畢業(yè)設計---d類功率放大器的設計與仿真

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1概述…………………………………………………………………….1</p><p>　　1.1課題研究的意……………………………………………………………………..2</p><p>　　1.2課題的任務與技術要求…………………………………………………………..2</p>

2、<p>　　1.3課題研究的內(nèi)容…………………………………………………………………..2</p><p>　　2 設及方案的論證……………………………………………………………………3</p><p>　　2.1功率放大器的種類………………………………………………………………..3</p><p>　　2.1.1A類功率放大器…………………………………………

3、………………………5</p><p>　　2.1.2B類功率放大器………………………………………………………………….7</p><p>　　2.1.3AB類功率放大器………………………………………………………………..9</p><p>　　2.1.4D類功率放大器………………………………………………………………...10</p><p>

4、　　3信號脈寬調(diào)制……………………………………………………………………...12</p><p>　　3.1正弦脈寬調(diào)制……………………………………………………………………13</p><p>　　3.2音頻信號寬度調(diào)制………………………………………………………………16</p><p>　　3.2.1語音信號的時域分析………………………………………………………….

5、17</p><p>　　3.2.2語音信號的譜和能量分布…………………………………………………….19</p><p>　　3.2.3語音和樂音信號的脈寬調(diào)制………………………………………………….21</p><p>　　4單元電路設計與仿真……………………………………………………………...24</p><p>　　4.4.1 H橋功率

6、輸出器件的選取…………………………………………………….25</p><p>　　4.4.2設計低通濾波器的必要性…………………………………………………….26</p><p>　　4.4.3低通濾波器的設計方案……………………………………………………….27</p><p>　　4.4.4 H橋式功率輸出和低通濾波器的設計與仿真……………………………….28<

7、;/p><p>　　5實物的安裝焊接與調(diào)試…………………………………………………………...28</p><p>　　6結(jié)束語……………………………………………………………………………...29</p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………………..30 </p><p>　　附錄………………………………………

8、…………………………………………..31</p><p>　　D類功率放大器的設計與仿真</p><p><b>　　1概述</b></p><p>　　1.1課題研究的意義</p><p>　　隨著全球音視頻領域數(shù)字化的浪潮以及人們對音視頻設備節(jié)能環(huán)保的要求,迫</p><p>　　使人們盡快研

9、究開發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器。它應該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字設備相連接的特點。D類音頻功率放大器是PWM型功率放大器即為模擬開關式音頻功率放大器，它符合上述要求。近幾年，國際上加緊了對D類音頻功率放大器的研究與開發(fā)，并取得了一定進展，幾家著名研究機構及公司已試驗性地向市場提供了D類音頻功率放大器評估模塊及技術。這一技術一經(jīng)問世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點，引起了科研、教學、電子工業(yè)、商業(yè)界的特別關注。不久的

10、將來，D類音頻功率放大器必然取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器。</p><p>　　幾十年來在音頻領域中，A類、B類、AB類音頻功率放大器一直占據(jù)“統(tǒng)治”</p><p>　　地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個過程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過程；</p><p>　　電路組成從單管到推挽過程；電路形式從變壓器輸出到OTL、OCL、BTL形式過程。其基本類型是模擬音頻功

11、率放大器，它們的最大缺點是工作效率太低，A類音頻功率放大器的最高工作效率為50%，B?類音頻功率放大器的最高工作效率為78.5%， AB類音頻功率放大器的工作效率介于二者之間。無論?A類、B類、AB類音頻功率放大器，當它們的輸出功率小于額定輸出功率時，效率就更低，播放動態(tài)的語言、音樂時的平均工作效率只有30%左右。此外，傳統(tǒng)模擬功率放大器還存在以下的一些缺點：</p><p>　　a.電路復雜，成本高，常常需要設

12、計復雜的補償電路和過流，過壓，過熱等保</p><p>　　護電路，體積較大，電路復雜。</p><p>　　b.輸出功率不可能做的很大。</p><p>　　模擬開關式功率放大器又稱為數(shù)字功放或D類功放，工作于開關狀態(tài)，理論效</p><p>　　率可達100%，實際的運用也可達80%以上。功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱

13、器的尺寸，連續(xù)輸出功率很容易達到數(shù)百瓦。功率MOS有自我保護電路，可以大大簡化保護電路，而且不會引入非線形失真。所以，采用這種模擬開關式音頻功率放大器作為本畢業(yè)設計所要研究的內(nèi)容，具有較大的研究意義。</p><p>　　1.2課題的任務與技術要求</p><p>　　D類功率放大器是功率放大器中的一種，它的功率管工作在開關狀態(tài)，因而管耗很低，整機效率很高。本設計中，要求運用學過的知識，設

14、計一臺分立元件的D類功率放大器。要求給出電路的原理圖、PCB圖以及關鍵部分的仿真結(jié)果圖，撰寫一篇符合學校要求的畢業(yè)設計說明書。</p><p>　　原始數(shù)據(jù)以及技術參數(shù)要求</p><p>　　輸出平均功率 10W（8Ω負載）；</p><p>　　放大器的輸入靈敏度0dB；</p><p>　　放大器的效率不低于80%，總失真度小于1%；（

15、5W）</p><p>　　設計放大器的電源，要求紋波因素底、功率余量≥0.5；</p><p>　　要求整機電路體積小、可靠性高；</p><p>　　考慮脈沖信號對電網(wǎng)的污染的影響；</p><p>　　整機設計符合國家安全標準1.3課題的主要內(nèi)容</p><p>　　掌握模擬電子技術中功率放大器作用和種類，研究

