數(shù)字功放的設(shè)計(jì)

1、 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目: 數(shù)字功放的設(shè)計(jì) 姓 名: 江丹 學(xué) 院:專 業(yè):班 級(jí):學(xué) 號(hào):指導(dǎo)教師:2014 年5月 25 日 目錄引言21功放簡(jiǎn)介與發(fā)展現(xiàn)狀31.1 功放的種類31.1.1 A類功率放大器31.1.2 B類功率放大器31.1.3 AB 類功率放大器31.1.4 D類功率放大器41.2數(shù)字功放的發(fā)展現(xiàn)狀42 數(shù)字功放的基本原理及電路組成52.1 數(shù)字功放的工作原理52.2 數(shù)字功放的電路組成63 各模塊電路設(shè)計(jì)73.1 前置放大電路73.2 三角波產(chǎn)生電路83.3 比較器電路93.4 驅(qū)動(dòng)電路103.5 功放與低通濾波電路113.6 直流穩(wěn)壓電源134 功能仿真與數(shù)據(jù)分

2、析134.1各電路仿真結(jié)果134.1.1前置放大信號(hào)134.1.2 三角波信號(hào)134.1.3 PWM碼144.1.4 經(jīng)過(guò)功放管的PWM碼144.4.5還原出的音頻信號(hào)154.2 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析154.2.1 電壓放大倍數(shù)154.2.2 效率154.2.3 通頻帶寬度165數(shù)字功放干擾抑制166 D類功放的發(fā)展與技術(shù)展望176.1 D類功放的不足176.2 D類功放的最新發(fā)展T類功率放大器17結(jié) 論17致 謝18參考文獻(xiàn)18附錄19 數(shù)字功放的設(shè)計(jì) 電子信息工程專業(yè)學(xué)生 摘要：在日常生活中，我們已經(jīng)感受到了電子技術(shù)給我們帶來(lái)的便捷。在我們使用的各類電子設(shè)備中，數(shù)字功放正發(fā)揮著其不可替代的作用。

3、所以設(shè)計(jì)出功能優(yōu)異的數(shù)字功放已經(jīng)是各大電子器件制造商的迫切任務(wù)。本文從數(shù)字功放的基本原理出發(fā)，著重介紹了它的各個(gè)電路組成部分。利用Multisim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行功能仿真，并且達(dá)到了預(yù)期的效果。在實(shí)際電路中，針對(duì)其產(chǎn)生的電磁干擾提出了一些抑制方法。最后數(shù)字功放的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述。關(guān)鍵詞：PWM碼 門驅(qū)動(dòng)電路 濾波電路 電磁干擾 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種各樣的電子產(chǎn)品層出不窮，例如筆記本電腦、移動(dòng)通信終端、音箱等。這些事物的出現(xiàn)極大的豐富了我的日常生活，給我們的工作帶來(lái)了很多便捷。然而，要使這些產(chǎn)品正常工作，數(shù)字功放是不可或缺的。 數(shù)字功放其功放管的工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，如

4、果輸入信號(hào)使功放管處在導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)在理想狀態(tài)下晶體管的內(nèi)阻近似為零，所以管子兩端沒(méi)有壓降，自然就不會(huì)產(chǎn)生功率消耗；如果輸入信號(hào)使晶體管處在截止?fàn)顟B(tài)，那么晶體管的內(nèi)阻就為無(wú)窮大，流經(jīng)管子的電流就為零，也沒(méi)有功率消耗。所以，晶體管在控制電路工作時(shí)是不會(huì)消耗功率的，這正是功放管能夠達(dá)到比較高的效率的原因之一。正是由于數(shù)字功放的優(yōu)越性能，所以它被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中。因此，設(shè)計(jì)出符合要求的數(shù)字功放就顯得格外重要。 1功放簡(jiǎn)介與發(fā)展現(xiàn)狀1.1 功放的種類1.1.1 A類功率放大器 A類功放又稱為甲類功放，如圖1.1（a），對(duì)于此放大器的功率輸出管，必須將其Q值設(shè)置在直流負(fù)載線的中點(diǎn)部分，因?yàn)檫@部分的線

