【正文】 Sone,安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 。 參考文獻(xiàn)： 1. 謝嘉奎、宣月清、馮軍 電子線路 .第四版 .高等教育出版社， 2021 年 2. 張肅文、陸兆熊 高頻電子線路 .第三版 .高等教育出版社， 1993 年 3. 高文煥、劉潤生 .電子線路基礎(chǔ) .北京：高等教育出版社， 1997 年 4. 張鳳言編 .電子線路基礎(chǔ) —— 高性能模擬電路和電流模技術(shù) .第二版 .高等教育出版社， 1987 年 5. 李樂民等 .數(shù)字通信傳輸系統(tǒng) .人民郵電出版社， 1986 年 6. 陳端雅譯著 .通信電子線路 .徐氏基金會(huì)， 1991 年 7. 宗孔德、胡廣書 .數(shù)字信號(hào)處理。在此，向他們表示我們的深切的敬意和衷心的感謝！ 四年來，還得到其他許多同窗好友的關(guān)心和幫助 ，在此也向他們表示誠摯的謝意。 同時(shí)要感謝王仁寶碩士、荊麗坤碩士以及系里的許多老師，他們?cè)趯W(xué)業(yè)和生活個(gè)、方面都給予我諸多的幫助和支持，使我獲益頗深。在近四年的本科求學(xué)生涯中，每個(gè)老師淵博的專業(yè)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度以及認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)一直影響、激勵(lì)著我，并將使我終生受益。 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 致謝 為期一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)已告一段落 .本論文的研究工作是在導(dǎo)師李良光教授的細(xì)心指導(dǎo)下完成的。 在未來的科技發(fā)展中，音頻功率放大器將會(huì)日新月異的向前發(fā)展，各種技術(shù)指標(biāo)達(dá)到更高的精度。音頻數(shù)字化的格式、編解碼規(guī)則、數(shù)字壓縮技術(shù)、糾錯(cuò)技術(shù)、數(shù)據(jù)記錄傳輸及重放技術(shù)、多路信號(hào)編解碼技術(shù)等已形成比較完善的體系，它們廣泛地應(yīng)用在 LD、CD、 VCD、 DVD、 DV和 DTV等方面 。在實(shí)際的動(dòng)手設(shè)計(jì)中我學(xué)到了好多書本上學(xué)不到的知識(shí)，鍛煉了自己的動(dòng)手能力、研發(fā)能力。51kamp。 圖 4－ 20 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 34 總體電路 4N251uf47k47k94k10k 10kIN4148IN414810k5K10k10K10K20K20K10Kamp。 6v繞組經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出177。 220v 交流電經(jīng)過變壓器降壓，兩個(gè) 48v 繞組輸出的電壓經(jīng)整流、濾波后直接為功放輸出級(jí)電路提供大電流、高電壓電源 ； 18v 繞組輸出的電壓經(jīng)過整流橋整流、濾波后再經(jīng)過三端穩(wěn)壓器 7815 穩(wěn)定后的177。這里采用電路簡單，性能可靠的三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路。變壓器的材料與鐵心的形狀對(duì)功放的音質(zhì)也有一定的影響，因此功放電源變壓器通常采用漏磁小、內(nèi)阻小的環(huán)行變壓器。 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 33 電源電路 電源電路是整個(gè)功放機(jī)的能量供應(yīng)站，其質(zhì)量將直接影響整個(gè)功放的 質(zhì)量。如圖 4－ 20 所示，當(dāng)接通電源（撥至“開”）時(shí)，由 IC1555 等組成的觸發(fā)器及 VT1 控制的繼電器 J1 延時(shí) 2 秒后接通喇叭，可消除開機(jī)時(shí)發(fā)出的噪聲；而關(guān)機(jī)時(shí)，由 IC2 觸發(fā)器的 4 腳接地， IC2 強(qiáng)制復(fù)位，延時(shí) 1 秒左右， J2 切斷喇叭，可消除關(guān)機(jī)時(shí)的噗聲。 開關(guān)機(jī)消噪電路 許多音響設(shè)備在開關(guān)機(jī)時(shí)都會(huì)發(fā)出“噗”的聲響。