16、其工作原理和性能特點；查找相關資料，了解語音信號的波形特點；掌握脈寬調(diào)制的原理以及電路的實現(xiàn)；設計工作與脈寬調(diào)制方式下的功率輸出電路，并對這個電路的性能進行研究；最后可以采用?PROTEL?對音頻功率放大器的部分電路進行仿真；制作實物并對實物性能進行測試。</p><p><b>　　2設計方案論證</b></p><p>　　2.1功率放大器的分類</p>

17、;<p>　　從晶體管的工作狀態(tài)來看，功率放大器可分為A類（甲類）、B類（乙類）、AB類（甲乙類）三類。</p><p>　　甲類功率放大器的靜態(tài)工作點Q是選在晶體管的放大區(qū)內(nèi)，且信號的作用范圍也限在放大區(qū)，此時若輸入信號為正弦波，則輸出信號也為正弦波，非線性失真很小。如圖2－1（a）所示。但在甲類功率放大電路中，由于電源始終不斷地輸送功率，在沒有信號輸入時，這些功率全部消耗在管子（和電阻）上，并轉(zhuǎn)

18、化成熱量的形式耗散出去。當有信號輸入時，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，信號越大，輸送給負載的功率越多。因此，即使在理想情況下，甲類放大器的效率最高也只能達到50%。</p><p>　　甲乙類功率放大器的靜態(tài)工作點Q′的位置略高于乙類，但低于甲類，處在放大區(qū)內(nèi)。此時若輸入正弦波，則輸出將為單邊失真的正弦波，如圖2－1（b）所示。乙類功率放大器的靜態(tài)工作點Q″是選在晶體管放大區(qū)和截止區(qū)的交界處，信號的作用范圍一半

19、在放大區(qū)，另一半在截止區(qū)。此時若輸入信號為正弦波，則輸出信號為正弦波的一半，如圖2－1（c）所示。甲乙類和乙類放大主要用于功率放大器中。甲乙類和乙類放大，雖然減小了靜態(tài)功耗，提</p><p>　　高了效率，但都出現(xiàn)了嚴重的波形失真</p><p>　　圖2-1靜態(tài)工作點Q下移對放大器工作狀態(tài)的影響</p><p>　?。╝）甲類放大（b）甲乙類放大（c）乙類放大

20、</p><p>　　而功率放大器按照信號導通角可分為A類(甲類)、B類（乙類）、AB類（甲乙類）、D類（模擬開關式）。</p><p>　　下面我們對這四種功率放大器進行介紹。2.1.1 A類(甲類)功率放大器</p><p>　　圖2-2是甲類單管功率放大器的典型電路。其中，Tr1為輸入變壓器，它同</p><p>　　輸出變壓器Tr

21、2一樣也是作為阻抗變換用的，即使前一級能得到合適的負載，本級能獲得最大的功率輸入。電阻RB1、RB2和RE構成了偏置電路，保證晶體管工作于甲類及工作點穩(wěn)定。CB、CE?是RB（RB1∥RB2）及RE?的旁路電容，避免輸入信號通過它們時產(chǎn)生損耗，使放大倍數(shù)下降。</p><p>　　在甲類功率放大電路中，電源供給的功率是由端電壓和輸出電流決定的。由于電源內(nèi)阻r很小，所以盡管輸出電流有較大的波動，但其端電壓仍能保持恒

22、定。而輸出電流的大小，主要取決于晶體管的集電極電流ic的大小。在無信號時，ic等于IcQ。有信號時，ic的正負幅度相同，其平均值依然為IcQ，如圖2-3所示。因此得出</p><p>　　即甲類功率放大器從直流電源吸收的功率總是等于Ec和IcQ的乘積。并不隨輸入信號的有無或強弱而有所變動。這是甲類功率放大器的一個特點。</p><p>　　圖2-3 電源在不同情況下供給的電流波形<

23、/p><p>　　根據(jù)以上分析，不難求出晶體管集電極輸出的最高效率為</p><p>　　可見，晶體管的輸出功率僅為電源供給的功率的一半，效率很低，這是甲類功率放大器的最大缺點。實際上，若考慮到Vces和IcEo，則晶體管的最高效率僅為40~50%左右。此外變壓器本身也有一定的功率損耗，可求出放大器的總效率為</p><p>　　它等于晶體管的轉(zhuǎn)換效率和變壓器效率的乘

24、積。因此，甲類功率放大器的效率較低，總效率一般為30~35%左右。</p><p>　　2.1.2 B類(乙類)功率放大器</p><p>　　乙類推挽功率放大器如圖?2-4?所示，它是由特性相同的兩個晶體管V1、V2組成的對稱電路。Tr1、Tr2?為有中心抽頭的輸入、輸出變壓器。</p><p>　　由于沒有加偏置電壓，所以兩個晶體管的靜態(tài)工作點在?IB=0?處，

25、在沒有信號的</p><p>　　輸入時，兩個管子都處于截至狀態(tài)。此時電源供給的功率及管耗都等于零，從而實現(xiàn)了乙類工作狀態(tài)。在有信號輸入時，兩管交替工作。當正弦信號Ui送到輸</p><p>　　圖2-4 乙類推勉功率放大器</p><p>　　入變壓器Tr1的初級時，在Tr1的次級則產(chǎn)生大小相等，相位相反的兩個交流電壓，分別加在V1和V2的輸入端，這個過程叫倒相

