丁類功放的研究

1、1通信電子線路課程研究性學(xué)習(xí)D類功率放大器的研究目錄11摘要AbstractTOC o 1-5 h z、概述1 HYPERLINK l bookmark4 、工作原理1 HYPERLINK l bookmark6 1、三角波產(chǎn)生2 HYPERLINK l bookmark8 2、前置放大級2 HYPERLINK l bookmark10 3、PWM調(diào)制2 HYPERLINK l bookmark12 4、功率放大3 HYPERLINK l bookmark16 5、低通濾波4 HYPERLINK l bookmark18 三、其他功率放大器5 HYPERLINK l bookmark20 1、

2、A類放大器5 HYPERLINK l bookmark22 2、B類放大器：5 HYPERLINK l bookmark24 3、AB類放大器5 HYPERLINK l bookmark26 四、實際應(yīng)用5 HYPERLINK l bookmark28 1、手持嵌入式設(shè)備開關(guān)特性5 HYPERLINK l bookmark30 2、小型便攜式功放高效特性6 HYPERLINK l bookmark32 五、參考文獻6 1摘要：傳統(tǒng)的模擬功放存在效率低的缺點，為此本文介紹了基于脈寬調(diào)制技術(shù)的數(shù)字D類功率放大器。指出了D類功率放大器工作原理、組成電路和實際應(yīng)用，以及和其他功率放大器相比的優(yōu)點。Ab

3、stract:Thelowefficiencyoftheshortcomingsoftraditionalanalogamplifierexists,forthatreasonthispaperbasedonthedigitalclassDamplifierpulsewidthmodulationtechnology.PointedouttheClassDamplifierworks,circuits,andpracticalapplications,andadvantagescomparedtootheramplifiercomponents.關(guān)鍵詞：D類功率放大器原理優(yōu)點Keywords:

4、ClassDpoweramplifier,principle,advantagesD類功放也稱為數(shù)字功放，與模擬功放的主要差別在于功放管的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)模擬放大器有A類、B類、AB類和C類等。一般的小信號放大都是A類功放，即A類，放大器件需要偏置，放大輸出的幅度不能超出偏置范圍，所以，能量轉(zhuǎn)換效率很低，理論效率最高才25%。B類放大，也稱B類放大。B類放大不需要偏置，靠信號本身來導(dǎo)通放大管，理想效卒高達785%。但因為這樣的放大，小信號時失真嚴重實際電路都要略加一點偏置，形成AB類功放，這么一來效率也就隨之下降。雖然高頻發(fā)射電路中還有一種C類，即C類放大，效率可以更高，但電路復(fù)雜、音質(zhì)更差，音

5、頻放大中一般都不采用。這幾種模擬放大電路的共同特點是晶體管都工作在線性放大區(qū)域中，它按照輸入音頻信號的大小控制輸出的大小，就像串在電源與輸出間的一只可變電阻，控制輸出，但同時自身也在消耗電能。D類放大器，它的理想效率為100%，實際能達到90%以上，遠遠超過常見的A、B、C類放大器。把D類放大器到工業(yè)生產(chǎn)中，不僅可以節(jié)省能源，而且還在輸出同樣功率的情況下能提高工作的可靠性、延長晶體管的使用壽命、減小功放級的體積和重量、降低成本等。因此D類放大器具有重要的實用意義。二、工作原理模擬D類放大器一般可分為前置放大級、PWM調(diào)制、功率放大與低通濾波四個部分。其中PWM調(diào)制和功率放大是D類放大器的核心。

6、如圖是D類功率放大器的工作流程：1、三角波產(chǎn)生方案：利用NE555產(chǎn)生三角波。該電路的特點是采用恒流源對電容線性沖、放電產(chǎn)生三角波，波形線性度較好、頻率控制簡單，信號幅度可通過后加衰減電位器控制。方案：對方波積分產(chǎn)生三角波。積分器與比較器級聯(lián)，通過對比較器產(chǎn)生的方波積分得到三角波，頻率與幅值控制只需調(diào)整某些電阻值，控制簡單。2、前置放大級前置放大器是在功率放大器之前而加入的一級放大電路。其目的是對輸入的功率放大器的各種信號源進行加工處理，或放大，或衰減，或進行阻抗變換，使其和功率放大器的輸入靈敏度相匹配。對其要保證低噪聲，高信噪比，高轉(zhuǎn)換速率，輸出電阻要小及頻帶要寬等要求。為此在差分輸入對管要

7、選用低噪聲優(yōu)質(zhì)的結(jié)型場效應(yīng)管，運算放大器應(yīng)選用低噪聲，高速器件，電阻電容選用高精度，高穩(wěn)定度及高質(zhì)量元件。3、PWM調(diào)制D類放大三極管是作為開關(guān)運用的，它要求輸入信號具有一定的激勵功率，并且是矩形脈沖。PWM調(diào)制器也稱為脈沖寬度調(diào)制器。該電路的作用是把加在它的輸入端的模擬信號變成寬度或者占空比與輸入信號成正比的脈沖。它由三角波產(chǎn)生器、電壓比較器和驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管的柵極驅(qū)動電路組成。三角波產(chǎn)生器是利用恒定電流對一個電容器的充電和放電而形成三角波。三角波的頻率就是D類音頻功放的振蕩器頻率，它是固定的。脈寬調(diào)制電路即PWM控制電路，實質(zhì)上是一個電壓比較器，如圖所示。它的同相端輸入前置放大器的輸出

8、信號電壓，它的反相端輸入鋸齒波電壓。這兩個電壓經(jīng)比較后，輸出與音頻信號幅度值成正比的脈寬信號。4、功率放大單端輸出的D類放大器實際上是一個沒有偏置電路的電子開關(guān)。晶體三極管作為接通/斷開的開關(guān)元件。當(dāng)基極未被信號激勵時，三極管的工作點在伏安特性曲線的截止區(qū)，當(dāng)基極有信號激勵時，三極管則從截止狀態(tài)進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，工作點移到飽和區(qū)。在工作原理上和A、B、C類就有了很大的區(qū)別。D類放大三極管集電極電流和集電極一發(fā)射極電壓的乘積總是極小的，因而三極管在工作中基本上不消耗電源能量。它把電源功率兒乎全部轉(zhuǎn)換給負載，大大提高了電源利用率。事實上由于關(guān)斷時器伴尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時，器件并未完全短路，尚有

9、一定管壓降，故存在較少直流損耗，效率不能達100%,實際在80-90%，是實用放大器中效率最高的。當(dāng)輸入信號加到三極管基極時，三極管集電極將形成脈沖電流i。根據(jù)付里葉級數(shù)，這種脈沖電流可以分解成直流和基波、二次、三次等交流成分。其中最主要的是直流分量和基波分量，其它諧波成分較小可忽略不計。類放大器原理圖5、低通濾波濾波器的作用是濾除載波，使輸入的音頻信號完全通過。只需要用一個低通濾波器。但由于此時電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低溫濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。在三極管集電極回路上接的是一個LC并聯(lián)諧振槽路，它的固有振蕩頻率和基波電流相同。當(dāng)集電極電流流過繞組時，槽路將起到濾波器作用

10、。對于基波電流呈現(xiàn)高阻抗，并且是純阻性。負載電阻RL上獲得較大功率。對于其他各次諧波槽路呈現(xiàn)低阻抗，分別由電感和電容濾掉，因此輸出很小。同時集電極損耗很小。由于三極管在接通/斷開的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中不可避免地產(chǎn)生過渡損耗，在導(dǎo)通狀態(tài)還存在飽和損耗。由于上述原因，D類放大的實際效率不可能為100%，只能達到80-90%以上。三、其他功率放大器1、A類放大器放大器的工作點Q設(shè)定在負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，效率的理論最大值僅有25%

11、，且有較大的非線性失真。2、B類放大器：放大器的靜態(tài)點在（VCC,0）處，當(dāng)沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導(dǎo)通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當(dāng)Vi為負半波正弦波，所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高（78%），但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點是交越失真較大。3、AB類放大器晶體管的導(dǎo)通時間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點。綜上所述，A類、B類和AB類放大器是模擬放大器，D類放大器是數(shù)字放大器。B類和AB類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小，功放晶體

12、管功耗較小，散熱好，但B類放大器在晶體管導(dǎo)通與截止狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中會因其開關(guān)特性不佳或因電路參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真，頻率響應(yīng)曲線好、外圍元器件少的優(yōu)點。AB類放大器和D類放大器是音頻功率放大器的基本電路形式。四、實際應(yīng)用1、手持嵌入式設(shè)備開關(guān)特性傳統(tǒng)的模擬功放存在效率低的缺點，不適合手持設(shè)備應(yīng)用?；诿}寬調(diào)制技術(shù)的D類功率放大器，通過在功放前端和后端加入濾波電路的方法降低了功放噪聲。并加入了逆變控制電路來減小系統(tǒng)的靜態(tài)噪音，從而實現(xiàn)了嵌入式音視頻系統(tǒng)中D類功放的低噪聲設(shè)計。隨著嵌入式手持設(shè)備對電源效率的要求越來越高，傳統(tǒng)的模擬功率放大器已經(jīng)不能滿足嵌入式設(shè)備對

13、電源效率的要求。TPA2005無濾波器D類音頻功率放大器是TI公司開關(guān)型功率放大器產(chǎn)品，TPA2005具有AB類功率放大器的性能和D類功率放大器的效率，且不需要傳統(tǒng)D類功率放大器的輸出濾波器，也不需要散熱器，因而節(jié)省了電路板面積，降低了設(shè)計成本oTPA2005器件采用2.5-5.5V單電源電壓供電，該器件可向8負載輸出高達1.4W的功率，且效率高達85%，失真度低。因而可以廣泛應(yīng)用在PDA，MP3等手持設(shè)備中。例如，我所參加的大學(xué)生創(chuàng)新實驗嵌入式智能導(dǎo)游器的研究，就可以采用D類功放。2、小型便攜式功放高效特性D類功放消耗電能的量非常少，幾乎90%以上的電能都能用在驅(qū)動喇叭的功率上，用來驅(qū)動需要

14、大功率的超低音系統(tǒng)再適合不過。常用于汽車內(nèi)功放。五、參考文獻徐國鼐全數(shù)字功率放大器的最新動向J.實用影音技術(shù),2002,03:55-58.胡凌峰全固態(tài)中波發(fā)射機射頻功率放大器原理與維護A.2007第二屆全國廣播電視技術(shù)論文集2(上)C.:,2007:2.張姿,黃廷磊.射頻治療儀的功率放大技術(shù)研究A.NortheasternUniversity,China、TOC o 1-5 h zIEEEIndustrialElectronics(IE)Chapter,Singapore、GuilinUniversityofElectronicTechnology,China.2009中國控制與決策會議論文集(3)C.NortheasternUniversity,China、IEEEIndustrialElectronics(IE)Chapter,Singapore、GuilinUniversityofElectr