【正文】 。 2. 開關(guān)功率輸出電路 ① ． H 橋式輸出電路基本結(jié)構(gòu) H 橋式輸出電路在數(shù)字功放中廣泛采用，其差動(dòng)平衡式輸出可以濾除共模噪聲，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率，典型的數(shù)字功放 H 橋式輸出電路如 圖 519所示，由四個(gè)開關(guān)與輸出濾波器組成。 方案一：選用晶體三極管、 IGBT 管。電路輸出載波峰 —峰值不可能超過 5v 電源電 壓，最大輸出功率遠(yuǎn)達(dá)不到題目 的基本要求。 驅(qū)動(dòng)電路 電路如圖 516 所示。 選擇同相放大器的目的是容易實(shí)現(xiàn)輸入電阻 R1=10KΩ的要求。設(shè)置前置放大器，可使整個(gè)功放的增益從 1— 20 連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。使振蕩器頻率 f在 150KHz 左右有較大的調(diào)整范圍。 電路參數(shù)的計(jì)算：在 5v 單電源供電下，我們將運(yùn)放 5腳和比較器 3腳的電位用 R8 調(diào)整為 ，同時(shí)設(shè)定輸出的對稱三角波幅度為 1v(Vp_p＝ 2V)。 若合理的選擇器件參數(shù)，可使其能在較低的電壓下工作，故選用此方案。雖然這一效率優(yōu)勢降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對散熱性能設(shè)計(jì)的要求，但仍然不能完全忽視系統(tǒng)散熱。然而，高頻揚(yáng)聲器和分頻網(wǎng)絡(luò)的存在將降低阻抗值。揚(yáng)聲器是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，具有多種諧振元件。此外， 12 負(fù)載的工作效率要比 4 負(fù)載的高出 10%到 15%，降低了功耗。要降低峰值電流，應(yīng)在保證輸出功率，以及 D 類放大器的電壓擺幅以及電源電壓的限制的條件下，選擇最大阻抗的揚(yáng)聲器，如圖 510 所示。圖 59 給出了一個(gè) PCB 表貼散熱片 (218 系列 )。 圖 58 D 類放大器 3. 輔助散熱 當(dāng) D 類放大器在較高的環(huán)境溫度下工作時(shí)，增加外部散熱片可以改善 PCB的熱性能。圖 58給出的 PCB中，采用寬的連線將 D類放大器的輸出與圖右側(cè)的兩個(gè)電感相連。 與裸露焊盤相接的敷銅塊應(yīng)該用多個(gè)過孔連到 PCB 背面的其他敷銅塊上。盡可能在敷銅塊與臨近的具有等電勢的 D類放大器引腳以及其他元件之間多布一些覆銅。 圖 56 正弦波的 RMS 值高于音頻信號(hào)的 RMS值，意味著用正弦波測試時(shí)， D類放大器的發(fā)熱更大。同樣，音頻信號(hào)可能存在突變，但正如測量結(jié)果所示，其平均值仍遠(yuǎn)低于正弦波。 常見的音源，包含音樂和語音，其 RMS 值往往比峰值輸出功率低得多。盡管如此，使用 D類仍然需要放大器時(shí)慎重考慮其散熱。但是在低成本、低功耗應(yīng)用中，電感器的成本很高。對于處理模擬輸入的 D類放大器也需如此轉(zhuǎn)換，但對于數(shù)字輸入的 D類放大器有效地 集成了 DAC 功能。真正需要考慮的折衷是系統(tǒng)的其它元器件。如果電阻太高，應(yīng)當(dāng)使用較粗的繞線或選用要求繞線匝數(shù)較少的其它金屬材質(zhì)的磁芯，用以提供需要的電感。原因是27 如果電流超過額定電流閾值并且電流密度太高，許多電感器磁芯會(huì)發(fā)生磁性飽和，導(dǎo)致電感急劇減小，這是我們所不期望的。對于常見的揚(yáng)聲器阻抗以及標(biāo)準(zhǔn)的 L值和 C 值，表 51給出了標(biāo)稱元器件值及其相應(yīng)的近似 Butterworth 響應(yīng)。盡管揚(yáng)聲器阻抗有時(shí)近似于簡單的電阻，但實(shí)際阻抗比較復(fù)雜并且可能包括顯著的無功分量。在成本和 EMI性能之間的一種好的折衷方法是通過屏蔽減小來自低成本鼓形磁芯的輻射。通過保持非重疊時(shí)間非常短 (還建議將音頻失真減至最小 )使 EMI減至最小。正確布置它們可將高頻瞬態(tài)電 流限制在靠近放大器的本地環(huán)路內(nèi)，而不會(huì)沿電源線長距離傳導(dǎo)。另一個(gè)要注意的地方是當(dāng)輸出級(jí)晶體管柵極電容開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的瞬態(tài)電荷。但是，可以使用一些板級(jí)的設(shè)計(jì)方法減少 D類放大器發(fā)射的 EMI，而不管其基線譜如何。 EMI 處理 D類放大器輸出的高頻分量值得認(rèn)真考慮。這樣可以改善 PSR，但不會(huì)解決任何失真問題。連續(xù)時(shí)間模擬反饋對于捕獲有關(guān)脈沖時(shí)序誤差的重要信息也是必需的，因此控制環(huán)路必須包括模擬電路以處理反饋信號(hào)。 LC 濾波器輸入的反饋會(huì)大大提高 PSR 并且衰減所有非 LC濾波器失真源。濾波器抑制高頻噪聲，但所有音頻頻率都會(huì)通過，包括音頻噪聲。用于避免沖擊最短的死區(qū)時(shí)間對于將失真減至最小經(jīng)常是最有利的。這對于各種放大器是可以達(dá)到的，但在放大器設(shè)計(jì)期間必須跟蹤具體的噪聲源以保證達(dá)到滿意的總體 SNR。 音 質(zhì)處理 在 D 類放大器中，要獲得好的總體音質(zhì)必須解決幾個(gè)問題。