【文章內(nèi)容簡介】 損壞功率放大器 [11]。 頻率響應(yīng) 音頻功放的頻率特性，是反映它對不同信號頻率放大能力的物理量 。 通常采用輸出電平隨頻率變化的 關(guān)系 曲線來描述 。 指的是振幅頻率特性，習(xí)慣上稱為幅頻 特性或頻率響應(yīng) (簡稱為頻響 )。 在說明音頻功放的頻率特性時，有兩點必須明確給出 。 即 ： 一是有效頻率范圍 。 頻率范圍， 20Hz～ 20kHz 全面反映出該功放的頻率特性指標(biāo)。對于音頻功放的頻率特性指標(biāo)而言，其有效頻率范圍越寬 ， 且在該頻率范圍內(nèi)相對參考電平的不均勻度越小 。 則說明該 音 頻功放的頻率特性指標(biāo)就越好。 放大器的電壓 增益 相對于中音頻 fo (1kHz)的電壓增益下降 3dB 時所對應(yīng)的低音音頻 fL和高音音頻 fH稱為放大器的頻率響應(yīng)。 測量條件如下 ： 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，使信號發(fā)生器的輸出頻率從 20Hz～ 20kHz.(保持 Ui=20mV 不 變 )測出負(fù)載電阻上對應(yīng)的 輸出電壓 Uo。 諧波失真 諧波失真 是 指信號通過音頻設(shè)備后，新增加的諧波成分。它是原信號波形中沒有的波形變化，是不希望發(fā)生的。其值以新增加的諧波成分的均方根值與原信號電壓 的均方根值的百分比來表示。 即： 1 22322 U UUUTHD n???? 式中 Ul— 正弦波基波電壓有效值 。U2 ,U s. ?Un— 2次、 3次、 n次諧波電壓有效值。 諧波失真是電路或器件工作時的非線性引起的。高保真放大器的諧波失真一般應(yīng)控制在 ％ 以下，目前許多優(yōu)秀的放大器失真度均可達(dá)到＜ ％。降低放大器諧波失真 度 的措施有： ① 施加適量的電壓或電流負(fù)反饋。 ② 選用 fT 較高、線性好的放大器件。 ③ 盡可能提高各級對管參數(shù)的一致性或?qū)ΨQ性。 ④ 采用甲類放大，選用優(yōu) 秀的電路，如雙 差 分放大、全互補輸出或全對稱、全百補電路等。 信號噪聲比 信號噪聲比 [12](S/N)指信號通過音頻設(shè)備后增加的各種噪聲 (如低頻呼聲、感應(yīng)交流聲、 嘀嘀 聲等 )與指定信號電平的 dB 差值，或信號幅度與噪聲幅度之比，其值常用分貝表示，有時也以重放設(shè)備輸出的絕對噪聲電壓或電平值來表示，這時標(biāo)為噪聲電平?，F(xiàn)代高保真后級功放的 S/N 一 般能達(dá)到 90dB 以上，問題不會很突出。我們知道，多 級 放大器的 S/N 主要取決于第一級，故在系統(tǒng)中，我們要著重提高前級或前置放大器的 S/N。由于影響 S/N 的 因 素 很多，提高 S/N 便顯得機電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 2 功放的基礎(chǔ)知識 5 很棘手，有時費了九牛二虎之力，能使之提高兩三個 dB 已屆戰(zhàn)果 輝 煌。而人耳對噪聲又很敏感， 所以 提高 S/N 往往成為設(shè)計及制作的主攻目標(biāo)。雖然因 素 很多，但也不是無章可循，除了器件本身的噪聲以外、放大器噪聲的來源概括起來主要有三個途徑：電源干擾、空間干擾和地線干擾。只要從以下幾個方面人手， S/N一般便可達(dá)到令人滿意的水平。 ① 適當(dāng)降低信號源的輸出內(nèi)阻 。 合理設(shè)定前級或前置放大器的增益，避免使之過大，能滿足系統(tǒng)增益要求 略 有富余便可，這在業(yè)余制作時往往被忽 略 。 ② 使用高性能的穩(wěn)壓電源供電。 ③ 各放大級盡可能單獨或并聯(lián)供電 (即各級電源 端 經(jīng)一只 隔 離電阻直接與電源連接，并加接退 耦 電容 )。 ④ 嚴(yán)格區(qū)分模擬地線與數(shù)字地線，各級地線分別定線，一點接地。機殼的接地點 應(yīng) 通過試驗確定。 ⑤ 合理布線、使輸入信號引線盡可能短。超過 4cm 長的均應(yīng)使用屏蔽線，屏蔽層單端接地，各電位器、開關(guān)外殼也應(yīng)可接地．小信號放大電路板應(yīng)遠(yuǎn)離電源變壓器。 互調(diào)失真 互調(diào)失真 是 指兩個不同頻率的信號通過放大器后或經(jīng)揚聲器 發(fā) 聲時互相調(diào)制而產(chǎn)生的和 頻 與差頻以及各次諧波組合產(chǎn)生的和頻與差額信號，這些新增加的頻率成分構(gòu)成的非線性失真 叫做互調(diào)失真，通常以此非線性信號的均方根值占原來較高頻率信號振幅的百分比來表示。 瞬態(tài) 互調(diào)失真 的計算方法： %1002 ?? ?SnU UIM D 式中 Un額定負(fù)載電阻上各互調(diào)分量 II2士 nflI電 壓的有效值 。 Us額定負(fù)載電阻上 15KH2正弦波的電壓有效值 。 n1， 2， 3???正整數(shù)。 降低失真的措施有： ① 采用電子分頻方式、限制放大器或揚聲器的工作 頻 帶。 ② 在放大器輸入端加裝高通濾波器，切除 20Hz 以下的無用信號。 ③ 選用線性好的 功率 管和電路結(jié)構(gòu)。 阻尼系數(shù) 阻尼系數(shù) (DF)是功放額定輸出阻抗 (取揚聲器的輸入阻抗 )與功 放 輸出內(nèi)阻的比值 。 D=Rs/(Ri+Rl)。 式中 Rs揚聲器阻抗，單位為 Ω。Ri功 放 輸 出內(nèi)阻，單位為 Ω:Rl功放 與揚聲器之間連接導(dǎo)線的電阻，單位為 Ω 它揭示了揚聲器的電阻尼狀態(tài)。其值應(yīng)視 揚 聲器的放聲表現(xiàn)而定，低音偏干為阻尼過大，尾音機電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 2 功放的基礎(chǔ)知識 6 過長是阻尼過小。改善的方法一般有： ① 用直流電阻小的喇叭線可使阻尼變大；反之則變小。但這種方法的調(diào)整量有限。 ② 與低音揚聲器串聯(lián)的分頻電感線圈的線 徑，可使阻尼變大，反之則變小。其調(diào)整量也是有限的。 機電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 3 方案論證 7 3 方案論證 放大器類型 的 選 擇 方案 一： A類放大器 (Class A Amplifier) A類放大器 ，圖 。 晶體管總是處于導(dǎo)通狀態(tài)，也就是說沒有信號輸入時，晶體管也有輸出功率，因此晶體管會變得很熱，大部分功率都浪費在了產(chǎn)生熱量上。盡管其效率很低 (約 20%)，但精度非常高。 V E EV C CR2R1A?N P NINOUT R1R2N P NP N PS P E A K E RINVV+ 圖 A類放大器 圖 AB 類放大器 方案二 ： B 類放大器 (Class B Amplifier) B類放大器采用兩只晶體管，每只晶體管工作半個周期，一只晶體管工作于輸入信號的正半周，另一只晶體管則工作于輸入信號的負(fù)半周。因此在理論上兩只晶體管不會在同一時間內(nèi)導(dǎo)通。在沒有輸入的情況下，兩只晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài)且無輸出功率，故而其效率高于 A類放大器。不過由于晶體管都需要一定的開通時間，因此在兩只管子交替過程中輸出端存在一個短暫的無輸出功率狀態(tài)。這個無功率區(qū)域稱為交越區(qū)，這就造成了相對較大的信號 交越 失真。所以 B類放大器雖然具有很好的效率，但同時精度也不高。 方案三： AB類放大器 (Class AB Amplifier) AB類放大器與 B類放大器非常相似， 見圖 ， 但由于 AB類放大器增加了兩個消除交越區(qū)的二極管，可使兩只晶體管在同一時刻導(dǎo)通，因而其性能有所改善。AB類放大器的效率 (約為 50%)不如 B類放大器高，因為其兩只晶體管可在同一時刻導(dǎo)通，但精度得到了提高，因此常作為音頻放大器使用。 