基于d类的数字功率放大器设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于d类的数字功率放大器设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

（ 4）噪声电压 使输入为零时，输出负载 LR 上的电压称为噪声电压。 测量：使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载的电压 波形，用交流表来测量其有效值。 功率放大器的分类 类功放 A 类放大器也称为甲类放大器，静态工作点选在负载线的中间，在输入信号的整个周期内电流连续地流过所有输出器件，工作期间不产生开关失真和交越失真，处于良好的线性工作状态。 但电路效率较低，功率输出管的发热量很大，电路的安全性和可靠性设计存在问题。 在理想情况下， A 类放大电路的效率最高只能达到 50％。 当然，这类放大器只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种优质的线性放大器，具有良好的声音表现能力。 A 类放大器结构可称为 压控电流源模型 (VCCS： Voltage Controlled Current Source)，本质上是一个单独的源极跟随器。 简化电路图如图 21 所示。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 37 页 图 21 A类放大器原理图 A 类放大器的工作偏置点如图 22 所示，在一个完整的信号周期中， A 类放大器的功率晶体管一直处于线性放大状态，即导通角 为  =180176。 (在一个信号周期内，导通角度的一半定义为导通角 )。 A 类放大器的偏置电流大于输入电流， Q 点 (静态偏置点 )处于负载线的中心。 输出负载的平均功率为： LPL RVP 2/2 电源输入功率为： QCCS IVP 2 工作效率 为： %10041%100)/(  CCPLQ PSL VVRI VPP 图 22 A类放大器的固定偏置点 由上式可见，当 CCP VV  且 LQP RIV  时， A 类放大器具有最大工作效率，为 25％。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 37 页 由于 A 类放大器效率较低，在实际应用中，当输入信号功率大于 1W 时，一般不采用 A类放大器。 A 类放大器的优点是线性度最好，失真最小。 A 类功放输出级中两个 (或两组 )晶体 管永远处于导电状态，也就是说不管有无信号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流电在最大信号情况下流入负载。 当无信号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。 当信号趋向正极时，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。 A 类功放的工作方式具有最佳的线性度，每个输出晶体管均放大信号全波，完全不存在交越失真 (Switching Distortion)，即使 不使用负反馈，它的开环失真仍十分低，因此被称为声音最理想的放大线路设计。 但这种设计有利有弊， A 类功放最大的缺点是效率低，因为无信号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。 当信号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热 量。 A 类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。 A 类功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，A 类功放必须采用大型散热器。 因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。 一部 25W 的 A 类功放供电器的能力至少够 100 瓦 AB 类功放使用。 所以 A 类功放的体积和重量都比 AB 类大，这使得制造成本增加，售价也较贵。 一般而言， A 类功放的售价约为同等功率 AB 类功放的两倍或更多。 A 类放大器的主要特点是：放大器的工作点 Q 设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。 放大器可单管工作，也可以推挽工作。 由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。 电路简单，调试方便。 但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有 25％，且有较大的非线性失真。 由于效率比较低，现在设计基本上不再使用。 类功放 B类放大器也称为乙类 放大器，其中功率器件导通时间不再是输入信号的整个周期，而是半个周期。 在没有信号输入时，功率损失为零。 工作原理就是把 A 类放大器静态工作点 Q 下移，使输入信号为零时电源输出的功率也等于零；输入信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给功率和管耗都随着输出功率的大小而改变，也就改善了A 类放大时效率低的状况，完全输出理论值为 78． 5％。 其简化电路如图 23 所示。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 37 页 图 23 B 类放大器原理图 B 类放大器是一种互补式输出结构，两个晶体管不能同时工作，每个晶体管工作半个周期，导通角  =90176。 ，其工作偏置点如图 24 所示。 设输出信号为 wtVPsin ， 可得输出负载的平均功率 LP 为 ：LPL RVP 221 电源输入功率为： )(2LPCCS RVVP  图 24 B类放大器的固定偏置点 工作效率为 ： %10 04%10 0  CCPSL VVPP  桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 37 页 由上式子可见，当 CCP VV  时， B类放大器具有最大工作效率，为：%( m a x )   可见， B 类放大器的最大工作效率大于 A 类放大器，其晶体管的静态偏置电流为零。 B 类放大器拓扑结构没有 DC 偏置电流，所以功耗大大减少。 其输出晶体管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流。 由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。 B 类功放的工作方式是当无信号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。 当有信号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此造成非线性。 