26、。</p><p>　　在輸入信號為正半周時，電路的工作情況如圖2-4（a）所示。圖中用符號+、-</p><p>　　代表各電壓的瞬時極性。由圖可見，此時?Vbe1>0，V1?導通。集電極電流?ic1?的方向如圖所示，為逆時針方向。與此同時，由于?V1?的反射結(jié)處于反向偏置，即Vbe2<0,所以V2管處于截止狀態(tài)ic2=0。在輸入信號為負半周時，電路的工作情況如圖2-4（b）

27、所示。此時Vbe2>0，V2導通，集電極電流?ic2?的方向如圖所示，為順時針方向。同時由于Vbe1<0,所以V1處</p><p>　　于截止狀態(tài)，ic1=0。這樣就實現(xiàn)了兩管在正負半周交替工作的目的。</p><p>　　由2-4（a）可以看出，輸入信號為正半周時，集電極電流ic1流經(jīng)Tr2初級線圈的上班部分產(chǎn)生的壓降，其極性應為上-下+，即同名端處為-，則ic1在Tr2初

28、級的下半部分和次級繞組中所產(chǎn)生的感生電壓極性，也應在同名端處為-，所以流過次級負載RL的電流ic2應為順時針方向，如圖2-4（a）所示。當輸入信號為負半周時，由圖2-4（b）可以看出，集電極電流ic2了流經(jīng)Tr2初級線圈的下半部分產(chǎn)生壓降，其極性應為上+下-，即在同名端處為+，則ic2在Tr2初級的上半部分和次級繞組所產(chǎn)生的感生電壓極性，也應在同名端處為+，所以流經(jīng)次級負載RL的電流io，應為逆時針方向，如圖2-4（b）所示。當輸入正弦

29、信號變化一周時，經(jīng)V1和V2輪換放大后，在Tr2次級負載上就可獲得一個完整的正弦信號了。所以這種放大器雖然在工作時ib1、ib2及ic1、ic2都是半波，但輸入信號Ui及輸出信號電流io和電壓卻都是完整的正弦波。</p><p>　　圖2-4（a）正半周</p><p><b>　　圖2-4 負半周</b></p><p>　　晶體管的轉(zhuǎn)換

30、效率等于晶體管的輸出功率P1?與電源供給功率PE?的比值，即</p><p>　　可見，輸入信號越強，Vcem越大，則效率η也越高。在不失真情況下，晶體管最大輸出功率時，由于Vcem=Ec,這時的轉(zhuǎn)換效率也為最高</p><p>　　可見，如果把變壓器Tr2的損耗也考慮進去，則總的效率還要低一些，一般為60%。由于乙類放大器的輸出波形是由兩個半波復合而成，所以乙類放大器的交越失真比較嚴重。

31、2.1.3 AB類(甲乙類)功率放大器</p><p>　　圖2-5是采用一個電源的甲乙類互補對稱原理電路，圖中由V1?組成前置放大級， V2和V3組成互補對稱電路輸出級。在輸入信號Ui=0時，一般只要R1、R2?有適當?shù)墓ぷ饔诩滓翌悹顟B(tài)的功率輸出級的單電源互補對稱電路圖2-5所示。通過上面的討論不難看出，在對失真要求不是很高的場合，提高效率，減小功率管的溫升是功率放大器設計首先要考慮的事情。而考慮的方法則是將

32、功率管的靜態(tài)工作點進一步下移。數(shù)值，就可使Ic3、VB2和VB1達到所需的大小，給V2和V3提供一個合適的偏置，從而使?K點電位VK=Vc=Vcc/2。當有信號Ui?時，在信號的負半周，V3導電，有電流通過負</p><p>　　圖2-5工作在甲乙類的功率放大器電路</p><p>　　載RL，同時向C充電；在信號的正半周，V2導電，則已充電的電容?C?起著電源—Vcc的作用，通過負載?R

33、L?放電。只要選擇時間常數(shù)RLC足夠大（比信號的最長周期還大得多），就可以認為用電容C和一個電源Vcc可代替原來的+Vcc和—Vcc兩個電源的作用。</p><p>　　工作于甲乙類狀態(tài)的功率輸出級的單電源互補對稱電路如圖2-5所示。</p><p>　　通過上面的討論不難看出，在對失真要求不是很高的場合，提高效率，減小功率管的溫升是功率放大器設計首先要考慮的事情。而考慮的方法則是將功率管

34、的靜態(tài)工作點進一步下移。</p><p>　　2.1.4 D類(模擬開關式)功率放大器</p><p>　　由以上各類功率放大器可知，傳統(tǒng)的音頻功率放大器A類(甲類)、B類（乙類）和AB類（甲乙類）存在著很多缺點。A類功率放大器在整個輸入信號周期內(nèi)都有電流連續(xù)流過，它的優(yōu)點是輸出信號的失真比較小，缺點是輸出信號的動態(tài)范圍比較小，效率低。而B類功率放大器在整個輸入信號周期內(nèi)功率器件的導通時

