高效率音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)高效率音頻功率放大器的設(shè)計(jì)摘要: 由于D類音頻功率放大器與傳統(tǒng)的模擬功放相比，具有體積小，效率高，低失真，大功率的特點(diǎn)所以具有廣闊的發(fā)展前景。D類音頻功率放大器通常包括PWM脈寬調(diào)制器、高速開(kāi)關(guān)功率放大器、低通濾波器這三個(gè)部分，加上信號(hào)轉(zhuǎn)換、測(cè)量顯示以及短路保護(hù)部分就構(gòu)成了一個(gè)完整的音頻功率放大系統(tǒng)。本文先簡(jiǎn)單介紹音頻功率放大器的發(fā)展進(jìn)程及該領(lǐng)域內(nèi)的新興技術(shù),接著介紹音響和放大器的基本知識(shí)，由此提出設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求，主要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各組成部分電路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證與比較，并

2、擇優(yōu)選用D類音頻功率放大器以及其它部分電路完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，最后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果顯示達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：D類音頻功率放大器 PWM脈寬調(diào)制器 高速開(kāi)關(guān)功率放大器 低通濾波器Abstract: Compared with the traditional analog amplifier, the class-D amplifier possesses large developmental foreground. The reason is the later has several characters, such as small volume, high efficien

3、cy, low distortion and high power. the class-D amplifier usually includes the PWM pulse width modulator, the high-speed switch power amplifier and the low-pass filter. Besides of it, an integrity of the audio frequency power enlarge system still includes signal conversion part, measure manifestation

4、 part and short-circuit proof part. This text first introduces the amplifiers development progress and those newly arisen techniques in the realm of the amplifier in brief, introduces the basic knowledge of the sound box and amplifier second. After these, it puts forward the mission and request of t

5、his design, and Mainly carry on argument to each circuits design project of which constitute the system. Then compare them , choosing the class-D amplifier and other optimization parts, and complete the design work of the system. finally, start an experiment and test to that system, the result come

6、to the designs request. Keywords：the Class-D amplifier the PWM pulse width modulator the high-speed switch power amplifier the low-pass filter引言低失真、大功率、高效率是對(duì)功率放大器提出的普遍要求。模擬功率放大器通過(guò)采用優(yōu)質(zhì)元件，復(fù)雜的補(bǔ)償電路，深負(fù)反饋，使失真變得很小，但大功率和高效率一直沒(méi)有很好的解決。工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的D類功率放大器卻很容易實(shí)現(xiàn)大功率、高效率、低失真。 傳統(tǒng)的音頻功放工作時(shí)，直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，工作期間必須工作于線性放大區(qū)，功率

7、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(duì)功率器件構(gòu)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(diǎn)：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(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等保護(hù)電路，體積較大，電路復(fù)雜；效率低，輸出功率不可能做的很大。 D類開(kāi)關(guān)音頻功率放大器的工作基于PWM模式：將音頻信號(hào)與采樣頻率比較，經(jīng)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(guò)驅(qū)動(dòng)電路，加到功率放大器的柵極，控制功率器件的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)放大，將放大的PWM送入濾波器，則還原為音頻信號(hào)。 D類功率放大器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，理論效率可達(dá)100%，實(shí)際運(yùn)用也可達(dá)

8、80%95。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)輸出功率很高，而且不會(huì)引入非線性失真。 近年來(lái)，國(guó)外的公司對(duì)D類功率放大器進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，提出了一些方案，但是尚存在較大的難度，由于采用PWM方式，為了提高音質(zhì)，降低失真，必須提高調(diào)制頻率，但是在較高頻率下，會(huì)產(chǎn)生一定的問(wèn)題，同時(shí)，D類功率放大器對(duì)器件的要求較高，不利于降低成本。但由于其效率極高，目前得到了廣泛的應(yīng)用。1 音頻功率放大器的發(fā)展進(jìn)程及新興技術(shù)1.1 音頻功率放大器的發(fā)展進(jìn)程音頻功率放大器是一個(gè)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域，幾十年來(lái)，人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?，無(wú)論從線路技術(shù)還是元器件方面，乃至于思想認(rèn)識(shí)上都取得

9、了長(zhǎng)足的進(jìn)步。下面就簡(jiǎn)要說(shuō)明一下音頻功率放大器的發(fā)展進(jìn)程。1.1.1 早期的晶體管功放半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使晶體管放大器向前邁進(jìn)了一大步。自從有了晶體管，人們就開(kāi)始用它制造功率放大器。早期的放大器幾乎全用鍺管來(lái)制作，但由于鍺管工藝上的一些原因，使得放大器中所用的晶體管，尤其是功放管性能指標(biāo)不易做得很高，例如，共發(fā)射極截止頻率fh的典型值為4kHz，大電流管的耐壓值一般在30V40V左右。這樣，放大器的頻率響應(yīng)也就很狹窄，其3dB截止頻率通常在10kHz左右，大大影響了音樂(lè)中高頻信號(hào)的重現(xiàn)。再加上功放管的耐壓、電流和功耗三個(gè)指標(biāo)相互制約，制作較大功率的OTL或OCL放大器不易尋到三個(gè)指標(biāo)都滿足要求的

10、管子，所以不得不采用變壓器耦合輸出。變壓器的相移又使電路中加深度負(fù)反饋?zhàn)兊煤芾щy，諧波失真得不到充分的抑制，因此這一時(shí)期的晶體管放大器音質(zhì)是很差的。下面講一下晶體管功放的發(fā)展和互調(diào)失真。隨著半導(dǎo)體工藝的逐漸成熟，大電流、高耐壓的晶體管品種日益增加，越來(lái)越多的功率放大器采用了無(wú)輸出變壓器的OCL電路或OTL電路。最初的大功率PNP管是鍺管，而NPN管是硅管，兩者的特性差別非常顯著，電路的對(duì)稱性很差，人們更多采用的是準(zhǔn)互補(bǔ)電路，通過(guò)小功率硅管與一只大功率的NPN硅管復(fù)合，得到一只極性與PNP管類似的大功率管，降低了電路因?qū)ΨQ性差而招至的失真。到了六十年代末，大功率的PNP硅管商品化的時(shí)候，互補(bǔ)對(duì)稱

11、電路才得到廣泛的應(yīng)用。元器件的進(jìn)步使晶體管功率放大器的技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，在主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)方面，也改變了過(guò)去人們對(duì)晶體管功放的看法，無(wú)論是在廳堂擴(kuò)音、電臺(tái)節(jié)目制作還是家庭重放，晶體管功放都被大量地采用，首次在數(shù)量上以壓倒性的優(yōu)勢(shì)超過(guò)了電子管功放。在商品化的晶體管擴(kuò)音機(jī)中，相繼出現(xiàn)了一些璀璨奪目的名機(jī)，如JBL的SA600，Marantz互補(bǔ)對(duì)稱電路Model15等等盡管電子管的擁護(hù)者仍大量存在，人們畢竟能夠比較公正地看待晶體管放大器了，認(rèn)為晶體管機(jī)頻響寬闊，層次細(xì)膩，與電子管機(jī)比較起來(lái)有一種獨(dú)特的艙力，而不是簡(jiǎn)單的誰(shuí)取代誰(shuí)的問(wèn)題。瞬態(tài)互調(diào)失真的提出是認(rèn)識(shí)上的一次飛躍，七十年代，功率放大器的發(fā)

