畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）D類功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真

1、 目錄1概述.11.1課題研究的意.21.2課題的任務(wù)與技術(shù)要求.21.3課題研究的內(nèi)容.22 設(shè)及方案的論證32.1功率放大器的種類.32.1.1a類功率放大器52.1.2b類功率放大器.72.1.3ab類功率放大器.92.1.4d類功率放大器.103信號(hào)脈寬調(diào)制.123.1正弦脈寬調(diào)制133.2音頻信號(hào)寬度調(diào)制163.2.1語音信號(hào)的時(shí)域分析.173.2.2語音信號(hào)的譜和能量分布.193.2.3語音和樂音信號(hào)的脈寬調(diào)制.214單元電路設(shè)計(jì)與仿真.244.4.1 h橋功率輸出器件的選取.254.4.2設(shè)計(jì)低通濾波器的必要性.264.4.3低通濾波器的設(shè)計(jì)方案.274.4.4 h橋式功率輸出和

2、低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真.285實(shí)物的安裝焊接與調(diào)試.286結(jié)束語.29參考文獻(xiàn).30 附錄.31d類功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真1概述1.1課題研究的意義隨著全球音視頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對(duì)音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求,迫使人們盡快研究開發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器。它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字設(shè)備相連接的特點(diǎn)。d類音頻功率放大器是pwm型功率放大器即為模擬開關(guān)式音頻功率放大器，它符合上述要求。近幾年，國(guó)際上加緊了對(duì)d類音頻功率放大器的研究與開發(fā)，并取得了一定進(jìn)展，幾家著名研究機(jī)構(gòu)及公司已試驗(yàn)性地向市場(chǎng)提供了d類音頻功率放大器評(píng)估模塊及技術(shù)。這一技術(shù)一經(jīng)問世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)

3、字化的顯著特點(diǎn)，引起了科研、教學(xué)、電子工業(yè)、商業(yè)界的特別關(guān)注。不久的將來，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。幾十年來在音頻領(lǐng)域中，a類、b類、ab類音頻功率放大器一直占據(jù)“統(tǒng)治”地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個(gè)過程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過程；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率放大器，它們的最大缺點(diǎn)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(dāng)它們的輸出功

4、率小于額定輸出功率時(shí)，效率就更低，播放動(dòng)態(tài)的語言、音樂時(shí)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(diǎn)：a.電路復(fù)雜，成本高，常常需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的補(bǔ)償電路和過流，過壓，過熱等保護(hù)電路，體積較大，電路復(fù)雜。b.輸出功率不可能做的很大。模擬開關(guān)式功率放大器又稱為數(shù)字功放或d類功放，工作于開關(guān)狀態(tài)，理論效率可達(dá)100%，實(shí)際的運(yùn)用也可達(dá)80%以上。功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱器的尺寸，連續(xù)輸出功率很容易達(dá)到數(shù)百瓦。功率mos有自我保護(hù)電路，可以大大簡(jiǎn)化保護(hù)電路，而且不會(huì)引入非線形失真。所以，采用這種模擬開關(guān)式音頻功率放大器作為本畢業(yè)設(shè)計(jì)所要研究的內(nèi)容，

5、具有較大的研究意義。 1.2課題的任務(wù)與技術(shù)要求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(guān)狀態(tài)，因而管耗很低，整機(jī)效率很高。本設(shè)計(jì)中，要求運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)，設(shè)計(jì)一臺(tái)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(guān)鍵部分的仿真結(jié)果圖，撰寫一篇符合學(xué)校要求的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。原始數(shù)據(jù)以及技術(shù)參數(shù)要求a) 輸出平均功率 10w（8負(fù)載）；b) 放大器的輸入靈敏度0db；c) 放大器的效率不低于80%，總失真度小于1%；（5w）d) 設(shè)計(jì)放大器的電源，要求紋波因素底、功率余量0.5；e) 要求整機(jī)電路體積小、可靠性高；f) 考慮脈沖信號(hào)對(duì)電網(wǎng)的污染的影響；整機(jī)設(shè)計(jì)符合國(guó)家安全標(biāo)

