數(shù)字功放的設(shè)計(jì)報告

、硬件模塊設(shè)計(jì)：3.1數(shù)字功放模塊：數(shù)字功放也稱D類功放，與模擬功放的主要差別在于功放管的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)模擬放大器有甲類、乙類和甲乙類、丙類等。一般的小信號放大都是甲類功放，即A類，放大器件需要偏置，放大輸出的幅度不能超出偏置范圍，所以，能量轉(zhuǎn)換效率很低，理論效率最高才25%。乙類放大，也稱B類放大不需要偏置，靠信號本身來導(dǎo)通放大管，理想效率高達(dá)78.5%。但因?yàn)檫@樣的放大，小信號時失真嚴(yán)重，實(shí)際電路都要略加一點(diǎn)偏置，形成甲乙類功放，這么一來效率也就隨之下降，雖然高頻發(fā)射電路中還有一種丙類，即C類放大，效率可以更高，但電路復(fù)雜、音質(zhì)差，音頻放大中一般都不用，這幾種模擬放大電路的共同的特點(diǎn)是晶體管都有工作在線性放大區(qū)域中，它按照輸入音頻信號大小控制輸出的大小，就像串在電源與輸出間的一只可變電阻，控制輸出，但同時自身也在消耗電能。數(shù)字功放的功放管工作在開關(guān)狀態(tài)，理論狀態(tài)晶體管導(dǎo)通時內(nèi)阻為零，兩端沒有電壓，當(dāng)然沒有功率消耗；而截止時，內(nèi)阻無窮大，電流又為零，也不消耗。所以作為控制元件的晶體管本身不消耗功率，電源的利用率就特別高。

圖1是數(shù)字D類功放的工作原理框圖。D類功放處理的是經(jīng)脈寬調(diào)制（PWM）的音頻數(shù)字信號，聲音信息埋藏在脈沖的占空比或脈沖密度中。數(shù)字功放由于效率高，管子的耗損小，功放的散熱結(jié)構(gòu)可以做得非常小巧簡單，整個電路可以做得很小。所以，首先在筆記本電腦、有源音箱和聲卡上采用。帶有數(shù)字功放的聲卡可直接接通普通音箱，這樣使用就方便得多。利用數(shù)字功放技術(shù)生產(chǎn)整機(jī)時，音量調(diào)節(jié)方案會成為機(jī)種檔次的分界線。簡單方案就像傳統(tǒng)模擬功放那樣由電位器衰減模擬信號的輸入幅度，實(shí)現(xiàn)音量衰減。這種方式數(shù)字信號的量化比特率得不到充分利用，小音量時信噪比下降，動態(tài)范圍變小。而且也不能用于數(shù)字音頻直接輸入系統(tǒng)。

較好的方案是采用調(diào)節(jié)電源電壓的方式來衰減音量，以改變加到低通濾波器上的脈沖電壓幅度來改變輸出功率。這樣量化比特率仍可充分利用，由于電壓下降，量化噪聲也隨之下降，所以音量減小，但信噪比和動態(tài)范圍仍能保持不變。由于功放電源的功率較大，改變電源電壓不能用電阻衰減或分壓方式來實(shí)現(xiàn)，必須從電源整流穩(wěn)壓部分就開始。4、模塊的電路圖及工作原理：4.1各部分電路工作原理的敘述：普通乙類音頻放大器在嵌位時的效率是78.5%或者說是π/4。隨著輸出降低，當(dāng)沒有電壓輸出時效率線性地降低到0。在1/10峰值功率電平上,于1s內(nèi)已經(jīng)測得集成了的音樂和語言，只要他們是連續(xù)的話不大能改變其結(jié)構(gòu)。在這樣的條件下，一個乙類放大器具有的有效效率是25%。當(dāng)乙類放大器實(shí)際上運(yùn)行在發(fā)熱最重的時候，輸出功率還略小于最大功率的一半。最大熱損耗出現(xiàn)在最大輸出功率的40%左右。輸出功率從10%變化到最大值的90%時，發(fā)熱上升變化僅25%。迄今為止，很少人知道開關(guān)放大器在產(chǎn)生直流和低頻交流的時候?qū)╇婋娫此鸬钠茐默F(xiàn)象特性。當(dāng)正弦波剛剛進(jìn)入較小的鉗位現(xiàn)象時由開關(guān)放大器的正功率開關(guān)產(chǎn)生的電流。