12、展史中出現(xiàn)了一件最引人注目的事情，這就是瞬態(tài)互調(diào)失真(Transientlntermodulation)及其測(cè)量方法的提出。1963年，芬蘭Helvar工廠的一名工程師在制作一臺(tái)晶體管擴(kuò)音機(jī)時(shí)，由于接線失誤，使電路的負(fù)反饋量減少了，后來(lái)卻意外地發(fā)現(xiàn)負(fù)反饋量減少后的音質(zhì)非常好，客觀技術(shù)指標(biāo)較差，而更正錯(cuò)誤以后的線路盡管技術(shù)指標(biāo)提高了，音質(zhì)反而比誤接時(shí)明顯下降。這一現(xiàn)象引起了當(dāng)時(shí)同一工廠的Otala博士的重視，之后，他對(duì)此進(jìn)行了悉心研究，于1970年首先發(fā)表丁關(guān)于晶體管功率放大器瞬態(tài)互調(diào)失真(TIM)的論文。至1971年,Otala博士及其研究小組就TIM失真理論發(fā)表的論文已經(jīng)超過(guò)20篇，引起了電

13、聲界準(zhǔn)互補(bǔ)電路人士的廣泛反響。TIM失真和音樂(lè)信號(hào)也有密切關(guān)系，音量大、頻率高的節(jié)目信號(hào)容易誘發(fā)TIM失真。嚴(yán)重的TIM失真反映在聽(tīng)感上類似高頻交選失真，而較弱的TIM失真給人以“金屬聲”的不快感覺(jué)，導(dǎo)致音質(zhì)劣化。至今，音響界對(duì)于TIM失真都還有爭(zhēng)議，但這畢竟是人們認(rèn)識(shí)的深化，它使后來(lái)放大器的設(shè)計(jì)思想發(fā)生了根本性的變化，即更加注重放大器的動(dòng)態(tài)性能而不是僅僅滿足于靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)的提高。 1.1.2 性能較好的模擬功放 接下來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間，A類、B類以及AB類音頻功率放大器（額定輸出功率）一直占據(jù)“統(tǒng)治”地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個(gè)過(guò)程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過(guò)程；電路組成從單管到推挽過(guò)

14、程；電路形式從變壓器輸出到OTL、OCL、BTL形式過(guò)程。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點(diǎn)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介于二者之間。無(wú)論A類、B類、AB類音頻功率放大器，當(dāng)它們的輸出功率小于額定輸出功率時(shí)，效率就會(huì)明顯降低，播放動(dòng)態(tài)的語(yǔ)言、音樂(lè)時(shí)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(shí)有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，也就是說(shuō)，這些類型的音頻功率放大器要有足夠大的散熱器。例如，一臺(tái)額定功率為1000W的A類音頻功率放大器需要2000W的散熱器，一臺(tái)額定功率為1000W的B

15、類音頻功率放大器需要400W的散熱器，因此，A類、B類和AB類音頻功率放大器效率低、體積大。人們?cè)ο朐O(shè)計(jì)出效率高的音頻放大器，如C類音頻功率放大器，但其最高效率仍然不大于78.5，因此，模擬音頻功率放大器效率低，所需散熱器大、笨重，不符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的要求，在這種情況下，D類音頻功率放大器應(yīng)運(yùn)而生了。1.1.3 D類音頻功率放大器 為了提高音頻功率放大器的效率，科研技術(shù)人員做了大量的研究試驗(yàn)工作。早些時(shí)候人們已經(jīng)論證了D類音頻功率放大器的存在，它不同于模擬音頻功率放大器，是全新的結(jié)構(gòu)方式，是PWM開(kāi)關(guān)脈沖功率放大器。D類音頻功率放大器通常由PWM調(diào)制器、高速開(kāi)關(guān)功率放大器、低通濾波器這三部

16、分組成，工作過(guò)程簡(jiǎn)單描述如下：輸入的音頻信號(hào)經(jīng)PWM調(diào)制器變成與其幅度相對(duì)應(yīng)脈寬的高頻率PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)高速開(kāi)關(guān)功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)經(jīng)低通濾波器進(jìn)行濾波后帶動(dòng)揚(yáng)聲器。由于D類音頻功率放大器只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其功率開(kāi)關(guān)器件要么導(dǎo)通，要么截止，不在“放大區(qū)”停留，因此功耗極小、效率極高，理論上可達(dá)100，實(shí)際電路中可達(dá)90以上，所以D類音頻功率放大器是高效、節(jié)能、數(shù)字化音頻功率放大器。但是，早些時(shí)候晶體管、集成電路的開(kāi)關(guān)性差，不能滿足D類音頻功率放大器的技術(shù)要求，因此，對(duì)D類音頻功率放大器的研究開(kāi)發(fā)有相當(dāng)?shù)睦щy，研究開(kāi)發(fā)僅停留在理論上。近幾年出現(xiàn)的VMOS管，IGB

17、T管的開(kāi)關(guān)特性很好，工作頻率高、開(kāi)關(guān)速度快、管壓降小、功耗低，適合用于D類音頻功率放大器的研究開(kāi)發(fā)。所以，近來(lái)D類音頻功率放大器的研究開(kāi)發(fā)有了突破性的進(jìn)展。幾家著名的研究機(jī)構(gòu)及公司已試驗(yàn)性地向市場(chǎng)提供了D類音頻放大器評(píng)估模塊及技術(shù)，這一技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，引起了科研、教學(xué)、電子工業(yè)以及商業(yè)界的特別關(guān)注。下表是某一實(shí)驗(yàn)中對(duì)D類和B類音頻功率放大器的效率以及功耗進(jìn)行了比較。 比較條件：電源電壓24V，負(fù)載4，1000Hz，連續(xù)輸出，整機(jī)效率，得到下表：輸出功率（W）D類音頻功率放大器模擬音頻功率放大器效 率（）熱功耗（W）效 率（）熱功耗（W）7297272263