35、間為50%,它的優(yōu)點是在理想情況下效率可達78.5%，但缺點是會產(chǎn)生交越失真，增加噪聲。而AB類功率放大器是以上兩種放大器的結(jié)合，每個功率放大器件的導通時間在50%~100%之間，兼有A類失真小和?B?類效率高的特點，但其工作效率只介于二者之間。因此傳統(tǒng)音頻功率放大器效率偏低，體積偏大的缺點與音頻功率放大器高效、節(jié)能和小型化的發(fā)展趨勢的矛盾，催生了D類音頻功率放大器的出現(xiàn)和發(fā)展。D類功率放大器是數(shù)字功放，也可稱為開關功放或PWM（脈寬調(diào)

36、制）功放，工作于開關狀態(tài)，工作基于PWM模式：將音頻信號與采樣頻率比較，經(jīng)過自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號幅度成正比例變化的PWM波，然后經(jīng)過驅(qū)動電路，加到</p><p>　　功率MOS的柵極，控制功率器件的開關，實現(xiàn)放大，將放大的PWM信號送入濾波器，則還原為音頻信號。此類音頻功率放大器理論效率可達100%，實際的運用也可達80%以上。正是由于D類放大器的效率高，100瓦輸出的設備，直流功耗就十幾瓦，故散熱

37、器就幾個平方厘米，連電路板可作的很小，大大減少了體積重量。并且由于工作比音頻高10余倍的脈沖狀態(tài)，電源整流紋波對電路工作影響很小。功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱器的尺寸，連續(xù)輸出功率很容易達到數(shù)百瓦。功率MOS有自我保護電路，可以大大簡化保護電路，而且不會引入非線形失真。D類功放是一項意義深遠的創(chuàng)新技術，具有廣闊的發(fā)展前景，并對消費電子產(chǎn)生巨大的沖擊作用。由于其具有效率高，功耗低的優(yōu)點，采用D類音頻功率放大器的設備能

38、夠提高電池的壽命，它特別適合應用于無線和手持通信設備，主要應用在PDA、移動電話和類似的手持移動通信工具的設計和產(chǎn)品中。而大功率輸出的音頻設備具有很大的功耗，所以在大功率輸出的音頻設備中采用低功耗的D類音頻功率放大器也是十分必要的，特別在集成了高質(zhì)量音頻性能和擴展了混合能力的同時實現(xiàn)了低功耗?？傊?，PWM機的最大優(yōu)勢在于他</p><p>　　3.1正弦脈沖寬度調(diào)制</p><p>　　P

39、WM(PulseWidthModulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。 圖3-1 形狀不同而沖量相同的各種窄沖波</p><p>　　根據(jù)采樣控制理論中的沖量等效原理:大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于</p><p>　　慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量（即變量對時

40、間的積分）相等，其作用效果相同，且脈沖越窄，輸出的差異越小。這一結(jié)論表明，慣性系統(tǒng)的輸出響應主要取決于系統(tǒng)的沖量，即窄脈沖的面積，而與窄脈沖的形狀無關。圖3-1給出了幾種典型的、形狀不同而沖量相同的窄脈沖，圖3-1（a）所示的為矩形脈沖，圖3-1（b）所示的為三角脈沖，圖3-1（c）所示的為正弦半波脈沖，它們的面積（沖量）均相同，當它們分別作用在同一個慣性系統(tǒng)上時，其輸出響應相同。圖3-1形狀不同而沖量相同的各種窄沖波</p>

41、;<p>　　依據(jù)上述原理，可將任意波形用以一系列沖量與之相等的窄脈沖進行等效。如圖3-所示，以正弦波為例，將一正弦波的正半波k等分（圖中，k=7），其中每一</p><p>　　等分所包含的面積（沖量）均用一個與之面積相等的、等幅而不等寬的矩脈沖替</p><p>　　代，且使每個矩形脈沖的中心線和等分點的中線重合，如此，則各個矩形脈沖寬度</p><p

42、>　　將按正弦規(guī)律變化。這就是正弦脈沖寬度調(diào)制（sinusoidalpulse?width?modulation，簡</p><p>　　稱SPWM）控制的理論依據(jù)。由此得到的矩形脈沖序列為SPWM序列。</p><p>　　如圖3-2所示，將正弦波在一個周期內(nèi)N等份（N為偶數(shù)），其中每一等份時</p><p>　　間間隔均為2p/N。按沖量等效原理，正弦波在

43、每一等分所包含的面積，都用</p><p>　　一矩形脈沖與之等效。</p><p>　　圖3-2 與正弦波等效的矩形脈沖序列波形</p><p>　　設正弦波的幅值為Vm,等效矩形波形的幅值為V Vm,則各等效矩形脈沖的</p><p><b>　　度 </b></p><p>　　以上的公式表

44、明，有沖量等效的原理得出的等效脈沖寬度di與分段位置中心角</p><p>　　bi的正弦值成正比。同理，以音頻信號為調(diào)制波，高頻三角波為載波，經(jīng)比較即可得到占空比隨音頻幅度規(guī)律變化的?PWM?信號。三角波的頻率f V與正弦波的頻率f之</p><p>　　圖3-3正弦波與三角波調(diào)制</p><p>　　上式說明：當載波比N固定，而大于20以上時，在比較器輸出產(chǎn)生的

45、矩形脈沖</p><p>　　寬度正比于分段中心角bi的正弦值。</p><p>　　3.2音頻信號寬度調(diào)制</p><p>　　信號有確定型信號和隨機信號之分，凡是瞬時值與時間之間存在確定的函數(shù)關</p><p>　　系的信號都屬于確定性信號。例如，我們熟知的正弦信號、指數(shù)信號、抽樣信號、高斯函數(shù)信號、脈沖序列信號以及一些奇異函數(shù)信號都是確