在第一個半周，正功率開關(guān)在大部分時間把大部分的功率都提供給負(fù)載，但若干能量開始存儲在輸出電感器中。在第二個半周，功率開關(guān)關(guān)斷，大部分時間及大部分電流都反向流經(jīng)開關(guān)。這個反向電流從輸出電感器來，經(jīng)過輸出功率開關(guān)Q3（見后文敘述）的源漏二極管把能量返給正電源。這樣第一個半周的正向電流傾向于降低正電源電壓，而第二個半周的反向電流卻要升高正電源電壓。由此可見，正功率開關(guān)在其開關(guān)接通期內(nèi)的平均電流是：sinx+sin2x/2。輸出正弦波的第一個半周平均電流是π+4/4π，這個數(shù)值是峰值電流的0.5683倍。輸出正弦波的第二個半周平均電流是π-4/4π，這個數(shù)值是峰值電流的0.0683倍。整個周期的平均電流是0.250，正好是正弦波平均功率與峰值功率之比的一半。經(jīng)過開關(guān)的峰值平均反向電流是平均峰值正向電流的0.125倍。這種情況將引起以普通手段設(shè)計(jì)電源的電壓達(dá)到短路般的損壞電平，除非此電源使用的是一個電池。如開關(guān)放大器進(jìn)入比之更壞的狀態(tài)，平均正向電流和平均反向電流都是0.500。這意味著，在整個周期平均而言沒有凈能量從電源提取。這反映出一個事實(shí)，沒有能量從短路狀態(tài)提取。為了緩解放大器輸出近似短路而不產(chǎn)生危險電壓，必須使用專門的電源電路裝置。這個電路裝置必須能夠容納每路電源線上其值為峰值短路輸出電流一半的反向電流。傳統(tǒng)基于整流器的電源電路不能在其工作周期內(nèi)容忍雖然有益，但不能從根本上解決問題。一個較好的解決方法是在正電源母線和負(fù)電源母線上實(shí)行耦合。具體實(shí)現(xiàn)中采用的關(guān)鍵技術(shù)：本設(shè)計(jì)開關(guān)放大器互補(bǔ)大功率場效應(yīng)管的輸出級示于圖5。輸出級產(chǎn)生±44V的方波電壓，方波的占空比從5%到95%之間變化。占空比變化的方波饋到輸出濾波器，音頻通過低通濾波器然后加到8Ω揚(yáng)聲器上。低通濾波器容許聲頻上限率50KHZ通過而沒有損失，但它卻大大地衰減了開關(guān)頻率。因與電源線上連接著正負(fù)兩個電源，要求每個大功率管門極實(shí)現(xiàn)全導(dǎo)通，緩沖放大器使用±5V電源提供這儀驅(qū)動。R17和R18是4.7Ω的電阻，可以阻止每個門極在開關(guān)時產(chǎn)生的高頻振蕩。12V穩(wěn)壓二極管CR3和CR4用作普通鉗位二極管，提供靜電放電電保護(hù)。上述元器件也可以用作直流恢復(fù)，以實(shí)現(xiàn)交流耦合的需要。10KΩ電阻R15和R16也輕微地提供放電路徑，以保持鉗位二極管中的導(dǎo)通脈沖。如果驅(qū)動信號丟失，它們也可以使門極放電大約1MS。每個門極大約有9V的偏置接通電壓。門極之間的緊耦合阻止了兩個器件的同時導(dǎo)通。輸出級倒相驅(qū)動信號，產(chǎn)生的上升和下降時間大約30NS。這個電路設(shè)計(jì)可使當(dāng)頻率下降到0.1HZ時，最大輸出電流±5A。低于這個頻率時，最大電流可能需要降額，以防止每個輸出器件產(chǎn)生過熱。散熱器發(fā)熱太大將使器件的接通電阻和源漏二極管的存儲時間增加，結(jié)果是器件的損耗增大，有可能導(dǎo)致器件熱擊穿。驅(qū)動波形的占空不必須是控制電壓的線性函數(shù)。圖6畫出了占空比控制的電路。120KHZ±5V的方波通過R1和C1耦合到積分器U1B。C1的作用是阻斷直流，R1是積分器電阻。C2是積分器電容器，它在U1B的輸出端產(chǎn)生±2V的三角波。R2提供少量的直流泄露以確保輸出沒有明顯的直流分量。