18、6961.55036由此表可以看出，D類音頻功率放大器有著模擬功放所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，所以不久的將來(lái)，D類音頻功率放大器必將取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器。1.2 音頻功率放大器的新興技術(shù)傳統(tǒng)的音頻功率放大器在解決失真與效率的矛盾問(wèn)題上總顯得有點(diǎn)力不從心,但以下的幾種新技術(shù)卻很好地解決了這個(gè)矛盾.1.2.1 超甲類功率放大器按甲類方式工作，理論上不會(huì)存在開(kāi)關(guān)失真，而其效率可達(dá)到甚至超過(guò)乙類放大。它解決了乙類的失真和甲類的低效率問(wèn)題。圖1是超甲類功放的輸出級(jí)，它采用活動(dòng)偏置電路來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定偏置?；顒?dòng)偏置電路具有以下兩種功能：第一是在信號(hào)輸出的整個(gè)周期內(nèi)沒(méi)有開(kāi)關(guān)現(xiàn)象；第二是波形的正、負(fù)半周過(guò)渡平滑

19、，使合成波不會(huì)出現(xiàn)交越失真。電路中A1和A2代表兩個(gè)檢波放大級(jí)，用來(lái)檢測(cè)加到功率級(jí)輸入端激勵(lì)信號(hào)的變化，并加以放大，然后以控制電流的形式輸出給可控電壓源UB1和UB2。UB1和UB2把來(lái)自A1和A2的電流變化轉(zhuǎn)換成電壓變化以控制末級(jí)電路的基極偏壓，使AB兩端的偏壓隨激勵(lì)信號(hào)的大小變化，實(shí)現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)偏流”。E1為穩(wěn)壓電源，用來(lái)確定靜態(tài)時(shí)末級(jí)電流并實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。從上述可知，超甲類功放的效率基本與乙類相似，而又大大地減少了波形的開(kāi)關(guān)失真，是解決失真與效率之間矛盾較為理想的方法。圖1 超甲類功率放大器1.2.2 S類功率放大技術(shù)其特點(diǎn)是用電壓控制放大器與電流驅(qū)動(dòng)放大器構(gòu)成電橋，使電壓控制放大器工作在無(wú)

20、負(fù)載的狀態(tài)（即輸出電流為零），即使接類似于揚(yáng)聲器之類的復(fù)合動(dòng)態(tài)阻抗的負(fù)載，其電壓控制放大器仍然能工作在十分理想的甲類狀態(tài)。由一個(gè)大功率的乙類放大器負(fù)責(zé)供給負(fù)載電流，所以大大地減小交越失真和其它失真，同時(shí)又具有乙類的高效率。圖2是S類放大器的基本電路。電路的構(gòu)成是由甲類電壓控制放大器A1之后接有乙類電流驅(qū)動(dòng)放大器A2，這兩個(gè)放大器和負(fù)載RL之間通過(guò)電橋耦合。假如放大器A2的增益接近于無(wú)窮大，那么A與B點(diǎn)同電位，R1與R3，R2與R4上的電壓分別相等，即I2R1=I3R3,I0R2=I4R4。設(shè)A2的輸入阻抗為無(wú)窮大，則I3=I4，可得I0R2I3R4，I2=R2R3I0/(R1R4)。電橋平衡時(shí)

21、有：R1R4=R2R3，于是I2=I0（即輸出電流完全供給負(fù)載）；I1=I2-I0=0（即電壓放大器空載工作）。就是說(shuō)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電流完全是由電流驅(qū)動(dòng)放大器提供，甲類電壓放大器總是工作在無(wú)負(fù)載的狀態(tài)而與負(fù)載阻抗及其變化無(wú)關(guān)。這樣，甲類電壓放大器可將工作點(diǎn)選擇在最佳工作區(qū)；而電流放大器可以工作在效率最高的乙類放大狀態(tài)。圖2 S類放大電路原理圖綜上所述，S類放大器既有乙類的高效率，又有甲類甚至超過(guò)一般甲類放大器的低失真。故其性能十分優(yōu)良。1.2.3 電流傾注式乙類放大技術(shù)由Quad 公司注冊(cè)的“電流傾注式”功率放大器，利用其“電流傾注”技術(shù)，不僅使放大器的失真降低至很低的水平，而且末級(jí)采用了純乙類方

22、式。其方法是：設(shè)法從功放主要失真源的末級(jí)取出一部分信號(hào)與輸入信號(hào)比較，從而得到一個(gè)能反映末級(jí)失真程度的“誤差信號(hào)”，然后將它放大到所需的幅度和相位直接加到負(fù)載中去，即可抵消功放末級(jí)產(chǎn)生的各種失真，包括負(fù)反饋難以克服的交越失真和開(kāi)關(guān)失真，對(duì)提高功放的性能和降低末級(jí)功率管的要求極為有利。電流傾注式功放原理見(jiàn)圖3，A1為小功率甲類激勵(lì)級(jí)，大功率乙類末級(jí)用等效互補(bǔ)管表示。從圖3可看出，如果把R2去掉，該電路與一般功放在電路結(jié)構(gòu)上沒(méi)有多大區(qū)別，此時(shí)R1為負(fù)反饋電阻，C1為相位補(bǔ)償電容，L為高頻防振電感。由于加進(jìn)R2，并對(duì)C1、R1、R2、L適當(dāng)?shù)厝≈?，工作情況大為改觀。這時(shí)，上述4個(gè)元件構(gòu)成一個(gè)橋路，橋

23、路的一個(gè)對(duì)角線接乙類末級(jí)，當(dāng)A1的增益相當(dāng)大時(shí)，A點(diǎn)相當(dāng)于運(yùn)放的虛地，負(fù)載RL就等效于接在橋路的另一對(duì)角線上。如果橋路達(dá)到平衡，即L=R1R2C1時(shí)，B、D間主放大器產(chǎn)生的失真電壓便不會(huì)反映在A、C 兩端的負(fù)載RL上。上述電路的工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，末級(jí)因無(wú)偏置而處于截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載中的輸出電流是由甲類功放A1通過(guò)R2饋入負(fù)載RL的，因此不存在交越失真現(xiàn)象。隨著輸入信號(hào)的增大，R2上的壓降隨之增大，當(dāng)此壓降大于乙類功放的死區(qū)電壓（約0.5V）時(shí)，乙類功放兩管開(kāi)始輪流導(dǎo)通向負(fù)載RL提供輸出電流。由于L的阻抗遠(yuǎn)小于R2，故大信號(hào)時(shí)負(fù)載電流主要由乙類功放提供。此時(shí)甲類功放的作用除激勵(lì)乙類

24、功放外，主要是經(jīng)R2向負(fù)載直接饋送抵消乙類功放輸出電流失真的誤差成分，它是由作為失真電流的取樣元件L取出并與輸入信號(hào)Ui相比較而得到。如果橋路元件達(dá)到平衡，饋入負(fù)載的誤差電流恰好與乙類功放失真電流在幅度上相等而相位相反，從而使其失真在理論上可完全消除。圖3 電流傾注式功放原理圖在實(shí)際電路中，由于元器件誤差電流傾注功放并不可能完全抵消失真，電橋更不可能在很寬的音頻范圍內(nèi)達(dá)到精確平衡。所以為了在整個(gè)聲頻段內(nèi)獲得很低的失真，中高頻段由橋路平衡來(lái)保證，低頻段則由負(fù)反饋加以改善。1.2.4 負(fù)阻抗驅(qū)動(dòng)功率放大器在放聲系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電/聲轉(zhuǎn)換的揚(yáng)聲器所產(chǎn)生的非線性失真和瞬態(tài)失真總是難以有效地克服或減小。由于