46、定型信號。有一些信號雖然不能用一個精確的函數(shù)表達式來表述信號的特性和變化規(guī)律，但是，可以用波形圖來表示，它的任一時刻，都有確定的函數(shù)值與該時刻對應，這種信號也屬于確定性信號或規(guī)則信號。語音、音樂、干擾和噪聲等信號，都有一個共同的特點，那就是它們都具有未可預知的不確定性，因而它們均不屬于確定性信號，而屬于隨機信號或不確定信號。確定性信號的幅度、函數(shù)值都是可預知的，因而，確定性信號幾乎不能包含什么信息。而瞬息萬變的隨機信號則包含了巨大的信息

47、量，人們可以從其中獲得很多新的消息。隨機信號也會表現(xiàn)為一定的確定性，例如：樂音表現(xiàn)為某種周期性變化的波形。因此，前一章中對確定性信號的脈寬調(diào)制特性的研究，同樣可應用于對隨機信號的脈</p><p>　　3.2.1語音信號的時域分析</p><p>　　在進行語音及音樂信號的處理時，最先接觸到的并且也是最直觀的是它的時域</p><p>　　波形。為了獲取一段語音信號

48、的時域波形，首先用高保真的傳聲器將聲音信號轉(zhuǎn)變應的電信號，在用A/D轉(zhuǎn)換將其在為數(shù)字信號輸入計算機中存儲起來，最后用繪圖儀將其時域波形繪制出來。如圖3-4所示是一位男青年說的“歡迎你到鹽城來”這段話的語音時域波形。這段話持續(xù)時間為四秒，圖中的橫為時間，縱為語音信號的幅度，由于時間壓縮的很緊，單從圖3-4還無法分辨出語音信號波形的細節(jié)，但</p><p>　　是可以看到語音信號能量的起伏，還可以大致分辨出話語中每一

49、個字(音節(jié))在此波</p><p>　　形中的位置。為了仔細辨識語音波形，可以把時間軸拉寬。圖3-5是將圖3-4的每個字的語音波形圖拆開，并且將其分別在時間軸上拉寬的波形圖。 圖3-5語音拉寬波形圖</p><p>　　由圖中可以看出語音信號具有著很強的“時變特性”和噪聲特性，當然在信號</p><

50、p>　　的局部又表現(xiàn)出較強的周期性。</p><p>　　3.2.2語音信號的譜和能量分布</p><p>　　正常人的聽音的頻率范圍在20Hz～20kHz，我們通常把按正弦規(guī)律變化的聲</p><p>　　音信號稱為“純音”，純音的頻率是單一的。一般把200Hz～300Hz以下的音頻信號稱為音頻信號的低頻，把?500?～?3000Hz?稱為音頻信號的中頻，而

51、把4000Hz以上的音頻信號稱為音頻信號的高頻。但是語音和音樂信號的信號波形遠不象純音那樣平滑，這從上面的波形圖可以看到。事實上，正是這些坎坷的波形之中包含了語音或音樂想要表達的信息。從頻率的角度上來看，這些非不確定信號，是無窮多個不同頻率的復合體。如果把各個分量的幅度按照對應的頻率由低到高的順序排列起來，就可以獲得該信號的頻譜。從頻譜圖上我們可以看到信號的頻率成分、信號的各頻率成分之間的相對大小。圖?3－6?是小提琴拉音符“1”時的頻

52、譜圖，從頻譜圖可以看出音頻信號的基波分量的幅值最大，隨著諧波次數(shù)的增高，信號對應諧波頻率分量的幅度不斷衰減，直到零。幅度譜縱軸量的平方即功率，所以，可將幅度譜圖轉(zhuǎn)換為能量譜圖。從譜圖的特性來看信號的?90%以上的能量集中在靠近基波的頻率段，高、中頻所占的能量極少</p><p><b>　　。</b></p><p>　　圖3-6音樂信號的頻譜總之，對于音樂和語音

53、信號我們需要了解以下幾個特點： a.語音和樂音信號都是隨機的不確定信號。</p><p>　　b.信號的在某些時間段內(nèi)表現(xiàn)出較強的周期性，這是與噪聲類型的隨機信號有</p><p><b>　　著本質(zhì)的區(qū)別。</b></p><p>　　c.上、下波形不對稱。</p><p>　　d.信號不包含直流分量，即上下波形所包

54、圍的面積相等。</p><p>　　e.信號的能量相對集中于信號的低頻分量之中。</p><p>　　3.2.3語音和樂音信號的脈寬調(diào)制</p><p>　　了解了語音及樂音信號的特點之后，我們就可以選擇其脈寬調(diào)制的方法和電路。</p><p>　　從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，樂音、語音信號與噪聲有著截然不同的特點，就是它在局部范圍內(nèi)分別體現(xiàn)出它的周

55、期性，也就是說，如果將這段信號看成周期性信號，則可以將其分解成傅麗葉級數(shù)，信號可以看成有無窮項正弦信號的疊加。因而研究正弦信號的脈寬調(diào)制(SPWM)及其方法對于研究語音及樂音信號的脈寬調(diào)制有著重要的指導意義。4單元電路設計與仿真</p><p>　　4.1模擬開關式音頻功率放大器基本原理</p><p>　　模擬開關式音頻功率放大器設計，包含信號的脈寬調(diào)制電路設計（包括三角波發(fā)&l

56、t;/p><p>　　生器的設計、前置放大器的設計）、驅(qū)動電路設計、H橋式功率輸出電路設計、解調(diào)用的低通濾波器設計和電源設計等幾個部分。模擬開關式音頻功率放大器的工作原理框圖如圖4-1所示。將音頻信號對一線性良好的高頻三角波進行調(diào)制，既形成PWM(脈沖寬度調(diào)制波形。D類音頻放大器一般采用異步調(diào)制方式,既在調(diào)制信號(音頻信號)周期發(fā)生變化時，高頻載波信號周期仍保持不變。這種調(diào)制方式的優(yōu)點是當音頻信號頻率較低時，PWM波

57、的載波個數(shù)成數(shù)量級增多，這對抑制高頻諧波及減少失真非常有利，而且載波的邊頻帶遠離音頻信號頻率，故不存在載波邊頻帶與基波之間的相互干擾問題。PWM波經(jīng)倒相后驅(qū)動H橋式逆變器，PWM脈沖方波使對角方位的兩個功率管輪流地且等間隔地導通與截止，在H橋的輸出端電壓是一組等幅不等寬的正負對稱的脈沖列，脈沖的幅值等于電源電壓Vcc。為了得到不失真的音頻信號，在H橋的輸出端之間加入LC低通濾波器以濾除高頻成分，在負載RL兩端可得到功率放大的音頻信號。&

58、lt;/p><p>　　圖4-1模擬開關式音頻放大器原理圖</p><p>　　D類放大器的性能優(yōu)劣主要取決于以下幾點：</p><p>　　a．三角波(或鋸齒波)的頻率。根據(jù)信號取樣定理，脈沖發(fā)生器的頻率應大于最</p><p>　　高音頻的兩倍。實際上此頻率越高，則調(diào)制精度越高。</p><p>　　b．三角波(或鋸齒

59、波)的頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度越高．則調(diào)制后的調(diào)寬脈沖的</p><p>　　時序誤差就越小，使信號的線性失真降低。</p><p>　　c．調(diào)制器(比較器)精度。調(diào)制器的精度越高，則調(diào)制信號的動態(tài)范圍就大。</p><p>　　d．低通濾波器的性能。低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率可設計在20～22kHz，如采用二</p><p>　　階巴特沃茲濾波器，

60、則衰減斜率為12dB／Oct，這樣如脈沖信號頻率(即載波頻率)為</p><p>　　80kHz，則在輸出端對載頻的衰減大于40dB。如載波頻率取160kHz，使用四階巴特</p><p>　　沃茲Lc濾波器，則輸出端對載頻的衰減大于70dB。</p><p>　　e．其它實際應用時，還要考慮D類放大器的射頻干擾問題，由于D類放大器為一</p><

61、;p>　　強力的振蕩器，應對其采取良好而周密的屏蔽措施，防止對周圍環(huán)境及其它電路造成干擾。</p><p>　　所以電路設計以后，電路能否工作、性能怎么樣，有沒有達到預定的級數(shù)指標，</p><p>　　這一些都需要通過對放大器各個部分的性能進行檢測的數(shù)據(jù)來證明，即需要根據(jù)設計的電路圖制作出電路來，再經(jīng)過測試以后得出結(jié)論。對電路進行仿真也是一種全面考察電路性能的好方法，與實際電路制作

62、相比，仿真有它的優(yōu)點：首先，取代了人工解析分析，減輕設計的勞動強度和重復性勞動。其次，提高分析速度、分析精度和分析廣度，比真實電路實驗可擴大研究范圍，測得更多的數(shù)據(jù)，可以測量一些實驗中無法直接測量的數(shù)據(jù)，如：元件中的數(shù)值和波形，研究系統(tǒng)性能受其變化的影響。第三，采用計算機仿真可以大大減少元器件的損壞而引起的損失。最后，減小科研設備的投入。本電路設計后采用電路仿真對電路進行研究。下面就組成放大器的各個部分進行電路的設計和仿真。</

63、p><p>　　4.2信號的脈寬調(diào)制電路設計</p><p>　　4.2.1三角波發(fā)生器的設計</p><p>　　三角波產(chǎn)生電路和波形如圖4-2所示。采用555芯片構成三角波發(fā)生器，利用</p><p>　　圖4-2三角波發(fā)生電路和波形圖</p><p>　　V1、V2和R1構成恒流源對C1實現(xiàn)線性充電，利用V3、V4

64、和R2構成的恒流源實現(xiàn)對C1的放電。電容C1上的三角波經(jīng)A同相跟隨器輸出。電路中電容C1?選用漏電流很低的聚苯乙烯電容。</p><p>　　電路原理如下：接通電源瞬間，555芯片的③腳輸出高電平，二極管D3截止，D4導通，從而D2也截止，D1導通，電源Vcc?通過V1，V2，R1，D1?對電容C1恒流充電，當C1恒流充電，當C1上電壓達到2Vcc/3時，555芯片的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即③腳輸出低電平，D3導通，D4

65、截止，從而D1也截止，D2導通，電容C1通過D2，V3，V4，R2恒流放電，直到C1?電壓等于Vcc/3為止，電容又開始充電，如此循環(huán)，則C1上可以得到線性度很好的三角波，輸出加一級電壓跟隨器，以提高帶負載能力。輸出三角波頻率的計算：電阻R1上的電壓等于V1的PN結(jié)壓降Vbe=0.7V，故流過R1</p><p>　　的電流i=0.7/300mA=0.233A，忽略V1的基極電流，則流過R1的電流即為V2的射極&