其原理是：當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，控制輸出橋的 NMOS 飽和導(dǎo)通，當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)，控制輸出橋的 PMOS 飽和導(dǎo)通；也即當(dāng)電路輸入端輸入波形為正半波時(shí)， NMOS 飽和導(dǎo)通，當(dāng)電路輸入端輸入波形為負(fù)半波時(shí)， PMOS 飽和導(dǎo)通 。 分相電路如圖 4－ 1 所示，它由過零比較器、兩個(gè)與門、和一個(gè)非門組成。其 fc 通常在 30～ 40 KHZ， fc＝ 1/2π (LC)1/2， Q 值在 ～ 之間效果最佳（ Q＝ RLC/L） ，若 Q 值小，則高頻響應(yīng)高端下降的較早，不過下降斜率較小，因而電路較穩(wěn)定； Q值等于 時(shí)，響應(yīng)最平坦，截止頻率點(diǎn)前后變化最均勻；如果 Q值高于 ，則會(huì)使頻率響應(yīng)在 fc處出現(xiàn)較大幅度的上沖，導(dǎo)致頻率變化劇烈 ，因此不宜采用。本設(shè)計(jì)就采用二階低通濾波器。提高開關(guān)頻率可以降低電感器和電容器的數(shù)值，從而可以使用體積比較小的電感器和電容器，便于布置印刷電路板，也可以幫助降低 MOSFET 管的開關(guān)損耗，同樣無源元件U toff ton 圖 4－ 19 i 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 32 的高頻損耗也會(huì)引起效率下降。用二階低 通濾波器時(shí)需要的元件數(shù)量少，成本低對(duì)高頻的衰減作用要差一些。此高頻上限隨著輸出負(fù)載不同而改變，可選 30～ 40KHZ。所以開關(guān)損耗可用公式 :Q=∫ 0ton(off)iudt,如圖 4－ 19： 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的開損耗： Qon＝∫ 035ns()t(120/35ns)tdt = 4956 10－ 9w 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的關(guān)損耗： Qoff＝∫ 029ns()t(120/29ns)tdt = 10－ 9W 總開關(guān)損耗為： 200 1000（ 4956＋ ） 10－ 9W＝ 所以 MOS 管總損耗為： +＝ 。 我們來計(jì)算導(dǎo)通損耗：當(dāng)最大功率為 100W 時(shí)，集電極電流約為 。TOFF=29ns。RON=。根據(jù)以上條件我們選NMOS IRF636，其主要參數(shù)如下： VDS=275V。其具體電路如圖 4－ 18： 輸出時(shí)總是單管飽和導(dǎo)通，這時(shí)單管受壓為 120V，所以 VDS大于等于 240V(兩倍的富余量 )；當(dāng) RL＝ 8Ω時(shí)，要求最大輸出功率為 100w，此時(shí)輸出電流有效值 I=， Imax=5A,所以功率管的 ID大于等于 10A；由于此放大器的效率大于等于 80%，其集電極功率損耗小于 20W，所選功率管的 PC大于 40W 即可。一般全橋用于供電 電壓低和超大功率的場合，只有這樣才能輸出滿足要求的功率。工作原理如下：輸入正脈沖時(shí)，上面的 P溝道 MOSFET飽和導(dǎo)通，下面 N溝道 MOSFET 截止；當(dāng)輸入負(fù)脈沖時(shí)，下面的 N 溝道 MOSFET 飽和導(dǎo)通，上面的 P 溝道 MOSFET 截止。左邊的 P溝道 MOSFET截止， N溝道 MOSFET 飽和導(dǎo)通 ；與此同時(shí)右邊的 P 溝道 MOSFET 導(dǎo)通， N溝道 MOSFET截止電流從 Vpcc 流經(jīng) RL 后流入 Vpcc，電流反向從揚(yáng)聲器右邊流向左邊；當(dāng)左端輸入負(fù)脈沖時(shí)，則右端輸入正脈沖，電流反向從揚(yáng)聲器左邊流向右邊。如圖左端輸入的是正脈沖，右端輸入的是同脈寬的負(fù)脈沖。 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 其輸入信號(hào)由 PWM 控制器的輸出信號(hào)分兩路提供；一路直接接在左端輸入端；另一路經(jīng)反相器后接在右端輸入端。如圖 4－ 16：它由兩個(gè) P溝道功率 MOSFET 及兩個(gè) N溝道 MOSFET、方向器及接在 OUT+及 OUT－端的負(fù)載 RL組成。我們先介紹全橋輸出，然后介紹半橋輸出。下半路工作過程與上半路完全相同。中 間級(jí) T2 用來提高電路的驅(qū)動(dòng)能力，在 T2 飽和的情況下，其集電極電流約為 10mA。