因此，避免 MH 和 ML 同時(shí)導(dǎo)通的情況很重要，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生一個(gè)從 VDD到 VSS 的低電阻路徑通過晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。 欠壓 : 大多數(shù)開關(guān)輸出級(jí)電路只有當(dāng)正電源電壓足夠高時(shí)才能正常工作。在簡單保護(hù)方案中，如果輸出電流超過安全閾值，輸出級(jí)關(guān)斷。通過測量溫度，控制電路可逐漸減小音量水平，減少功耗并且很好地將溫度保持在限定值范圍內(nèi)，而不是在熱關(guān)斷期間強(qiáng)制不發(fā)出聲音。 輸出級(jí)保護(hù) 輸出級(jí)必須加以保護(hù)以免受許多潛在危險(xiǎn)條件的危害： 過熱 : 盡管 D 類放大器輸出級(jí)功耗低于線性放大器，但如果放大器長時(shí)間提供非常高的功率，仍會(huì)達(dá)到危害輸出晶體管的水平。如果電容或頻率太高，這個(gè)“開關(guān)損耗”就會(huì)過大，所以存在實(shí)際的上限。 輸出晶體管尺寸選擇 選擇輸出晶體管尺寸是為了在寬范圍信號(hào)調(diào)理范圍內(nèi)降低功耗。嚴(yán)格地講，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)去，但作為一個(gè)功放產(chǎn)品指定音箱是行不通的，所以 D類功放與音箱的搭配小更有發(fā)燒友馳騁的天地。 同時(shí)，三角波形的形狀、頻率的準(zhǔn)確性和時(shí)鐘信號(hào)的抖晃都會(huì)影響到以后復(fù)原的信號(hào)與原信號(hào)不同而產(chǎn)生失真。頻率過低達(dá)到同樣要求的 THD 標(biāo)準(zhǔn)，對無源 LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若干年前，這種高頻大功率管的價(jià)格昂貴，在一定程度上限制了 D 類功放的發(fā)展。此時(shí)功放管的線性已沒有太大意義，更重要的是開關(guān)響應(yīng)和飽和壓降。方法很簡單，只需要用一個(gè)低通濾波器。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時(shí)，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。一方面汽車用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無法放入有大散熱板結(jié)構(gòu)的功故，兩者都希望有 D類這樣高效的放大器來放大音頻信號(hào)。在理想情況下， D 類功放的效率為 100％， B類功放的效率為 78． 5％， A類功放的效率才 50％或 25％ (按負(fù)載方式而定 )。 D類功放是放大力件處于開關(guān) 工作狀態(tài)的一種放大模式。 B類功放雖然效率提高很多，但實(shí)際效率僅為 50％左右，在小型使撓式音響設(shè)備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大功率功放場合，仍感效率偏低不能令人滿意。產(chǎn)品的一致性好，生產(chǎn)中無需調(diào)試，只要保證元器件正確安裝即可。其電源使用效率高達(dá) 90%以上，節(jié)約能源，也符合環(huán)保要求。 （ 4）無過零失真。 （ 2）高、中、低頻無相對相移，聲音清晰透明，聲像定位準(zhǔn)確。實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型包括 A 類放大器， AB 類放大器和 B 類放大器。運(yùn)行仿真試驗(yàn)的目的就是得出分析數(shù)據(jù)、電路波形特性及各種相關(guān)參數(shù)。 本課題研究時(shí)采用簡單易用的 EWB 軟件，其操作簡單、直觀，對計(jì)算機(jī)的要求低，特別適合初學(xué)者和在校的學(xué)生使用。從 70年代的（ CAD）階段和 80 年代的（ CAE）階段，到 90年代的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ EDA）階段。因此用 LPF低通濾波器就可以濾去高頻諧波而得到正 弦基波成分，因此，可使數(shù)模轉(zhuǎn)換電路非常簡化。這里沒有應(yīng)用一般概念的 A/D 變換電路，而是用一個(gè)幅度與放大的正弦信 號(hào)近似的三角波，共同作為變換器輸入，相當(dāng)于反相比較器。 圖 41 D 類放大器的原理方塊圖 輸出 A / D LPF 輸入 D/ A 14 圖 42 將正弦波變?yōu)槊}沖波的脈寬調(diào)制電路 從圖 41 的結(jié)構(gòu)可知，兩個(gè)放大器反相連接，實(shí)際上構(gòu)成推挽狀態(tài)，起到 開關(guān)作用去控制與電源串聯(lián)的負(fù)載回路 (RL)，低通濾波器 LPF可以濾去脈沖波的高頻部分，得到基波成分，所以實(shí)際上成為數(shù) /模 (D/A)轉(zhuǎn)換電路，重新將脈沖波還原成為正弦波。晶體管導(dǎo)通工作時(shí)間越長，信號(hào)幅度便越大，于是晶體輸出管為揚(yáng)聲器提供的電流也時(shí)而因管子導(dǎo)通而有電流流過，時(shí)而因管子截止而沒有電流流過，音頻信息便包含在這些接通、斷開的周期過程中。 13 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(diào)制（ PCM， Pulse Code Modulation）音頻數(shù)據(jù)流通過專門的等比特?