自動化-D類功率放大器-電子設計實習報告

1、路燈控制器設計報告湖南文理學院實習報告課程名稱: 電子設計制作與工藝實習 課題名稱: D類功率放大器 院 系: 電氣與信息工程學院 專業(yè)班級: 自動化Z11101班 學生姓名: 彭德交 指導老師: 黃建春 完成時間: 2013年6月1日 報告成績:評閱意見：評閱教師日期1湖南文理學院電信學院課程設計（論文）摘 要本系統(tǒng)以高效率音頻功率放大器為核心，輸出開關管采用高速VMOSFET管,連接成互補對稱H橋式結構,最大不失真輸出功率大于1W，平均效率可達到70%左右,兼有輸出1:1雙變單電路, 單片機實現功率測量顯示電路。此外還有輸出短路保護輔助功能, 比較理想地實現了設計指標的要求。音頻放大器已經

2、有快要一個世紀的歷史了,從最早的電子管放大器的第一個應用就是音頻放大器。然而直到現在為止,它還在不斷地更新、發(fā)展、前進。主要因為人類的聽覺是各種感覺中的相當重要的一種,也是最基本的一種。為了滿足它的需要,有關的音頻放大器就要不斷地加以改進。高效率的音頻放大器不只是在便攜式的設備中需要,在大功率的電子設備中也需要。因為,功率越大,效率也就越重要。而隨著人們的居住條件的改善,高保真音響設備和更高擋的家庭影院也逐漸開始興起。在這些設備中,往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率。這時,低失真、高效率的音頻放大器就成為其中的關鍵部件。D類放大器在這些設備中也扮演了極重要的角色。關鍵詞： 高效率；音頻；功率放

3、大；LM311；74LS0；555芯片ABSTRACTThis system with high efficiency audio power amplifier as the core, output switch tube with a high VMOSFET tube, connected into complementary symmetry H bridge type structure, maximum output power greater than 1 not distortion W, average efficiency can reach 70%, with outp

4、ut 1:1 double change single circuit, single chip microcomputer power measurement show circuit. In addition to the output short circuit protection auxiliary function, an ideal way to realize the requirement of design index. Audio amplifier has is a century of history, from the earliest tube amplifier

5、s first application is audio amplifier. However, up to now, it will continue to update, development and progress. Mainly because of the human auditory is all sorts of feeling of quite important, also is the most basic one. In order to meet the need of it, the audio amplifier will be constantly impro

6、ved. High efficiency of the audio amplifier not just in portable equipment need, in high power electronic equipment also need. Because, the greater the power, efficiency and also more important. But along with the improvement of people's living conditions, high fidelity audio equipment and highe

7、r to block of home theater gradually began to rise. In these devices, often need dozens of tile or even hundreds of watts of audio power. At this time, low distortion, high efficiency of the audio amplifier will become one of the key components. D class in these devices amplifier also play an extrem

8、ely important role. Keywords: high efficiency; Audio; Power amplifier; LM311; 74 LS08; 555 chip 26目 錄摘要.IABSTRACTII第1章 緒論11.1課題概述11.1.1 D類功率放大器簡介11.2研究背景31.3論文研究目標和意義3第2章 方案論證與設計42.1 總體設計分析42.2 方案的選擇與設計42.2.1高效率功率放大器42.2.2信號變換電路72.2.3功率測量電路72.3方案確定7第3章 硬件電路設計93.1 原理分析93.1.1脈寬調制器93.1.2前置放大電路113.1.3驅動

9、電路123.1.4 H橋互補對稱輸出及低通濾波電路123.1.5信號變換電路133.1.6功率測量133.1.7保護電路14第4章 電路調試154.1調試的設備154.2調試步驟154.2.1電路調試16第5章 使用說明195.1 使用方法195.1.1 D類功放的安裝195.1.2 D類功放的調節(jié)195.2故障分析195.2.1三角波電路故障分析195.2.2輸出功率和效率不高19結論21參考文獻22致謝23附錄一 原理圖24附錄二 PCB圖25附錄三 元件清單26 第1章 緒論1.1課題概述近幾十年來在音頻領域中，A類，B類，AB類音頻功率放大器（額定輸出功率）一直占據“統(tǒng)治”地位，其發(fā)展

