。模擬音頻功率放大器是線性放大器，可以根據(jù)偏置點(diǎn)的不同將模擬音頻功率放大器分為A類，B類，AB類，各類功率放大器的理論效率在50%78.5%之間。模擬音頻功率放大器的最大效率是在輸出最大輸出功率時(shí)得到的，但是為了保證信號保真度這一性能指標(biāo)，放大器往往不能工作在最大輸出功率狀態(tài)，因此模擬音頻功率放大器在實(shí)際系統(tǒng)中正常工作的效率一般不高，對于A 類音頻功率放大器，實(shí)際的工作效率一般在25%左右。盡管人們曾經(jīng)采用多種方式試圖提高效率，但是由于理論極限值的限制，模擬音頻放大器的效無法得到本質(zhì)上的

5、改善，數(shù)字功率放大器就是在這種情況下被廣泛關(guān)注的。數(shù)字功率放大器是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的創(chuàng)新技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景，并對消費(fèi)電子產(chǎn)生巨大的沖擊作用，在音頻和非音頻領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，如DVD接受機(jī)，AV接收機(jī)，助聽器，手機(jī)，等離子顯示器，汽車音響，收錄機(jī)以及專業(yè)音頻設(shè)備等。與模擬功率放大器相比，數(shù)字功率放大器在獲得更高效率的同時(shí)可以降低芯片尺寸，所以在便攜式音頻設(shè)備中有著重要的地位。統(tǒng)計(jì)表明，數(shù)字功率放大器目前以每年超過50%的速度在迅猛增長。數(shù)字功率放大器的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，我國擁有巨大的消費(fèi)電子市場。目前國內(nèi)使用手機(jī)的用戶很多，而每一部手機(jī)都可以使用一個(gè)數(shù)字功率放大器；在時(shí)尚潮流方面，MP3,

6、MP4等便攜式媒體播放器深受消費(fèi)者的喜愛，在消費(fèi)電子領(lǐng)域占有巨大的份額，而數(shù)字功率放大器常常作為耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于此類播放器中：在汽車電子領(lǐng)域，數(shù)字功率放大器以其高效率，低散熱和更緊湊的封裝形式，將逐步取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器成為汽車音響的首選和主流。 數(shù)字功率放大器根據(jù)調(diào)制方式的不同，可以分為脈沖寬度調(diào)制（PWM）型數(shù)字功率放大器和Sigma-Delta調(diào)制型數(shù)字功率放大器。采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）型數(shù)字功率放大器，其功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，其效率理論上可以達(dá)到100，電路實(shí)現(xiàn)較為簡單，但是要特別注意電磁干擾（EMI）和噪聲；采用Sigma-Delta調(diào)制方法來設(shè)計(jì)數(shù)字功率放大器，該調(diào)制

7、方法相對于PWM調(diào)制方法來說能夠進(jìn)一步提高數(shù)字功率放大器的總諧波失真（THD），得到更好的線性度，但其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)也會更為復(fù)雜。第二級共模反饋電路由MOS管MF1MF8組成。MF1、MF2和MF3、MF4構(gòu)成兩個(gè)輸入差分對結(jié)構(gòu)，檢測第二級放大電路的輸出共模電壓；MF5和MF6為共模反饋電路供偏置電流；MF7產(chǎn)生第二級共模輸出信號，通過控制流過M10和M12的電流，調(diào)整第二級放大電路的輸出共模電壓。假設(shè)輸出電壓Vo+和Vo-超過了Vcm，MF3和MF4管的漏端電流開始下降，這使得流過MF7的電流減小，導(dǎo)致第二級共模反饋信號向VDD方向增加，流過M10和M12管的電流減少，由于通過M11和M13管的電