6、準(zhǔn)1.3課題的主要內(nèi)容掌握模擬電子技術(shù)中功率放大器作用和種類，研究其工作原理和性能特點(diǎn)；查找相關(guān)資料，了解語音信號(hào)的波形特點(diǎn)；掌握脈寬調(diào)制的原理以及電路的實(shí)現(xiàn)；設(shè)計(jì)工作與脈寬調(diào)制方式下的功率輸出電路，并對(duì)這個(gè)電路的性能進(jìn)行研究；最后可以采用?protel?對(duì)音頻功率放大器的部分電路進(jìn)行仿真；制作實(shí)物并對(duì)實(shí)物性能進(jìn)行測(cè)試。2設(shè)計(jì)方案論證2.1功率放大器的分類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。甲類功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)q是選在晶體管的放大區(qū)內(nèi)，且信號(hào)的作用范圍也限在放大區(qū)，此時(shí)若輸入信號(hào)為正弦波，則輸出信號(hào)也為正弦波，非線性失真很小。如圖21

7、（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(hào)輸入時(shí)，這些功率全部消耗在管子（和電阻）上，并轉(zhuǎn)化成熱量的形式耗散出去。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，信號(hào)越大，輸送給負(fù)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(dá)到50%。甲乙類功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)q的位置略高于乙類，但低于甲類，處在放大區(qū)內(nèi)。此時(shí)若輸入正弦波，則輸出將為單邊失真的正弦波，如圖21（b）所示。乙類功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)q是選在晶體管放大區(qū)和截止區(qū)的交界處，信號(hào)的作用范圍一半在放大區(qū)，另一半在截止區(qū)。此時(shí)若輸入信號(hào)為正弦波，則輸出信號(hào)為正弦波的一半，如圖21（c）

8、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，提高了效率，但都出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真 圖2-1靜態(tài)工作點(diǎn)q下移對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響（a）甲類放大（b）甲乙類放大（c）乙類放大而功率放大器按照信號(hào)導(dǎo)通角可分為a類(甲類)、b類（乙類）、ab類（甲乙類）、d類（模擬開關(guān)式）。下面我們對(duì)這四種功率放大器進(jìn)行介紹。2.1.1 a類(甲類)功率放大器圖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，它同輸出變壓器tr2一樣也是作為阻抗變換用的，即使前一級(jí)能得到合適的負(fù)載，本級(jí)能獲得最大的功率輸入。電阻rb1、rb2和re構(gòu)成了偏置電路，保證晶體管工作于

9、甲類及工作點(diǎn)穩(wěn)定。cb、ce?是rb（rb1rb2）及re?的旁路電容，避免輸入信號(hào)通過它們時(shí)產(chǎn)生損耗，使放大倍數(shù)下降。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(dòng)，但其端電壓仍能保持恒定。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(hào)時(shí)，ic等于icq。有信號(hào)時(shí)，ic的正負(fù)幅度相同，其平均值依然為icq，如圖2-3所示。因此得出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(hào)的有無或強(qiáng)弱而有所變動(dòng)。這是甲類功率放大器的一個(gè)特點(diǎn)。圖2-3 電源在不同情況下供給的電流波形根據(jù)以上

10、分析，不難求出晶體管集電極輸出的最高效率為可見，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(diǎn)。實(shí)際上，若考慮到vces和iceo，則晶體管的最高效率僅為4050%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它等于晶體管的轉(zhuǎn)換效率和變壓器效率的乘積。因此，甲類功率放大器的效率較低，總效率一般為3035%左右。2.1.2 b類(乙類)功率放大器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(gè)晶體管v1、v2組成的對(duì)稱電路。tr1、tr2?為有中心抽頭的輸入、輸出變壓器。由于沒有加偏置電壓，所以兩個(gè)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)在?ib=0?處，在

11、沒有信號(hào)的輸入時(shí)，兩個(gè)管子都處于截至狀態(tài)。此時(shí)電源供給的功率及管耗都等于零，從而實(shí)現(xiàn)了乙類工作狀態(tài)。在有信號(hào)輸入時(shí)，兩管交替工作。當(dāng)正弦信號(hào)ui送到輸圖2-4 乙類推勉功率放大器入變壓器tr1的初級(jí)時(shí)，在tr1的次級(jí)則產(chǎn)生大小相等，相位相反的兩個(gè)交流電壓，分別加在v1和v2的輸入端，這個(gè)過程叫倒相。在輸入信號(hào)為正半周時(shí)，電路的工作情況如圖2-4（a）所示。圖中用符號(hào)+、-代表各電壓的瞬時(shí)極性。由圖可見，此時(shí)?vbe10，v1?導(dǎo)通。集電極電流?ic1?的方向如圖所示，為逆時(shí)針方向。與此同時(shí)，由于?v1?的反射結(jié)處于反向偏置，即vbe20，v2導(dǎo)通，集電極電流?ic2?的方向如圖所示，為順時(shí)針方

12、向。同時(shí)由于vbe10,所以v1處于截止?fàn)顟B(tài)，ic1=0。這樣就實(shí)現(xiàn)了兩管在正負(fù)半周交替工作的目的。由2-4（a）可以看出，輸入信號(hào)為正半周時(shí)，集電極電流ic1流經(jīng)tr2初級(jí)線圈的上班部分產(chǎn)生的壓降，其極性應(yīng)為上-下+，即同名端處為-，則ic1在tr2初級(jí)的下半部分和次級(jí)繞組中所產(chǎn)生的感生電壓極性，也應(yīng)在同名端處為-，所以流過次級(jí)負(fù)載rl的電流ic2應(yīng)為順時(shí)針方向，如圖2-4（a）所示。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，由圖2-4（b）可以看出，集電極電流ic2了流經(jīng)tr2初級(jí)線圈的下半部分產(chǎn)生壓降，其極性應(yīng)為上+下-，即在同名端處為+，則ic2在tr2初級(jí)的上半部分和次級(jí)繞組所產(chǎn)生的感生電壓極性，也應(yīng)在

13、同名端處為+，所以流經(jīng)次級(jí)負(fù)載rl的電流io，應(yīng)為逆時(shí)針方向，如圖2-4（b）所示。當(dāng)輸入正弦信號(hào)變化一周時(shí)，經(jīng)v1和v2輪換放大后，在tr2次級(jí)負(fù)載上就可獲得一個(gè)完整的正弦信號(hào)了。所以這種放大器雖然在工作時(shí)ib1、ib2及ic1、ic2都是半波，但輸入信號(hào)ui及輸出信號(hào)電流io和電壓卻都是完整的正弦波。圖2-4（a）正半周圖2-4 負(fù)半周 晶體管的轉(zhuǎn)換效率等于晶體管的輸出功率p1?與電源供給功率pe?的比值，即可見，輸入信號(hào)越強(qiáng)，vcem越大，則效率也越高。在不失真情況下，晶體管最大輸出功率時(shí)，由于vcem=ec,這時(shí)的轉(zhuǎn)換效率也為最高可見，如果把變壓器tr2的損耗也考慮進(jìn)去，則總的效率還要

14、低一些，一般為60%。由于乙類放大器的輸出波形是由兩個(gè)半波復(fù)合而成，所以乙類放大器的交越失真比較嚴(yán)重。2.1.3 ab類(甲乙類)功率放大器圖2-5是采用一個(gè)電源的甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱原理電路，圖中由v1?組成前置放大級(jí)， v2和v3組成互補(bǔ)對(duì)稱電路輸出級(jí)。在輸入信號(hào)ui=0時(shí)，一般只要r1、r2?有適當(dāng)?shù)墓ぷ饔诩滓翌悹顟B(tài)的功率輸出級(jí)的單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路圖2-5所示。通過上面的討論不難看出，在對(duì)失真要求不是很高的場(chǎng)合，提高效率，減小功率管的溫升是功率放大器設(shè)計(jì)首先要考慮的事情。而考慮的方法則是將功率管的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)一步下移。數(shù)值，就可使ic3、vb2和vb1達(dá)到所需的大小，給v2和v3提供一個(gè)合適的

15、偏置，從而使?k點(diǎn)電位vk=vc=vcc/2。當(dāng)有信號(hào)ui?時(shí)，在信號(hào)的負(fù)半周，v3導(dǎo)電，有電流通過負(fù)圖2-5工作在甲乙類的功率放大器電路載rl，同時(shí)向c充電；在信號(hào)的正半周，v2導(dǎo)電，則已充電的電容?c?起著電源vcc的作用，通過負(fù)載?rl?放電。只要選擇時(shí)間常數(shù)rlc足夠大（比信號(hào)的最長(zhǎng)周期還大得多），就可以認(rèn)為用電容c和一個(gè)電源vcc可代替原來的+vcc和vcc兩個(gè)電源的作用。工作于甲乙類狀態(tài)的功率輸出級(jí)的單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖2-5所示。通過上面的討論不難看出，在對(duì)失真要求不是很高的場(chǎng)合，提高效率，減小功率管的溫升是功率放大器設(shè)計(jì)首先要考慮的事情。而考慮的方法則是將功率管的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)