10、經歷了這樣幾個過程：所用器件從電子管，晶體管到集成電路過程；電路組成從單管到推挽過程；電路形式從變壓器到OTL，OCL，BTL形式過程。其最基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點是效率太低。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則介于兩者之間。但是無論A類，B類還是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，效率就會明顯降低，播放動態(tài)的語言和音樂時平均工作效率只有30%左右。音頻功率放大器的效率低就意味著工作時有相當多的電能轉化成熱能，也就是說，這些類型的音頻功率放大器要有足夠大的散熱器。因此A

11、類，B類，AB類音頻功率放大器效率低，體積大，并不是人們理想中的音頻功率放大器。在本文中的D類音頻功率放大器的功率器件受一高頻脈寬調制信號（PEM）的控制，使其工作在開關狀態(tài)，理論上其效率可以達到100%，但其不足之出在于會產生高頻干擾及噪聲，但是若精心設計低通濾波器及合理的選擇元器件參數，其音質噪聲完全能夠滿足人們的需求。本文中具體論述了一種基于晶體管的D類音頻功率放大器的設計組成與實現方法。1.1.1 D類功率放大器簡介傳統(tǒng)的音頻功率放大器工作時，直接對模擬信號進行放大，工作期間必須工作于線性放大區(qū)，功率耗散較大，雖然采用推挽輸出，減小了功率器件的承受功率，但在較大功率情況下，仍然對功率器

12、件構成極大威脅，功率輸出受到限制。此外，模擬功率放大器還存在以下的缺點：電路復雜，成本高。常常需要設計復雜的補償電路和過流，過壓，過熱等保護電路，體積較大，電路復雜、效率低，輸出功率不可能做的很大。進入21世紀以后，各種便攜式的電子設備成為了電子設備的一種重要的發(fā)展趨勢。從作為通信工具的手機，到作為娛樂設備的MP3播放器，已經成為差不多人人具備的便攜式電子設備。陸續(xù)將要普及的還有便攜式電視機，便攜式DVD等等。所有這些便攜式的電子設備的一個共同點，就是都有音頻輸出，也就是都需要有一個音頻放大器；另一個特點就是它們都是電池供電的。都希望夠有較長的使用壽命。就是在這種需求的背景下，D類放大器被開發(fā)

13、出來了。它的最大特點就是它能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。高效率的音頻放大器不只是在便攜式的設備中需要，在大功率的電子設備中也需要。因為，功率越大，效率也就越重要。而隨著人們的居住條件的改善，高保真音響設備和更高檔的家庭影院也逐漸開始興起。在這些設備中，往往需要幾十瓦甚至幾百的音頻功率。這時，低失真、高效率的音頻放大器就成為其中的關鍵部件。國外對數字音頻功率放大器領域進行了二三十年的研究。在20世紀60年代中期，日本研制出8bit的數字音頻功率放大器；1983年，國外提出了D類（數字）PWM功率放大器的基本結構。但是這些功放僅能實現低位D/A功率轉換，若要實現16bit、44.1KH

14、z采樣的功率放大器。隨著數字信號處理(DSP)和音頻數字壓縮技術的結合、新型離散功率器件及其應用的發(fā)展，使開發(fā)實用化的16bit數字音頻功率放大器成為可能。 簡單地說，歷史上出現過三代D類放大器設計：第一代的范例是由托卡塔設計的TacTMillennium，證實了D類放大器的概念，但是該技術還不能提供足夠的性能，這使第一代D類放大器向著實用性的方向發(fā)展。第二代D類放大器把一個用于模擬源信號的PWM信號和一個集成的輸出級以及片外濾波器組合在一起。這些放大器需要源選擇，音量，平衡和音調控制等復雜的前端功能，而這些附加的功能增加了額外的復雜性。但是首先這代放大器變得價格可以承受，其次在低功耗性能上接

15、近甚至超過了AB類放大器，從而獲得了一定的應用。第三代是最近一段時間，現有的D類數字放大器較以前的技術已有所改善，他們在音質、封裝、性能、價格和核心技術方面都已取得重大改進。為了生成精確的音頻，輸入晶體管需要在動態(tài)范圍的兩端都能同樣出色地工作，以幫助精確地實現準確的功率分配。通過采用一個簡單但功能強大的內部控制邏輯系統(tǒng)改善音頻輸出，并額外增加一套輸入晶體管，這些晶體管可以實現對音頻信號輸入的更精細的控制。最后還不能忽視新的架構技術。國內外一些從事數字信號處理的技術人員，專門研究音頻數字編碼技術，在不損傷音頻信號質量的情況下，盡量壓縮數據庫。經過多次實驗，終于將末級功放開關頻率由沒有壓縮數據時的