方案四： D類放大器 D類放大器與上述放大器不同，其工作原理基于開關(guān)晶體管，可在極短的時間內(nèi)完全導(dǎo)通或完全截止。兩只晶體管不會在同一時刻導(dǎo)通，因此產(chǎn)生的熱量很機電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 3 方案論證 8 少。這種類型的放大器效率極高 (95%左右 )，在理 想情況下可達(dá) 100%，而相比之下 AB類放大器僅能達(dá)到 %。不過另一方面，開關(guān)工作模式也增加了輸出信號的失真。 D類放大器的高效率使之非常適用于 掌 上電腦和 MP3播放器等便攜設(shè)備。 D類放大器并非剛剛出現(xiàn)，但近 年 來半導(dǎo)體器件技術(shù)的進(jìn)展引發(fā)了人們開發(fā) D類放大器的熱情。本文討論了一種 D類音頻放大器的基本設(shè)計，利用 仿真軟件 對電路進(jìn)行了仿真。作為設(shè)計過程的一部分，對該放大器的理論工作過程進(jìn)行了分析，并對其進(jìn)行了實驗室物理測試。通過對比仿真和實驗結(jié)果給出了一些值得關(guān)注的結(jié) 論。 表 輸出功率比較 輸出功率（ W） D 類音頻功率放大器 AB 類 模擬音頻功率放大器 效率（ %） 熱功耗（ W） 效率（ %） 熱功耗（ W） 72 97 2 72 26 36 96 50 36 比較以上四個方案的優(yōu)缺點和實現(xiàn)難易程度及聯(lián)系實際條件，我們決定使用方案四，本文設(shè)計了一個能為揚聲器提供電壓輸出的放大器。理論上，該放大器應(yīng)該可以通過所有音頻帶寬內(nèi) (20Hz 至 20kHz)的信號，在所有頻率上增益保持不變，同時總諧波失真不超過 1%。能夠完成所有要求的功能，而且容易實現(xiàn)。 脈寬調(diào)制器 (PWM) 方案一：可選用專用 的脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題發(fā)揮部分的實現(xiàn)。 方案二：采用圖 。三角波產(chǎn)生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分的功能清晰，實現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。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。 高速開關(guān)功率放大電路 ①輸出方式： 方案一：選用推挽單端輸出方式 (電路如圖 所示 )。電路輸出載波峰 — 峰機電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 3 方案論證 9 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。 圖 高速開關(guān)電路 方案二：選用 H 橋型輸出方式 (電路如圖 所示 )。此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波的峰 — 峰值可達(dá) 10 V，有效地提高了輸出功率，且能達(dá)到題目所有指標(biāo)要求，故選用此輸出電路形式。 圖 高速開關(guān)電路 ②開關(guān)管的選擇。為提高功率放大器的效率和輸出功率，開關(guān)管的選擇非常重要，對它的要求是高速、低導(dǎo)通電阻、低損耗。 方案一：選用晶體三極管。晶體三極管需要較大的驅(qū)動電流，并存在儲存時間，開關(guān)特性不夠好，使整個功放的靜態(tài)損耗及開關(guān)過程中的損耗較大。 方案二：選用 VMMOSFET 管。 VMOSFET 管具有較小的驅(qū)動電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開關(guān)特 性，故選用高速 VMOSFET 管。 