16、一步下移。2.1.4 d類(模擬開關(guān)式)功率放大器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(diǎn)。a類功率放大器在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)都有電流連續(xù)流過，它的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)的失真比較小，缺點(diǎn)是輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍比較小，效率低。而b類功率放大器在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)功率器件的導(dǎo)通時(shí)間為50%,它的優(yōu)點(diǎn)是在理想情況下效率可達(dá)78.5%，但缺點(diǎn)是會(huì)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(gè)功率放大器件的導(dǎo)通時(shí)間在50%100%之間，兼有a類失真小和?b?類效率高的特點(diǎn)，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

17、率偏低，體積偏大的缺點(diǎn)與音頻功率放大器高效、節(jié)能和小型化的發(fā)展趨勢(shì)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(guān)功放或pwm（脈寬調(diào)制）功放，工作于開關(guān)狀態(tài)，工作基于pwm模式：將音頻信號(hào)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(hào)幅度成正比例變化的pwm波，然后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路，加到功率mos的柵極，控制功率器件的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)放大，將放大的pwm信號(hào)送入濾波器，則還原為音頻信號(hào)。此類音頻功率放大器理論效率可達(dá)100%，實(shí)際的運(yùn)用也可達(dá)80%以上。正是由于d類放大器的效率高，100瓦輸出的設(shè)備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個(gè)平方厘米，連電路板可作的很小

18、，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(duì)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(dá)到數(shù)百瓦。功率mos有自我保護(hù)電路，可以大大簡(jiǎn)化保護(hù)電路，而且不會(huì)引入非線形失真。d類功放是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的創(chuàng)新技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景，并對(duì)消費(fèi)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(diǎn)，采用d類音頻功率放大器的設(shè)備能夠提高電池的壽命，它特別適合應(yīng)用于無線和手持通信設(shè)備，主要應(yīng)用在pda、移動(dòng)電話和類似的手持移動(dòng)通信工具的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品中。而大功率輸出的音頻設(shè)備具有很大的功耗，所以在大功率輸出的音頻設(shè)備中采用低功耗

19、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(kuò)展了混合能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗。總之，pwm機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)在于他的高效率。散熱設(shè)施無需特別處理，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。低頻性能特別好，這對(duì)混響效果很差的露天音樂場(chǎng)所來說尤其重要。一般的音響設(shè)備中頻特性好，但從人耳的對(duì)聲音響度的感覺來看，低頻遠(yuǎn)不如中頻，要使聽到的聲音柔韌、豐滿、有彈性，就必須加強(qiáng)低音。pwm功率放大器能做到這一點(diǎn)。3信號(hào)脈寬調(diào)制3.1正弦脈沖寬度調(diào)制pwm(pulsewidthmodulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值

20、）。 圖3-1 形狀不同而沖量相同的各種窄沖波根據(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慣性系統(tǒng)時(shí)，只要它們的沖量（即變量對(duì)時(shí)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(yīng)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(guān)。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(dāng)它們分別作用在同一個(gè)慣性系統(tǒng)上時(shí)，其輸出響應(yīng)相同。圖3-1形狀不同而沖量相同的各種窄沖波依據(jù)上述原理，可將任意波形

21、用以一系列沖量與之相等的窄脈沖進(jìn)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），其中每一等分所包含的面積（沖量）均用一個(gè)與之面積相等的、等幅而不等寬的矩脈沖替代，且使每個(gè)矩形脈沖的中心線和等分點(diǎn)的中線重合，如此，則各個(gè)矩形脈沖寬度將按正弦規(guī)律變化。這就是正弦脈沖寬度調(diào)制（sinusoidalpulse?width?modulation，簡(jiǎn)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。如圖3-2所示，將正弦波在一個(gè)周期內(nèi)n等份（n為偶數(shù)），其中每一等份時(shí)間間隔均為2p/n。按沖量等效原理，正弦波在每一等分所包含的面積，都用一矩形脈沖與之等效。圖3