25、揚(yáng)聲器的振膜和音圈有固有的質(zhì)量，在輸入信號(hào)停止以后，揚(yáng)聲器的振膜并不能立即停止振動(dòng)，而是衰減振蕩，特別是在揚(yáng)聲器單元的諧振頻率f0處更為嚴(yán)重，使得重放的聲音含糊不清、拖泥帶水；而且由于揚(yáng)聲器在振動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)阻礙揚(yáng)聲器振動(dòng)，使失真不可避免。為解決這個(gè)問(wèn)題，可使用具有負(fù)阻抗輸出的功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。這樣，在功放和揚(yáng)聲器構(gòu)成的輸出回路中總的阻抗減小或趨近于零，既可以增加大動(dòng)態(tài)的阻尼，實(shí)現(xiàn)對(duì)揚(yáng)聲器的準(zhǔn)確控制，又可將揚(yáng)聲器產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)及失真短路，在理論上把揚(yáng)聲器系統(tǒng)的失真降為零。圖4為負(fù)阻抗輸出功率放大器的基本回路。A1及其外圍電路構(gòu)成主放大器，Rf與R0構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋；A2及

26、其外圍電路構(gòu)成負(fù)阻驅(qū)動(dòng)電路，將取樣電阻RS檢測(cè)的輸出電流加以放大，并與主放大器A1構(gòu)成正反饋，形成負(fù)阻輸出。放大器的輸出阻抗可推導(dǎo)為Z0=RS1-R1RE/(R2R0)。為了保證電路能穩(wěn)定工作，必須使放大器與揚(yáng)聲器回路總阻抗大于零（不可為負(fù)值，否則放大器會(huì)產(chǎn)生自激），同時(shí)考慮到揚(yáng)聲器音圈電阻隨工作溫度有所變化，一般取值為Z0=（0.60.9）RV（其中RV為揚(yáng)聲器音圈電阻）。需要說(shuō)明的是，負(fù)阻輸出功率放大器僅對(duì)低頻段的非線性失真改善較有效，對(duì)中高頻作用不是很大，故一般只在低頻范圍內(nèi)才引起正反饋。所以負(fù)阻輸出功率放大器常用在有源低音炮中來(lái)改善揚(yáng)聲器的瞬態(tài)失真。圖4 負(fù)阻抗功放的基本電路1.2.5

27、 柔性剪峰放大器及技術(shù)現(xiàn)代晶體管功率放大器就諧波失真而言其諧波失真可達(dá)萬(wàn)分之幾，然而聽(tīng)感卻比不上諧波失真達(dá)百分之二的電子管功放。其中原因雖頗有爭(zhēng)議，但有一點(diǎn)是公認(rèn)的，即電子管功放的過(guò)負(fù)荷能力遠(yuǎn)比晶體管功放強(qiáng)，且出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷時(shí)，其聽(tīng)感仍然較為柔順，不易被人察覺(jué)；而晶體管機(jī)出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生削波失真，很容易被人感覺(jué)到。原因是兩者失真的過(guò)程大不一樣，如圖5所示，（a）表示晶體管放大器的削波失真，失真較嚴(yán)重，故聽(tīng)感上破裂、生硬；（b）表示電子管放大器的削波失真，其過(guò)程較圓滑，故聽(tīng)感較柔順。柔性剪峰電路可使一般的晶體管削波失真轉(zhuǎn)換成類似電子管的過(guò)荷失真，使晶體管機(jī)音色甜美圓潤(rùn)，類似電子管的韻味。因此

28、有人稱之為“模擬膽聲電路”，輸出波形如圖（c）所示。柔性剪峰電路的原理如圖6所示。圖中功率放大部分采用28V雙電源供電，在8負(fù)載上可以得到40W的正弦有效不失真輸出功率，計(jì)算輸出電壓的有效值為17.89V，峰值為25.29V，該部分電壓放大倍數(shù)Au1R11/R10=15.4倍，則最大輸入峰值電壓為1.64V。超過(guò)該值，放大電路必定產(chǎn)生削波失真。當(dāng)開(kāi)關(guān)K未合上時(shí)，柔性剪峰電路不起作用。此時(shí)A點(diǎn)電位UA=2.15V，使D3導(dǎo)通（即柔性剪峰電路起控）的條件是：UC(2.15+0.6)V2.75V。同理，要使D4導(dǎo)通的條件是：圖5 三種削波失真 圖6 柔性剪峰電路原理圖UC10k，電壓放大倍數(shù)120連

29、續(xù)可調(diào)。 d 在前置放大級(jí)輸入端交流接地時(shí)，負(fù)載R1的低頻噪聲電壓10mV，在電壓放大倍數(shù)為10、輸入端對(duì)地交流短路時(shí)測(cè)量。 e 在輸出功率500mW時(shí)測(cè)量的功率放大器效率(輸出功率/放大器總功耗)85。 設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)為1的信號(hào)變換電路，將功率放大器雙端輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出，經(jīng)RC濾波供外接測(cè)試儀表用。 設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5。4 方案論證與比較根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，本系統(tǒng)的組成框圖如圖10所示。下面對(duì)每個(gè)框內(nèi)電路的設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行論證與比較。4.1 高效率功率放大器的設(shè)計(jì) 圖10 系統(tǒng)的組成框圖4.1.1 高效率功率放大器類型的選擇 衡量一套

30、音響設(shè)備的主要性能一是它的頻率特性指標(biāo)，包括頻率響應(yīng)，諧波失真度和互調(diào)失真度；二是它的時(shí)間特性指標(biāo)，包括瞬態(tài)響應(yīng)，瞬態(tài)互調(diào)失真和阻尼系數(shù)；三是信號(hào)噪聲比，最大輸出動(dòng)態(tài)范圍，最大功率和效率。尤其是第三方面的性能指標(biāo)主要由功率放大器實(shí)現(xiàn)，由前面已經(jīng)知道，傳統(tǒng)的功率放大器主要有A類(甲類)、B類(乙類)和AB類(甲乙類)。方案一：采用A類功率放大器A類功率放大器的最基本電路如圖11所示。A類功率放大器與一般放大器所不同的是其負(fù)載不是直接接在晶體管的集電極上，而是通過(guò)變壓器接入的。A類功率放大器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理比較簡(jiǎn)單，這里不作介紹，我們主要討論A類功率放大器的效率。由于單管A類功率放大器電源供給

