【正文】 4 PCB 設(shè)計中應(yīng)注意的問題 ....................................... 35 焊盤應(yīng)注意的常見問題 ......................................... 37 第六章 總 結(jié) ..................................................... 38 參考文獻 ........................................................... 39 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 1 前 言 隨著車載娛樂系統(tǒng)的發(fā)展，對功放部分的要求也越來越高：大功率、高效率（低散熱）、多通道、高保真、智能診斷及保護功能。 傳統(tǒng)的 AB 類功放已經(jīng)很難滿足這些要求，所以功放的發(fā)展趨勢是在 D類功放的基礎(chǔ)上，改善 EMC 性能、降低失真度，并支持數(shù)字音源輸入。新興的全數(shù)字音頻放大器對數(shù)字音源輸出的音頻信號進行直接處理和放大，可以方便地實現(xiàn)高保真、高效率和低成本的音頻放大器，因而可以為數(shù)字音源、音頻處理和功率放大的整合設(shè)計提供了完整的端到端數(shù)字解決方案具有推動音箱的能力。車載音頻系統(tǒng)對于功放多通道，高效率，低失真，智能化的要求，使功放模塊設(shè)計人員在設(shè)計功放的時候要面臨如下的技術(shù)挑戰(zhàn)：如何在有限的散熱空間內(nèi)，實現(xiàn)大功率，多通道輸出；如何監(jiān)控 功放芯片本身的工作狀態(tài)，保證功放芯片在過溫，過壓，過流情況下不受損害；選擇怎樣的濾波電路，使功放模塊通過 EMI檢測，不干擾其他模塊工作，尤其是不對收音模塊產(chǎn)生車載功放是車載娛樂系統(tǒng)中不可缺少的一個功能模塊。其作用是將音頻輸入的信號進行選擇與入處理，進行功率放大，使電信干擾小。 本文介紹了音頻功率放大器構(gòu)成、功能、及工作原理等。音頻功率放大器從電路從結(jié)構(gòu)上來分有， OTL， OCL， BTL。采用 LM1875和 TDA1521 放大是構(gòu)成本產(chǎn)品主要部件，接下來將設(shè)計方案原理制成 PCB 板，通過原理圖及所要元件焊 接電路板，在對電路板進行測試最終完成設(shè)計任務(wù)。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 2 第一章 概 述 功率放大電路主要實現(xiàn)信號電壓和電流的放大，以便送到執(zhí)行機構(gòu)中去完成某種任務(wù)，如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作或儀表指示等。 功率放大器是一種十分常用的電子電路，廣泛應(yīng)用于家庭影院、音響系統(tǒng)、立體聲唱機、樂器系統(tǒng)、車載娛樂系統(tǒng)、手機、掌上電腦以及 LCD監(jiān)視器、 LCD 投影儀等電子系統(tǒng)。本論文的研究主要涉及 車載 音頻功率放大器的設(shè)計 及仿真 。 1． 1 音響的相關(guān)知識簡介 聲音的基本特性嗍 音量：它與聲波的物理量“振幅”有關(guān)，聲波的振幅大，人耳 就感覺聲音響，音量大，反之，則聲音輕，音量小，音量的大小是人耳聽覺的主觀感覺。 音調(diào)：是人耳對聲音調(diào)子高低的主觀感覺，聲調(diào)的高低與聲音的物理量“頻率”有關(guān)，其對應(yīng)人耳的聽覺范圍為： 20H乃以0KHz稱之為可聽聲，低于 20Hz稱為次聲，高于 20K№稱為超聲，人耳對 3KHz^4KHz的聲音最敏感。 音色：又叫音品或音質(zhì)，它是由聲音的波形決定的，電子管功放的偶次諧波多，奇次諧波少，聲音柔美，甜潤，晶體管功放奇次諧波多，偶次諧波少，聲音冷艷，清麗。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 3 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù) 音響由前置放大器和功率放大器構(gòu)成。前 置放大器承擔控制任務(wù)為主，對各種聲音源信號進行選擇和處理，對微弱信號放大到O． 5V～ lV，進行各種音質(zhì)控制，以美化音色。