22、-2 與正弦波等效的矩形脈沖序列波形設(shè)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度 以上的公式表明，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bi的正弦值成正比。同理，以音頻信號(hào)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(hào)。三角波的頻率f v與正弦波的頻率f之圖3-3正弦波與三角波調(diào)制 上式說明：當(dāng)載波比n固定，而大于20以上時(shí)，在比較器輸出產(chǎn)生的矩形脈沖寬度正比于分段中心角bi的正弦值。3.2音頻信號(hào)寬度調(diào)制信號(hào)有確定型信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)之分，凡是瞬時(shí)值與時(shí)間之間存在確定的函數(shù)關(guān)系的信號(hào)都屬于確定性信號(hào)。例如，我們熟知的

23、正弦信號(hào)、指數(shù)信號(hào)、抽樣信號(hào)、高斯函數(shù)信號(hào)、脈沖序列信號(hào)以及一些奇異函數(shù)信號(hào)都是確定型信號(hào)。有一些信號(hào)雖然不能用一個(gè)精確的函數(shù)表達(dá)式來表述信號(hào)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(shí)刻，都有確定的函數(shù)值與該時(shí)刻對(duì)應(yīng)，這種信號(hào)也屬于確定性信號(hào)或規(guī)則信號(hào)。語音、音樂、干擾和噪聲等信號(hào)，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是它們都具有未可預(yù)知的不確定性，因而它們均不屬于確定性信號(hào)，而屬于隨機(jī)信號(hào)或不確定信號(hào)。確定性信號(hào)的幅度、函數(shù)值都是可預(yù)知的，因而，確定性信號(hào)幾乎不能包含什么信息。而瞬息萬變的隨機(jī)信號(hào)則包含了巨大的信息量，人們可以從其中獲得很多新的消息。隨機(jī)信號(hào)也會(huì)表現(xiàn)為一定的確定性，例如：樂音

24、表現(xiàn)為某種周期性變化的波形。因此，前一章中對(duì)確定性信號(hào)的脈寬調(diào)制特性的研究，同樣可應(yīng)用于對(duì)隨機(jī)信號(hào)的脈3.2.1語音信號(hào)的時(shí)域分析在進(jìn)行語音及音樂信號(hào)的處理時(shí)，最先接觸到的并且也是最直觀的是它的時(shí)域波形。為了獲取一段語音信號(hào)的時(shí)域波形，首先用高保真的傳聲器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變應(yīng)的電信號(hào)，在用a/d轉(zhuǎn)換將其在為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)起來，最后用繪圖儀將其時(shí)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(shí)域波形。這段話持續(xù)時(shí)間為四秒，圖中的橫為時(shí)間，縱為語音信號(hào)的幅度，由于時(shí)間壓縮的很緊，單從圖3-4還無法分辨出語音信號(hào)波形的細(xì)節(jié)，但是可以看到語音信號(hào)能量的起伏，還可以大

25、致分辨出話語中每一個(gè)字(音節(jié))在此波形中的位置。為了仔細(xì)辨識(shí)語音波形，可以把時(shí)間軸拉寬。圖3-5是將圖3-4的每個(gè)字的語音波形圖拆開，并且將其分別在時(shí)間軸上拉寬的波形圖。 圖3-5語音拉寬波形圖由圖中可以看出語音信號(hào)具有著很強(qiáng)的“時(shí)變特性”和噪聲特性，當(dāng)然在信號(hào)的局部又表現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性。3.2.2語音信號(hào)的譜和能量分布正常人的聽音的頻率范圍在20hz20khz，我們通常把按正弦規(guī)律變化的聲音信號(hào)稱為“純音”，純音的頻率是單一的。一般把200hz300hz以下的音頻信號(hào)稱為音頻信號(hào)的低頻，把?500?3000hz?稱為音頻信號(hào)的中頻，而把4000hz以上的音頻信號(hào)稱為音頻信號(hào)的高頻。但是語音和