31、的電流是以靜態(tài)電流為中心上下變化的，其平均值為，電源電壓為，所以電源提供的功率為，最大的正弦波功率則為/2，其放大器的效率為 (4-1)以上所述是理想情況下的值。實(shí)際上，由于下列原因，其效率不可能這樣高。 變壓器的損耗，變壓器初、次級(jí)各有導(dǎo)線電阻，它們要損耗能量，變壓器的初級(jí)磁力線也不可能完全耦合到次級(jí)，存在有一定的漏磁，因此也要產(chǎn)生一些損耗。 晶體管飽和壓降也不可能為零，多少都會(huì)有一定的功率損耗。 發(fā)射極串聯(lián)有負(fù)反饋電阻Re。Re也要消耗一定的能量，同時(shí)晶體管集電極到發(fā)射極之間的電壓也要降低?？紤]到上述因素的影響，A類功率放大器實(shí)際效率大約只能達(dá)到30多點(diǎn)。所以A類功放的效率是比較低的。另外

32、，像其它放大器一樣，A類功率放大器也同樣存在有幾種失真： 輸出特性非線性引起的失真放大器在小信號(hào)工作時(shí)，問(wèn)題不大；但當(dāng)大信號(hào)工作時(shí)，晶體管輸出特性的非線性失真就不可忽視了。解決的辦法應(yīng)該是選用電流放大系數(shù)線性較好的功率管和合理安排設(shè)計(jì)負(fù)載線，使其在大信號(hào)工作時(shí)，非線性失真減小。 輸入電阻和信號(hào)源內(nèi)阻引起的失真晶體管輸入電阻隨信號(hào)大小變化也略有變化，由此會(huì)引起輸出信號(hào)的失真，信號(hào)源內(nèi)阻大也會(huì)引起失真。克服的辦法是合理設(shè)計(jì)電路，盡量采用電阻較大的揚(yáng)聲器。 削波失真當(dāng)輸出信號(hào)超出一定范圍時(shí)，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，晶體管失去放大作用而出現(xiàn)削波失真。所以在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，必須留有充分的功率裕量，以

33、減小削波失真。 輸出變壓器引起的失真這種失真主要是因變壓器鐵芯的HB曲線的非線性引起的。所以，現(xiàn)在人們更喜歡使用無(wú)輸出變壓器的OTL、OCL放大器。圖11 A類功率放大器由以上可知其特點(diǎn)：在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)都有電流連續(xù)流過(guò)功率放大器件，線性好，輸出信號(hào)的失真小且失真成分以偶次諧波為主，不存在開(kāi)關(guān)失真和交越失真，并且A類功放有比較好的表現(xiàn)力，音色細(xì)膩、平滑流暢；但其輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍小，通常需要偏置電壓才能工作，放大輸出的電壓幅度不能超出偏置范圍，能量轉(zhuǎn)換效率很低，輸出功率一般較小，與本設(shè)計(jì)所要的高效率不符，所以此方案不選。方案二：采用B類功率放大器從功率消耗的角度來(lái)說(shuō)，單管放大器的效率是比較

34、低的。如果將輸入信號(hào)一分為二，分別由兩只功率管來(lái)放大。其中一只管子專門(mén)放大波形的上半周，另一只管子放大波形的下半周，然后將上下兩半周信號(hào)分別加到負(fù)載上去，使之合成為一個(gè)波形，這樣就可以兼顧功耗與波形失真的問(wèn)題。如圖12所示。信號(hào)通過(guò)輸入變壓器T1，轉(zhuǎn)換成為兩個(gè)幅度相等，極性相反的信號(hào)，兩只晶體管分別將其放大，然后在T2上合成。這里信號(hào)的正負(fù)半周之間出現(xiàn)了無(wú)信號(hào)的過(guò)渡區(qū)，這樣輸出的合成信號(hào)就與原輸入信號(hào)之間產(chǎn)生了失真，這種失真稱為“交越失真”。交越失真是乙類推挽功率放大器較為明顯的問(wèn)題。另外，由于輸入、輸出都用了變壓器耦合，這樣會(huì)使放大器體積、重量都較大，而且其漏電感及分布電容、雜散磁場(chǎng)等，都會(huì)

35、對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾和影響，損耗增大，效率降低。圖12 B類推挽功率放大器由以上可知，B類功率放大器不需要偏置電壓，靠信號(hào)本身來(lái)導(dǎo)通放大管，其在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)功率器件的導(dǎo)通時(shí)間為50%，在理想情況下效率可78.5%，但會(huì)產(chǎn)生交越失真，增加噪聲，雖然效率較高，本設(shè)計(jì)亦不選此方案。方案三：采用AB類功率放大器AB類功率放大器是以上兩種放大器的結(jié)合，即在B類電路的基礎(chǔ)上略加一點(diǎn)偏置，這樣一來(lái)，效率也隨之下降，即其效率介于A類與B類功率放大器之間，考慮到高效率這一關(guān)鍵因素，本設(shè)計(jì)不選用AB類功率放大器。以上三種模擬放大電路的共同特點(diǎn)是晶體管都工作在線性放大區(qū)域中，并且按輸入音頻信號(hào)的大小控制輸出信號(hào)的大

36、小，但晶體管自身同時(shí)也在消耗電能。而且這三類功率放大器效率低、體積大，不符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的要求。隨著半導(dǎo)體及微電子制造技術(shù)的不斷發(fā)展，高速、大功率器件已越來(lái)越多，人們對(duì)音頻功率放大器的要求更加趨向高效、節(jié)能和小型化。所以采用A類、B類、AB類功率放大器，均達(dá)不到題目的要求。方案四：采用D類功率放大器D類音頻功率放大器通常由PWM調(diào)制器、高速開(kāi)關(guān)功率放大器、低通濾波器這三部分組成。三角波發(fā)生器 前置放大器比較器驅(qū)動(dòng)電路橋式開(kāi)關(guān)功率輸出低通濾波器揚(yáng)聲器 V1 V2 V3 VO Vi PWM調(diào)制器 高速開(kāi)關(guān)功率放大器 低通濾波器圖13 工作原理框圖D類音頻功率放大器的工作原理框圖如圖13所示，將音頻

37、信號(hào)對(duì)一線性良好的高頻三角波進(jìn)行調(diào)制，既形成一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(wèn)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，使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。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

38、波器以濾除高頻成分，在負(fù)載R兩端可得到功率放大的音頻信號(hào)。圖14為其工作波形示意圖，其中：(a)為輸入信號(hào)Vi；(b)為鋸齒波與輸入信號(hào)進(jìn)行比較的波形V1(Vi)；(c)為調(diào)制器輸出的脈沖(調(diào)寬脈沖)V2；(d)為功率放大器放大后的調(diào)寬脈沖V3；(e)為低通濾波后的放大信號(hào)V0。 (其中，Vi等參數(shù)參照?qǐng)D2)圖14 工作波形示意圖D類功率放大器與模擬功放不同，它是用音頻信號(hào)的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖的寬度，其晶體管等輸出器件不作為線性元件，而是作為開(kāi)關(guān)，工作于飽和（通）和截止（斷）兩種極端工作狀態(tài)，這就是說(shuō)，D類功率放大器具有高速開(kāi)關(guān)特性，因此效率極高，理論上可達(dá)到100，實(shí)際電路中也可達(dá)到80

39、95，同時(shí)其飽和壓降很低，所以功耗小，并且此電路不需要嚴(yán)格的對(duì)稱，也不需要復(fù)雜的直流偏置和負(fù)反饋，使穩(wěn)定性大大提高。用同樣功耗的管子可得到比AB類功率放大器高4倍功率的輸出，所以D類功率放大器是高效、節(jié)能、數(shù)字化音頻功率放大器。本設(shè)計(jì)決定采用D類功率放大器。以下開(kāi)始著手設(shè)計(jì)D類音頻功率放大器各組成部分的實(shí)現(xiàn)電路。4.1.2 D類功率放大器實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì) 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(dá)到題目要求的性能指標(biāo)，這是關(guān)鍵。 4.1.2.1 三角波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)在脈寬調(diào)制電路中，關(guān)鍵部分為三角波產(chǎn)生電路，有以下四種設(shè)計(jì)方案：方案一：采用IC1 ZXCD1000芯片此芯片為該電路的核

40、心，內(nèi)含振蕩器，三角波發(fā)生器，激勵(lì)電路，運(yùn)算放大器，比較電路，輸出電路。1腳，8腳兩路輸入可分別并一個(gè)極小的電容對(duì)地短路，以抑制低頻信號(hào)的失真，4腳懸空，5腳接一330pF的對(duì)地電容作為振蕩器的輸入，產(chǎn)生自激振蕩，一路通過(guò)一個(gè)具有固有頻率和幅值的三角波發(fā)生器經(jīng)一個(gè)很小的電容（大約47 n左右）的充放電可將此三角波的形狀整得完美；另一路分別接到兩個(gè)放大器的下端。13，16腳都是通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)電容對(duì)地短路，其中一個(gè)為鋁大電容，另一個(gè)為普通小電容，大小分別為22uF和100n。12腳和14腳除通過(guò)并聯(lián)的22uF和100n對(duì)地短路，且在其旁還要并聯(lián)一個(gè)100uF的大電容，為確保其輸入有9V，9腳接地，I

41、C1 ZXCD1000芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖15所示：圖15 IC1 ZXCD1000芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)雖然此芯片的使用可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但這種集成的芯片，通常有電源電壓的限制，不利于本設(shè)計(jì)中此部分的發(fā)揮。方案二：用普通PWM芯片雖然此類芯片可直接產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，但芯片中振蕩發(fā)生器產(chǎn)生的是鋸齒波，不符合D類功放所要求的三角波，且振蕩發(fā)生器是靠充放電電路產(chǎn)生波形，波形線性不好，難以達(dá)到要求。例如SG3525芯片，產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波占空比最高只能達(dá)到44%左右，且波形不好，所以此方案不可行。方案三：采用TLC4502 和LM311芯片采用滿幅運(yùn)放TLC4502及高速精密電壓比較器LM311來(lái)實(shí)現(xiàn)的電路如圖16所

42、示。TLC4502不僅具有較寬的頻帶，而且可以在較低的電壓下滿幅輸出，既保證能產(chǎn)生線性良好的三角波，而且可達(dá)到發(fā)揮部分對(duì)功放在低電壓下正常工作的要求。 圖16 三角波產(chǎn)生電路方案四：采用555定時(shí)器D類放大器要求三角波頻率高、線性好，這是一般積分、微分電路難以達(dá)到的，選用555定時(shí)器恒流源充放電電路產(chǎn)生三角波，可以保證三角波的高頻率及良好的線性，效果很好。如圖17所示，此方案利用555組成的多諧振蕩器的C4充放電特性加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)CAE的線性充放電獲得三角波。利用T1、T2和R6構(gòu)成的恒流源對(duì)C4實(shí)現(xiàn)線性充電，利用T3、T4和R7構(gòu)成的恒流源實(shí)現(xiàn)對(duì)C4的放電，電容C4上的三角波經(jīng)TS射極跟隨器

43、輸出，該振蕩器的振蕩頻率f=0.33/（R6+R7）C4。按圖中值，我們得到了一個(gè)線性很好、頻率約為100kHz、峰峰值為2.18V的三角波，將其輸入到脈寬調(diào)制比較器的一個(gè)輸入端。與方案三比較，兩種方案都能產(chǎn)生線性良好的三角波，但因我們?cè)到y(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)555定時(shí)器的工作原理，選用此方案更易于理解。圖17 利用555定時(shí)器的三角波產(chǎn)生電路4.1.2.2 前置放大器電路的設(shè)計(jì)前置放大器是在功率放大器之前而加入的一級(jí)放大電路，其目的是對(duì)輸入功率放大器的各種信號(hào)源進(jìn)行加工處理，或放大、或衰減、或進(jìn)行阻抗變換，使其和功率放大器的輸入靈敏度相匹配，對(duì)其要保證低噪聲、高信噪比、高轉(zhuǎn)換速率、輸出電阻要小及頻帶要寬

44、等要求，可使整個(gè)功放的增益從120連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。方案一：采用TLC4502芯片前置放大器采用寬頻帶、低漂移、滿幅運(yùn)放TLC4502，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器，如圖18所示。選擇同相放大器的目的是容易實(shí)現(xiàn)輸入電阻Ri10k的要求。同時(shí)，采用滿幅運(yùn)放可在降低電源電壓時(shí)仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求輸入電阻Ri大于10k，故取R1=R2=51k，則Ri=51/2=25.5k，反饋電阻采用電位器R4，取R4=20k，反相端電阻R3取2.4k，則前置放大器的最大增益Av1R4/R3=1+20/2.49.3調(diào)整R4使其增益約為 8，則整個(gè)功放的電壓增益從 0

45、32 可調(diào)?？紤]到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值Vom2.5V，取Vom=2.0V，則要求輸入的音頻最大幅度Vim(Vom/Av)=2/8=250mV。超過(guò)此幅度則輸出會(huì)產(chǎn)生削波失真。所以此方案有一定的局限性，不選。圖18 前置放大器電路方案二：采用NE5532芯片如圖19所示的方案中，差分輸入對(duì)管選用低噪聲優(yōu)質(zhì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，運(yùn)算放大器選用低噪聲、高速器件NE5532,電阻、電容選用高精度、高穩(wěn)定度及高質(zhì)量元件， 經(jīng)實(shí)際測(cè)試其技術(shù)指標(biāo)為:輸出噪聲電壓小于25V；頻帶寬度5050000Hz；諧波失真小于0.02%；轉(zhuǎn)換速率大于10s/V。此方案可達(dá)到本設(shè)計(jì)技術(shù)要求，故選用此方案。 圖19

