【正文】 并且在導(dǎo)通時(shí)具有很低的 VDS，因而產(chǎn) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 16 頁(yè) 共 37 頁(yè) 生較小的功耗 IDS ? VDS。而 D 類放大器的效率可達(dá)到 8090％，不僅不浪費(fèi)能量，有效地利用電源，還能得到較大的功率輸出。 功放 小結(jié) 偏置電壓、輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)方式和輸出網(wǎng)絡(luò)共同決定了功率放大器的類型。 類功放 采用晶體管作為開(kāi)關(guān)有可能提供大為改善的效率，但由于現(xiàn)實(shí)開(kāi)關(guān)的不完全理想使得在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)這一可能性并不總是那么容易。這類功率放大器稱為準(zhǔn)數(shù)字放大器或數(shù)控放大器。因此，漏極電流是由周期性的一串脈沖構(gòu)成的。 AB 類功放通常有兩個(gè)偏壓，在無(wú)信號(hào)時(shí)也有少量電流通過(guò)輸出晶體管。大部分時(shí)間只有一個(gè)晶體管工作，在零交越點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)晶體管都工作。 B 類功放的效率平均約為 75％，產(chǎn)生的熱量較A 類功放低，容許使用較小的散熱器。其工作偏置點(diǎn)如圖 24 所示。電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。 A 類功放發(fā)熱量驚人，為了有效處理散熱問(wèn)題，A 類功放必須采用大型散熱器。 A 類放大器的優(yōu)點(diǎn)是線性度最好，失真最小。 當(dāng)然，這類放大器只要偏置和動(dòng)態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來(lái)看，可認(rèn)為它是一種優(yōu)質(zhì)的線性放大器，具有良好的聲音表現(xiàn)能力。 （ 2）頻率響應(yīng) 放大器的電壓增益對(duì)于中音頻 0f (1KHz)的電壓增益下降 3dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)的低音音頻Lf 和高音音頻 Hf 稱為放大器的頻率響應(yīng)。 音調(diào)：是人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀感覺(jué)，聲調(diào)高低與聲音的物理量“頻率 對(duì)應(yīng)。 第二代 D 類放大器把一個(gè)用于模擬源信號(hào)的 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )信號(hào)和一個(gè)集成的輸出級(jí)以及片外濾波器組合在一起。故 D 類放大器在便攜式設(shè)備上的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)，受到許多開(kāi)發(fā)商的青睞。 D 類功率放大器的輸出級(jí)只是瞬間通過(guò)一下線性區(qū)域，而大部分時(shí)間不是停留在飽和區(qū)就是截止區(qū)，上管飽和則下管截止，或者相反。高效率 D 類音頻放大器正越來(lái)越多地被用在移動(dòng)電話、智能電話、 PDA 及其他類似便攜式應(yīng)用中，以取代 AB 類放大器。數(shù)字音頻功放的概念早在 20 世紀(jì) 60 年代已被提出，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，進(jìn)展一直較慢。音頻功率放大器的效率低就意味著工作時(shí)有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化成熱能，也就是說(shuō)，這些類型的音頻功率放大器要有足夠大的散熱器。 關(guān)鍵詞： 音頻功率放大器 ； D類 ； 脈寬調(diào)制 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 2 頁(yè) 共 37 頁(yè) Abstract Audio power amplifier is an important part of PIC(Power Integrated circuits)which is widely used in consumer electronic products， and China is the most important market of consumer products and the biggest world manufacture center of the consumer products． We launch a reach on audio power amplifier． With the continuous development of science and technology, especially the development of integrated circuit technology, high speed and high power devices have more and more, mobile phones, digital media technology, flatscreen TV, a