26、音樂信號(hào)的信號(hào)波形遠(yuǎn)不象純音那樣平滑，這從上面的波形圖可以看到。事實(shí)上，正是這些坎坷的波形之中包含了語音或音樂想要表達(dá)的信息。從頻率的角度上來看，這些非不確定信號(hào)，是無窮多個(gè)不同頻率的復(fù)合體。如果把各個(gè)分量的幅度按照對(duì)應(yīng)的頻率由低到高的順序排列起來，就可以獲得該信號(hào)的頻譜。從頻譜圖上我們可以看到信號(hào)的頻率成分、信號(hào)的各頻率成分之間的相對(duì)大小。圖?36?是小提琴拉音符“1”時(shí)的頻譜圖，從頻譜圖可以看出音頻信號(hào)的基波分量的幅值最大，隨著諧波次數(shù)的增高，信號(hào)對(duì)應(yīng)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(hào)的?90%以上的能量集中

27、在靠近基波的頻率段，高、中頻所占的能量極少。圖3-6音樂信號(hào)的頻譜總之，對(duì)于音樂和語音信號(hào)我們需要了解以下幾個(gè)特點(diǎn)： a.語音和樂音信號(hào)都是隨機(jī)的不確定信號(hào)。b.信號(hào)的在某些時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性，這是與噪聲類型的隨機(jī)信號(hào)有著本質(zhì)的區(qū)別。c.上、下波形不對(duì)稱。d.信號(hào)不包含直流分量，即上下波形所包圍的面積相等。e.信號(hào)的能量相對(duì)集中于信號(hào)的低頻分量之中。3.2.3語音和樂音信號(hào)的脈寬調(diào)制了解了語音及樂音信號(hào)的特點(diǎn)之后，我們就可以選擇其脈寬調(diào)制的方法和電路。從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，樂音、語音信號(hào)與噪聲有著截然不同的特點(diǎn)，就是它在局部范圍內(nèi)分別體現(xiàn)出它的周期性，也就是說，如果將這段信號(hào)看成周期性信

28、號(hào)，則可以將其分解成傅麗葉級(jí)數(shù)，信號(hào)可以看成有無窮項(xiàng)正弦信號(hào)的疊加。因而研究正弦信號(hào)的脈寬調(diào)制(spwm)及其方法對(duì)于研究語音及樂音信號(hào)的脈寬調(diào)制有著重要的指導(dǎo)意義。4單元電路設(shè)計(jì)與仿真4.1模擬開關(guān)式音頻功率放大器基本原理模擬開關(guān)式音頻功率放大器設(shè)計(jì)，包含信號(hào)的脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)（包括三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)、前置放大器的設(shè)計(jì)）、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、h橋式功率輸出電路設(shè)計(jì)、解調(diào)用的低通濾波器設(shè)計(jì)和電源設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。模擬開關(guān)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(hào)對(duì)一線性良好的高頻三角波進(jìn)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(hào)(音頻信號(hào))周

29、期發(fā)生變化時(shí)，高頻載波信號(hào)周期仍保持不變。這種調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)音頻信號(hào)頻率較低時(shí)，pwm波的載波個(gè)數(shù)成數(shù)量級(jí)增多，這對(duì)抑制高頻諧波及減少失真非常有利，而且載波的邊頻帶遠(yuǎn)離音頻信號(hào)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(dòng)h橋式逆變器，pwm脈沖方波使對(duì)角方位的兩個(gè)功率管輪流地且等間隔地導(dǎo)通與截止，在h橋的輸出端電壓是一組等幅不等寬的正負(fù)對(duì)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(hào)，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(fù)載rl兩端可得到功率放大的音頻信號(hào)。 圖4-1模擬開關(guān)式音頻放大器原理圖d類放大器的性能優(yōu)劣主要取決于以下

30、幾點(diǎn)：a三角波(或鋸齒波)的頻率。根據(jù)信號(hào)取樣定理，脈沖發(fā)生器的頻率應(yīng)大于最高音頻的兩倍。實(shí)際上此頻率越高，則調(diào)制精度越高。b三角波(或鋸齒波)的頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度越高則調(diào)制后的調(diào)寬脈沖的時(shí)序誤差就越小，使信號(hào)的線性失真降低。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(hào)的動(dòng)態(tài)范圍就大。d低通濾波器的性能。低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率可設(shè)計(jì)在2022khz，如采用二階巴特沃茲濾波器，則衰減斜率為12dboct，這樣如脈沖信號(hào)頻率(即載波頻率)為80khz，則在輸出端對(duì)載頻的衰減大于40db。如載波頻率取160khz，使用四階巴特沃茲lc濾波器，則輸出端對(duì)載頻的衰減大于70db。e其它實(shí)際應(yīng)用