5、性最佳。這樣輸人信號(hào)在正負(fù)兩個(gè)半周期內(nèi)都能夠使放大管在線性放大狀態(tài)下工作，這時(shí)其導(dǎo)通角為360°。隨之帶來(lái)的問(wèn)題就是能量轉(zhuǎn)換效率很低，電路的最高效率也只有25%，并且需要兩種晶體管交替互補(bǔ)才能使整個(gè)周期都處在放大狀態(tài)，也不可避免地產(chǎn)生交越失真。在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，對(duì)于A類功放電路任然需要消耗能量，所以此時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率為零。正是因?yàn)橐粋€(gè)A類放大器的能量轉(zhuǎn)換效率低，因此它主要用于電壓放大，在功率放大器電路中少用。1.1.2 B類功率放大器 B類功率放大器又叫乙類功放如圖1.1（b）。將其靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置在電壓最大和電流為零的截止點(diǎn)上，這樣它的導(dǎo)通角就為180°。工作的方式為，當(dāng)輸

6、人信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)的正半周處在管子的導(dǎo)通區(qū)從而被放大，而負(fù)半周就被截止了。也就是說(shuō)，B類功放只能將的輸入信號(hào)的正半周期進(jìn)行功率放大，由于此電路的導(dǎo)通角只有一個(gè)輸入信號(hào)周期的一半，只有用兩只管子組成互補(bǔ)推挽級(jí)電路才能完成放大，只用一只管子是很難對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大的。在工作時(shí)，其中一只管子將正半周信號(hào)進(jìn)行放大輸出，另一只管子則將負(fù)半周信號(hào)放大輸出，這樣組成一個(gè)完整的信號(hào)輸出。但是問(wèn)題出現(xiàn)了，兩個(gè)半周信號(hào)在正負(fù)周期的臨界點(diǎn)處由于銜接得不是太好就易出現(xiàn)信號(hào)失真。由于這種失真發(fā)生在一個(gè)信號(hào)的零電平處，它被稱為過(guò)零失真。在放大音頻信號(hào)時(shí)，播放器就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲。靜止時(shí)工作電流為零，并且必須采用推挽工作方式

7、是B類放大器的重要特征。值得注意的是，它的效率可以達(dá)到70-80,這在功放電路中是很高的，B類功放的設(shè)計(jì)思路可以運(yùn)用于其它功放的改進(jìn)電路當(dāng)中。 1.1.3 AB 類功率放大器 此類功放在設(shè)計(jì)時(shí)將工作點(diǎn)Q設(shè)置在A類和B類之間并且相對(duì)靠近B類處，如圖1.1(c),這樣其導(dǎo)通角就為200°左右，像B類功放一樣，由于單管不能完整地對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，所以也就必須采用互補(bǔ)推挽工作模式。正是由于互補(bǔ)的兩只管子它們的導(dǎo)通角均大于180°，從而把輸出信號(hào)合并在一起就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)重疊區(qū)。兩只管子工作的切換點(diǎn)正好就處在這個(gè)重疊區(qū)中，所以就不擔(dān)心因銜接不好而產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲。導(dǎo)通角大于180

8、6;，采用互補(bǔ)推挽工作是該類功放的顯著特征。需要提及的是，在輸人信號(hào)很小，以至于小到在多余的20°內(nèi)放大都不失真時(shí)，管子的工作狀態(tài)就與A類相同了。此時(shí)AB類功放就成為A類放大器了。所以AB類放大器非常適合對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大。它的工作條件是必須將兩只管子配對(duì)使用，來(lái)抑制過(guò)零失真。1.1.4 D類功率放大器 D類功率放大器是基于離散時(shí)間放大器設(shè)計(jì)思想的，人們對(duì)它研究近一個(gè)半世紀(jì)的時(shí)間，直到1970個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOS）后，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)器件的高性能，開(kāi)發(fā)了一個(gè)D類功率放大器頻帶寬，這才研發(fā)出寬頻帶的D類功率放大器。PWM調(diào)制方式非常直觀，信號(hào)幅度越高時(shí)，脈沖寬度就越寬。同時(shí)低

