【正文】 應用電子技術畢業(yè)設計目錄1 引 言 52 音響的基礎知識 7 聲音的基本特性 7 音響的結構及參數(shù) 7 放大器的技術指標 73 放大器的簡介 94 D類功放的原理及仿真 13 D類功放的工作原理 13 D類功放的EDA仿真 15 EDA仿真概述 15 D放大器原理仿真概述 16 輸入信號抽樣――PWM波的形成仿真 17 輸出信號PWM波的頻譜仿真分析 17 D類功放的優(yōu)點 185 D類功放的硬件設計 19 D類功放的設計原理 19 D類功放的設計要素 22 輸出晶體管尺寸選擇 22 輸出級保護 22 音質處理 23 EMI處理 25 LC濾波器設計 26 27 散熱注意事項 27 D類功放電路分析與計算 31（PWM） 31 前置放大器 33 驅動電路 34 高速開關電路 35 低通濾波 406 MAX9703/MAX9704單聲道/立體聲D類音頻功率放大器 44 概述 44 MAX9703/MAX9704詳細說明 44 工作效率 44 應用信息 457 D類功放的發(fā)展與技術展望 47 D類功放的不足 47 D類功放的最新發(fā)展——T類功率放大器 47結論 48致謝 49參考文獻 501 引 言 音響技術發(fā)展到今天，音響設備中大部分已實現(xiàn)了數(shù)字化，如作為音源的CD、DAT、MD、DVD等，數(shù)字調音臺以及數(shù)字效果器、壓限器、激勵器等周邊設備也被一些專業(yè)場所使用。而作為音響系統(tǒng)最后環(huán)節(jié)的功率放大器和揚聲器卻長期在數(shù)字化的大門外徘徊。人們對音響重放高保真度的追求是永無止境的，而模擬功率放大器經(jīng)過了幾十年發(fā)展，在技術上已經(jīng)相當成熟，可以說已難于有新的突破。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注的問題，正因為這樣，人們再一次把目光投向數(shù)字功放。其實早在20世紀60年代末期就有人著手數(shù)字放大器的研究，為什么在這數(shù)十年以來的音響發(fā)展歷程，一直不見其產(chǎn)品面市？究其原因，是在數(shù)字音頻放大器的設計與制作過程中，最大的難題就是高速轉換控制系統(tǒng)。因為其需要極高的精確度，但在如何解決脈沖調制放大在工作時提供持續(xù)穩(wěn)定的線性響應，以及如何避免產(chǎn)生輻射脈沖干擾等方面難以取得突破，故一直使脈沖調制型放大器在音響應用領域停滯不前，舉步維艱。如今，隨著脈沖調制放大電路的技術瓶頸被逐漸解決，數(shù)字放大器的優(yōu)點日漸突顯，新品不斷推出，也越來越受到人們的關注了。低失真，大功率，高效率是對功率放大器提出的普遍要求。模擬功率放大器通過采用優(yōu)質元件，復雜的補償電路，深負反饋，使失真變得很小，但大功率和高效率一直沒有很好的解決。工作在開關狀態(tài)下的D類功率放大器卻很容易實現(xiàn)，大功率，高效率，低失真。傳統(tǒng)的音頻功放工作時，直接對模擬信號進行放大，工作期間必須工作于線性放大區(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，仍然對功率器件構成極大威脅。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:，成本高。常常需要設計復雜的補償電路和過流，過壓，過熱等保護電路，體積較大，電路復雜。，輸出功率不可能做的很大。D類開關音頻功率放大器的工作基于PWM模式:將音頻信號與采樣頻率比較，經(jīng)自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號幅度成正比例變化的PWM波，然后經(jīng)過驅動電路，加到功率MOS的柵極，控制功率器件的開關，實現(xiàn)放大，將放大的PWM送入濾波器，則還原為音頻信號。D類功率放大器工作于開關狀態(tài)，理論效率可達100%，實際的運用也可達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)輸出功率很容易達到數(shù)百瓦。功率MOS有自保護電路，可以大大簡化保護電路，而且不會引入非線性失真。對于高電感的揚聲器，在設計電路時，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。而且有更高的保真度，這一點，在國外的SVD類功率放大器中已經(jīng)開始運用，如:TEXAS公司的TPA2002D2。近年來，國外的公司對D類功率放大器進行了研究和開發(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，降低失真，必須提高調制頻率，但是在較高頻率下，會產(chǎn)生一定的問題，同時，D類功率放大器對器件的要求較高，不利于降低成本。2 音響的基礎知識 聲音的基本特性音量: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音的主觀感覺。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”對應人耳的聽覺范圍:20hz～20KHz稱之為可聽聲，低于20Hz稱為次聲，高于20KHz稱為超聲，人耳對3K～4K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，聲音冷艷，清麗。 音響的結構及參數(shù)前置放大器和功率放大器，前置放大器承擔控制任務為主，對各種節(jié)目源信號進行選擇和處理，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。有電壓放大，電流放大，要求是宏亮而不失真。 放大器的技術指標:音響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；P= U/R, U為負載兩端的最大不失真電壓，R為額定負載阻抗。測量條件如下:信號發(fā)生器輸出頻率為1KH，電壓U=20mV正弦信號。功率放大器的輸出端接額定負載電阻凡(代替揚聲器)，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%)，此時對應的輸出電壓為最大輸出電壓。測量后應迅速減小U，以免損壞功率放大器。