31、時(shí)，還要考慮d類放大器的射頻干擾問題，由于d類放大器為一強(qiáng)力的振蕩器，應(yīng)對(duì)其采取良好而周密的屏蔽措施，防止對(duì)周圍環(huán)境及其它電路造成干擾。所以電路設(shè)計(jì)以后，電路能否工作、性能怎么樣，有沒有達(dá)到預(yù)定的級(jí)數(shù)指標(biāo)，這一些都需要通過對(duì)放大器各個(gè)部分的性能進(jìn)行檢測(cè)的數(shù)據(jù)來證明，即需要根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖制作出電路來，再經(jīng)過測(cè)試以后得出結(jié)論。對(duì)電路進(jìn)行仿真也是一種全面考察電路性能的好方法，與實(shí)際電路制作相比，仿真有它的優(yōu)點(diǎn)：首先，取代了人工解析分析，減輕設(shè)計(jì)的勞動(dòng)強(qiáng)度和重復(fù)性勞動(dòng)。其次，提高分析速度、分析精度和分析廣度，比真實(shí)電路實(shí)驗(yàn)可擴(kuò)大研究范圍，測(cè)得更多的數(shù)據(jù)，可以測(cè)量一些實(shí)驗(yàn)中無法直接測(cè)量的數(shù)據(jù)，如：元件

32、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(jì)算機(jī)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(shè)備的投入。本電路設(shè)計(jì)后采用電路仿真對(duì)電路進(jìn)行研究。下面就組成放大器的各個(gè)部分進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和仿真。4.2信號(hào)的脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)4.2.1三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)三角波產(chǎn)生電路和波形如圖4-2所示。采用555芯片構(gòu)成三角波發(fā)生器，利用圖4-2三角波發(fā)生電路和波形圖v1、v2和r1構(gòu)成恒流源對(duì)c1實(shí)現(xiàn)線性充電，利用v3、v4和r2構(gòu)成的恒流源實(shí)現(xiàn)對(duì)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。電路原理如下：接通電源瞬間，555芯片的腳輸出

33、高電平，二極管d3截止，d4導(dǎo)通，從而d2也截止，d1導(dǎo)通，電源vcc?通過v1，v2，r1，d1?對(duì)電容c1恒流充電，當(dāng)c1恒流充電，當(dāng)c1上電壓達(dá)到2vcc/3時(shí)，555芯片的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即腳輸出低電平，d3導(dǎo)通，d4截止，從而d1也截止，d2導(dǎo)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(jí)電壓跟隨器，以提高帶負(fù)載能力。輸出三角波頻率的計(jì)算：電阻r1上的電壓等于v1的pn結(jié)壓降vbe=0.7v，故流過r1的電流i=0.7/300ma=0.233a，忽略v1的基極電流，則流過r1的電

34、流即為v2的射極電流，也約等于t2?的集電極電流，故c1?的充電電流約為0.2ma，同理可得放電電流也約為0.2ma。設(shè)充電時(shí)間為t1，放電時(shí)間為t2，則有可得三角波的周期 故三角波的頻率為該電路的特點(diǎn)是：利用恒流源對(duì)電容線性充、放電產(chǎn)生三角波，其波形比波形經(jīng)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(guān)，是一個(gè)隨機(jī)的量。常規(guī)的做法是在積分電容上并聯(lián)一個(gè)開關(guān)，當(dāng)積分電路開始工作時(shí)，先把開關(guān)按下給電容

35、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。4.2.3脈寬調(diào)制電路的設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制電路將直接影響音頻功率放大器的性能指標(biāo)。對(duì)于高頻載波三角波信號(hào),為了減少輸出音頻信號(hào)的非線性失真,要求三角波信號(hào)的兩個(gè)斜邊對(duì)稱且具高的線性度。對(duì)于載波頻率的要求,理論分析表明,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?。坏β史糯笃鞯拈_關(guān)頻率也升高,這將大大增加開關(guān)器件的開關(guān)損耗,造成功率放大器的效率下降。因此,一般載波信號(hào)(三角波)的頻率和調(diào)制信號(hào)(取正弦波)的頻率滿足如下關(guān)系: f v= (1020) f。其中,f v為載波信號(hào)頻率, f為調(diào)制信號(hào)頻率。功率放大器