9、通濾波器對(duì)信號(hào)具有積分作用，正脈沖幅度寬，積分的時(shí)間長(zhǎng)，輸出的電壓就相應(yīng)增高。這樣，采用一個(gè)LC積分電路，就能將放大的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換。因?yàn)檫@些數(shù)字信號(hào)變換于集成電路中進(jìn)行，無(wú)需外部設(shè)備的幫助，且它不需要一個(gè)統(tǒng)一的格式，所以各廠家可以用最好的方法來(lái)開(kāi)發(fā)，使用者只需將模擬信號(hào)輸入然后在開(kāi)關(guān)管恢復(fù)輸出信號(hào)。輸入信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)輸出信號(hào)輸出信號(hào)輸出信號(hào) （a）A類 （b）B類 （c）AB類 圖1.1 功放輸入輸出特性1.2數(shù)字功放的發(fā)展現(xiàn)狀 功放的研制已經(jīng)具有一個(gè)世紀(jì)的歷史，伴隨著大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，各大集成電路制造商正研制出一些性能優(yōu)越的數(shù)字功放。它還為消

10、費(fèi)電器、音響和通訊廠家提供OEM技術(shù)，這些產(chǎn)商在其官方網(wǎng)站上提供全面而詳細(xì)的技術(shù)說(shuō)明文件、產(chǎn)品說(shuō)明、圖片等。索尼、夏普、東芝、蘋果、愛(ài)立信等都在自己的高級(jí)產(chǎn)品中運(yùn)用數(shù)字功放，如蘋果電腦的哈曼·卡頓音箱的放大器就采用了T類放大芯片。 第一代D類功放的出現(xiàn)證實(shí)了功放的概念與優(yōu)越性能，但距離市場(chǎng)化卻經(jīng)歷了很長(zhǎng)的時(shí)間。1999年底，丹麥和美國(guó)合資的TaeTAudio公司推出的高保真數(shù)字功率放大器的創(chuàng)新，這是D類功率放大器市場(chǎng)化的象征。 第二代D類功放由于經(jīng)過(guò)體積改造，功耗特別低，價(jià)格也十分合理而受到廣大消費(fèi)者的青睞。第二代D類功放制造商生產(chǎn)出了一系列產(chǎn)品，并在第一代D類功放的基礎(chǔ)上將相對(duì)簡(jiǎn)單

11、的PWM和外置濾波器以及集成的輸出級(jí)組合在一起。第三代D類功放其特點(diǎn)是更小和更簡(jiǎn)單，這是OEM生產(chǎn)者與D類芯片設(shè)計(jì)者之間共識(shí)。OEM生產(chǎn)商對(duì)市場(chǎng)的深入了解，反饋的芯片制造商，解決在過(guò)去設(shè)計(jì)的重要缺陷，這也使得新一代的產(chǎn)品與市場(chǎng)需求一致，更容易被消費(fèi)者所接受。2 數(shù)字功放的基本原理及電路組成2.1 數(shù)字功放的工作原理 D類功率放大器的工作方式主要是根據(jù)輸入信號(hào)幅度的變化在時(shí)間軸上進(jìn)行量化，從而將輸入信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，這種模數(shù)變換通?？梢圆捎妹}沖寬度調(diào)制和調(diào)制等方式，其優(yōu)點(diǎn)是能改善嗓聲特性和實(shí)現(xiàn)寬帶化。首先要將輸入的模擬信號(hào)通過(guò)變換轉(zhuǎn)化成脈沖寬度調(diào)制碼PWM或脈沖密度調(diào)制碼PDM。要得到PWM碼

12、只需要將原輸入信號(hào)與用一個(gè)高頻三角波進(jìn)行電壓比較即可。當(dāng)輸入的模擬信號(hào)大于三角波的幅度時(shí)，比較器輸出高電平，當(dāng)三角波電壓上升到大于輸入的模擬信號(hào)時(shí)，比較器就會(huì)輸出低電平?？梢?jiàn)輸入信號(hào)電平越高那么對(duì)應(yīng)輸出的脈沖寬度就寬，輸入信號(hào)電平越低那么對(duì)應(yīng)輸出的脈沖寬度就窄，這種根據(jù)輸入電平高低而決定的輸出脈沖寬度的碼制就是所謂的PWM碼。如果采用三角波的頻率更高，那么可以將PWM碼轉(zhuǎn)化成脈沖密度調(diào)制PDM碼，很明顯輸入電平高那么脈沖密度就大，輸入電平低則對(duì)應(yīng)的脈沖密度就小。這種PDM碼與數(shù)字音頻中常用的1 bit調(diào)制很相似，所以在集成數(shù)字功放芯片中，更多的是采用PDM碼。然后將PWM碼或PDM碼通過(guò)門驅(qū)動(dòng)