濾波器的選擇 方案一：采用兩個相同的二階 巴特沃斯 (Butterworth)低通濾波器。缺點是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。 方案二：采用兩個相同的四階 巴特沃斯 (Butterworth)低通濾波器，在保證20kHz 頻帶的前提下使負(fù)載上的高頻載波電壓進(jìn)一步得到衰減。 機電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 10 4 功放電路設(shè)計 D 類放大器構(gòu)成原理 D類放大器的電路共分為三級：輸入開關(guān)級、功率放大級以及輸出濾波級。 在 D類放大器中，比較器的輸出與功率放大電路相連，功放電路采用金屬氧化物 場效應(yīng)管 [10](MOSFET)替代雙極型晶體管 (BJT)，這是由于前者具有更快的響應(yīng)時間，因而適用于高頻工作模式。 D類放大器需要兩只 MOSFET，它們在非常短的時間內(nèi)可完全工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下。當(dāng)一只 MOSFET完全導(dǎo)通時，其管壓降很低；而當(dāng) MOSFET完全截止時，通過管子的電流為零。兩只 MOSFET交替工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的開關(guān)速度非常快，因而效率極高，產(chǎn)生的熱量很低，所以 D類放大器不需要散熱器。 在 D 類放大器中，音頻信號與開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于音頻范圍的鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個與鋸齒波等周期的脈寬調(diào)制 (PWM)方波。這個脈寬信號代表音頻信號的一個樣本。然后， PWM 方波及其反相信號驅(qū)動 MOSFET 輸出級 (通常為 H 橋 )，產(chǎn)生經(jīng)過放大的方波采樣信號。最后，該采樣信號由 低通濾波器 濾波之后，重新生成經(jīng)過放大的音頻信號。 由于 MOSFET 門電容的存在，提高開關(guān)頻率將在輸出級引起更大的損耗，但由于更高的開關(guān)頻率可以提高 PWM 調(diào)制器的有效分辨率 (與 ΣΔ調(diào)制器的過采樣過程非常相似 )，提高開關(guān)頻率也能帶來了一些好處，例如，可降低對輸出濾波的要求，提高音頻信噪比 (SNR)。利用噪聲整形技術(shù)可以進(jìn)一步提高性能。 信號經(jīng) D類放大器 中的功放級之后通過一個低通濾波器來恢復(fù)原始信號，一個簡單的 LC濾波器可以將 PWM信號復(fù)原為具有一定失真的模擬信號波形，與濾波器相連的是一個模擬揚聲器的 8Ω 電阻。 由于大多數(shù)音頻信號不是脈沖串，因此必須包括一個調(diào)制器將音頻輸入轉(zhuǎn)換為脈沖信號。脈沖的頻率成分包括需要的音頻信號和與調(diào)制過程相關(guān)的重要的高頻能量。經(jīng)常在輸出級和揚聲器之間插入一個低通濾波器以將電磁干擾（ EMI）減至最小，并且避免以太多的高頻能量驅(qū)動揚聲器。為了保持開關(guān)輸出級的功耗優(yōu)點，要求該濾波器是無損的（或接近于無損）。低通濾波器通常采用電容器和電感器，只有揚聲器是耗能元件。 一般的脈寬調(diào)制 D類功放的原理圖如圖 。 圖 ，其中 (a)為輸入信號； (b)為鋸齒波與輸入信號進(jìn)行比較的波形； (c)為調(diào)制器輸出的脈沖 (調(diào)寬脈沖 )； (d)為功率放大器放大后的調(diào)寬脈沖； (e)為低通濾波后的放大信號。 機電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 11 圖 D類放大器的工作原理 圖