【正文】 應(yīng)用電子技術(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄1 引 言 52 音響的基礎(chǔ)知識(shí) 7 聲音的基本特性 7 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù) 7 放大器的技術(shù)指標(biāo) 73 放大器的簡(jiǎn)介 94 D類(lèi)功放的原理及仿真 13 D類(lèi)功放的工作原理 13 D類(lèi)功放的EDA仿真 15 EDA仿真概述 15 D放大器原理仿真概述 16 輸入信號(hào)抽樣――PWM波的形成仿真 17 輸出信號(hào)PWM波的頻譜仿真分析 17 D類(lèi)功放的優(yōu)點(diǎn) 185 D類(lèi)功放的硬件設(shè)計(jì) 19 D類(lèi)功放的設(shè)計(jì)原理 19 D類(lèi)功放的設(shè)計(jì)要素 22 輸出晶體管尺寸選擇 22 輸出級(jí)保護(hù) 22 音質(zhì)處理 23 EMI處理 25 LC濾波器設(shè)計(jì) 26 27 散熱注意事項(xiàng) 27 D類(lèi)功放電路分析與計(jì)算 31（PWM） 31 前置放大器 33 驅(qū)動(dòng)電路 34 高速開(kāi)關(guān)電路 35 低通濾波 406 MAX9703/MAX9704單聲道/立體聲D類(lèi)音頻功率放大器 44 概述 44 MAX9703/MAX9704詳細(xì)說(shuō)明 44 工作效率 44 應(yīng)用信息 457 D類(lèi)功放的發(fā)展與技術(shù)展望 47 D類(lèi)功放的不足 47 D類(lèi)功放的最新發(fā)展——T類(lèi)功率放大器 47結(jié)論 48致謝 49參考文獻(xiàn) 501 引 言 音響技術(shù)發(fā)展到今天，音響設(shè)備中大部分已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，如作為音源的CD、DAT、MD、DVD等，數(shù)字調(diào)音臺(tái)以及數(shù)字效果器、壓限器、激勵(lì)器等周邊設(shè)備也被一些專(zhuān)業(yè)場(chǎng)所使用。而作為音響系統(tǒng)最后環(huán)節(jié)的功率放大器和揚(yáng)聲器卻長(zhǎng)期在數(shù)字化的大門(mén)外徘徊。人們對(duì)音響重放高保真度的追求是永無(wú)止境的，而模擬功率放大器經(jīng)過(guò)了幾十年發(fā)展，在技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以說(shuō)已難于有新的突破。隨著生活水平的提高，環(huán)保與能量的利用率也漸漸成為人們所關(guān)注的問(wèn)題，正因?yàn)檫@樣，人們?cè)僖淮伟涯抗馔断驍?shù)字功放。其實(shí)早在20世紀(jì)60年代末期就有人著手?jǐn)?shù)字放大器的研究，為什么在這數(shù)十年以來(lái)的音響發(fā)展歷程，一直不見(jiàn)其產(chǎn)品面市？究其原因，是在數(shù)字音頻放大器的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中，最大的難題就是高速轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。因?yàn)槠湫枰獦O高的精確度，但在如何解決脈沖調(diào)制放大在工作時(shí)提供持續(xù)穩(wěn)定的線(xiàn)性響應(yīng)，以及如何避免產(chǎn)生輻射脈沖干擾等方面難以取得突破，故一直使脈沖調(diào)制型放大器在音響應(yīng)用領(lǐng)域停滯不前，舉步維艱。如今，隨著脈沖調(diào)制放大電路的技術(shù)瓶頸被逐漸解決，數(shù)字放大器的優(yōu)點(diǎn)日漸突顯，新品不斷推出，也越來(lái)越受到人們的關(guān)注了。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(lèi)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(xiàn)性放大區(qū)，功率耗散較大，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):，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。，輸出功率不可能做的很大。D類(lèi)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MOS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(lèi)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)際的運(yùn)用也可達(dá)80%以上。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)輸出功率很容易達(dá)到數(shù)百瓦。功率MOS有自保護(hù)電路，可以大大簡(jiǎn)化保護(hù)電路，而且不會(huì)引入非線(xiàn)性失真。對(duì)于高電感的揚(yáng)聲器，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，是可以省去低通濾波器〔LPF)，這樣可以大大的節(jié)省體積和花費(fèi)。而且有更高的保真度，這一點(diǎn)，在國(guó)外的SVD類(lèi)功率放大器中已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用，如:TEXAS公司的TPA2002D2。近年來(lái)，國(guó)外的公司對(duì)D類(lèi)功率放大器進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，提出了一些方案，但是尚存在了較大的難度，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(lèi)功率放大器對(duì)器件的要求較高，不利于降低成本。