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。而 D 類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。 首先，是市場需要。 D類放大器的功耗主要來自輸出晶體管導(dǎo)通阻抗、開關(guān)損耗和靜態(tài)電流開銷。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。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 類放大器。無信號(hào)時(shí)電流愈大則直流損耗大，效率低。乙類狀態(tài)的最大優(yōu)點(diǎn)是無信號(hào)時(shí)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(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 AB 類功放。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(dāng)無交流輸入時(shí)，有約一半幅度 (Q 點(diǎn) )的直流電流，其損耗為 ICO VCC ，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(jī)，助聽器中，也有用于高級(jí)的 HiFi功放中。在音頻功放領(lǐng)域中，前四類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。 使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載凡上的電壓稱為噪聲電壓 U0 。測量后應(yīng)迅速減小 Ui ，以免損壞功率放大器。有電壓放大，電流放大，要求是宏亮而不失真。 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”對應(yīng)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。 對于高電感的揚(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)。 6 D類開關(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)過驅(qū)動(dòng)電路，加到功率 MOS 的柵極，控制功率器件的開關(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)。功率輸出受到限制。 低失真，大功率，高效率 是對功率放大器提出的普遍要求。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)注的問題，正因?yàn)檫@樣，人們再一次把目光投向數(shù)字功放。 在本文里，對放大器的各個(gè)模塊包括放大電路、比較器電路、三角波產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，且達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的指標(biāo)。 常州 機(jī)電 職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 作 者： 莫茂濤 學(xué) 號(hào)： 05307081 楊 舟 學(xué) 號(hào)： 05305238 張學(xué)斌 學(xué) 號(hào)： 05306088 系 部： 電氣工程系 專 業(yè)： 應(yīng)用電子技術(shù) 題 目： D 類音頻功率放大器的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 朱 老師 評閱者： 2021 年 5 月 2 摘要 數(shù)字功率放大器具有模擬功率放大器不可比擬的優(yōu)勢，代表著音響技術(shù)數(shù)字化的新臺(tái)階。 本文首先介紹了聲音的基本特性、音響放大器的技術(shù)指標(biāo)、放大器分類和 D類放大器的工作原理，接著進(jìn)行了 D 類功放的仿真分析，包括 PWM 波的形成、頻譜分析等等；然后根據(jù) D類功放的設(shè)計(jì)要素，設(shè)計(jì)了基 于 MAXIM 公司的 10W 立體聲 /15W 單聲道集成芯片 MAX9703/MAX9704 的 D 類放大器，并對 D 類功放的發(fā)展與技術(shù)展望進(jìn)行了描述。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(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以說已難于有新的突破。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，也越來越受到人們的關(guān)注了。 傳統(tǒng)的音頻功放工作時(shí)，直接對模擬信號(hào)進(jìn)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(gòu)成極大威脅。 ，輸出功率不可能做的很大。功率 MOS 有自保 護(hù)電路，可以大大簡化保護(hù)電路，而且不會(huì)引入非線性失真。 7 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。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。功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻凡