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文檔簡介
1、555制作的D類放大器姓名:蔣延超 班級:08級電氣二班 學(xué)號(hào):200851445 教師姓名:李懷亮摘要過去兩三年間,設(shè)計(jì)人員通過添加新特性已增強(qiáng)了眾多終端設(shè)備,其中之一就是加強(qiáng)了音頻功能。該潮流影響了許多消費(fèi)類產(chǎn)品,如平板顯示器、PDA 以及移動(dòng)電話等。隨著對性能的要求不斷提高,人們也要求音頻放大器具有更多特性,包括以更高功率水平將更佳音頻質(zhì)量推進(jìn)到更低阻抗負(fù)載中的基本需求。一般來說,AB 類放大器已能夠較好地應(yīng)付這些終端設(shè)備的早期性能與成本要求,但線性放大器的特點(diǎn)已不再適應(yīng)消費(fèi)者的需求。因此,D 類放大器(又稱線性放大器)在可提供更高音頻功能的消費(fèi)類產(chǎn)品的使用方面正向 AB類放大器提出挑戰(zhàn)
2、。今天,諸如 LCD 電視、等離子電視及臺(tái)式替代型 PC 等許多終端設(shè)備均要求以相似的成本提供更高的輸出功率,同時(shí)還要保持甚至降低尺寸。這種潮流加大了對更多 D 類設(shè)備的需求,也開放了許多原先由傳統(tǒng)線性放大器提供服務(wù)的市場空間。第一部分 555 電路555時(shí)基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。它設(shè)計(jì)新穎,構(gòu)思奇巧,用途廣泛,備受電子專業(yè)設(shè)計(jì)人員和電子愛好者的青睞,人們將其戲稱為偉大的小IC。1972年,美國西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出Tmer NE555雙極型時(shí)基電路,設(shè)計(jì)原意是用來取代體積大,定時(shí)精度差的熱延遲繼電器等機(jī)械式延遲器。
3、但該器件投放市場后,人們發(fā)現(xiàn)這種電路的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原設(shè)計(jì)的使用范圍,用途之廣幾乎遍及電子應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域,需求量極大。美國各大公司相繼仿制這種電路 1974年西格尼蒂克斯公司又在同一基片上將兩個(gè)雙極型555單元集成在一起,取名為NF556。1978年美國英特錫爾公司(Intelsil)研制成功CMOS型時(shí)基電路ICM555 1CM556,后來又推出將四個(gè)時(shí)基電路集成在一個(gè)芯片上的四時(shí)基電路558 由于采用CMOS型工藝和高度集成,使時(shí)基電路的應(yīng)用從民用擴(kuò)展到火箭、導(dǎo)彈,衛(wèi)星,航天等高科技領(lǐng)域。在這期間,日本、西歐等各大公司和廠家也競相仿制、生產(chǎn)。盡管世界各大半導(dǎo)體或器件公司、廠家都在生產(chǎn)各自型號(hào)
4、的555556時(shí)基電路,但其內(nèi)部電路大同小異,且都具有相同的引出功能端。NE555的特點(diǎn)有: 1.只需簡單的電阻器、電容器,即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣,可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 2.它的操作電源范圍極大,可與TTL,CMOS等邏輯閘配合,也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位,均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 3.其輸出端的供給電流大,可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 4.它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳,且價(jià)格便宜。 “555”時(shí)基集成電路,它是一種模擬、數(shù)字混合集成電路,其引腳功能如圖2所示?!?55”時(shí)基集成電路具有定時(shí)精確、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、電源電壓范圍寬、外圍電路簡單及用途廣泛等特