2 音響的基礎(chǔ)知識(shí) 聲音的基本特性音量:它與聲波的物理量“振幅”有關(guān)，聲波的振幅大，人耳就感覺(jué)聲音響，音量大，反之，則聲音輕，音量小，音量的大小是人耳聽(tīng)音的主觀(guān)感覺(jué)。音調(diào):是人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀(guān)感覺(jué)，聲調(diào)的高低與聲音的物理量“頻率”對(duì)應(yīng)人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍:20hz～20KHz稱(chēng)之為可聽(tīng)聲，低于20Hz稱(chēng)為次聲，高于20KHz稱(chēng)為超聲，人耳對(duì)3K～4K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(rùn)，晶體管功放奇次諧波多，聲音冷艷，清麗。 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù)前置放大器和功率放大器，前置放大器承擔(dān)控制任務(wù)為主，對(duì)各種節(jié)目源信號(hào)進(jìn)行選擇和處理，進(jìn)行各種音質(zhì)控制，以美化音色。功率放大器，承擔(dān)放大任務(wù)，是將前置放大器輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。有電壓放大，電流放大，要求是宏亮而不失真。 放大器的技術(shù)指標(biāo):音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值(r1%)的最大功率稱(chēng)為額定功率，表達(dá)式；P= U/R, U為負(fù)載兩端的最大不失真電壓，R為額定負(fù)載阻抗。測(cè)量條件如下:信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1KH，電壓U=20mV正弦信號(hào)。功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻凡(代替揚(yáng)聲器)，輸入端接U，逐漸增大輸入電壓U，直到U的波形剛好不出現(xiàn)諧波失真(r1%)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓。測(cè)量后應(yīng)迅速減小U，以免損壞功率放大器。放大器的電壓增益相對(duì)于中音頻f (1KHz)的電壓增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的低音音頻f和高音音頻f稱(chēng)為放大器的頻率響應(yīng)。測(cè)量條件如下: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(hào)發(fā)生器的輸出頻率f從20Hz20KHz(保持U=20mV不變)測(cè)出負(fù)載電阻上對(duì)應(yīng)的輸出電壓U。使音響放大器輸出額定功率時(shí)所需的輸入電壓(有效值)稱(chēng)為靈敏度。使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載凡上的電壓稱(chēng)為噪聲電壓U。測(cè)量:使輸入端對(duì)地短路，音量電位器為最大值，用示波器觀(guān)察輸出負(fù)載RL的電壓波形，用交流電壓表測(cè)量其有效值。3 放大器的簡(jiǎn)介功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類(lèi)。即A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)。在音頻功放領(lǐng)域中，前四類(lèi)均可直接采用模擬音頻信號(hào)直接輸入，放大后將此信號(hào)用以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。D類(lèi)放大器比較特殊，它只有兩種狀態(tài)，不是通就是斷。因此，它不能直接輸入模擬音頻信號(hào)，而是需要某種變換后再放大。1. A類(lèi)放大器我們略去電路直接從特性曲線(xiàn)來(lái)討論工作狀態(tài)，見(jiàn)圖31中左邊為晶體管輸入特性，固定置偏所形成的工作點(diǎn)在Q點(diǎn)，當(dāng)正弦音頻信號(hào)輸入時(shí)，其幅度未超出線(xiàn)性范圍，集電極工作狀態(tài)處于截止區(qū)和飽和點(diǎn)之內(nèi)，集電極電流為完整的全周導(dǎo)通的正弦波，此時(shí)導(dǎo)通角為180度，(導(dǎo)通角是以最小值至最大值之間占全周的部分來(lái)計(jì)算，全周導(dǎo)通時(shí)為180度)。這種放大狀態(tài)失真度較小，只受器件特性曲線(xiàn)的影響，若器件線(xiàn)性好則失真最小，但是，當(dāng)無(wú)交流輸入時(shí)，有約一半幅度(Q點(diǎn))的直流電流，其損耗為I V，故效率是最低的，低于50%，所以這種A類(lèi)功率放大僅用于很小功率的收音機(jī)，助聽(tīng)器中，也有用于高級(jí)的HiFi功放中。圖31 A類(lèi)放大器2. B類(lèi)放大器圖32 B類(lèi)放大器靜態(tài)置偏為Q點(diǎn)，處于截止點(diǎn)上，因此信號(hào)輸入時(shí)，只有半周導(dǎo)通(導(dǎo)通角為90度) ，如圖32所示。集電極輸出半個(gè)正弦波。這種狀態(tài)失真度就很大了，所以一般乙類(lèi)放大器都用雙管做成推挽式，每管工作半周構(gòu)成完整的正弦波以減少失真。乙類(lèi)狀態(tài)的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)信號(hào)時(shí)原則上沒(méi)有直流電流，因而沒(méi)有直流功率損耗，效率超過(guò)50%，但由于曲線(xiàn)起始端的非線(xiàn)性，常將推挽放大器的兩管均少量正向置偏，其導(dǎo)通角大于半周，故效率不能做得很高達(dá)60%70%.工作介于AB之間，故又稱(chēng)AB類(lèi)功放。其情況如圖33, 34。