放大器的電壓增益相對于中音頻f (1KHz)的電壓增益下降3dB時所對應的低音音頻f和高音音頻f稱為放大器的頻率響應。測量條件如下: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20Hz20KHz(保持U=20mV不變)測出負載電阻上對應的輸出電壓U。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。使輸入為零時，輸出負載凡上的電壓稱為噪聲電壓U。測量:使輸入端對地短路，音量電位器為最大值，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。3 放大器的簡介功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類。即A類、AB類、B類、C類、D類。在音頻功放領域中，前四類均可直接采用模擬音頻信號直接輸入，放大后將此信號用以推動揚聲器發(fā)聲。D類放大器比較特殊，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，而是需要某種變換后再放大。1. A類放大器我們略去電路直接從特性曲線來討論工作狀態(tài)，見圖31中左邊為晶體管輸入特性，固定置偏所形成的工作點在Q點，當正弦音頻信號輸入時，其幅度未超出線性范圍，集電極工作狀態(tài)處于截止區(qū)和飽和點之內，集電極電流為完整的全周導通的正弦波，此時導通角為180度，(導通角是以最小值至最大值之間占全周的部分來計算，全周導通時為180度)。這種放大狀態(tài)失真度較小，只受器件特性曲線的影響，若器件線性好則失真最小，但是，當無交流輸入時，有約一半幅度(Q點)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類功率放大僅用于很小功率的收音機，助聽器中，也有用于高級的HiFi功放中。圖31 A類放大器2. B類放大器圖32 B類放大器靜態(tài)置偏為Q點，處于截止點上，因此信號輸入時，只有半周導通(導通角為90度) ，如圖32所示。集電極輸出半個正弦波。這種狀態(tài)失真度就很大了，所以一般乙類放大器都用雙管做成推挽式，每管工作半周構成完整的正弦波以減少失真。乙類狀態(tài)的最大優(yōu)點是無信號時原則上沒有直流電流，因而沒有直流功率損耗，效率超過50%，但由于曲線起始端的非線性，常將推挽放大器的兩管均少量正向置偏，其導通角大于半周，故效率不能做得很高達60%70%.工作介于AB之間，故又稱AB類功放。其情況如圖33, 34。圖33 推挽電路形式IBVBEIBVBE圖34 AB類放大和B類放大3. C類放大器情況如圖35，靜態(tài)置偏點在截止點之下，當信號輸入時只有超過偏置點部分管子才導通(導通角小于90度)，效率更高，但由于失真過大，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類放大器 4. D類放大器以上各類放大器介紹可知，影響放大器效率的基本因素是無信號時的工作電流，所形成的直流功率損耗。無信號時電流愈大則直流損耗大，效率低。為此，要提高效率則應降低工作點，使無信號時，無直流損耗。但是，信號導通角逾小波形失真則愈大，輸出信號中諧波成分增加，這兩個要求矛盾。如果輸入波形其他邊沿很陡直，降低工作點后，對導通角影響很小，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)時輸入信號為矩形波，這種波形，無論偏置如何變化，由于前后沿是垂直升降的，導通狀態(tài)都不會變化，這樣就誕生了工作與脈沖放大狀態(tài)的D類放大器。D類放大器工作于開關狀態(tài)，無信號時無電流，而導電時，沒有直流損耗。事實上由于關斷時器件尚有微小漏電流，而導通時，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100%，實際在8090%,是實用放大器中效率最高的。正是由于D類放大器的效率高，100瓦輸出的設備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個平方厘米，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)，電源整流紋波對電路工作影響很小。D類放大器與線性音頻放大器（如A類、B類和AB類）相比，在功效上有相當?shù)膬?yōu)勢。對于線性放大器（如AB類）來說，偏置原件和輸出晶體管的線性工作方式會損耗大量功率。因為D類放大器的晶體管只是作為開關使用的，用來控制流過負載的電流方向，所以輸出級的功耗極低。D類放大器的功耗主要來自輸出晶體管導通阻抗、開關損耗和靜態(tài)電流開銷。放大器的功耗主要以熱量的形式耗散。D類放大器對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用。近年來，受以下兩個主要因素的影響，這樣的局面正逐漸扭轉，使D類放大器在很多應用領域引起了人們的廣泛關注。首先，是市場需要。D類放大器的某些優(yōu)點推動了手機和LCD平板顯示器這兩個終端設備市場的迅速發(fā)展。對于手機來說，揚聲器和PTT (PushtoTalk，一鍵通)模式需要D類放大器的高效率，以延長電池壽命。LCD平板顯示器的發(fā)展對電子器件提出了“低溫運行(cool running)”的需求，這是由于工作溫度的升高將影響顯示顏色對比度。而D類放大器的高效率意味著驅動電子設備時功耗更低，使LCD平板顯示器工作時發(fā)熱更少，圖像顯示效果更好。影響D類放大器應用的第二個因素便是自身技術的發(fā)展。根據(jù)市場需要，一些制造商改進了D類放大技術，使D類放大器具有更理想價格的同時，也具備了與AB類放大器相近的音頻性能。此外，一些新型的D類放大器輸出調制方案還可以降低實際應用的EMI。 4 D類功放的原理及仿真 D類功放的工作原理D類功率放大器的原理，首先將脈沖編碼調制（PCM，Pulse Code Modulation）音頻數(shù)據(jù)流通過專門的等比特數(shù)字處理器（EquibitDSP）變換為脈寬調制（PWM，Pulse Width Modulation）的數(shù)據(jù)流。采用脈寬調制后，音頻信號便成為一系列的用“0”和“1”表示的寬度可變的脈沖串，脈沖的寬度越寬，信號的幅度就越大。將這些脈寬調制的數(shù)據(jù)流去推功率放大器的常規(guī)