功率放大器，承擔放大任務(wù)，是將前置放大器輸出的音頻信號進行功率放大，以推動揚聲器發(fā)聲。功率放大器有電壓放大和電流放大之分，對其要求是輸出的聲音宏亮而不失真。 放大器技術(shù)指標 1．額定功率：音頻放大器輸出失真度小于某一數(shù)值 (r1％ )的最大功率稱為額定功率，表達式： Po． U02／ RL， uo為負載兩端的最大不失真電壓， RL為額定負載阻抗。 測量條件：可以利用信號發(fā)生器輸出頻率為 lKHz，電壓 UI_20mV正弦信號。 功率放大器的輸出端接額定負載電阻 RL(代替揚聲器 )，輸入端接uI，逐漸增大 輸入電壓 uI，直到 Uo的波形剛好不出現(xiàn)諧波失真 (r1％ )，此時對應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓。測量后應(yīng)迅速減小 UI以免損壞功率放大器。 2．頻率響應(yīng)：放大器的電壓增益相對于中音頻‘ (1Ⅺ拋 )的電壓增益下降 3dB時所對應(yīng)的低音頻率 fi和高音頻率 fi稱為放大器的頻率響應(yīng)。 測量條件：調(diào)節(jié)音量控制器使輸出電壓約為最大輸出電壓的 50％，輸入端接音 調(diào)控制器，使信號發(fā)生器的輸出頻率 f從 20Hz~20KH2(保持 UI=20mV不變 )測出 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 4 負載電阻上對應(yīng)的輸出電壓 uo。 3．輸入靈敏度：使音響放大器輸出額定功率時所需的輸入電壓 (有效值 )稱為靈敏度。 4．噪聲電壓：使輸入為零時，輸出負載 I也上的電壓稱為噪聲電壓 uo。 測量條件；使輸入端對地短路，音量電位器調(diào)至最大值，用示波器觀察輸出 負載 RL 的電壓波形，用交流電壓表測量其有效值。 音頻放大器分類 長期以來，高品質(zhì)音頻放大器的工作類別，只限于 A類 (甲類 )和 AB類 (甲乙類 )。其原因在于過去只有電子管這樣的器件， B類 (乙類 )電子管放大器產(chǎn)生的失真 使它們甚至在公共廣播用時都難于被人們所接受。所有的自稱為高保真放大器均工作于推挽式的 A類 (甲類 )。 隨著半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)和發(fā)展，放大器的設(shè)計得到了更多的自由。就放大器的類別而言，已不限于 A 類 (甲類 )和 AB 類(甲乙類 )。這里將各種類別的放大器簡介如下。不過需要指出，就目前來說用于音頻功率放大器的工作類別， A類 (甲類 )、 AB類 (甲乙類 )和 B 類 (乙類 )這三類放大器仍覆蓋著半導(dǎo)體放大器的絕大多數(shù)。 A 類（甲類）放大器 A 類放大器（圖 328）對音頻波形的兩個半周使用相同的晶體管。在這種結(jié) 構(gòu)中，輸出晶體管總是有電流通過，即使沒有輸入信號，輸出晶 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 5 體管也不會截止，通過晶體管的為直流電流。純 A 類放大器效率非常低，即使沒有音頻輸出也會產(chǎn)生大量熱量。流經(jīng)輸出晶體管的電流與滿功率情況下通過揚聲器負載的驅(qū)動電流相當。許多人認為 A 類放大器的聲音好于其它類型的放大器，這在某些方面 可能是正確的 圖 11 A 類放大器示意圖 圖 12 A 類放大器示意圖 A 類放大器的特性是高保真與低效率。保真意味著除了幅值以外，輸出信 號在各個方面都與輸入信號非常相象，即它們有相同的 形態(tài)與頻率。某些情況下， 輸出信號與輸入信號之間可能會有一個相位差（一般是 180176。），但仍然能非常 好地復(fù)制源信號。如果輸出信號在形態(tài)或頻率上與輸入信號有差異，則信號就失真了。失真就是在輸入至輸出之間出現(xiàn)不期望的信號變化。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 6 B 類（乙類）放大器 B 類放大器（圖 13）在波形的每個半周分別使用不同的晶體管進行放大。 純 B 類放大器一般不用于音頻領(lǐng)域。在 B 類放大器中，會有少部分波形出現(xiàn)失 真。我們知道，要使一只雙極晶體管導(dǎo)通，需要在基極至發(fā)射電極上施加大約為 的電壓。在純 B 類放大 器中，輸出晶體管沒有被偏置在 ON（導(dǎo)通）的工作狀態(tài)。這意味著位于 窗口中的那部分波形不會被準確放大。