圖33 推挽電路形式IBVBEIBVBE圖34 AB類(lèi)放大和B類(lèi)放大3. C類(lèi)放大器情況如圖35，靜態(tài)置偏點(diǎn)在截止點(diǎn)之下，當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)只有超過(guò)偏置點(diǎn)部分管子才導(dǎo)通(導(dǎo)通角小于90度)，效率更高，但由于失真過(guò)大，難用于音頻功放，多用于高頻功放作為倍頻用，集電極電流呈脈沖狀，諧波豐富，再用高Q電路調(diào)諧于基波頻率，濾處諧波成分，使輸出完整波形的正弦波。CVceIcIb=0Q圖35 C類(lèi)放大器 4. D類(lèi)放大器以上各類(lèi)放大器介紹可知，影響放大器效率的基本因素是無(wú)信號(hào)時(shí)的工作電流，所形成的直流功率損耗。無(wú)信號(hào)時(shí)電流愈大則直流損耗大，效率低。為此，要提高效率則應(yīng)降低工作點(diǎn)，使無(wú)信號(hào)時(shí)，無(wú)直流損耗。但是，信號(hào)導(dǎo)通角逾小波形失真則愈大，輸出信號(hào)中諧波成分增加，這兩個(gè)要求矛盾。如果輸入波形其他邊沿很陡直，降低工作點(diǎn)后，對(duì)導(dǎo)通角影響很小，那么失真劣化不大而效率又可以提高。波形陡直的極端狀態(tài)時(shí)輸入信號(hào)為矩形波，這種波形，無(wú)論偏置如何變化，由于前后沿是垂直升降的，導(dǎo)通狀態(tài)都不會(huì)變化，這樣就誕生了工作與脈沖放大狀態(tài)的D類(lèi)放大器。D類(lèi)放大器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)信號(hào)時(shí)無(wú)電流，而導(dǎo)電時(shí)，沒(méi)有直流損耗。事實(shí)上由于關(guān)斷時(shí)器件尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時(shí)，器件并未完全短路，尚有一定管壓降，故存在較少直流損耗，效率不能達(dá)100%，實(shí)際在8090%,是實(shí)用放大器中效率最高的。正是由于D類(lèi)放大器的效率高，100瓦輸出的設(shè)備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個(gè)平方厘米，電路板可作的很小，大大減少了體積重量。并且由于工作比音頻高10余倍的脈沖狀態(tài)，電源整流紋波對(duì)電路工作影響很小。D類(lèi)放大器與線(xiàn)性音頻放大器（如A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)）相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。對(duì)于線(xiàn)性放大器（如AB類(lèi)）來(lái)說(shuō)，偏置原件和輸出晶體管的線(xiàn)性工作方式會(huì)損耗大量功率。因?yàn)镈類(lèi)放大器的晶體管只是作為開(kāi)關(guān)使用的，用來(lái)控制流過(guò)負(fù)載的電流方向，所以輸出級(jí)的功耗極低。D類(lèi)放大器的功耗主要來(lái)自輸出晶體管導(dǎo)通阻抗、開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)電流開(kāi)銷(xiāo)。放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類(lèi)放大器對(duì)散熱器的要求大為降低，甚至可以省去散熱器，因此非常適用于緊湊型大功率應(yīng)用。近年來(lái)，受以下兩個(gè)主要因素的影響，這樣的局面正逐漸扭轉(zhuǎn)，使D類(lèi)放大器在很多應(yīng)用領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。首先，是市場(chǎng)需要。D類(lèi)放大器的某些優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)了手機(jī)和LCD平板顯示器這兩個(gè)終端設(shè)備市場(chǎng)的迅速發(fā)展。對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，揚(yáng)聲器和PTT (PushtoTalk，一鍵通)模式需要D類(lèi)放大器的高效率，以延長(zhǎng)電池壽命。LCD平板顯示器的發(fā)展對(duì)電子器件提出了“低溫運(yùn)行(cool running)”的需求，這是由于工作溫度的升高將影響顯示顏色對(duì)比度。而D類(lèi)放大器的高效率意味著驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備時(shí)功耗更低，使LCD平板顯示器工作時(shí)發(fā)熱更少，圖像顯示效果更好。影響D類(lèi)放大器應(yīng)用的第二個(gè)因素便是自身技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)市場(chǎng)需要，一些制造商改進(jìn)了D類(lèi)放大技術(shù)，使D類(lèi)放大器具有更理想價(jià)格的同時(shí)，也具備了與AB類(lèi)放大器相近的音頻性能。此外，一些新型的D類(lèi)放大器輸出調(diào)制方案還可以降低實(shí)際應(yīng)用的EMI。 4 D類(lèi)功放的原理及仿真 D類(lèi)功放的工作原理D類(lèi)功率放大器的原理，首先將脈沖編碼調(diào)制（PCM，Pulse Code Modulation）音頻數(shù)據(jù)流通過(guò)專(zhuān)門(mén)的等比特?cái)?shù)字處理器（EquibitDSP）變換為脈寬調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）的數(shù)據(jù)流。采用脈寬調(diào)制后，音頻信號(hào)便成為一系列的用“0”和“1”表示的寬度可變的脈沖串，脈沖的寬度越寬，信號(hào)的幅度就越大。將這些脈寬調(diào)制的數(shù)據(jù)流去推功率放大器的常規(guī)