5、點(diǎn)Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ,通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC,下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開始555的輸出輸出腳位,移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。 Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸
6、發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力,當(dāng)輸出為ON時(shí)為LOW,對地為低阻抗,當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH,對地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。用555制作的D類放大器 我們知道D類放大器具有體積小、效率高的特點(diǎn)。這里介紹一個(gè)用555電
7、路制作的簡易D類放大器。它是利用555電路構(gòu)成一個(gè)可控的多諧振蕩器,音頻信號(hào)輸入到控制端得到調(diào)寬脈沖信號(hào)(如圖),基本能滿足一般的聽音要求。由IC 555和R1、R2、C1等組成100KHz可控多諧振蕩器,占空比為50%,控制端5腳輸入音頻信號(hào),3腳便得到脈寬與輸入信號(hào)幅值成正比的脈沖信號(hào),經(jīng)L、C3接調(diào)、濾波后推動(dòng)揚(yáng)聲器。555 集成電路開始出現(xiàn)時(shí)是作定時(shí)器應(yīng)用的,所以叫做 555 定時(shí)器或 555 時(shí)基電路。但是后來經(jīng)過開發(fā),它除了作定時(shí)延時(shí)控制外,還可以用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制以及計(jì)量檢測等作用;還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路,作為交流信號(hào)源以及完成電源變換、頻
8、率變換、脈沖調(diào)制等用途。由于它工作可靠、使用方便、價(jià)格低廉,因此目前被廣泛用于各種小家電中。 555 集成電路內(nèi)部有幾十個(gè)元器件,有分壓器、比較器、觸發(fā)器、輸出管和放電管等,電路比較復(fù)雜,是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。它的性能和參數(shù)要在非線性模擬集成電路手冊中才能查到。 555 集成電路是 8 腳封裝,圖 1 ( a )是雙列直插型封裝,按輸入輸出的排列可畫成圖 1 ( b )。其中 6 腳稱閥值端( TH ),是上比較器的輸入。 2 腳稱觸發(fā)端(),是下比較器的輸入。3 腳是輸出端( V O ),它有 0 和 1 兩種狀態(tài),它的狀態(tài)是由輸入端所加的電平?jīng)Q定的。 7 腳的放電端( D
9、IS ),它是內(nèi)部放電管的輸出,它也有懸空和接地兩種狀態(tài),也是由輸入端的狀態(tài)決定的。 4 腳是復(fù)位端( ),加上低電砰( 0.3 伏)時(shí)可使輸出成低電平。 5 腳稱控制電壓端( V C ),可以用它改變上下觸發(fā)電平值。 8 腳是電源, 1 腳為地端。 對于初學(xué)者來說,可以把 555 電路等效成一個(gè)帶放電開關(guān)的 R S 觸發(fā)器,如圖 2 ( a )。這個(gè)特殊的觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端;閾值端( TH )可看成是置零端 R ,要求高電平;觸發(fā)端( )可看成是置位端 ,低電平有效。它只有 1 個(gè)輸出端 V O , V O 可等效成觸發(fā)器
10、的 Q 端。放電端( DIS )可看成由內(nèi)部的放電開關(guān)控制的一個(gè)接點(diǎn),放電開關(guān)由觸發(fā)器的 Q 端控制: =1 時(shí) DIS 端接地; =0 時(shí) DIS 端懸空。此外這個(gè)觸發(fā)器還有復(fù)位端 ,控制電壓端 V C ,電源端 V DD 和地端 GND 。第二部分 D類放大器的特征高效率以前的模擬放大器的效率停留在50左右,剩下的50主要作為熱量被消耗。D類放大器的效率相當(dāng)高,達(dá)到8090。不僅不浪費(fèi)電源,有效地利用電源,還能得到較大的功率輸出。以下是D類放大器和以前的模擬放大器的效率比較圖表??梢钥闯鯠類放大器明顯地高效率。低發(fā)熱效率高,低發(fā)熱。以前的高發(fā)熱模擬放大器,封裝大,需要大的散熱板,因此需要較
11、大的空間。而D類放大器發(fā)熱少,能作小型封裝。同時(shí),不用散熱板,從而能節(jié)約空間。以下是D類放大器和以前的模擬放大器的能量損失(發(fā)熱)比較圖表??梢钥闯鯠類放大器明顯地能量損失(發(fā)熱)小。低消耗電力D類放大器,效率高發(fā)熱少,能減少不必要的功率消耗。在使用電池和干電池供電的應(yīng)用中,可保持長時(shí)間持續(xù)供電。以下是D類放大器和以前的模擬放大器的消耗電流比較圖表??梢钥闯鯠類放大器明顯地消耗電流少。D類放大器的放大D類放大器通過PWM將輸入信號(hào)變換為數(shù)字脈沖,進(jìn)行放大。輸出數(shù)字脈沖信號(hào),用LPF提取音頻信號(hào)。音頻放大器的用途是在發(fā)聲輸出元件上復(fù)現(xiàn)輸入音頻信號(hào),提供所需要的音量和功率水平保證復(fù)現(xiàn)的忠實(shí)性、高效
12、率以及低失真度。在這一任務(wù)面前,D類放大器表現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢。 音頻是指約20Hz到20kHz的頻率范圍,因此一個(gè)音頻放大器在這個(gè)頻段上必須具備出色的頻率響應(yīng)特性(在驅(qū)動(dòng)頻帶有限的低音和高音揚(yáng)聲器時(shí),頻響特性較好的頻率范圍可更窄些)。功率能力方面的需求則變化很大,具體指標(biāo)取決于應(yīng)用要求,從頭戴式耳機(jī)的mW級到TV或PC影響上的數(shù)W,再到“微型”家庭立體聲音響、汽車音響,而最高者是功率更強(qiáng)的家用和用于劇場和禮堂的商用音響系統(tǒng),其功率達(dá)到數(shù)百W甚至更高。 音頻放大器最直截了當(dāng)?shù)?、模擬式的實(shí)現(xiàn)方式是讓晶體管工作在線性模式下,讓輸出電壓以一定比例隨輸入信號(hào)電壓變化。前向的電壓增益往往很高(至少40dB
13、)。如果前向增益是反饋回路的一部分,則總的回路增益也將很高。電路中常常要采用反饋,因?yàn)楹芨叩沫h(huán)路增益可以提供更高的性能抑制前向通路的非線性所造成的失真,并通過提高電源抑制能力(PSR)來減小電源噪聲。 在常規(guī)的晶體管放大器中,輸出級上的晶體管需要提供時(shí)刻連續(xù)的輸出電流。音響系統(tǒng)可以采用的多種實(shí)現(xiàn)形式包括A類、AB類和B類。與D類放大器相比,這些電路中,即使是效率最高的線性輸出級,其功率的耗散很大。這一差異反襯出,D類放大器在許多應(yīng)用方面具有顯著的優(yōu)勢,因?yàn)檩^小的功率耗散意味著更低的發(fā)熱量、電路板空間及成本的節(jié)省和便攜式系統(tǒng)的電池工作時(shí)間的延長。 所有線性輸出級都會(huì)出現(xiàn)功率的耗散,因?yàn)閂out的
14、產(chǎn)生不可避免地造成至少一個(gè)輸出晶體管上出現(xiàn)非零的IDS和VDS。功率耗散的量的大小在很大程度上取決于輸出晶體管的偏置方法。 A類架構(gòu)將架構(gòu)中的一個(gè)晶體管用作一個(gè)能提供揚(yáng)聲器所需的最大音頻電流的DC電流源。A類輸出級可以提供良好的音響品質(zhì),但由于輸出級晶體管上往往流過很大的DC偏置電流(這是我們所不希望出現(xiàn)的),而這一電流無法提供給揚(yáng)聲器(這反而是我們所希望的),因此會(huì)產(chǎn)生過大的功率耗散。 B類揚(yáng)聲器取消了DC偏置電流,所耗散的功率大大下降。其輸出晶體管按照推拉方式進(jìn)行分別控制,這樣,其中的一個(gè)器件向揚(yáng)聲器提供正向電流而另一個(gè)則吸納負(fù)向電流。這減少了輸出級的功率耗散,晶體管中只流過信號(hào)電流。然而
15、,B類電路的音響質(zhì)量較差,因?yàn)楫?dāng)輸出電流過0點(diǎn)、晶體管在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)間切換時(shí),其工作在非線性狀態(tài)(交越失真)。 AB類輸出電路是A類和B類電路之間的一種折中,它具有一定的DC偏置電流,但該電流遠(yuǎn)小于純A類設(shè)計(jì)所用的電流。小的DC偏置電流足以防止交越失真,從而保證良好的音響質(zhì)量。功率耗散雖然在A類和B類之間,但一般更接近B類。AB類電路必須采取某種類似于B類電路的控制機(jī)制,以便能夠提供或者吸納很大的輸出電流, 一種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)D類放大器的出現(xiàn),是值得慶幸的事,它所消耗的功率遠(yuǎn)低于其他任何一種電路。其輸出級在正、負(fù)電源之間來回切換,以便產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖鏈。這一波形對于降低功率耗散來說是有利的,
16、因?yàn)檩敵鼍w管在不發(fā)生開關(guān)動(dòng)作時(shí)電流為零,而在導(dǎo)通電流時(shí)其兩端電壓很低,因此IDS×VDS值更小。 因?yàn)榇蠖鄶?shù)音頻信號(hào)并非脈沖鏈,因此,必須通過一個(gè)調(diào)制器來將音頻輸入變換為脈沖。這些脈沖的頻率分量既包括所需要的音頻信號(hào),也包括調(diào)制過程引入的顯著的高頻能量。 輸出級和揚(yáng)聲器之間常常要放入一個(gè)低通濾波器,以便最大限度地降低電磁干擾(EMI),并避免驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的高頻能量過高。濾波器應(yīng)該是無損耗的(或者接近無損耗的)以便保證開關(guān)輸出級的低功率耗散的優(yōu)勢。該濾波器通常由電容和電感構(gòu)成,唯一的一個(gè)有意引入的功率耗散元件就是揚(yáng)聲器本身??︵暫团楸?要保證D類放大器的總體上的優(yōu)良的音響品質(zhì),就必
17、須解決若干問題。 放大器導(dǎo)通和關(guān)斷會(huì)伴隨有令人厭煩的喀嗒聲和砰爆聲。不幸的是,D類放大器中很容易引入這些噪聲,除非能夠在放大器的靜音和非靜音的狀態(tài)切換過程中對調(diào)制器的狀態(tài)、輸出級的定時(shí)關(guān)系和LC濾波器狀態(tài)進(jìn)行精心的調(diào)控。 為了避免放大器背景噪聲能造成人耳可以聽到的咝咝聲,在便攜式應(yīng)用中的低功率放大器的信噪比(SNR)往往要大于90dB,而用于中等功率和大功率的設(shè)計(jì)的放大器的SNR應(yīng)分別為100dB和110dB以上。多種類型的放大器實(shí)現(xiàn)方案都可以做到這一點(diǎn),但在放大器設(shè)計(jì)中應(yīng)該追蹤各個(gè)噪聲源,以確??偟腟NR達(dá)到令人滿意的程度。 產(chǎn)生失真的機(jī)制包括調(diào)制技術(shù)或者調(diào)制器實(shí)現(xiàn)方案中的非線性以及為了防止
18、直通(shoot-through)電流問題而在輸出級引入的“死區(qū)”(dead time)。 關(guān)于音頻信號(hào)強(qiáng)度的信息通常是通過D類調(diào)制器輸出脈沖的寬度來編碼的。為了防止輸出級的直通電流而引入死區(qū),就會(huì)帶來非線性的定時(shí)誤差,這又會(huì)在揚(yáng)聲器上產(chǎn)生與相對于理想脈沖寬度的定時(shí)誤差成正比的失真量。為了最大限度減小失真,避免直通而引入的死區(qū)時(shí)間應(yīng)該盡可能縮短。 其它的失真源包括輸出脈沖的上升和下降時(shí)間的不匹配、輸出晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路的定時(shí)特性的不匹配以及LC低通濾波器的元件的非線性。 在電源波動(dòng)抑制能力方面,電源噪聲幾乎可以在受到很小的抑制的情況下,直接耦合到揚(yáng)聲器上。之所以如此,是因?yàn)檩敵黾壍木w管將電源通過一個(gè)很小的電阻直接連接到低通濾波器上。濾波器可以抑制高頻噪聲,但可以通過所有音頻分量,包括噪聲。高級D類放大器的選擇范圍正
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