波形每個半周（正半周和負半周）的輸出晶體管都有一個 的不導(dǎo)通區(qū)域（圖 13）。 波形的失真部分叫做交越失真。 信號中的這一失真是不希望出現(xiàn)的（與源信號相 比）。圖（ 330）顯示的是交越失真的形狀。 B 類放大器的效率是 A 類放大器的兩倍，因為放大器件只在輸入信號的一半時間導(dǎo)通（并消耗功率）。 圖 13 B 類放大器示意圖 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 7 圖 14 交越失真的形狀 AB 類（甲乙類）放大器 A 類放大器效率低，不利于節(jié)能。 B 類放大器則會造成信號失真，不適用于音頻放大器。 AB 類放大器（圖 15）則是最佳的折衷方案。 AB 類放大器是有恒定小偏置電流流過輸出晶體管的 B 類放大器，這樣可以消除交越失真。由于輸出晶體管總是處于導(dǎo)通狀態(tài)（即使沒有音頻輸入信號時），所以總是有少量偏置電流通過。與純 A 類放大器不同的是電流量大小不同。純 A 類放大器的輸出晶體管在沒有音頻信號時也要承受大量電流。純 B 類放大器的輸出晶體管在沒有輸入信號時則沒有電流通過。 AB 類放大器的 效率比 A 類放大器高很多，且 沒有 B 類放大器的失真問題。AB 類放大器的效率可高達 65%。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 8 圖 15 AB 類放大器示意圖 D 類（丁類）放大器 這是由一 個 H橋和一個負載組成的開關(guān)式放大器（圖 332）。負載包括揚聲器阻抗和一個無源濾波器。 H橋控制通過揚聲器的電流， LC 濾波器則過濾開關(guān)噪聲。為了更好地說明為什么這種方式比傳統(tǒng)線性放大器更適合于移動或便攜設(shè)備，我們必須查看各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣之處。美國國家半導(dǎo)體公司的無濾波器 D類放大器 LM4667（圖 333）是全差分輸入輸出，用創(chuàng)新的調(diào)制器代替了 LC 輸出濾波器。由于節(jié)省了輸出濾波器，從而降低了元件數(shù)量，簡化了電路設(shè)計，且減小了電路板面積。 LM4667 用 Deltasigma 調(diào)制技術(shù)處理模擬輸 入信號，與傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制方式相比，DeltaSigma 調(diào)制的線性度優(yōu)于 PWM（脈寬調(diào)制）， 此外還降低了輸出噪聲和 THD。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 9 圖 16 D 類放大器示意圖 圖 17 全差分輸入輸出 D 類放大器 LM4667 AB 類放大器與 D 類放大器效率比較 圖 18顯示效率比較曲線，上方的曲線是 D 類放大器的效率，下方的曲 線是 AB 類放大器的效率。可以看到，滿功率輸出時兩者的效率 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 10 很接近（ AB 類約 65%， D 類約 88%）， 只有 23% 的差別，但在實際應(yīng)用中，多數(shù)時間里放大器的輸出處于 1/3 到 1/2 功率，此時 AB 類放大器效率僅為 3040%，而 D類放大器則有 80% 以上。巨大的效率差（ 40% 以上）意味著無用功率（產(chǎn)生熱量）和降低電池的使用時間。 圖 18 D 類音頻放大與 AB 類音頻放大效率對比 總結(jié) A 類放大器效率低，但是具有高保真。 B 類放大器一般不用于音頻領(lǐng)域，因為 B 類放大器波形的一小部分會發(fā)生交越失真。AB 類放大器效率比 A 類放大器高得多， 并且沒有 B 類放大器的失真問題。 D 類放大器的效率很高。效率的提高可以轉(zhuǎn)化為更低的系統(tǒng)成本、更低的工作溫度、更低的供電電壓以及更低的功耗。但是 D 類放大器存在 EMI 電磁干擾、頻率響應(yīng)范圍窄、動態(tài)范圍窄、低通濾波器大電感大電容、對電源要求高等問題 AB 類放大器 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 11 的實際工作效率在 3040%間徘徊，而 D 類放大器的效率可輕易達到 80%。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文