13、電路，而門驅(qū)動(dòng)電路可以控制開(kāi)關(guān)功放管的導(dǎo)通和截止，在開(kāi)關(guān)功放管輸出端就得到與PWM或PDM相類似的脈沖信號(hào)，并且輸出脈沖幅度可以達(dá)到電源電壓，電流驅(qū)動(dòng)能力非常強(qiáng)這樣就降低了后續(xù)電路的功耗。最后，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)LC低通濾波器，它可以把一個(gè)脈沖寬度和密度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓的大小。當(dāng)脈沖寬度大，電容器的充電時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)高的積累電壓，反之電壓就低，從而把加載脈沖中的模擬信號(hào)還原出來(lái)。如果將數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行放大，則與三角波信號(hào)比較就可以被消除，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換不同格式為PWM或PDM編碼，其它的步驟與放大模擬信號(hào)是類似的。由于缺乏快速的大功率開(kāi)關(guān)管，并且在大

14、功率時(shí)LC低通濾波器的要求很高加之受到高頻輻射等問(wèn)題的影響，故在設(shè)計(jì)出此種電路的相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后，卻沒(méi)有很快面向廣大市場(chǎng)。近年來(lái)隨著電子器件行業(yè)的飛速發(fā)展，快速低電壓控制大電流的MOSFET管已經(jīng)相當(dāng)普遍 ，開(kāi)關(guān)特性、截止時(shí)的漏電流和導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降都大為提高，器件的問(wèn)題得到解決。 比 較 器 負(fù) 載 門 驅(qū) 動(dòng) 輸入信號(hào)開(kāi) 關(guān) 功 率 管 濾 波 電 路三角波信號(hào) 圖2.1 數(shù)字功放基本框圖2.2 數(shù)字功放的電路組成 如果輸入的信號(hào)是模擬信號(hào)，這時(shí)需要將其通過(guò)一個(gè)前置放大電路，提高其電壓增益，然后將其輸入到電壓比較器中與三角波信號(hào)進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生PWM信號(hào)。再經(jīng)過(guò)門驅(qū)動(dòng)器件的驅(qū)動(dòng)后控制開(kāi)關(guān)元

15、件的開(kāi)啟和關(guān)閉。這時(shí)得到放大了的PWM信號(hào)。要想將其恢復(fù)成模擬信號(hào)，就必須這個(gè)信號(hào)輸入到相應(yīng)的LC低通濾波器中。當(dāng)輸入的是數(shù)字信號(hào)，那么將其輸入到比較器中與三角波信號(hào)進(jìn)行比較就可以省略了。其后續(xù)的原理與模擬信號(hào)輸入的原理是相同的。如圖2.2所示的就是數(shù)字功放的電路組成。開(kāi)關(guān)元件數(shù)字音頻編碼變換門驅(qū)動(dòng) PDM碼 PWM碼取樣點(diǎn)波形發(fā)生器放大后的模擬信號(hào)低通濾波器開(kāi)關(guān)放大后的PWM或PDM模擬信號(hào)輸入數(shù)字信號(hào)輸入 圖2.2 數(shù)字功放電路組成3 各模塊電路設(shè)計(jì)3.1 前置放大電路 如圖3.1所示的前置放大電路，為了提高電壓增益，必須加上前置放大器電路，它不僅能使放大器的增益連續(xù)變化從1到20，并可以

16、增加比較器的精度。如果功放輸出的最大不失真功率為1W時(shí)，那么其8負(fù)載上的電壓Vp-p=8V，此時(shí)送給比較器音頻信號(hào)的Vp-p值應(yīng)為2V，則功放的最大增益約為4(事實(shí)上，最大不失真功率放大器是略大于1W，電壓增益大于4)。所以就必須對(duì)輸入的模擬音頻信號(hào)進(jìn)行放大，使其增益大于5。本設(shè)計(jì)采用寬頻帶LM393來(lái)組成同相寬帶放大器。采用同相放大的目的是容易使輸入電阻Ri大于等于 10 K。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，又由于要求輸入電阻Ri大于1OK，所以R1=R2=51K，通過(guò)計(jì)算得Ri=25.5K，反饋電阻采用可變電阻R4，并取R4=20k，取反相輸入端電阻R3為2.4k，則前置

