实用高保真d类低频功率放大器设计毕业设计(编辑修改稿)

实用高保真d类低频功率放大器设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

损坏功率放大器 [11]。 频率响应 音频功放的频率特性，是反映它对不同信号频率放大能力的物理量。 通常采用输出电平随频率变化的 关系 曲线来描述。 指的是振幅频率特性，习惯上称为幅频 特性或频率响应 (简称为频响 )。 在说明音频功放的频率特性时，有两点必须明确给出。 即 ： 一是有效频率范围。 频率范围， 20Hz～ 20kHz 全面反映出该功放的频率特性指标。 对于音频功放的频率特性指标而言，其有效频率范围越宽 ， 且在该频率范围内相对参考电平的不均匀度越小。 则说明该 音 频功放的频率特性指标就越好。 放大器的电压 增益 相对于中音频 fo (1kHz)的电压增益下降 3dB 时所对应的低音音频 fL和高音音频 fH称为放大器的频率响应。 测量条件如下 ： 调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的 50%输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率从 20Hz～ 20kHz.(保持 Ui=20mV 不 变 )测出负载电阻上对应的 输出电压 Uo。 谐波失真 谐波失真 是 指信号通过音频设备后，新增加的谐波成分。 它是原信号波形中没有的波形变化，是不希望发生的。 其值以新增加的谐波成分的均方根值与原信号电压 的均方根值的百分比来表示。 即： 1 22322 U UUUTHD n 式中 Ul— 正弦波基波电压有效值。 U2 ,U s. ⋯Un— 2次、 3次、 n次谐波电压有效值。 谐波失真是电路或器件工作时的非线性引起的。 高保真放大器的谐波失真一般应控制在 ％ 以下，目前许多优秀的放大器失真度均可达到＜ ％。 降低放大器谐波失真 度 的措施有： ① 施加适量的电压或电流负反馈。 ② 选用 fT 较高、线性好的放大器件。 ③ 尽可能提高各级对管参数的一致性或对称性。 ④ 采用甲类放大，选用优 秀的电路，如双 差 分放大、全互补输出或全对称、全百补电路等。 信号噪声比 信号噪声比 [12](S/N)指信号通过音频设备后增加的各种噪声 (如低频呼声、感应交流声、 嘀嘀 声等 )与指定信号电平的 dB 差值，或信号幅度与噪声幅度之比，其值常用分贝表示，有时也以重放设备输出的绝对噪声电压或电平值来表示，这时标为噪声电平。 现代高保真后级功放的 S/N 一 般能达到 90dB 以上，问题不会很突出。 我们知道，多 级 放大器的 S/N 主要取决于第一级，故在系统中，我们要着重提高前级或前置放大器的 S/N。 由于影响 S/N 的 因 素 很多，提高 S/N 便显得机电工程学院 毕业设计 （论文） 2 功放的基础知识 5 很棘手，有时费了九牛二虎之力，能使之提高两三个 dB 已届战果 辉 煌。 而人耳对噪声又很敏感， 所以 提高 S/N 往往成为设计及制作的主攻目标。 虽然因 素 很多，但也不是无章可循，除了器件本身的噪声以外、放大器噪声的来源概括起来主要有三个途径：电源干扰、空间干扰和地线干扰。 只要从以下几个方面人手， S/N一般便可达到令人满意的水平。 ① 适当降低信号源的输出内阻。 合理设定前级或前置放大器的增益，避免使之过大，能满足系统增益要求 略 有富余便可，这在业余制作时往往被忽 略。 ② 使用高性能的稳压电源供电。 ③ 各放大级尽可能单独或并联供电 (即各级电源 端 经一只 隔 离电阻直接与电源连接，并加接退 耦 电容 )。 ④ 严格区分模拟地线与数字地线，各级地线分别定线，一点接地。 机壳的接地点 应 通过试验确定。 ⑤ 合理布线、使输入信号引线尽可能短。 超过 4cm 长的均应使用屏蔽线，屏蔽层单端接地，各电位器、开关外壳也应可接地．小信号放大电路板应远离电源变压器。 互调失真 互调失真 是 指两个不同频率的信号通过放大器后或经扬声器 发 声时互相调制而产生的和 频 与差频以及各次谐波组合产生的和频与差额信号，这些新增加的频率成分构成的非线性失真 叫做互调失真，通常以此非线性信号的均方根值占原来较高频率信号振幅的百分比来表示。 瞬态 互调失真 的计算方法： %1002  SnU UIM D 式中 Un额定负载电阻上各互调分量 II2士 nflI电 压的有效值。 Us额定负载电阻上 15KH2正弦波的电压有效值。 n1， 2， 3⋯⋯⋯正整数。 降低失真的措施有： ① 采用电子分频方式、限制放大器或扬声器的工作 频 带。 ② 在放大器输入端加装高通滤波器，切除 20Hz 以下的无用信号。 ③ 选用线性好的 功率 管和电路结构。 阻尼系数 阻尼系数 (DF)是功放额定输出阻抗 (取扬声器的输入阻抗 )与功 放 输出内阻的比值。 D=Rs/(Ri+Rl)。 式中 Rs扬声器阻抗，单位为 Ω。 Ri功 放 输 出内阻，单位为 Ω:Rl功放 与扬声器之间连接导线的电阻，单位为 Ω 它揭示了扬声器的电阻尼状态。 其值应视 扬 声器的放声表现而定，低音偏干为阻尼过大，尾音机电工程学院 毕业设计 （论文） 2 功放的基础知识 6 过长是阻尼过小。 改善的方法一般有： ① 用直流电阻小的喇叭线可使阻尼变大；反之则变小。 但这种方法的调整量有限。 ② 与低音扬声器串联的分频电感线圈的线 径，可使阻尼变大，反之则变小。 其调整量也是有限的。 机电工程学院 毕业设计 （论文） 3 方案论证 7 3 方案论证 放大器类型 的 选 择 方案 一： A类放大器 (Class A Amplifier) A类放大器 ，图。 晶体管总是处于导通状态，也就是说没有信号输入时，晶体管也有输出功率，因此晶体管会变得很热，大部分功率都浪费在了产生热量上。 尽管其效率很低 (约 20%)，但精度非常高。 V E EV C CR2R1A?N P NINOUT R1R2N P NP N PS P E A K E RINVV+ 图 A类放大器 图 AB 类放大器 方案二 ： B 类放大器 (Class B Amplifier) B类放大器采用两只晶体管，每只晶体管工作半个周期，一只晶体管工作于输入信号的正半周，另一只晶体管则工作于输入信号的负半周。 因此在理论上两只晶体管不会在同一时间内导通。 在没有输入的情况下，两只晶体管均处于截止状态且无输出功率，故而其效率高于 A类放大器。 不过由于晶体管都需要一定的开通时间，因此在两只管子交替过程中输出端存在一个短暂的无输出功率状态。 这个无功率区域称为交越区，这就造成了相对较大的信号 交越 失真。 所以 B类放大器虽然具有很好的效率，但同时精度也不高。 方案三： AB类放大器 (Class AB Amplifier) AB类放大器与 B类放大器非常相似， 见图 ， 但由于 AB类放大器增加了两个消除交越区的二极管，可使两只晶体管在同一时刻导通，因而其性能有所改善。 AB类放大器的效率 (约为 50%)不如 B类放大器高，因为其两只晶体管可在同一时刻导通，但精度得到了提高，因此常作为音频放大器使用。 方案四： D类放大器 D类放大器与上述放大器不同，其工作原理基于开关晶体管，可在极短的时间内完全导通或完全截止。 两只晶体管不会在同一时刻导通，因此产生的热量很机电工程学院 毕业设计 （论文） 3 方案论证 8 少。 这种类型的放大器效率极高 (95%左右 )，在理 想情况下可达 100%，而相比之下 AB类放大器仅能达到 %。 不过另一方面，开关工作模式也增加了输出信号的失真。 D类放大器的高效率使之非常适用于 掌 上电脑和 MP3播放器等便携设备。 D类放大器并非刚刚出现，但近 年 来半导体器件技术的进展引发了人们开发 D类放大器的热情。 本文讨论了一种 D类音频放大器的基本设计，利用 仿真软件 对电路进行了仿真。 作为设计过程的一部分，对该放大器的理论工作过程进行了分析，并对其进行了实验室物理测试。 通过对比仿真和实验结果给出了一些值得关注的结 论。 表 输出功率比较 输出功率（ W） D 类音频功率放大器 AB 类 模拟音频功率放大器 效率（ %） 热功耗（ W） 效率（ %） 热功耗（ W） 72 97 2 72 26 36 96 50 36 比较以上四个方案的优缺点和实现难易程度及联系实际条件，我们决定使用方案四，本文设计了一个能为扬声器提供电压输出的放大器。 理论上，该放大器应该可以通过所有音频带宽内 (20Hz 至 20kHz)的信号，在所有频率上增益保持不变，同时总谐波失真不超过 1%。 能够完成所有要求的功能，而且容易实现。 脉宽调制器 (PWM) 方案一：可选用专用 的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制，不利于本题发挥部分的实现。 方案二：采用图。 三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。 若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作，故选用此方案。 高速开关功率放大电路 ①输出方式： 方案一：选用推挽单端输出方式 (电路如图 所示 )。 电路输出载波峰 — 峰机电工程学院 毕业设计 （论文） 3 方案论证 9 值不可能超过 5V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。 图 高速开关电路 方案二：选用 H 桥型输出方式 (电路如图 所示 )。 此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰 — 峰值可达 10 V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。 图 高速开关电路 ②开关管的选择。 为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低损耗。 方案一：选用晶体三极管。 晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大。 方案二：选用 VMMOSFET 管。 VMOSFET 管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特 性，故选用高速 VMOSFET 管。 滤波器的选择 方案一：采用两个相同的二阶 巴特沃斯 (Butterworth)低通滤波器。 缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。 方案二：采用两个相同的四阶 巴特沃斯 (Butterworth)低通滤波器，在保证20kHz 频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。 机电工程学院 毕业设计（论文） 5 系统软件的设计 10 4 功放电路设计 D 类放大器构成原理 D类放大器的电路共分为三级：输入开关级、功率放大级以及输出滤波级。 在 D类放大器中，比较器的输出与功率放大电路相连，功放电路采用金属氧化物 场效应管 [10](MOSFET)替代双极型晶体管 (BJT)，这是由于前者具有更快的响应时间，因而适用于高频工作模式。 D类放大器需要两只 MOSFET，它们在非常短的时间内可完全工作在导通或截止状态下。 当一只 MOSFET完全导通时，其管压降很低；而当 MOSFET完全截止时，通过管子的电流为零。 两只 MOSFET交替工作在导通和截止状态的开关速度非常快，因而效率极高，产生的热量很低，所以 D类放大器不需要散热器。 在 D 类放大器中，音频信号与开关频率远高于音频范围的锯齿波进行比较，产生一个与锯齿波等周期的脉宽调制 (PWM)方波。 这个脉宽信号代表音频信号的一个样本。 然后， PWM 方波及其反相信号驱动 MOSFET 输出级 (通常为 H 桥 )，产生经过放大的方波采样信号。 最后，该采样信号由 低通滤波器 滤波之后，重新生成经过放大的音频信号。 由于 MOSFET 门电容的存在，提高开关频率将在输出级引起更大的损耗，但由于更高的开关频率可以提高 PWM 调制器的有效分辨率 (与 ΣΔ调制器的过采样过程非常相似 )，提高开关频率也能带来了一些好处，例如，可降低对输出滤波的要求，提高音频信噪比 (SNR)。 利用噪声整形技术可以进一步提高性能。 信号经 D类放大器 中的功放级之后通过一个低通滤波器来恢复原始信号，一个简单的 LC滤波器可以将 PWM信号复原为具有一定失真的模拟信号波形，与滤波器相连的是一个模拟扬声器的 8Ω 电阻。 由于大多数音频信号不是脉冲串，因此必须包括一个调制器将音频输入转换为脉冲信号。 脉冲的频率成分包括需要的音频信号和与调制过程相关的重要的高频能量。 经常在输出级和扬声器之间插入一个低通滤波器以将电磁干扰（ EMI）减至最小，并且避免以太多的高频能量驱动扬声器。 为了保持开关输出级的功耗优点，要求该滤波器是无损的（或接近于无损）。 低通滤波器通常采用电容器和电感器，只有扬声器是耗能元件。 一般的脉宽调制 D类功放的原理图如图。 图 ，其中 (a)为输入信号； (b)为锯齿波与输入信号进行比较的波形； (c)为调制器输出的脉冲 (调宽脉冲 )； (d)为功率放大器放大后的调宽脉冲； (e)为低通滤波后的放大信号。 机电工程学院 毕业设计（论文） 5 系统软件的设计 11 图 D类放大器的工作原理 图。