66、lt;/p><p>　　電流，也約等于T2?的集電極電流，故C1?的充電電流約為0.2mA，同理可得放電電流</p><p>　　也約為0.2mA。設充電時間為t1，放電時間為t2，則有</p><p>　　可得三角波的周期 </p><p><b>　　故三角波的頻率為</b></p><p

67、>　　該電路的特點是：利用恒流源對電容線性充、放電產(chǎn)生三角波，其波形比波形經(jīng)</p><p>　　阻容電路或者積分電路得到的三角波失真度小。由方波直接經(jīng)阻容電路得到的三角波波形是指數(shù)函數(shù)，由方波經(jīng)積分電路得到三角波波形雖然是線性的，但是，積分電路存在積分漂移，得到的三角波中含有一定的直流分量，而且該直流分量與積分電路中積分電容的初始條件有關，是一個隨機的量。常規(guī)的做法是在積分電容上并聯(lián)一個開關，當積分電路開

68、始工作時，先把開關按下給電容放電，讓積分電容的初始電荷為零，如此來控制積分電路的直流分量為零。</p><p>　　4.2.3脈寬調(diào)制電路的設計</p><p>　　脈寬調(diào)制電路將直接影響音頻功率放大器的性能指標。對于高頻載波三角波信</p><p>　　號,為了減少輸出音頻信號的非線性失真,要求三角波信號的兩個斜邊對稱且具高的線性度。對于載波頻率的要求,理論分析表

69、明,載波頻率越高,功率放大器的輸出高頻干擾越容易濾除,輸出波形失真也越??；但功率放大器的開關頻率也升高,這將大大增加開關器件的開關損耗,造成功率放大器的效率下降。因此,一般載波信號(三角波)的頻率和調(diào)制信號(取正弦波)的頻率滿足如下關系: f V= (10～20) f。其中,f V為載波信號頻率, f為調(diào)制信號頻率。功率放大器的通頻帶為16kHz,在第四節(jié)中我們求出三角波信號的頻率為150kHz，符合要求。</p><

70、;p>　　PWM調(diào)制電路如圖4-4?所示。電路以音頻信號為調(diào)制波，頻率為150kHz的三</p><p>　　角波為載波，兩路信號均加上2.5V的直流偏置電壓，通過比較器進行比較，得到幅值相同、占空比隨音頻幅度的變化而變化的脈沖信號。比較電路由高速、精密的比</p><p>　　圖4-4PWM脈寬調(diào)制電路較器芯片LM311構成，由于比較器芯片LM311的輸出級是集電極開路，故輸出端

71、須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采用芯片資料上的推薦電阻1kΩ。4.3驅(qū)動電路設計</p><p>　　功率開關器件的驅(qū)動電路如圖4-5所示。經(jīng)前面脈寬調(diào)制得到的PWM信號不能</p><p>　　直接驅(qū)動功率開關器件，需增加PWM信號的驅(qū)動功能。驅(qū)動電路可以增強信號的驅(qū)動電流，使之能夠有效、快速地驅(qū)動功率開關管。對于驅(qū)動控制電路的要求一是把PWM信號整形成前后沿更加陡斜的脈沖；二是能倒相

72、形成PWM?和PWM兩路脈沖以滿足H?橋功率開關管的要求；三是為防止同一橋臂上兩功率管直通，PWM和PWM兩脈沖之間要有一定的死區(qū)時間；四是應具有保護功能，當負載出現(xiàn)過流或短路時，應封鎖PWM和PWM脈沖信號輸出。圖4-5所示電路即可滿足以上要求，該電路采用5V電源供電，G4～G12全部采用CMOS集成器件。當過流保護信號為高電平“1”時，驅(qū)動電路正常工作，Rt?，Ct?決定死區(qū)時間；當過流保護信號為低電平“0”時，驅(qū)動電路無脈沖輸出。

73、為了使的H橋功率輸出電路能夠正常工作，在輸出端加入一三極管進行電壓控制。 </p><p>　　圖4-5驅(qū)動控制電路 4.4 H橋式功率輸出、低通濾波電路的設計</p><p>　　4.4.1 H橋功率輸出器件的選取</p><p>　　功率輸出電路即放大器的功率輸出級，這里可供選擇的

74、元件有：雙極型功率晶</p><p>　　體管，MOS功率場效應管，IGBT等，組成功率級的方式有：單管變壓器耦合電路雙晶體管變壓器耦合電路、半橋式功率電路、全橋式功率電路等，這里本人選用率開關管MOSFET作為功率輸出電路的元器件。功率MOSFET是一種多子導電的單極型壓控器件，具有開關速度快、高頻性能好，輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二此次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導線性度高等顯著特點。而電路的核心

75、則是由四個MOSFET功率開關管構成四個橋臂。橋式電路的輸出功率大，而且易實現(xiàn)。采用H橋式D類功率放大器還可以實現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并減少干擾。4.4.2設計低通濾波器的必要性</p><p>　　D類功放采用脈寬調(diào)制技術（PWM），把音頻信號經(jīng)三角波調(diào)制，轉(zhuǎn)換成周期</p><p>　　固定、占空比變化的方波（稱為PWM信號）。在PWM信號中即有全部的音頻信息，