portable electronic products such as digital product is portable to thin, rapid development, audio power amplifiers will tend to be highly effective, energysaving and miniaturization. Because mobile devices affected by the battery capacity, thermal, volume restrictions on audio power amplifier requires efficient, energysaving, low calorific value, small size, ease of integration. Traditional analog audio power amplifier although with high fidelity, but there is a high power consumption, low efficiency and so fatal flaws, and gets very hot, not easy to solve. And classd amplifiers due to work on or off, as control ponents of transistor itself lower power consumption, power amplifier is very efficient. Unlike traditional class AB audio power amplifiers, digital class D audio power amplifier39。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是集成電路技術(shù)的發(fā)展，高速、大功率器件已越來(lái)越多，移動(dòng)電話、數(shù)字媒體技術(shù)、平面電視、便攜式數(shù)字產(chǎn)品等電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展，人們對(duì)音頻功率放大器的要求更加趨向于高效、節(jié)能和小型化。而 D 類放大器由于工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，作為控制元件的晶體管本身消耗功率較低，所以功放的效率很高。音頻功率放大電路是原理上最為基本、應(yīng)用上最為廣泛的功率放大電路。 D 類數(shù)字音頻放大器就是在這樣的背景下興起的。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁(yè) 共 37 頁(yè) 1 緒論 課題背景 隨著半導(dǎo)體及微電子制造技術(shù)的不斷發(fā)展，高速、大功率器件已越來(lái)越多，電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展，人們對(duì)音頻功率放大器的要求更加趨向于高效、節(jié)能和小型化。這導(dǎo)致采用很多新的產(chǎn)品技術(shù)，例如采用 D 類音頻功率放大器。音響系統(tǒng)可以采用的多種實(shí)現(xiàn)形式包括 A 類、 AB 類和 B 類等，與 D 類功率放大器相比，這些電路中即使是效率最高的線性輸出級(jí)，其功率的耗散也很大。早期的主要缺點(diǎn)是失真度高，后來(lái)在控制芯片和功率器件模塊化后性能有所提高，才得以投放市場(chǎng)。 第三代是最近一段時(shí)間，現(xiàn)有的 D 類數(shù)字放大器較以前的技術(shù)已有所改善，他們?cè)谝糍|(zhì)、封裝、性能、價(jià)格和核心技術(shù)方面都已取得重大改進(jìn)。 放大器的技術(shù)指標(biāo) （ 1）額定功率 音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值 的最大功率稱為額定功率，表達(dá)式：LRUP /200? 。 （ 4）噪聲電壓 使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載 LR 上的電壓稱為噪聲電壓。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 21 A類放大器原理圖 A 類放大器的工作偏置點(diǎn)如圖 22 所示，在一個(gè)完整的信號(hào)周期中， A 類放大器的功率晶體管一直處于線性放大狀態(tài)，即導(dǎo)通角 為 ? =180176。當(dāng)信號(hào)趨向正極時(shí)，線路上方的輸出晶體管容許流入較多的電流，下方的輸出晶體管則相對(duì)減少電流，由于電流開(kāi)始不平衡，于是流入揚(yáng)聲器而且推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。所以 A 類功放的體積和重量都比 AB 類大，這使得制造成本增加，售價(jià)也較貴。 類功放 B類放大器也稱為乙類 放大器，其中功率器件導(dǎo)通時(shí)間不再是輸入信號(hào)的整個(gè)周期，而是半個(gè)周期。其輸出晶體管是以推拉方式獨(dú)立控制，從而允許高端晶體管為揚(yáng)聲器提供正電流，而低端晶體管吸收負(fù)電流。小的 DC 偏置電流足以防止交越失真，從而能提供良好的音質(zhì)。由于這一優(yōu)點(diǎn)，AB 類放大器在傳統(tǒng)的音頻放大器中得到了廣泛應(yīng)用。