【正文】 4 PCB 設計中應注意的問題 ....................................... 35 焊盤應注意的常見問題 ......................................... 37 第六章 總 結 ..................................................... 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，使功放模塊設計人員在設計功放的時候要面臨如下的技術挑戰(zhàn)：如何在有限的散熱空間內，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成、功能、及工作原理等。音頻功率放大器從電路從結構上來分有， OTL， OCL， BTL。采用 LM1875和 TDA1521 放大是構成本產品主要部件，接下來將設計方案原理制成 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計任務。 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)行機構中去完成某種任務，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計 及仿真 。 1． 1 音響的相關知識簡介 聲音的基本特性嗍 音量：它與聲波的物理量“振幅”有關，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：是人耳對聲音調子高低的主觀感覺，聲調的高低與聲音的物理量“頻率”有關，其對應人耳的聽覺范圍為： 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，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 音響的結構及參數(shù) 音響由前置放大器和功率放大器構成。前 置放大器承擔控制任務為主，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，進行各種音質控制，以美化音色。功率放大器，承擔放大任務，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％ )，此時對應的輸出電壓為最大輸出電壓。測量后應迅速減小 UI以免損壞功率放大器。 2．頻率響應：放大器的電壓增益相對于中音頻‘ (1Ⅺ拋 )的電壓增益下降 3dB時所對應的低音頻率 fi和高音頻率 fi稱為放大器的頻率響應。 測量條件：調節(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 )。 隨著半導體器件的出現(xiàn)和發(fā)展，放大器的設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 構中，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生大量熱量。流經輸出晶體管的電流與滿功率情況下通過揚聲器負載的驅動電流相當。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備，我們必須查看各種結構的優(yōu)劣之處。美國國家半導體公司的無濾波器 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，簡化了電路設計，且減小了電路板面積。 LM4667 用 Deltasigma 調制技術處理模擬輸 入信號，與傳統(tǒng)的脈寬調制方式相比，DeltaSigma 調制的線性度優(yōu)于 PWM（脈寬調制）， 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?？梢钥吹剑瑵M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 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