76、也包含了MOSFET?功率管的開關信號，而開關信號在輸出端是一種干擾；另外，在放大器與揚聲器之間的音頻線構成一個平行的電容性負載，且PWM信號是占空比可變的方波，電壓的變化率（dV/dt）很大，這時電容性負載與音圈產(chǎn)生電磁干擾（EMI）信號，這些電磁干擾信號對外輻射能量，影響其它射頻線路的正常工作，提高總諧波失真加噪聲（THD+N），降低功放效率，對像手機之類的產(chǎn)品，還會影響使用者的健康。因此，設計輸出濾波器，消除開關信號和電磁干擾信號

77、是必要的。</p><p>　　4.4.3低通濾波器的設計方案</p><p>　　輸出濾波器的設計應考慮兩方面，一是系統(tǒng)的頻率響應；二是濾波器的類型。音頻信號的頻率一般在22?Hz~22?kHz，如果低通濾波器的截止頻率太低，會導致音頻信號的丟失、THD+N?和濾波器元件值的增大；截止頻率太高，又會使干擾信號增加，效率降低。另外，無源低通濾波器的類型很多，最常見的有巴特沃思（Butter

78、worth）濾波器、切比雪夫（Chebyshev）濾波器等，它們各有特色。切比雪夫濾波器在過渡帶有很快的衰減，逼近理想，但在通帶內(nèi)等波動；巴特沃思濾波器在通帶內(nèi)最大平坦近似，但過渡帶的衰減不如切比雪夫濾波器。對于兩階低通濾波器，兩種類型的電路相同，只有元件值不同。下面介紹的是由四階巴特沃斯構成的低通濾波器。4.4.4 H橋式功率輸出和低通濾波器的設計與仿真</p><p>　　功率開關管采用IRF9540、

79、IRF540對管作為開關管，IRF540是TMOS場效應管，</p><p>　　擊穿電壓100V，柵源極門檻電壓為4V，正向?qū)娏鳛?7A，開關時間分別為</p><p>　　圖4-6H橋互補對稱輸出低通濾波電路</p><p>　　tON=30ns和tOFF=80ns，導通電阻為0.077W。低通濾波器采用四階巴特沃斯濾波器LC濾波電路，如圖4-6所示<

80、;/p><p>　　5實物的安裝焊接與調(diào)試</p><p><b>　　5.1安裝焊接</b></p><p>　　電路板采用手工布線、手工制板，電阻、電容等元器件都采用立式安裝，集</p><p>　　電路的安裝用專用插座，焊接也是采用手工焊接，布線力求使得分布參數(shù)的影響</p><p>　　到最小

81、。信號線采用屏蔽。</p><p><b>　　5.2調(diào)試</b></p><p>　　儀器儀表：多功能函數(shù)發(fā)生器，示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓電源等。</p><p>　　調(diào)試方法：從最前節(jié)開始逐級調(diào)試。</p><p>　　圖5-1是實物測試圖</p><p>　　圖5-2調(diào)制級輸出波形圖6

82、結(jié)束語</p><p>　　采用PROTEL軟件對音頻功放的部分電路進行了仿真，通過測試，本人設計的</p><p>　　模擬開關式音頻功率放大器基本符合設計的要求，在輸出功率達到50W時，感受到散熱片的溫升很小?；具_到了預先想要的“降溫”的目的。采用信噪比較高的運放NE5532，在實際處理音頻信號效果比較好。從頻率特性測試發(fā)現(xiàn)，低頻段失真符合要求，高頻段的失真較大，與設計要求的指標相距

83、甚遠。在實物制作的過程中，多次出現(xiàn)H橋短路現(xiàn)象，經(jīng)過反復研究排查原因方得以解決。另外動態(tài)范圍相對來說比較小，特別是當信號較小時線性差的問題更加特出。還有放大器工作于高頻開關之下，產(chǎn)生的電磁污染是不可避免的，本文中未就這些方面的內(nèi)容進行研究。這些以待今后的設計中加以考慮。通過這次畢業(yè)設計，使我對以前學過的理論知識起到了回顧作用，并對其加以進一步的消化和鞏固，得到了一次綜合應用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析問題和解決問題的機會，為進為日后成為合格的

84、應用型人才打下良好的基礎。 參考文獻[1] 劉丁. VMA系列數(shù)字音頻功率放大模塊的應用[J].無線電.2010.7</p><p>　　[2] 黃偉，馬成炎，葉甜春.大功率低THD＋N的D類音頻功率放大器. 微電子學.2010.40卷第3期</p><p>　　[3] 毛興武. 2×7

85、5W D類功率放大器TDA8922CJ.電子世界[J].2010.2</p><p>　　[4] 杜強.D類音頻功率放大器的設計與仿真. 電子元器件應用[J].2010.01</p><p>　　[5] 黃健. 高效率音頻功率放大器的設計. 信息系統(tǒng)工程.2010.8</p><p>　　[6] 楊鵬,趙壽全.基于PWM的D類音頻功率放大器設計. 中國集成電路.20

86、08年10期</p><p>　　[7] 胡 燁.Protel 99SE電路設計與仿真教程[M].機械工業(yè)出版社.2005.04</p><p>　　[8] 清源計算機工作室.Protel99SE 原理圖與PCB設計[M].機械工業(yè)出版社.2002.1</p><p>　　[9] 應建華,付增功.D類音頻功率放大器中的死區(qū)控制電路設計. 華中科技大學學報.自然科學版