R3耦合三角波到比較器的正向輸入。通過隔離比較器和積分器之間的輸入電容，可以起到改善波形的作用。三角波的直流補(bǔ)償?shù)扔赨1B的直流補(bǔ)償，其線性度優(yōu)于1%。輸入音頻信號通過R4加到U2C的倒相輸入端，功率放大器的輸入方波通過R5也加到與輸入音頻信號相同的點(diǎn)匯合。U2C用作積分器，C3是積分器的電容器。因?yàn)镽5是R4的20倍，如果U2C的輸入接地的話，就得到20倍的倒相電壓增益。U2C的輸入作用誤差電壓，并通過R6和R7加到U1D的倒相輸入。電容器C4可以消除誤差信號短的尖峰。電流限制電路是通過R6和R7的連接點(diǎn)接通的。當(dāng)從功率放大器吸取的電流聲超過的連接點(diǎn)接通的。當(dāng)從功率放大器吸取的電流上升超過安全范圍時，電路不會考慮誤差電壓，過流就被阻止了?！?V三角波電壓加到U1D的正相輸入。一般來說，誤差電壓在次相同范圍內(nèi)變化。如果是這樣的話，U1D的輸入在120KHZ方波上的占空比就可以從0%到100%之間變化。如果功率放大器的波形被削頂，誤差電壓將超過正常的區(qū)域。在這種情況下輸出的驅(qū)動波形將鎖定在+5V或者-5V之間。如果不能校正的話，驅(qū)動信號的交流耦合將引起末級放大器驅(qū)動損失，導(dǎo)致末級放大器產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。4.3功放原理圖:5、軟件模塊設(shè)計(jì)：5.1Orcad軟件上的仿真部分：5.1.1數(shù)字功放原理圖（分解）5.1.2方波的產(chǎn)生矩形波產(chǎn)生電路如圖所示，它是在遲滯比較器的基礎(chǔ)上，把輸出電壓經(jīng)Rf、C反饋集成運(yùn)放的反相端。在運(yùn)放的輸出端引入限流電阻R和兩個穩(wěn)壓管而組成的雙向限幅電路。5.1.3工作原理在接通電源的瞬間，圖XX_01電路的輸出電壓究偏于正向飽和還是負(fù)向飽和，純屬偶然。設(shè)輸出電壓偏于負(fù)飽和值，即時，則集成運(yùn)放同相端的電壓為（1）而時電容反向充電，vc由零變負(fù)。在vc高于vp之前，不變。當(dāng)vc下降到略低于vp時，vo從–VZ跳變到+VZ。與此同時，vp由變?yōu)椋?）而是電容充電，在vc低于vp以前，不變。當(dāng)vc上升到略高于vp時，vo從+VZ跳到–VZ。如此循環(huán)不已，產(chǎn)生振蕩，輸出矩形波。5.1.4振蕩周期圖XX_02畫出了在時的一個方波的典型周期內(nèi)輸出端及電容C上的電壓波形。當(dāng)時，，則在的時間內(nèi)電容C上的電壓vc將以指數(shù)規(guī)律由向+Vz方向變化，根據(jù)一階RC電路的三要素法：A:時間常數(shù)B:在t1時刻vC的初始值C:若，vC的終了值是+VZ則得（3）其中，且t1≤t≤t2。當(dāng)時，，將這些條件代入式（3），得出（4）產(chǎn)生方波：當(dāng)正弦波剛剛進(jìn)入較小的鉗位現(xiàn)象時由開關(guān)放大器的正功率開關(guān)產(chǎn)生的電流。在第一個半周，正功率開關(guān)在大部分時間把大部分的功率都提供給負(fù)載，但若干能量開始存儲在輸出電感器中。在第二個半周，功率開關(guān)關(guān)斷，大部分時間及大部分電流都反向流經(jīng)開關(guān)。這個反向電流從輸出電感器來，經(jīng)過輸出功率開關(guān)Q3（見后文敘述）的源漏二極管把能量返給正電源。這樣第一個半周的正向電流傾向于降低正電源電壓，而第二個半周的反向電流卻要升高正電源電壓。由此可見，正功率開關(guān)在其開關(guān)接通期內(nèi)的平均電流是：sinx+sin2x/2。輸出正弦波的第一個半周平均電流是π+4/4π，這個數(shù)值是峰值電流的0.5683倍。