但 是 B 类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差 (交越失真 )，由于在信号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音变得粗糙。 B 类功放的效率平均约为 75％，产生的热量较A 类功放低，容许使用较小的散热器。 类功放 与前两类功放相比， AB 类功放可以说是在性能上的妥协。 AB 类放大器是 A 类放大器和 B 类放大器的组合折衷，它也使用 DC 偏置电流，但它远小于单纯的 A 类放大器。 小的 DC 偏置电流足以防止交越失真，从而能提供良好的音质。 其功耗介于 A 类放大器和 B 类放大器之间，但通 常更接近于 B 类放大器。 晶体管工作时间大于半个周期但小于一个周期，即导通角在 90176。 到 180176。 之间。 大部分时间只有一个晶体管工作，在零交越点时，两个晶体管都工作。 AB 类放大器的最大优点是改善了 B 类放大器的非线性，消除了交越失真。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 37 页 图 25 AB类放大器原理图 图 26 AB类放大器的固定偏置点 如图 25 所示， AB 类放大器通过两个偏置电压来避免交越失真。 由于这一优点，AB 类放大器在传统的音频放大器中得到了广泛应用。 工作偏置点如图 26 所示，当输入信号为零时，由于此时两个晶体管仍然处于导通状态，因此每一个 晶体管的功率损耗均大于 B 类放大器，即 AB 类放大器的最大工作效率小于 B 类放大器，但大于 A 类放大器。 与 B 类放大器电路类似， AB类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。 遗憾的是，即使是精心设计的 AB 类放大器也有很大的功耗，因为其中等范 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 37 页 围的输出电压通常远离正电源或负电源。 由于漏源极之间的电压降很大，所以会产生很大的瞬时功耗 IDS  VDS。 AB 类功放通常有两个偏压，在无信号时也有少量电流通过输出晶体管。 它在信号小时用 A 类工作模式，获得最佳线性，当信号提高到 某一电平时自动转为 B 类工作模式以获得较高的效率。 普通机 10 瓦的 AB类功放大约在 5 瓦以内用A 类工作，由于聆听音乐时所需要的功率只有几瓦，因此 AB类功放在大部分时间是用A 类功放工作模式，只有在出现音乐瞬态强音时才转为 B 类。 这种设计可以获得优良的音质并提高效率减少热量，是一种颇为合乎逻辑的设计。 有些 AB类功放将偏置电流调得很高，令其在更宽的功率范围内以 A 类工作，使声音接近纯 A 类机，但产生的热量也相对增加。 类功放 C 类功放的原理图如图 27 所示， LR 是负载，电 感 L 和电容 C 是匹配网络，它们与负载共同组成并联谐振回路。 通过调节电容 C，使回路谐振在输入信号频率上。 图 27 C类放大器原理图 在 C 类功放中，栅极的偏压使得晶体管在小于一半的时间内导通。 因此，漏极电流是由周期性的一串脉冲构成的。 当驱动信号足够强时，晶体管会进入饱和导通状态，输出与输入信号同频率的脉冲信号，晶体管以信号频率对电源进行导通和关断，输出信号相对于输入信号会产生严重的失真，因为包含了输入信号的很多谐波成分，必须通过滤波器从输出信号中分离出输入频率；另一方面， C 类功率放大器能通过调整导通角，来获 得所需的谐波成分。 C 类功放的实际效率可以达到 60％ 80％。 其工作偏置点如图 28 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 37 页 所示。 图 28 C类放大器的固定偏置点 类功放 通过控制开关单元的 ON/OFF 来驱动扬声器的放大器称为 D 类放大器。 数字功率放大 器分为两种类型。 第一类的数字式功率放大器是在同一机箱内装以数字 /模拟转换器、音量控制电路以及普通的模拟功率放大 器。 此类数字式功率放大器在由数字音源输入数字信号后，即由其数字 /模拟转换器将信号变换为模拟信号，再由模拟功率放大器对模拟信 号进行放大，这类放大器的控制采用数字电路，可进行遥控 ，但受数字 /模拟转换器精度所限，音质还不够完美。 这类功率放大器称为准数字放大器或数控放大器。 第二种数字功率放大器为真正意义上的数字型功率放大器。 这种放大器直接从数字音频数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或 D 类放大器。 D 类功放的放大晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接，电流流通但晶体管无电压，因此无功率消耗。 当输出晶体管关闭时，全部电源供应电压即出现在晶体管上，但没有电流，因此也不消耗功率，故理论上的效率为百分之百。 D 类功放最大的优点是效率最高，供电器可以缩小，几乎 不产生热量，因此无需大型散热器，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。 音频功率放大器的用途是在发声输出元件上复现输入音频信号，提供所需要的音量和功率水平一保证复现的忠实性、高效率以及低失真度。 在这一任务面前， D 类放大器表现出多方面的优势。 类功放 采用晶体管作为开关有可能提供大为改善的效率，但由于现实开关的不完全理想使得在实际中实现这一可能性并不总是那么容易。 相关的功耗将使效率降低。 为了防止总的损耗，开关相对于工作频率必须非常快。 当载波频率很高时，满足这一要求的困难将会更大。 E 类放大器采 用高阶电抗网络提供足够的自由度来改变开关电压波形，使它在开关导通时的值和斜率均为零，从而降低了开关损耗。 但它对于关断过渡没有任何作用，而关断过渡的边沿常常是更成问题的。 并且 E 类放大器具有很差的归一化功率传递能力，因此尽管这一类型的放大器可能有很高的效率，但它却要求采用更大尺寸的器件把 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 37 页 一定数量的功率传送到负载。 类功放 F 类功率放大器利用电抗终端阻抗的特性可以对晶体管漏端电压或电流中的谐波成分进行控制，归整晶体管漏端的电压或电流波形，使得它们没有重叠区，减小开关的损耗，提高功率放大器的效率。 功放 小结 偏置电压、输入信号驱动方式和输出网络共同决定了功率放大器的类型。 对于小输入信号，根据导通角的不同，功率放大器的工作类型可为 A、 AB、 B 和 C 类，其中导通角由晶体管的阈值电压和偏置电压决定，可通过减小导通角来提高功率放大器的效率，但输出功率将同时减小。 对于大输入驱动信号，器件工作在开关状态下，其高效率以线性度为代价，如 D 类、 E 类和 F 类功率放大器。 A 类功率放大器提供了很好的线性度，但效率很低； B 类和 AB类功率放大器通过减少一个周。