16、約2.8GHz減至小于1MHz，從而降低了對開關功放管的要求。同時在開關功率放大部分，采用了驅動緩沖器和平衡電橋技術，實現了在不提高工作電壓的情況下能夠輸出較大的功率，并且設計了完善的防止開關管擊穿的保護電路。1.2研究背景學習模電數電以來，設計過模擬功放，只了解了一些理論上的概念及分析方法，加上模電部分的不確定性，所以通過此次D類功率放大電路的設計，復習模電和數電，去應用理論并加深理解，學會分析問題，解決問題，并從中學些解決問題的經驗。我們此次畢業(yè)設計以小組進行的，所以通過各組員的相互配合，相互指出不足，相互學習，培養(yǎng)我的交際能力和團隊合作精神。1.3論文研究目標和意義功率放大器是機電一體化

17、產品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。功率放大器發(fā)展至今，有許多種類和應用，在工業(yè)方面，有在電力電子控制技術種的應用，有數控機床的電機驅動，也有應用于新型磁軸承開關。在通訊方面，有幾百毫瓦的蜂窩電話發(fā)射機、有基站幾十瓦的功率放大器、也有上千瓦的電視信號發(fā)射機。而它的設計包含了電子電路技術、模擬控制理論、測試技術以及實現智能化的單片機控制技術等。因此以電子管音頻功率放大器設計制作作為載體。實現興趣與理論實踐相結合，使整個設計過程不枯燥無味，從而既實現了對功率放大器的理論學習，又進行一次高性能智能型產品設計。同時，通過實際設計與制作，進一步發(fā)揮和鞏固三年來所學的知識，在實踐中鍛煉自己的專業(yè)水平

18、。第2章 方案論證與設計2.1 總體設計分析根據設計任務的要求，本系統(tǒng)的組成方框圖如圖2-1所示。下面對每個框內電路的設計方案分別進行論證與比較。 圖2-1 系統(tǒng)方框圖2.2 方案的選擇與設計2.2.1高效率功率放大器（1）高效率功放類型的選擇方案一：采用A類放大器。 A類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q設定在負載線的中點附近,晶體管在輸入信號的整個周期內均導通。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，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25，且有較大的非線性失真。 由于效率比較低 現在設計基本上不在

19、再使用。方案二：采用B類放大器。 B類放大器的主要特點是：放大器的靜態(tài)點在(VCC，0)處，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內，Q1導通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當Vi為負半波正弦波(如圖虛線部分所示)，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，故其缺點是"交越失真"較大。即當信號在-0.6V至 0.6V之間時， Q1 Q2都無法導通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設計師摒棄。 方案三：、采用AB類放大器。 AB類放大器的主要特點是：晶體管的導通時間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨?/p>

20、越失真。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率相對提高，晶體管功耗也較小。 方案四：采用D類功率放大器。D類功率放大器是用音頻信號的幅度去線性調制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作在高頻開關狀態(tài)，通過LC低通濾波器后輸出音頻信號。由于輸出管工作在開關狀態(tài)，故具有極高的效率。理論上為100，實際電路也可達到8095，所以我們決定采用D類功率放大器。（2）高效D類功率放大器實現電路的選擇本題目的核心就是功率放大器部分，采用何種電路形式以達到題目要求的性能指標，這是關鍵。 脈寬調制器(PWM) 方案一：可選用專用的脈寬調制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題發(fā)揮部分的實現。方案二：采用圖2-2

21、所示方式來實現。三角波產生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分的功能清晰，實現靈活，便于調試。若合理的選擇器件參數，可使其能在較低的電壓下工作，故選用此方案。、圖2-2 脈寬調制器電路 高速開關電路a. 輸出方式方案一：選用推挽單端輸出方式(電路如圖2-3所示)。電路輸出載波峰-峰值不可能超過5V電源電壓，最大輸出功率遠達不到題目的基本要求。 圖2-3 高速開關電路 方案二：選用H橋型輸出方式(電路如圖2-4所示)。此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波的峰-峰值可達10 V，有效地提高了輸出功率，且能達到題目所有指標要求，故選用此輸出電路形式。圖2-4高速開關電路b. 開關管的選擇。為提高