輸出正弦波的第二個半周平均電流是π-4/4π，這個數(shù)值是峰值電流的0.0683倍。整個周期的平均電流是0.250，正好是正弦波平均功率與峰值功率之比的一半。經(jīng)過開關(guān)的峰值平均反向電流是平均峰值正向電流的0.125倍。這種情況將引起以普通手段設(shè)計(jì)電源的電壓達(dá)到短路般的損壞電平，除非此電源使用的是一個電池。5.1.5P5.2數(shù)字功放原理圖25.2.1輸入與輸出電壓：在輸入交流信號電壓為100mv,輸入頻率為1KHz時，對其進(jìn)行時域分析，從3ms到10ms的時間，每隔0.0000001s描一個點(diǎn)，其輸入、輸出波形如下：從輸出波形可以看出其放大倍數(shù)太小，而且跟以前所仿真的普通功放相對比其差距很大，主要是由于數(shù)字信號對其產(chǎn)生的影響。5.2.2靜態(tài)（直流）工作點(diǎn)分析：這個表列出了所示節(jié)點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)，其實(shí)這也可以直接從電路圖上可明顯的看出。5.2.3輸入阻抗、輸出阻抗和電壓增益：5.2.4電壓源的信息：6、總結(jié)：經(jīng)過近一個月的仿真，基本上完成了數(shù)字功放的仿真和PCB板的制作，小組人員之間的配合起了很大的作用，各自分工，遇到問題商量解決，由于后半部分的電路圖出現(xiàn)錯誤，所以整個電路未能得出最后仿真的波形。7、心得體會：通過這次實(shí)踐我從中學(xué)到了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和知識。我深刻的認(rèn)識到了硬件和軟件相結(jié)合是電子專業(yè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中相當(dāng)重要的一個環(huán)節(jié)，只有這樣才能提高自己的實(shí)際操作能力和軟件的運(yùn)用能力，并且從中培養(yǎng)自己的獨(dú)立思考，勇于克服困難能力。通過這一次的數(shù)字功放在仿真軟件上的學(xué)習(xí)，我不僅對成功有了更大向往，而且對于失敗我也明白坦然的好處和換個角度想的態(tài)度，一切的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)都是在實(shí)踐中一點(diǎn)一滴的積累起來的，實(shí)踐是培養(yǎng)我們動手能力的一個很好的方法，通過這次的軟件學(xué)習(xí)，我學(xué)會了總結(jié)一個月的學(xué)習(xí)，收獲很多，感悟很深，主要由以下幾個方面：<1>硬件和軟件有力結(jié)合的重要性。要想掌握一門技術(shù)，尤其是學(xué)習(xí)好電子這個專業(yè)，不僅要具備一定的動手操作能力，而且應(yīng)該究其問題給出理性的認(rèn)識，所以，軟件就在這方面起著很大的作用。通過軟硬件的結(jié)合，這就克服了在有些問題上盲目不知所措的現(xiàn)象。<2>各小組人員之間的配合。我懂得了小組之間的配合，往往要想干成干好一件大事，光靠個人能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，要想成功那么這條路上往往充滿著荊棘和坎坷，那么，自己身邊的朋友和同學(xué)就是這條成功路上的助腳，就一個問題進(jìn)行分工，各自完成相應(yīng)的部分，然后再總結(jié)結(jié)合在一起，那么很完美的一個設(shè)計(jì)就會成功。而且有些知識只靠個人能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)解決不了的，這就要體現(xiàn)團(tuán)隊(duì)合作精