這種設(shè)計(jì)可以獲得優(yōu)良的音質(zhì)并提高效率減少熱量，是一種頗為合乎邏輯的設(shè)計(jì)。其工作偏置點(diǎn)如圖 28 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 14 頁(yè) 共 37 頁(yè) 所示。 D 類功放的放大晶體管一經(jīng)開(kāi)啟即直接將其負(fù)載與供電器連接，電流流通但晶體管無(wú)電壓，因此無(wú)功率消耗。當(dāng)載波頻率很高時(shí)，滿足這一要求的困難將會(huì)更大。 A 類功率放大器提供了很好的線性度，但效率很低； B 類和 AB類功率放大器通過(guò)減少一個(gè)周期中晶體管工作的時(shí)間來(lái)提高效率，同時(shí)保持了線性調(diào)制的可能性； D 類功率 放大器提供的歸一化功率傳遞能力近似于 ，但由于開(kāi)關(guān)速度不是無(wú)窮大，有較大的切換功耗； E 類功率放大器解決了在導(dǎo)通過(guò)渡中的功耗問(wèn)題，但在關(guān)斷過(guò)渡中具有更大的功耗，并且具有極差的歸一化功率傳遞能力； F 類功率放大器的缺點(diǎn)是需要較復(fù)雜的電抗網(wǎng)絡(luò)。而 D 類放大器發(fā)熱少，能作小型封裝。 D類放大器 H 橋中的理想輸出晶體管，可擁有等于零的 )(ONDSR (“開(kāi)”態(tài)漏 源電阻，即導(dǎo)通 電阻 )及無(wú)窮大的 )(OFFDSR (“關(guān)”態(tài)漏 源電阻，即關(guān)斷電阻 )。因而可以減小晶體管的功率損耗，增加放大器的效率。但總體而言， D 類放大器的功率損耗是最小的，正是由于該類器件的開(kāi)關(guān)特性，使放大器實(shí)現(xiàn)了高得多的效率。這對(duì)于降低能源損耗和成本，減小功率放大器體積具有非常重要的意義。 一個(gè)理想的 D 類功放沒(méi)有失真，在可聽(tīng)波段沒(méi)有噪音且效率是 100％。 ⅵ 輸出 LPF 中的非線性。 其它的失真源包括輸出脈沖的上升和下降時(shí)間的不匹配、輸出晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路的定時(shí)特性的不匹配以及 LC 低通濾波器的元件的非線性。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。當(dāng)非重疊時(shí)間結(jié)束時(shí)，二極管偏置從正向變?yōu)榉聪?。主要?EMI 源來(lái)自 MOSFET。多種類型的放大器實(shí)現(xiàn)方案都可以做到這一點(diǎn)，但在放大器設(shè)計(jì)中應(yīng)該追蹤各個(gè)噪聲源，以確保總的 SNR 達(dá)到令人滿意的程度。在設(shè)計(jì)合理的閉環(huán) D 類放大器中，設(shè)計(jì)者可以獲得高保真級(jí)的音響品質(zhì)： PSR60dB， THD％。但諧波失真較大，會(huì)輻射脈沖干擾。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的工作頻率可以設(shè)定為數(shù)十千赫茲至數(shù)百千赫茲；方波的寬度則隨輸入模擬信號(hào)的大小而改變。脈沖串在由晶體管放大后，便由 LC 低通濾波器進(jìn)行平滑處理，從而恢復(fù)為原有的音樂(lè)波形。對(duì)于高頻載波三角波信號(hào)，為了減小輸出音頻信號(hào)的非線性失真，要求三角波信號(hào)的兩個(gè)斜邊對(duì)稱且具有高的線性度。因此，在基于 PWM 的放大器中經(jīng)常達(dá)不到全調(diào)制，可達(dá)到的最大輸出功率要小于理論上的最大值，即只考慮電源電壓、晶體管導(dǎo)通電阻和揚(yáng)聲器阻抗的情況。但是，在對(duì)成本敏感的、低功耗的應(yīng)用中，電感的成本是巨大的。 方案二：采用圖 41 所示方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。為提高功率放大器的效率和輸出功率，開(kāi)關(guān)管的選擇非常重要，對(duì)它的要求是高速、低導(dǎo)通電阻、低損耗。 主要電路工作原理 設(shè)計(jì) 與 分析 一般的脈寬調(diào)制 D 類功放的原理方框圖如下圖 44 所示。 選用 LM311 精密、高速比較器，電路如圖 47 所示，因供電為 5V 電源， 為給 V+=V提供 的靜態(tài)電位，取 R12=R15， R13=R14， 4 個(gè)電阻均取 10 kΩ。 R41KR51KR71 8 KR 1 01 0 KR 2 02 2 KR 1 11 0 KR81 8 kC42 2 nC50 . 1 uC31 0 0 0C22 2 0 0R61kW35 0 KW25 0 KW15 0 KR31 0 0 KC61 0 P32184U 1 AN E 5 5 3 2567U 1 BN E 5 5 3 2R24 7 KR11KC12 2 0 P1 2 3UR 1 21KC71uR41KR51KR71 8 KR 1 01 0 KR 2 02 2 KR 1 11 0 KR81 8 kC42 2 nC50 . 1 uC31 0 0 0C22 2 0 0R61kW35 0 KW25 0 KW15 0 KR31 0 0 KC61 0 P32184U 1 AN E 5 5 3 2567U 1 BN E 5 5 3 2R24 7 KR11KC12 2 0 PR 1 21KC71u123IN