46、前置放大器電路4.1.2.3 比較器電路的設(shè)計(jì) 脈寬調(diào)制比較器的作用是將前置放大器輸出的波形與三角波發(fā)生器輸出的波形進(jìn)行比較，輸出一個(gè)脈寬與前置放大器輸入信號(hào)幅值成比例的可變脈寬方波。三角波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸入信號(hào)頻率，相當(dāng)于對(duì)輸入信號(hào)采樣點(diǎn)大大增加，從而保證還原后的波形不失真。方案一：采用LM139芯片 采用如圖20所示的脈寬調(diào)制比較器電路，其中核心器件為L(zhǎng)M139，此種芯片為四比較器集成電路。這里所要注意的是必須使三角波和音頻信號(hào)的電壓中心線重合，即LM139的4、5管腳的靜態(tài)電位相同，否則脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比將不能在要求的范圍內(nèi)變化，通過(guò)滑變電阻R12來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求。圖20 脈寬調(diào)制比較器電

47、路方案二：采用LM311芯片選用LM311精密、高速比較器，電路如圖21所示，因供電為5V單電源，為給V+=V-提供2.5V的靜態(tài)電位，取R12=R15，R13=R14，4個(gè)電阻均取10 k。由于三角波Vp-p=2V，所以要求音頻信號(hào)的Vp-p不能大于2V，否則會(huì)使功放產(chǎn)生失真。與方案一相比而言，此方案更優(yōu)，故比較器的設(shè)計(jì)選方案二。圖21 比較器電路4.1.2.4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案一：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(kāi)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

48、；四是應(yīng)具有保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過(guò)流或短路時(shí)，應(yīng)封鎖兩個(gè)脈沖信號(hào)輸出，圖22所示電路即可滿足以上要求該電路采用5V電源供電，G1G9全部采用CMOS集成器件，當(dāng)過(guò)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(guò)流保護(hù)信號(hào)為低電平“0”時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路無(wú)脈沖輸出。圖22 驅(qū)動(dòng)控制電路方案二：采用CD40106施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是脈沖變換中經(jīng)常使用的電路，它在性能上主要有以下兩個(gè)特點(diǎn)：輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平與輸入信號(hào)從高電平下降過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同，低到高和高到低的開(kāi)關(guān)閥值分別稱為Vm+和Vm-。在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路內(nèi)部

49、的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形變得很陡。圖23 驅(qū)動(dòng)電路利用這兩個(gè)特點(diǎn)可以將邊沿變化很緩慢的信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波。將 PWM 信號(hào)整形變換成互補(bǔ)對(duì)稱的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用 CD40106 施密特觸發(fā)器并聯(lián)運(yùn)用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器驅(qū)動(dòng)的輸出管，保證了快速驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路晶體三極管選用2SC8050和2SA8550對(duì)管。如圖23所示：相對(duì)方案一來(lái)說(shuō)，此方案性能更優(yōu)，并且施密特觸發(fā)器為教材中所學(xué)，所以選用此方案。4.1.2.5 H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路的設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)電路輸出方式的選擇方案一：推挽單端輸出方式選用推挽單端輸出方式的電路如圖24所示。電路輸出載波峰-

50、峰值不可能超過(guò)5V電源電壓，最大輸出功率遠(yuǎn)達(dá)不到題目的基本要求。所以該方案不可選。圖24 推挽單端輸出方式方案二：H橋型輸出方式電路如圖25所示。H橋式功率放大器的任務(wù)是把PWM信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái),既開(kāi)關(guān)式功放就是一逆變器電路.對(duì)逆變器的設(shè)計(jì)要選擇開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、開(kāi)啟電壓小的場(chǎng)效型管，采用H橋式逆變器電路的目的是使輸出電壓擺幅可以升高到接近于兩倍的電源電壓,增大功率放大器的最大不失真輸出功率，故選用H橋型輸出方式。為了減少輸出電壓的非線性失真,逆變器的輸出端要接入LC低通濾波器。 開(kāi)關(guān)管的選擇為提高功率放大器的效率和輸出功率，開(kāi)關(guān)管的選擇非常重要，對(duì)它的要求是高速、低導(dǎo)通電阻、低

51、損耗。 方案一：選用晶體三極管和IGBT管晶體三極管需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，并存在儲(chǔ)存時(shí)間，開(kāi)關(guān)特性不夠好，使整個(gè)功放的靜態(tài)損耗及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗較大；IGBT管的最大缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降太大。 所以該方案不可行。方案二：選用VMOSFET管VMOSFET管具有較小的驅(qū)動(dòng)電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開(kāi)關(guān)特性，故H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路采用VMOSFET管，因輸出功率稍大于1W，屬小功率輸出，可選用功率相對(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管，IRFD120和IRFD9120 VMOS對(duì)管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實(shí)際電路如圖14所示?；パa(bǔ)PWM開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開(kāi)啟Q5和Q8或Q6和Q7，分別經(jīng)兩個(gè)4階

52、Butterworth濾波器濾波后推動(dòng)揚(yáng)聲器工作。4.1.2.6 低通濾波電路的設(shè)計(jì)方案一：采用兩個(gè)相同的二階Butterworth低通濾波器缺點(diǎn)是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減，不可行。方案二：采用兩個(gè)相同的四階Butterworth低通濾波器，在保證20kHz頻帶的前提下使負(fù)載上的高頻載波電壓進(jìn)一步得到衰減，相比方案一更優(yōu)。本設(shè)計(jì)采用方案二，電路如圖25所示。對(duì)濾波器的要求是上限頻率200 kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。 采用了電子工作臺(tái)(EWB)軟件進(jìn)行仿真，從而得到了一組較佳的參數(shù)：L1=22H，L247H，C1=l.68H，C2=1H。190.95 kHz處下降6.54 dB，

53、可保證200kHz的上限頻率，且通帶內(nèi)曲線基本平坦，完全達(dá)到要求。 圖25 H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出及低通濾波電路以上既是D類音頻功率放大器的各組成部分實(shí)現(xiàn)電路，接下來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的其它部分實(shí)現(xiàn)電路。4.2 信號(hào)變換電路的設(shè)計(jì)電路要求增益為 1，將雙端變?yōu)閱味溯敵?，運(yùn)放選用寬帶運(yùn)放 NE5532，電路如圖12所示。由于對(duì)這部分電路的電源電壓不加限制，可不必采用價(jià)格較貴的滿幅運(yùn)放。由于功放的帶負(fù)載能力很強(qiáng)，故對(duì)變換電路的輸入阻抗要求不高，選Rl=R2=R3=R4=20k。其增益為Av=R3/R1=20/20=1，其上限頻率遠(yuǎn)超過(guò)200kHz的指標(biāo)要求，如圖26所示。圖26 信號(hào)變換電路4.3 功率測(cè)量及