17、放大器的最大增益Av為9.3。調(diào)整可變電阻R4的阻值使其電壓增益約為8，那么整個(gè)功放的電壓增益就可以實(shí)現(xiàn)0-32內(nèi)可調(diào)。又考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值Vom小于2.5 V，所以取取Vom=2.0 V，則要求輸入的音頻最大幅度Vim小于250mV，如果超過(guò)此幅度則輸出會(huì)產(chǎn)生削波失真。那么就難以通過(guò)功放還原出不失真的音頻信號(hào)。 圖3.1 前置放大電路3.2 三角波產(chǎn)生電路 D類功率放大器電路，三角波信號(hào)作為載波信號(hào)的頻率是一個(gè)非常重要的技術(shù)參數(shù)，根據(jù)采樣定理，載波頻率高則容易消除功率放大器的高頻干擾，且容易設(shè)計(jì)出符合要求的低通濾波器，因此在這種情況下應(yīng)盡可能提高三角波信號(hào)的頻率，這樣

18、既可以減少信號(hào)失真，又可簡(jiǎn)化后續(xù)濾波器設(shè)計(jì)。但同時(shí)，三角波的頻率增大也會(huì)導(dǎo)致功率器件的開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)頻率的增加，產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)損耗，大大降低了D類功率放大器的轉(zhuǎn)換效率。 根據(jù)奈奎斯特抽樣定理：無(wú)論是對(duì)模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，只有在采樣頻率fs大于等于信號(hào)中最高頻率fmax的2倍時(shí)，才能不失真地還原出原信號(hào)，但在實(shí)際應(yīng)用中通常使采樣頻率為被采樣信號(hào)頻率fmax的510倍。當(dāng)輸入音頻信號(hào)上限的上限頻率為10KHz，開(kāi)關(guān)頻率最低為20KHz時(shí)，為了保證功放系統(tǒng)的精度，那么載波信號(hào)的頻率就要大于100KHz。但在實(shí)際電路中，必須考慮器件工作頻率限制，載波信號(hào)的頻率和音頻信號(hào)的頻率需要滿足以下關(guān)系：三角波頻率

19、為音頻信號(hào)頻率的10到20倍。其三角波產(chǎn)生電路如圖3.2所示 圖3.2 三角波產(chǎn)生電路3.3 比較器電路比較器電路是D類功率放大器中非常重要的一部分，它將經(jīng)過(guò)放大的輸入信號(hào)與三角波載波信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)。對(duì)輸出的PWM信號(hào)來(lái)說(shuō)，由于其脈沖寬度變化能夠體現(xiàn)輸入信號(hào)的幅值信息，這就要求比較器具有非常小的分辨率，以正確比較輸入的模擬信號(hào)和三角波信號(hào)。同時(shí)，PWM脈沖信號(hào)的高低電平之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間要短，否則經(jīng)過(guò)功放輸出的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)明顯的交越失真，從而得不到預(yù)期的效果。其電路組成如圖3.3所示。當(dāng)比較器的同向端電壓大于反向端時(shí)，其輸出為高電平；反之，比較器的輸出為低電平。但是在實(shí)際電路中都存

20、在不可避免的誤差，高低電平的轉(zhuǎn)換存在一個(gè)對(duì)應(yīng)于輸入電平中間點(diǎn)的亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域，需要盡量減小亞穩(wěn)區(qū)的寬度來(lái)提高比較器的工作性能。當(dāng)提高比較器的增益時(shí)，那么其精度也會(huì)隨之相應(yīng)地增高。在動(dòng)態(tài)比較器，時(shí)間延遲指的是傳輸延時(shí)比較器的輸入和輸出之間的響應(yīng)，在輸入信號(hào)幅度的變化會(huì)導(dǎo)致傳輸延遲的變化，輸入激勵(lì)較大時(shí)會(huì)使延時(shí)短，當(dāng)然，輸入激勵(lì)水平提高到一個(gè)最大值，超過(guò)這個(gè)上限輸入水平就無(wú)法對(duì)延遲產(chǎn)生影響，在這種狀態(tài)下的電壓變化，稱為擺率；當(dāng)輸入激勵(lì)較小以至于接近比較器的最小輸入電壓差時(shí)，那么就重點(diǎn)關(guān)注傳輸延時(shí)。在任何PWM調(diào)制的系統(tǒng)中，這兩種情況都會(huì)出現(xiàn)，因此要同時(shí)考慮傳輸延時(shí)和擺率。此外在信號(hào)處理中，還要考慮噪聲

21、的影響，所以就必須采取有效的措施降低比較器帶來(lái)的噪聲，并相對(duì)應(yīng)地提高電源電壓抑制比。 圖3.3 比較器電路3.4驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路必須具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，從而很好滴對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的寄生電容進(jìn)行充放電，達(dá)到控制功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和截止的目的。本驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3.4所示 在脈沖波形變換中通常使用施密特觸發(fā)器（CD40106），在性能上它有兩個(gè)重要的特點(diǎn)： 施密特觸發(fā)器具有兩個(gè)閥值電壓，輸入信號(hào)從低電平上升到高電平的過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平與輸入信號(hào)從高電平下降到低電平過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平是不同的。由于正反饋系統(tǒng)具有加速狀態(tài)轉(zhuǎn)換的功能，所以在添加了正反饋系統(tǒng)的CD40106可以使輸出電壓的邊沿變化很

22、陡。普通門電路都有一個(gè)閾值電壓，輸入信號(hào)在閥值電壓左右變化時(shí)電路的狀態(tài)將隨之發(fā)生變化。普通門電路的電壓傳輸特性曲線是單調(diào)的，施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性曲線是滯回的。這就大大降低了在閥值電壓周圍由于輸入電壓的波動(dòng)而帶來(lái)的輸出波動(dòng)，這在很大程度上降低了干擾。 圖3.4 驅(qū)動(dòng)電路3.5 功放與低通濾波電路 圖3.5給出了功放與濾波電路，從前面的敘述可以知道，這部分電路是為了將PWM碼進(jìn)行放大和并且還原出音頻信號(hào)的，為了得到最高的轉(zhuǎn)換效率，我們采用了H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路。H橋型互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路具有如下優(yōu)點(diǎn)： 各電流變換器單元具有相同的結(jié)構(gòu)，它很容易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)；直流相互獨(dú)立；各變流器單元工作對(duì)稱。由

23、于普通的晶體三極管需要較大的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)工作，這使得整個(gè)功放的靜態(tài)損耗及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗較大。而場(chǎng)效應(yīng)晶體管的驅(qū)動(dòng)電流小，低電阻和良好的開(kāi)關(guān)特性，故它是一個(gè)高速VMOSFET管，由于其輸出功率大于1W，仍屬于小功率輸出。故可選用功率小，可以快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管IRFD120和IRFD9120 VMOSFET對(duì)管的參數(shù)能夠滿足上述要求。 低通濾波器可以使低頻信號(hào)通過(guò)，使高于截止頻率的信號(hào)衰減或截止。對(duì)于不同的濾波器而言，每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度是不同的。本設(shè)計(jì)中的濾波器采用四個(gè)相同的4階巴特沃思低通濾波器。 圖3.5 功放與低通濾波電路 3.6 直流穩(wěn)壓電源 由于此電路需要采用5V的直流穩(wěn)壓電源來(lái)供

24、電，所以必須設(shè)計(jì)出符合要求的電源電路。小功率直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成。將有效值為220V、頻率為50HZ的單相交流電通過(guò)電源變壓器將行降壓，使其峰值電壓達(dá)到5V左右，整流電路將降壓的交流電壓變?yōu)橹绷髅}沖電壓，再通過(guò)濾波電路得到穩(wěn)定的直流電壓。由于隨著電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度的變化，這些都會(huì)導(dǎo)致電壓的波動(dòng)，所以要將信號(hào)經(jīng)穩(wěn)壓電路來(lái)保證輸出的直流電壓的穩(wěn)定，在這里集成穩(wěn)壓管起著穩(wěn)定電壓的作用。 Vo220V50HZ 圖3.6 直流穩(wěn)壓電源4 功能仿真與數(shù)據(jù)分析4.1各電路仿真結(jié)果4.1.1前置放大信號(hào) 圖4.1.1 放大前后信號(hào)4.1.2 三角波信號(hào) 圖4.1.2

25、 三角波信號(hào)4.1.3 PWM碼 圖4.1.3 PWM碼4.1.4 經(jīng)過(guò)功放管的PWM碼 圖4.1.4 經(jīng)過(guò)功放管的PWM碼4.1.5還原出的音頻信號(hào) 圖4.1.5 還原出的音頻信號(hào)4.2 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析4.2.1 電壓放大倍數(shù) 加入500mV正弦波后，經(jīng)前置放大后輸入p-p=750mV 輸出p-p= 3.640 V Av =Uo / Ui 將數(shù)據(jù)帶入中，得Av=4.854.2.2 效率 輸入i=200mV，整體電路全部采用5V單電源，雙端輸出各接一8負(fù)載 Pi=Ui × I Po=U / R =Po / Pi 帶入數(shù)據(jù)中，得Pi=1.0W，Po=0.726W 由，則 = ×

26、;100% = 72.6%4.2.3 通頻帶寬度 f L = 20 Hz f H = 20.5 KHz5數(shù)字功放干擾抑制 從電磁兼容的角度來(lái)看，數(shù)字功放的功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這就是一個(gè)比較強(qiáng)的干擾源。數(shù)字功率放大器采用的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，不可避免地產(chǎn)生電磁干擾。而針對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾的抑制方法，不是本文主要探討的重點(diǎn)，故在此就不做過(guò)多地?cái)⑹?。但是，在?shí)際工作中，我們發(fā)現(xiàn)有些數(shù)字功放之所以產(chǎn)生電磁干擾，其原因?yàn)镻WM波。所以在此我們將重點(diǎn)討論如何抑制PWM板的電磁干擾。 工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的功率管，其頻率高電流大，非常接近電源部分。因此，對(duì)于使用開(kāi)關(guān)電源供電的數(shù)字功放，干擾和紋波系數(shù)都比較大，所以必

27、須重點(diǎn)考慮元器件在PCB上排列的位置，并且要盡量使各部件之間的引線縮短，從而降低干擾。在總體布局上，要合理分開(kāi)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和噪聲源這三種信號(hào)，使它們之間的藕合最小干擾最小。此外，直流穩(wěn)壓電壓中，還要考慮電源變壓器的方向性，使之對(duì)電路產(chǎn)生的輻射最小。針對(duì)電磁場(chǎng)輻射較強(qiáng)的元件和對(duì)電磁感應(yīng)較敏感的元件，應(yīng)采取相應(yīng)的屏蔽措施。一些具有高的電位差的元件或?qū)Ь€，應(yīng)使它們盡量遠(yuǎn)離，以免放電發(fā)生意外短路。這些都是我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)必須考慮的因素，為的是使數(shù)字功放具有比較高的保真度。 6 D類功放的發(fā)展與技術(shù)展望6.1 D類功放的不足 （1）輸出功率晶體管并不是理想意義上的開(kāi)關(guān)，兩只管子不能很好地相匹配，這

28、就會(huì)導(dǎo)致畸變的產(chǎn)生。 （2）在輸出功率晶體管的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，接地電位的變化顯著，這會(huì)增加噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起信號(hào)失真。 （3）功率輸出電路是采用兩只功率晶體管接成的橋路，其中一個(gè)功率晶體管導(dǎo)通另一個(gè)封閉的，之間可以有死區(qū)存在，造成失真。 （4）采用低通濾波器把放大的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)時(shí)，不可能徹底濾除脈寬調(diào)制的載波，也就是三角波信號(hào)，這是造成失真的一個(gè)重要因素。6.2 D類功放的最新發(fā)展T類功率放大器 由于D類功率放大器存在很大的缺陷，美國(guó)Tripath公司研發(fā)出了一種稱為數(shù)字功率處理技術(shù)（DPPTM），它就是T類功率放大器的核心技術(shù)。與D類功放有差別的是，它所采用的并不是脈寬調(diào)制，它

29、將把通信技術(shù)中處理小信號(hào)的預(yù)測(cè)算法及適應(yīng)算法用到信號(hào)處理當(dāng)中。音頻輸入信號(hào)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)后，控制功率晶體管的開(kāi)啟和關(guān)閉，從而避免了采用PWM技術(shù)的D類功率放大器的缺點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，DDPTM技術(shù)的問(wèn)世，是數(shù)字功放發(fā)展史上的一座新的里程碑。 對(duì)于T類功率放大器，功率管的開(kāi)關(guān)頻率是可以改變的，不同于采用相對(duì)固定的開(kāi)關(guān)頻率的D類功率放大器，無(wú)用的分量或噪聲功率譜不集中在窄頻帶的兩側(cè)，而分布在很寬的頻率，波形和T類功率放大器的頻譜波形膨脹是相似的，因此功率密度不高，這就極大地降低了對(duì)輸出低通濾波器的要求，易于制作出合適的低通濾波器。在國(guó)外，生產(chǎn)T類功放的電子公司已經(jīng)有很多，技術(shù)也不斷更新，國(guó)內(nèi)雖然在這

30、方面起步較晚，但是近年來(lái)發(fā)展速度迅猛，并且已經(jīng)有相關(guān)企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)T類功率放大器。例如，夏新電子股份有限公司，其產(chǎn)品已進(jìn)入市場(chǎng)。有一點(diǎn)可以相信，隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字功放將給我們的生活增添更多的精彩。結(jié) 論數(shù)字功放是在A類、B類、AB類功率的基礎(chǔ)上研制出來(lái)的，大規(guī)模集成電路的發(fā)展更促進(jìn)了數(shù)字功放的更新和改進(jìn)。數(shù)字功放的基本原理就是PWM原理，它與以往的功率放大器相比有著優(yōu)越的性能。本設(shè)計(jì)是根據(jù)數(shù)字功放的基本原理、電路組成、干擾抑制、功能仿真、技術(shù)展望等方面來(lái)進(jìn)行敘述的，其中著重介紹了數(shù)字功放的組成電路。目前，相關(guān)的數(shù)字功放已經(jīng)相當(dāng)成熟，由于更多的專業(yè)人員的加入，數(shù)字功放技術(shù)也得到了不斷完善

31、。針對(duì)D類功放的一些缺陷，相關(guān)的電子器件制造商已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)并生產(chǎn)處性能優(yōu)越的T類功放。與D類功放相比，T類功放顯示出其卓越的性能，但這并不代表著D類功放技術(shù)可以被拋棄，在我們研究新一代的功率放大器的時(shí)候，我們?nèi)匀恍枰獙?duì)D類功放的相關(guān)技術(shù)有一個(gè)很好的認(rèn)識(shí)。只有這樣，我們才可以充分借鑒前人的研究成果，生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品，造福人類。 致 謝從畢業(yè)設(shè)計(jì)選題到資料收集再到最終的論文寫作，期間經(jīng)歷了很多的艱辛。從剛開(kāi)始的毫無(wú)頭緒到最后的成竹在胸，這一切都離不開(kāi)丁西明老師的悉心指導(dǎo)，正是丁老師給予我的幫助才使我在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的寫作。丁老師無(wú)論是工作期間還是在節(jié)假日休息的時(shí)候，都會(huì)在第一時(shí)間解答我的

32、問(wèn)題，并且提出很多寶貴的建議，這使我的論文更加完善。在電路仿真的時(shí)候，丁老師對(duì)我所設(shè)計(jì)的電路的各個(gè)組成部分都進(jìn)行了仔細(xì)地檢查糾正，這樣就讓我得到了預(yù)期的結(jié)果。再此由衷地感謝。當(dāng)然，大學(xué)四年里每個(gè)授課老師的教誨讓我打下了堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，這也是我能完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重要原因，在此一并感謝。感謝你們！參考文獻(xiàn)1黎燕.多功能網(wǎng)絡(luò)數(shù)字音頻功率放大器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電子科技大學(xué)學(xué)位論文D， 2008：04-062郭遠(yuǎn)東.數(shù)字功放的電磁騷擾抑制方法和整改實(shí)例.電子工業(yè)出版社M.2012:70-733貴體翔.數(shù)字功放綜述.實(shí)用影音技術(shù)J.2000:54-574龍泉.數(shù)字功放的派別與發(fā)展現(xiàn)狀.實(shí)用影音技術(shù)J.

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