22、功率放大器的效率和輸出功率，開關管的選擇非常重要，對它的要求是高速、低導通電阻、低損耗。方案一：選用晶體三極管、IGBT管。晶體三極管需要較大的驅動電流，并存在儲存時間，開關特性不夠好，使整個功放的靜態(tài)損耗及開關過程中的損耗較大；IGBT管的最大缺點是導通壓降太大。方案二：選用VMMOSFET管。VMOSFET管具有較小的驅動電流、低導通電阻及良好的開關特性，故選用高速VMOSFET管。 濾波器的選擇方案一：采用兩個相同的二階巴特沃茲低通濾波器。缺點是負載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。方案二：采用兩個相同的四階巴特沃茲低通濾波器，在保證20kHz頻帶的前提下使負載上的高頻載波電壓進一步得到衰

23、減。2.2.2信號變換電路由于采用浮動輸出，要求信號變換電路具有雙端變單端的功能，且增益為1。方案一：采用集成數據放大器，精度高，但價格較貴。方案二：由于功放輸出具有很強的帶負載能力，故對變換電路輸入阻抗要求不高，所以可選用較簡單的單運放組成的差動式減法電路來實現。2.2.3功率測量電路方案一：直接用A/D轉換器采樣音頻輸出的電壓瞬時值，用單片機計算有效值和平均功率，原理框圖如圖2-5所示，但算法復雜，軟件工作量大。圖2-5功率測量電路方案二：由于功放輸出信號不是單一頻率，而是20KHz頻帶內的任意波形，故必須采用真有效值變換電路。此方案采用真有效值轉換專用芯片，先得到音頻信號電壓的真有效值。

24、再用A/D轉換器采樣該有效值，直接用單片機計算平均功率(原理框圖如圖2-6所示)，軟件工作量小，精度高，速度快。圖2-6功率測量電路2.3方案確定D類放大器的架構有對稱與非對稱兩大類，在此討論的D類功放針對的是對功率、體積都非常敏感的便攜式應用，因此采用全電橋的對稱型放大器，以充分利用其單一電源、系統(tǒng)小型化的特點。通過以上各方案論證D類放大器由PWM電路、開關功放電路及輸出濾波器組成，原理框圖如圖2-7所示。 它采用了由比較器和三角波發(fā)生器組成的固定頻率的PWM電路，用輸入的音頻信號幅度對三角波進行調制，得到占空比隨音頻輸入信號幅度變化的方波，并以相反的相位驅動上下橋臂的功率管，使功率管一個導

25、通時另一個截止，再經輸出濾波器將方波轉變?yōu)橐纛l信號，推動揚聲器發(fā)聲。采用全橋的D類放大器可以實現平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并可減少干擾。全橋電路負載上的電壓峰峰值接近電源電壓的2倍，可采用單電源供電。實現時，通常采取2路輸出脈沖相位相反的方法。其輸出電壓是疊加變大的，經過低通濾波器后，仍存在較大的負載電流，特別當濾波器設計不好時，流過負載的電流就會更大，從而導致負載損耗大，降低放大器效率。音頻輸入電壓放大器三角波發(fā)生器比較器驅動電路驅動電路開關放大電路濾波電路濾波電路開關放大電路外接測量電路圖2-7系統(tǒng)組成框圖第3章 硬件電路設計3.1 原理分析D類功率放大器的工作過程是：當輸入

26、模擬音頻信號時，模擬音頻信號經過PWM調制器變成與其幅度相對應脈寬的高頻率PWM脈沖信號，經脈沖推動器驅動脈沖功率放大器工作，然后經過功率低通濾波器帶動揚聲器發(fā)聲。當輸入PCM數字信號時，數字信號經PCM-PWM轉換器，轉變成為PWM脈沖信號，經脈沖推動器驅動脈沖功率放大器工作，然后經低通功率濾波器帶動揚聲器工作。3.1.1脈寬調制器三角波產生電路。該電路我們用555芯片構成三角波產生電路，如圖3-1所示。本設計利用555組成多諧振蕩器的電容C41充放電特性加以改進，實現對電容C41的線性充放電獲得三角波。利用QN9、QN10和R22構成恒流源對C41實現線性充電，利用QN7、QN8和R23構

27、成的恒流源實現對C41的放電。 電容C41上的三角波經QN6射極跟隨器輸出。電路中電容C41選用漏電流很低的聚苯乙烯電容。該振蕩器振蕩頻率:2/3Vcc=1/3Vcc+I*T1/C;1/3Vcc=2/3Vcc-I*T2/C; F=1/(T1+T2)=3I/2Vcc*C。我們要得到一個線性很好、頻率約100KHZ、峰峰值為2.18V的三角波，將其輸入到脈寬調制比較器的一個輸入端。圖3-1 三角波產生電路電路工作原理如下：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 QN9，QN10，R22，D1 對電容C41恒流充電，當

28、C41上電壓達到2/3Vcc時，555 芯片的輸出發(fā)生翻轉，即 3腳輸出低電平，D3導通，D4截止，從而D1也截止，D2導通，電容C41通過D2，QN7，QN8，R23恒流放電，直到C41電壓等于1/3Vcc，電容又開始充電，如此循環(huán)，則C41上可以得到線性度良好的三角波，輸出加一級電壓跟隨器，以提高帶負載能力，其仿真波形如圖3-2所示。 圖3-2 三角波波形圖比較器 常規(guī)PWM調制電路如圖3-3所示，電路以音頻信號為調制波，頻率為150kHz的三角波為載波，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， 占空比隨音頻幅度變化的脈沖信號。 比較電路采用高速、精密的比

29、較器芯片LM311。由于比較器芯片LM311的輸出級是集電極開路結構，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阻值1k。其仿真波形如圖3-4所示。圖3-3 比較器電路輸入輸出三角波信號PWM信號PWM信號輸入信號三角波輸入圖3-4脈寬調制波形 3.1.2前置放大電路前置放大電路如圖3-5所示。設計要求整個功率放大電路的增益從120連續(xù)可調，考慮到設計要求功率放大單元的電源為單電源+5V，故取載波（三角波）的峰峰值為2.18V。當功放輸出的最大不失真功率為1W時，其8負載上等效正弦波的電壓峰峰值為Vp-p=8V，此時送給比較器音頻信號的最大峰峰值為Vp-pmax=2V ，則對應的調

30、制放大增益為4（實際上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其電壓增益要略大于4），由于設計要求電壓放大倍數120連續(xù)可調，因此必須對輸入的音頻信號進行前置放大，其增益應大于5。電路中運算放大器通過低噪聲、高速運放OP-37為核心，加上相關元件構成反相比例放大器。選擇反相放大器是為了容易實現輸入電阻Ri10k的要求，取V+=VPP/2=2.5V要求輸入阻抗Ri大于10K,反饋電阻采用R3=51K,反相端電阻R1=10K,則前置放大器的最大增益Av為Av=R3/R1=51/10=5.1調整R3使其Av增益約為8，則整個功放的電壓增益從120可調。圖3-5 前置放大電路 3.1.3驅動電路如圖3-6

31、所示。將PWM 信號整形變換成互補對稱的輸出驅動信號，用 CD40106 施密特觸發(fā)器并聯運用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補對稱式射極跟隨器驅動的輸出管，保證了快速驅動。驅動電路晶體三極管選用8050和8550對管。 圖3-6驅動電路3.1.4 H橋互補對稱輸出及低通濾波電路H橋互補對稱輸出電路對VMOSFET的要求是導通電阻小，開關速度快，開啟電壓小。因輸出功率稍大于1W，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅動的對管，IRF120和IRF9120 VMOS對管的參數能夠滿足上述要求，故采用之。實際電路如圖3-7所示?；パaPWM開關驅動信號交替開啟Q5和

32、Q8或Q6和Q7，分別經兩個4階巴特沃茲濾波器濾波后推動喇叭工作。 圖3-7 H橋互補對稱輸出及低通濾波電路低通濾波器采用四階巴特沃茲LC濾波電路，如圖3-7所示。對濾波器的要求是上限頻率20 kHz，在通頻帶內特性基本平坦。通過實驗，從而得到了一組較佳的參數：L1=22H，L247H，L3=22H，L4=47H。19.95 kHz處下降2.464 dB，可保證20 kHz的上限頻率，且通帶內曲線基本平坦；100 kHz、150 kHz處分別下降48 dB、62 dB，完全達到要求。3.1.5信號變換電路 由于負載兩端的電壓是浮動的，須將此雙極性信號變?yōu)閱螛O性信號，然后才能通過 A/D 和單片

33、機作采樣處理。由于對這部分電路的電源電壓不加限制，可不必采用價格較貴的滿幅運放,故信號變換電路采用低噪聲、高速運算放大器芯片NE5532。題目要求電路增益為1，選取R1R2R3R420 k ，電路如圖3-8所示。 圖3-8信號變換電路3.1.6功率測量信號分壓后先經過真有效值轉換芯片 AD637，AD637 輸出信號的有效值模擬電平，然后通過A/D采集送到單片機，直接計算功率放大器的輸出功率、效率，然后把計算結果送顯示單元顯示即可。 真有效值變換電路如圖3-9所示， 采用美國模擬器件公司(Analog Devices)髙精度真有效值變換芯片AD637，所需外圍元件少，頻帶寬，測量誤差±

34、;(0.2讀數0.5mV)，能計算任何復雜波形的真有效值、平均值、均方根值、絕對值，當輸入信號大于1V時測量信號的頻率上限高達8MHz。圖3-9真有效值變換電路3.1.7保護電路 保護電路的原理如圖 3-10所示, 0.1過流取樣電阻與 8負載串聯連接，對 0.1電阻上的取樣電壓進行放大(并完成雙變單變換)。電路由U1B組成的減法放大器完成，選用的運放是NE5532。R6與R7調整為 11 k，則該放大器的電壓放大倍數為Av=R0/R751。經放大后的音頻信號再通過由D1、C2、R10組成的峰值檢波電路，檢出幅度電平，送給由LM393 組成的電壓比較器“+”端 ,比較器的“-”端設置為 5.1

35、V，由R12和穩(wěn)壓管D6 組成，比較器接成遲滯比較方式，一旦過載，即可鎖定狀態(tài)。 正常工作時，通過0.1上的最大電流幅度Im=5/(8+0.1)=0.62A，0.1上的最大壓降為62mV。經放大后輸出的電壓幅值為Vim×Av=62×513.2V，檢波后的直流電壓稍小于此值，此時比較器輸出低電平，Q1截止，繼電器不吸合，處于常閉狀態(tài)，5V電源通過常閉觸點送給功放。一旦 8負載端短路或輸出過流，0.1上電流、電壓增大，經過電壓放大、峰值檢波后，大于比較器反相端電壓(5.1V)，則比較器翻轉為高電平并自鎖，Q1導通，繼電器吸合，切斷功放 5V電源，使功放得到保護。要解除保護狀態(tài)，

36、需關斷保護電路電源。 為了防止開機瞬間比較器自鎖，增加了開機延時電路，由R11、C3、D2、D3組成。D2的作用是保證關機后C3上的電壓能快速放掉，以保證再開機時C3的起始電壓為零。圖3-10短路保護電路第4章 電路調試正確的調試系統(tǒng)才能使各模塊電路正常工作，實現高穩(wěn)定性的顯示。4.1調試的設備為了方便調試，找出電路相關電路故障及測量相關數據，我們使用了很多專業(yè)調試設備，如表4-1所示。表4-1 調試設備DC電源XG17232L一臺示波器DS5022M一臺電烙鐵30W一套信號發(fā)生器SFG-1003一臺萬用表UT39B一塊4.2調試步驟(1) 通頻帶的測量：在放大器電壓放大倍數為 10，輸出電壓

37、幅值最大值為1V，實測 3dB 通帶的上、下邊界頻率值。通頻帶測試時應去掉測試用的 RC 濾波器。 (2) 最大不失真輸出功率：放大倍數為 10，輸入 1000Hz 正弦信號，用毫伏表測量放大器輸出電壓有效值，計算最大輸出功率 Po-max。 (3) 輸入阻抗：在輸入回路中串入 10K 電阻，放大器輸入端電壓下降應小于50。 (4) 噪聲電壓：在測試用 RC 濾波器輸出端，用毫伏表替代測試噪聲電壓，記錄實測值。(5) 效率測量：輸入 1000Hz 正弦波，放大倍數為 10 時，使輸出功率達到500mW，測量功率放大器的電源電流I （不包括測試用變換電路和顯示部分的電流）。要求電源電壓V 的范圍

38、為5×(1+1%)V。效率為：500mW% V×I。4.2.1 電路調試一：模擬電路調試方法1.不通電檢查 檢查連線電路安裝完畢后，不急于通電，先認真檢查接線是否正確，包括錯線（連線一端正確，另一端錯誤）、少線（安裝時漏掉的線）和多線（連線的兩端在電路圖上都是不存在的）。多線一般是因接線時看錯引腳，或者改接線時忘記去掉原來的舊線造成的，在實驗中時常發(fā)生，而查線時又不易發(fā)現，調試時往往會給人造成錯覺，以為問題是由元器件造成的。 2.通電觀察 把經過準確測量的電源電壓加入電路，電源接通之后不要急于測量數據和觀察結果，首先要觀察有無異?，F象，包括有無冒煙，是否聞到異常氣味，手摸元

39、件是否發(fā)燙，電源是否有短路現象。如果出現異常，應立即關斷電源，待排除故障后方可重新通電。然后再測量各元件引腳的電壓，而不是只測量各路總電源電壓，以保證元器件正常工作。 3分塊調試 把電路按功能分成不同的部分，把每個部分看作一個模塊進行調試。比較理想的調試程序是按信號的流向進行，這樣可以把前面調試過的輸出信號，作為后一級的輸人信號，為最后的聯調創(chuàng)造條件。（1）前置放大電路 由于輸入信號為毫伏級，在前置放大電路的放大倍數較低時，如果電路設計的不合理，則前置放大電路的輸出波形中“毛刺”較多，這必將影響到后級電路，可以通過電源去耦濾波減少毛刺。（2）比較部分 比較部分原理較簡單， 關鍵之處在于比較的正

40、弦波和三角波的直流電平應嚴格相等，故在兩路信號的比較點，應該使兩路波形中的一路直流電平可微調，以保證兩者嚴格相等，等于1/2Vcc。如此，可以最大限度的提高輸出功率，否則，若兩者的直流電平不相等，在輸入信號較大的時候，失真度大，不利于功率的提高。（3）驅動部分 主要是 TTL 系列和 CMOS 系列的比較與選擇，經驗表明在該電路中選用COMS系列的比較合適。第一，COMS管的功耗低，有利于效率的提高。第二，COMS 系列雖然驅動能力不如 TTL，但由于驅動部分的電壓跟隨不可少，實驗中發(fā)現，CMOS輸出高電平幾乎等于Vcc，而TTL卻只有4.6V左右，經過射隨器后只有3.96V，不利于功率開關器

41、件的開通和關斷。第三，TTL對電源要求較嚴格， 而COMS電源卻可以低至3V， 有利于發(fā)揮部分盡量降低電源電壓的要求。（4）開關部分 要求是 VMOS 管的功耗盡可能低，兩邊管子必須對稱匹配，以減小靜態(tài)損耗。（5）濾波部分 最好選用參數特性基本一致的電感電容，其中，電感可適當取小些，電容相應匹配電感，以降低濾波電路產生的壓降，但 H 橋兩邊參數必須嚴格對稱，否則，對輸出功率的提高極為不利。實驗中發(fā)現：因為缺一個22uH的電感，就用了兩個47uH的并聯，理論上覺得相差無幾，但實際結果是根本無法實現輸出功率的要求，后來換上22uH的電感，功率就有了較大的提高。4.整機聯調在分塊調試的過程中，由于是

42、逐步擴大調試范圍，故實際上已經完成了某些局部聯調工作。下面只要做好各功能塊之間接口電路的調試工作，再把全部電路接通，就可以實現整機聯調。整機聯調只需要觀察動態(tài)結果，即把各種測量儀器及系統(tǒng)本身顯示部分提供的信息與設計指標逐一對比，找出問題，然后進一步修改電路參數，直到完全符合設計要求為止。 5.主要調試數據 表4-1誤差放大（靜態(tài)）測試點電源端接地端同相端反向端輸出端測試值4.98V0V2.48V2.48V2.48V理論值5V0V2.5V2.5V2.5V表4-2誤差放大（動態(tài)）名稱輸入頻率輸入幅度輸出幅度放大倍數測試值100HZ0.680V3.28V4.8測試值1KHZ0.680V3.24V4.

43、76測試值5KHZ0.680V3.08V4.53表4-4脈寬調制（動態(tài)）測試點輸出波形輸出頻率輸出幅度測試值不規(guī)則的矩形方波110KHZ5.5V表4-5最大不失真功率測試數據頻率50HZ100HZ500HZ1KHZ5KHZ輸出Vop-p9.28V8.96V8.40V8.32V8VUo3.3V2.91V2.76V2.7V2.5VPmax1.089W0.85W0.76W0.729W0.625W表4-6效率測試測試點UiIiPiUoIoPo測試值5V0.4A2W3.5V0.35A1.225W61%第5章 使用說明5.1 使用方法5.1.1 D類功放的安裝 1. 在通入電源之前，先檢查電路是否正常，確