8、流是一個(gè)定值，這將導(dǎo)致輸出電壓Vo+和Vo-下降，最終，輸出電壓的平均值將穩(wěn)定于Vcm。與輸入級運(yùn)算放大器不同的是,積分器的運(yùn)算放大器具有一個(gè)較大的負(fù)載電容，而且這個(gè)運(yùn)算放大器中的右半平面零點(diǎn)降低這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以需要對這個(gè)積分器的運(yùn)算放大器的進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償。零點(diǎn)補(bǔ)償技術(shù)把零點(diǎn)移到了左半平面，它消除了第一個(gè)非主極點(diǎn)，提高了單位增益帶寬，并且這個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償方法并不會因?yàn)殡娫措妷旱淖兓瑴囟鹊淖兓凸に嚻疃霈F(xiàn)補(bǔ)償不準(zhǔn)的現(xiàn)象。兩級運(yùn)放中的右半平面的零點(diǎn)是一個(gè)嚴(yán)重的問題，我們可以通過把零點(diǎn)移到左半平面，以便消除第一個(gè)非主極點(diǎn)，以提高這個(gè)運(yùn)算放大器的單位增益頻率。2.三角波產(chǎn)生的電路本文設(shè)計(jì)的三角波

9、產(chǎn)生電路由偏置電路、控制電路以及恒流源充放電電路三部分組成。MOS管MF1MF9以及電阻R4構(gòu)成三角波產(chǎn)生電路的偏置級。MF5、MF6構(gòu)成電流鏡恒流源；MF7、MF8分別和MF1、MF3亦構(gòu)成電流鏡恒流源。MF1、MF2、MF3、MF互相組成電流鏡，確保I3和I4恒定，以提高其穩(wěn)定程度，使得MF5和MF6在相等的源漏電壓下工作，以減少I5和I6的差別，即使由于某種原因使得電流源輸出電壓發(fā)生變化，電流源本身的負(fù)反饋起到的內(nèi)部自我調(diào)節(jié)作用,從而達(dá)到恒流的效果。MF9柵極和漏極連接，電壓相等，管子工作在飽和區(qū)，輸出特性曲線區(qū)域平坦。改變電阻R4的值可以調(diào)整輸出偏置電壓大小。3.比較器電路由于NMOS

10、管輸入級和PMOS管輸入級電路原理一樣，以下只分析NMOS管差分輸入電路。M1和M2為輸入級的差分輸入管；M3、M4、M6、M7耦合相接，組成電流鏡作為輸入級的負(fù)載管，這種結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定輸出共模電平及提高輸入級增益的優(yōu)點(diǎn)；M5是恒流源管，為比較器提供偏置電流。輸入級電路共有兩條反饋通路：第一條是通過晶體管M1和M2共源節(jié)點(diǎn)的串聯(lián)電流負(fù)反饋；第二條是連接晶體管M6和M7源-漏極的并聯(lián)電壓正反饋。當(dāng)正反饋系數(shù)小于負(fù)反饋系數(shù)時(shí)，整個(gè)電路在共模輸入電壓很高時(shí)為負(fù)反饋，電路沒有遲滯效應(yīng)；當(dāng)正反饋系數(shù)大于負(fù)反饋系數(shù)時(shí)，整個(gè)電路表現(xiàn)為正反饋，同時(shí)在電壓傳輸曲線中表現(xiàn)為遲滯效應(yīng)。4.橋式輸出級電路橋式輸出電路數(shù)

11、字功率放大器的輸出級采用橋接負(fù)載差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。理論上，由于數(shù)字功率放大器的開關(guān)工作模式，在開關(guān)理想的情況下，其功率效率為100%。但實(shí)際上，由于由MOS現(xiàn)的開關(guān)導(dǎo)通電阻不可能為零，并且其導(dǎo)通和關(guān)閉需要一個(gè)過程，所以數(shù)字功率放大器的效率不可能真正達(dá)到100%，而是有一個(gè)上限。本文設(shè)計(jì)的全橋式輸出結(jié)構(gòu)如圖4-14所示。PWM信號經(jīng)過死區(qū)時(shí)間調(diào)整電路后再經(jīng)過功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率晶體管。全橋式結(jié)構(gòu)（BTL）數(shù)字功率放大器除具有與AB類BTL音頻功率放大器相同的優(yōu)點(diǎn)外，還具有高效率特性33。BTL放大器的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是采用單電源供電時(shí)輸出端不需要隔直電容，半橋式放大器則不然，因?yàn)樗妮敵鰰赩DD和地之間

12、擺動(dòng)，這意味著它的輸出具有VDD/2的直流偏移，全橋式放大器中，這個(gè)偏移會出現(xiàn)在負(fù)載的兩側(cè)，輸出端的直流電流為零。它們具有的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在相同的電源電壓下BTL結(jié)構(gòu)的放大器輸出信號擺幅是半橋式放大器的2倍，因?yàn)樨?fù)載是差分驅(qū)動(dòng)的，在相同的電源電壓下，理論上它可提供最大輸出功率是半橋式放大器的4倍。全橋式數(shù)字功率放大器所需要的MOSFET的開關(guān)個(gè)數(shù)是半橋式結(jié)構(gòu)的兩倍。一些人會認(rèn)為這是它的缺點(diǎn)，因?yàn)楦嚅_關(guān)就意味著會產(chǎn)生更多的導(dǎo)通和開關(guān)損耗和占用更大的面積，然而這僅對于大功率輸出的放大器（10W）是正確的，因?yàn)樗鼈冃枰叩妮敵鲭娏骱碗娫措妷?，因此，半橋式放大器往往憑借其在效率上的微弱優(yōu)勢而被大功率

13、設(shè)備所采用。大多數(shù)的全橋式放大器在驅(qū)動(dòng)8?負(fù)載時(shí)，效率在80%90%之間。5.基準(zhǔn)電壓源電路本文設(shè)計(jì)的數(shù)字功率放大器電路一共使用了5種偏置電壓，分別為Vb13.455V、Vb22 V、Vb31.7V、Vb1.255V、Vcm2.5V。這五種偏置電壓的精確性對整個(gè)數(shù)字功率放大器的精度有著直接影響。基準(zhǔn)源應(yīng)當(dāng)不隨溫度、電壓、工藝參數(shù)的變化而變化，具有較低的溫度系數(shù)和較高的電源抑制比。在眾多類型的基準(zhǔn)電壓源中，只有CMOS帶隙基準(zhǔn)源既可以綜合滿足上述指標(biāo)，又兼顧制造成本。帶隙基準(zhǔn)的一般原理如圖4-17所示。帶隙基準(zhǔn)源的主要工作原理是利用工藝參數(shù)隨溫度變化的特性，產(chǎn)生正負(fù)兩種溫度系數(shù)來達(dá)到零溫度系數(shù)的

14、目的，以此對電路的溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償。圖2-5為傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源電路。Q1、Q2、Q3發(fā)射區(qū)的面積之比為1：N：N。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源電路分析過程中有兩個(gè)缺點(diǎn):一是輸出電壓約為1.25V,不能進(jìn)行調(diào)節(jié);二是只考慮了一階溫度系數(shù),如果仿真此電路并畫一條V的曲線，會發(fā)現(xiàn)它呈現(xiàn)有限的曲率，溫度系數(shù)在一定的溫度范圍內(nèi)為零,而在其他的溫度范圍內(nèi)或?yàn)檎驗(yàn)樨?fù)。產(chǎn)生曲率的主要原因是溫度隨晶體管發(fā)射極電壓、集電極電流的變化而變化。輸出濾波器電路PWM信號的頻率為幾百KHz，比音頻信號帶寬20Hz20KHz大得多，為了從PWM開關(guān)信號中恢復(fù)出音頻信號，通常采用低通濾波器（LPF）。6.總體電路原理相關(guān)說明6.1 數(shù)

15、字功率放大器的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的數(shù)字功率放大器結(jié)構(gòu)簡單，功耗較低，并可以通過設(shè)計(jì)高性能的濾波器，把THD+N限制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，因此這種結(jié)構(gòu)常被應(yīng)用于對講機(jī)等對于主板空間和音質(zhì)的要求不是很高的領(lǐng)域。 數(shù)字功率放大器典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，它包括一個(gè) PWM調(diào)制器，由兩個(gè)輸出功率晶體管組成的半橋式輸出級和一個(gè)低通LC濾波電路。圖2-1典型數(shù)字功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型的PWM調(diào)制器包括一個(gè)比較器和一個(gè)三角波產(chǎn)生電路。三角波產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)頻率范圍在200kHz300kHz之間的三角波信號，音頻輸入信號通過比較器與三角波信號進(jìn)行比較，在比較器的輸出端，得到脈沖寬度隨音頻輸入信號幅度變化的脈沖信號，