36、的通頻帶為16khz,在第四節(jié)中我們求出三角波信號(hào)的頻率為150khz，符合要求。pwm調(diào)制電路如圖4-4?所示。電路以音頻信號(hào)為調(diào)制波，頻率為150khz的三角波為載波，兩路信號(hào)均加上2.5v的直流偏置電壓，通過比較器進(jìn)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(hào)。比較電路由高速、精密的比圖4-4pwm脈寬調(diào)制電路較器芯片lm311構(gòu)成，由于比較器芯片lm311的輸出級(jí)是集電極開路，故輸出端須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采用芯片資料上的推薦電阻1k。4.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路如圖4-5所示。經(jīng)前面脈寬調(diào)制得到的pwm信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件，需增加pwm信號(hào)的

37、驅(qū)動(dòng)功能。驅(qū)動(dòng)電路可以增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流，使之能夠有效、快速地驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管。對(duì)于驅(qū)動(dòng)控制電路的要求一是把pwm信號(hào)整形成前后沿更加陡斜的脈沖；二是能倒相形成pwm?和pwm兩路脈沖以滿足h?橋功率開關(guān)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(shí)間；四是應(yīng)具有保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過流或短路時(shí)，應(yīng)封鎖pwm和pwm脈沖信號(hào)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，g4g12全部采用cmos集成器件。當(dāng)過流保護(hù)信號(hào)為高電平“1”時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路正常工作，rt?，ct?決定死區(qū)時(shí)間；當(dāng)過流保護(hù)信號(hào)為低電平“0”時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路無脈沖輸出。為了使的

38、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(jìn)行電壓控制。 圖4-5驅(qū)動(dòng)控制電路 4.4 h橋式功率輸出、低通濾波電路的設(shè)計(jì)4.4.1 h橋功率輸出器件的選取功率輸出電路即放大器的功率輸出級(jí)，這里可供選擇的元件有：雙極型功率晶體管，mos功率場(chǎng)效應(yīng)管，igbt等，組成功率級(jí)的方式有：?jiǎn)喂茏儔浩黢詈想娐冯p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(guān)管mosfet作為功率輸出電路的元器件。功率mosfet是一種多子導(dǎo)電的單極型壓控器件，具有開關(guān)速度快、高頻性能好，輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)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(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)。而電路

39、的核心則是由四個(gè)mosfet功率開關(guān)管構(gòu)成四個(gè)橋臂。橋式電路的輸出功率大，而且易實(shí)現(xiàn)。采用h橋式d類功率放大器還可以實(shí)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(shè)計(jì)低通濾波器的必要性d類功放采用脈寬調(diào)制技術(shù)（pwm），把音頻信號(hào)經(jīng)三角波調(diào)制，轉(zhuǎn)換成周期固定、占空比變化的方波（稱為pwm信號(hào)）。在pwm信號(hào)中即有全部的音頻信息，也包含了mosfet?功率管的開關(guān)信號(hào)，而開關(guān)信號(hào)在輸出端是一種干擾；另外，在放大器與揚(yáng)聲器之間的音頻線構(gòu)成一個(gè)平行的電容性負(fù)載，且pwm信號(hào)是占空比可變的方波，電壓的變化率（dv/dt）很大，這時(shí)電容性負(fù)載與音圈產(chǎn)生電磁干擾（emi）信號(hào)，這些電磁

40、干擾信號(hào)對(duì)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(duì)像手機(jī)之類的產(chǎn)品，還會(huì)影響使用者的健康。因此，設(shè)計(jì)輸出濾波器，消除開關(guān)信號(hào)和電磁干擾信號(hào)是必要的。4.4.3低通濾波器的設(shè)計(jì)方案輸出濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮兩方面，一是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)；二是濾波器的類型。音頻信號(hào)的頻率一般在22?hz22?khz，如果低通濾波器的截止頻率太低，會(huì)導(dǎo)致音頻信號(hào)的丟失、thd+n?和濾波器元件值的增大；截止頻率太高，又會(huì)使干擾信號(hào)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（butterworth）濾波器、切比雪夫（chebyshev）濾波器等，它們各有特色