44、認無誤后接通電源，注意電源的大小和方向，接入5V左右的直流電源，避免由于電源極性接錯導致芯片燒壞。 2接通電源后，輸入音頻信號，注意音頻信號的頻率應在200Hz5000Hz，當頻率過高后會產生失真。根據插口的大小選擇音源，因此一般的手機、MP3、MP4都能夠作為音源輸入。5.1.2 D類功放的調節(jié) 1.如果音響不出聲，則回到開始檢查。線路是否接對或元器件是否燒壞，燒壞的話，及時的更換相同的元器件。 2.如果音響正常工作，但音量不大或有較多的雜音，則可以調節(jié)前置放大的可調電位器，至你想要的效果，還可以通過調整濾波電容和電感來減小雜音輸出。5.2故障分析5.2.1三角波電路故障分析用過示波器檢測三

45、角波輸出波形紊亂，仔細檢查確定電路沒有問題也沒有焊錯。經過細致的分析認為是電路元器件不適合，于是把4007的二極管換成4148的二極管。再用示波器檢測波形，輸出的三角波波形良好，能滿足電路要求。5.2.2輸出功率和效率不高功放的效率和最大不失真輸出功率與理論值還有一定的區(qū)別，主要原因有以下幾個方面：a功放部分電路存在的靜態(tài)損耗，包括 PWM 調制器、音頻前置放大電路、輸出驅動H橋輸出電路。這些電路在靜態(tài)時均具有一定的功率損耗，實測結果其 5V電源的靜態(tài)總電流約為幾十mA， 即靜態(tài)功耗P損耗為mW。那么這部分的損耗對總的效率影響很大，特別對小功率輸出時影響更大，這是影響效率提高的一個很重要的方面

46、。b功放輸出電路的損耗，這部分的損耗對效率和最大不失真輸出功率均有影響。此外，H橋的互補激勵脈沖達不到理想同步，也會產生功率損耗。c濾波器的功率損耗，這部分的損耗主要是由4個電感的直流電阻引起的。結 論高保真響已為人們所熟悉，正是由于高保真音響的基本組成系統(tǒng) 音源器材、功率放大器、音箱的對音樂的重放， 給許多的音響愛好者和家庭帶來了歡樂與享受，使人們了解了音樂的內涵；陶冶了自己的情操；抒發(fā)了心靈的情感，正如著名的音樂家冼星海所說的那樣“音樂，是人生最大的快樂；音樂，是生活中的一股清泉；音樂，是陶冶性情的熔爐”。其中功率放大器是最為重要的一部分，其電路越是簡潔，電信號在傳輸過程中的損失就越小，電

47、路對電信號的影響也就越小，失真也就越小，重放的音質也就越好。在此次的畢業(yè)設計中，加深了我對專業(yè)知識的理解，更加的拓寬了知識面，作品完成的一致性和完整性，是一次非常好的學習機會。本設計詳細討論D類功放的工作原理，優(yōu)越性以及其局限性，對于本系統(tǒng)設計，有些指標還有待于進一步提高。例如：在功放效率，最大不失真功率等方面還有較大的潛力可挖，這些都有待于我們通過對電路的改進和對元器件的最佳選擇進一步完善。在這次畢業(yè)設計中，我們走了許多彎路，但這同時使我們從中積累了許多經驗教訓，正是這些經驗教訓使我們對D類放大器的工作原理有了更深刻的認識，對集成電路的設計有了更深刻的理解，進一步鞏固了自己所學的專業(yè)知識，無

48、論理論還是實踐方面都有了較大的提高，與此同時這也是對我們三年來所學的東西的一次肯定。但由于時間短、動手能力不是很強以及設備和資料缺乏，所以本次的設計自己各方面還存在著很多不足的地方，要學習的東西還很多。通過這次畢業(yè)設計，我同時也懂得了學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高知識和綜合素質?？傊?，不管學會的還是學不會的，都覺得收獲是最重要的。最后終于做完了，自己有種如釋重負的感覺。為此我得出了一個結論：知識必須通過應用才能實現其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。在整個設計中我懂得了許多東西，也培

49、養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了著手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。參考文獻1曾廣興.現代音響技術應用,廣東科技出版社,1997年3月.2張 平.關于D類音頻功率放大器的應用，安陽大學學報，2002年02期.3吳振平.實用聲電技術，中國鐵道出版社,1984年11月.4龔 偉.D類音頻放大器控制方式綜述,重慶大學報,2003年02期.5黎 明.電子質量,2002年02期.6華成英.模擬電子技術基礎,北京高等教育出版社,2001. 7姚福安.D類音頻功率放大器設計,山東大學學報,2003年06期. 8牟小令.高效率音頻功率放大器,西南師范大學學報,2003年01期. 9馬建國.電子系