16、即PWM信號。PWM信號控制半橋式輸出功率管的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)PWM信號為低電平時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管截止，電流通過PMOS管由電源流入濾波器和負(fù)載，當(dāng)PWM信號為高電平時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管截止，電流通過NMOS管由濾波器和負(fù)載流入到地，從而達(dá)到控制流入濾波器和負(fù)載上的電流的方向的目的。低通濾波器起到解調(diào)器的作用，PWM信號通過濾波器后，高頻載波信號以及高頻信號的諧波分量被濾除，放大了的音頻信號驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載發(fā)聲，最終實(shí)現(xiàn)了功率放大。典型的數(shù)字功放輸入輸出波形如圖3-2所示。后級低通濾波器選用單端兩極點(diǎn)LC積分電路，即一種最簡單的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可將放大的PWM信號解調(diào)，當(dāng)脈沖寬度大

17、時(shí)，電容上的電壓就積累得高,反之電壓就低。這樣既可濾掉高頻開關(guān)噪聲，又得到放大的音頻信號,驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。同時(shí)由于功率管處于開關(guān)狀態(tài)，功耗很低，因而可以獲得很高的效率，理論上可以獲得接近100%的效率。對調(diào)制波信號進(jìn)行傅立葉分解，其頻譜可以用二維傅立葉級數(shù)表示。6.2數(shù)字功率放大器的系統(tǒng)框架圖2-2為數(shù)字功率放大器的系統(tǒng)框架，包括前置放大器電路、積分器電路、調(diào)制器電路、全橋式輸出級電路、基準(zhǔn)電路、過溫保護(hù)電路以及過流保護(hù)電路。這個(gè)數(shù)字功率放大器利用反饋環(huán)路來抑制電源電壓波動(dòng)、開關(guān)功率級的輸出及諧波失真（THD），電阻R1、R2、R3以及Rf必須具有良好的線性度和匹配，以獲得良好的閉環(huán)性能。這個(gè)

18、音頻功率放大器的PWM調(diào)制方法是基于雙邊自然采樣技術(shù)。PWM信號是直接通過比較音頻信號和三角波信號得到，PWM頻譜中并不直接的包含調(diào)制信號的諧波，也就是說，從諧波失真的角度上考慮，它是非常理想的。輸入音頻信號經(jīng)過前置放大器電路，獲得并穩(wěn)定輸入音頻信號，并確保差動(dòng)信號；輸入音頻信號和反饋信號經(jīng)過積分器輸出，然后分別與三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生獨(dú)立的PWM信號，通過死區(qū)控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路后，分別作用到兩個(gè)半橋上，完成音頻的放大。保護(hù)模塊主要包括過流保護(hù)和過溫保護(hù)模塊，是為了保證數(shù)字功率放大器正常工作，防止因?yàn)殡娏鬟^大或溫度過高造成放大器性能上的影響甚至燒壞放大器或負(fù)載揚(yáng)聲器。圖2-2所示的系統(tǒng)環(huán)路中

19、包含一個(gè)極點(diǎn)，環(huán)路的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)是在增益為0dB時(shí)，電路的相位裕度大于60。也可以在這個(gè)環(huán)路系統(tǒng)中引入一個(gè)LPH零點(diǎn)來創(chuàng)建一個(gè)二階環(huán)路，與一階環(huán)路系統(tǒng)相比，二階環(huán)路系統(tǒng)在音頻帶寬內(nèi)具有更高的增益，因此將會在音頻范圍內(nèi)具有更好的THD性能和PSRR性能。7.總體電路原理圖8.元件清單序號名稱備注數(shù)量1電阻10k42電阻30k33電阻22064電位器470k25電位器0.01uf16電位器470pf17電解電容470uf18電解電容1000uf19 集成功放LM38619.參考文獻(xiàn)1談文心. 高頻電子線路M. 西安: 西安交通大學(xué)出版社2謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試(第二版)M. 武昌:華中科技大學(xué)出版社，20003毛哲，張雙德電路計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)仿真與測試 M武漢：華中科技大學(xué)出版社，20034朱力恒電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教程M北京：電子工業(yè)出版社，20