54、顯示電路方案一：基于單片機(jī)系統(tǒng)的測(cè)量顯示電路直接用A/D轉(zhuǎn)換器采樣音頻輸出的電壓瞬時(shí)值，用單片機(jī)計(jì)算有效值和平均功率，原理框圖如圖27所示，但算法復(fù)雜，軟件工作量大，不可選。A/D采樣單 片 機(jī)處理系統(tǒng)LED顯示音頻輸出信號(hào)圖27 功率測(cè)量電路方案二：采用真有效值變換電路采用由真有效值轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)系統(tǒng)組成的功率測(cè)量及顯示電路如圖28所示。由于功放輸出信號(hào)不是單一頻率，而是20kHz頻帶內(nèi)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(zhuǎn)換專用芯片，先得到音頻信號(hào)電壓的真有效值，再用A/D轉(zhuǎn)換器采樣該有效值，直接用單片機(jī)來(lái)計(jì)算平均功率，軟件工作量小，精度高，并且速度快。A/D單片

55、機(jī)處理系統(tǒng)LED顯示真有效值轉(zhuǎn)換電路音頻輸出信號(hào)圖28 功率測(cè)量電路4.3.1 真有效值轉(zhuǎn)換器 選用高精度的AD637芯片(如圖29所示)，其外圍元件少、頻帶寬，精度高于0.5，使用效果良好。圖29 真有效值轉(zhuǎn)換電路4.3.2 單片機(jī)系統(tǒng) 本系統(tǒng)主要由 89C5l 單片機(jī)、可編程邏輯器件 EPM7128、A/D 轉(zhuǎn)換器AD574 和鍵盤(pán)顯示接口電路等組成，經(jīng)AD637進(jìn)行有效值變換后的模擬電壓信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換器AD574，由89C51控制AD574進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理，最后送顯示電路完成功率顯示。其中EPM7128完成地址譯碼和各種控制信號(hào)的產(chǎn)生，62256用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的處

56、理。鍵盤(pán)顯示電路用于調(diào)試過(guò)程中的參數(shù)校準(zhǔn)輸入，主要由顯示接口芯片8279，44鍵盤(pán)及8位數(shù)碼管顯示部分構(gòu)成。 4.3.3 軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)用軟件設(shè)計(jì)了特殊功能鍵，通過(guò)對(duì)鍵盤(pán)的簡(jiǎn)單操作，便可實(shí)現(xiàn)功率放大器輸出功率的直接顯示(以十進(jìn)制數(shù)顯示)，精確到小數(shù)點(diǎn)后 4 位，顯示誤差小于 4.5。 本系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，功能模塊各自獨(dú)立。軟件主體流程圖如圖30所示。 計(jì)算功率有鍵按下嗎？功率顯示啟動(dòng)A/D讀轉(zhuǎn)換值鍵處理系統(tǒng)初始化 N Y圖30 軟件主體流程圖系統(tǒng)初始化：加電后完成系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)變量的初始化。其中包括變量設(shè)置、標(biāo)志位設(shè)定、置中斷和定時(shí)器狀態(tài)、設(shè)置控制口的狀態(tài)、設(shè)置功能鍵等。等待功

57、能鍵輸入：由鍵盤(pán)輸入命令和校準(zhǔn)參數(shù)。 控制測(cè)量：由單片機(jī)讀取所設(shè)定的數(shù)值，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。 顯示測(cè)量結(jié)果：AT89C51控制8279顯示接口芯片，使用8位數(shù)碼管顯示測(cè)量的輸出功率。4.4 音量顯示電路的設(shè)計(jì)音量顯示電路由專用集成塊TA7666P實(shí)現(xiàn)，通過(guò)多個(gè)發(fā)光二極管來(lái)直觀指示音量的大小，電路如圖31所示。圖31 音量顯示電路5 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析放大器的技術(shù)指標(biāo)分為靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩大類。放大器的輸出特性、頻率響應(yīng)、諧波失真、信噪比等指標(biāo)都是以穩(wěn)態(tài)信號(hào)來(lái)測(cè)量的，這些指標(biāo)統(tǒng)稱為放大器的靜態(tài)性能指標(biāo)、主要用來(lái)說(shuō)明放大器的基本性能。動(dòng)態(tài)指標(biāo)使用非穩(wěn)態(tài)的復(fù)雜信號(hào)來(lái)測(cè)試放大器而得出的指標(biāo)，主要有瞬態(tài)

58、響應(yīng)、瞬態(tài)互調(diào)失真、相位互調(diào)失真等，用以說(shuō)明放大器的瞬態(tài)性能。5.1 測(cè)試使用的儀器 E51/L仿真機(jī) VC201 型數(shù)字式萬(wàn)用表WD990電源 日立V-1065A100MHz示波器SGl643型信號(hào)發(fā)生器 JH811晶體管毫伏表 PC機(jī)（P1000，128M內(nèi)存） 5.2 測(cè)試數(shù)據(jù) 由于實(shí)驗(yàn)條件有限，主要測(cè)試了輸出電壓的波形，和電流的大小以及額定功率、效率、帶寬等數(shù)據(jù)。 最大不失真輸出功率測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示：f20Hz100 Hz300 Hz1.6KHz3.4 KHz10KHz20KHz25KHz50KHz100 KHz200 KHzVop-p/V8.218.218.228.168.108.

59、057.025.824.013.222.13Pmax/W1.051.051.061.041.031.010.770.530.450.360.22 通頻帶測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示 Vom fVim V20Hz100 Hz300 Hz1.6KHz3.4 KHz10KHz20KHz25KHz50KHz100 KHz200 KHz100 mV1.031.081.070.970.960.820.750.600.510.410.30200 mV2.122.142.111.901.881.651.491.181.010.830.61由表看出通頻帶BW0.7fH200kHz，滿足發(fā)揮部分的指標(biāo)要求。 效率測(cè)試數(shù)據(jù)如

60、下表所示：Po200mV500 mV1000 mVVop-p3.58V5.68V8.00VIcc68mA147mA278mA596872 測(cè)量輸出功率200mW時(shí)的最低電源電壓測(cè)量結(jié)果：Vcc=4.12 V。 電壓放大倍數(shù)的測(cè)量增益變化范圍為 031。 低頻噪聲電壓的測(cè)量 噪聲電壓=8.1mV，滿足10mV的指標(biāo)要求。 功率測(cè)量顯示電路性能測(cè)試 計(jì)算得到的理論功率，與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，并對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算計(jì)算結(jié)果測(cè)量誤差小于4.5。 5.3 測(cè)量結(jié)果分析 由測(cè)量結(jié)果可知，本次設(shè)計(jì)基本達(dá)到預(yù)定任務(wù)和要求?，F(xiàn)對(duì)其做以下分析： 功放的效率和最大不失真輸出功率與理論值還有一定差別，其原因有以下幾個(gè)方面：