而 T1 基極偏置電阻應(yīng)在 10～ 100k，實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗，這里選擇 51k。由于輸出半橋上下兩個(gè) Mos 管交替飽和導(dǎo)通，所以驅(qū)動(dòng)電路也采用兩路相同的設(shè)計(jì)。而驅(qū)動(dòng)管選擇匹配的 9014 和 9015。 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 光電耦合及驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路一般分為單管驅(qū)動(dòng)和雙管驅(qū)動(dòng)，由于要保證開關(guān)Mos 管的飽和，這里應(yīng)選驅(qū)動(dòng)能力大 的方式。輸出脈沖的頻率等于三角波的頻率 fosc。如圖4－ 14 它的同相端 3 輸入匹配電路的輸出信號(hào)電壓，而它的反向端輸入三角波電壓。我們這里選用 200KHZ。 THD 越低，并且濾波器的元件尺寸越大。另外， fo s c 與功的效率與總諧波失真（ THD） 有關(guān)。三角波的頻率是丁類音頻功放的振蕩頻率，它是固定的。這里使用一個(gè)反相運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)這一要求（如圖 4－ 12）。本電路的運(yùn)算放大器均為單倍放大，低輸入阻抗、高輸出阻抗，外接周圍電阻選擇 10k 和 5k，圖中二極管應(yīng)選擇開關(guān)二極管，這里選擇 IN4148。這樣可以使信號(hào)高度對(duì)稱，減小失真。 取絕對(duì)值電路 一般的丁類音頻功率放大器均沒有這一電路，它們將輸入級(jí)的輸出信號(hào)直接與三角波進(jìn)行比較而輸出正負(fù)脈沖波。相比之下，補(bǔ)償采樣比增強(qiáng)采樣算法更簡單，更易于編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性也更強(qiáng)。增強(qiáng)采樣在自然采樣和統(tǒng)一采樣之間達(dá)到優(yōu)化，但還不能完全消除 PWM頻譜中的諧波信號(hào)和邊帶信號(hào)，放大器保真度會(huì)受到影響。噪聲整形技術(shù)是減少數(shù)字音頻信號(hào)長度、保持信噪比的有效方法，但過采樣會(huì)使主開關(guān)頻率很高，從而產(chǎn)生較大的功率損耗，導(dǎo)致放大器效率下降，因此噪聲整形技術(shù)主要用于小功率丁類放大器中。而單 周控制技術(shù)則具有控制方法簡單，動(dòng)態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，更適合丁類音頻功率放大器。 9 小結(jié) 反饋控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制和單周控制技術(shù)主要使用于模擬式丁類放大器。 8 補(bǔ)償采樣控制技術(shù) 補(bǔ)償采樣過程如圖 10所示，將調(diào)制信號(hào)用直線 AG 近似表示，在三角形 AEG 中，Δ為 C點(diǎn)到 S1’ 點(diǎn)的垂直距離， Δ /a≈ AC/AE≈（ AB+AD） /(2AE)=(S1+S2)/2 式 4－ 14 Δ≈ a(S1+S2)/2 式 4－ 15 補(bǔ)償采樣時(shí)的占空比變?yōu)椋? tp=S1d+(S2dS1d)(S2d+S1d)/2 式 4－ 16 其中 S1d、 S2d是對(duì)應(yīng) S S2的數(shù)字音頻信號(hào)值。圖4－ 9（ a）所示，每脈沖一次采 樣的頻譜表達(dá)式如下： F(t)=k+ sin[n(1εω v/ω c)π /2]*cos(nω v(t) )+ Sin[(m+n(1εω v/ω c)) π /2]* Cos[nω vt+mω ct ] 式 412 同理，還可以采用每脈沖 2 次采樣的方法，如圖 4－ 9（ b）所示，此時(shí)傅立葉表達(dá)式為： 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 F(t)=k+ sin(nπ /2)*cos(nω v(t) )+ Sin((m+n)π /2)*Cos[nω vt+mω ct ] 式 4－ 13 通過對(duì)增強(qiáng)采樣 PWM 的頻譜進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)采樣 PWM 中除含有信號(hào)部分為，同樣含有信號(hào)諧波、載波諧波、載波與信號(hào)及它們的諧波相互作用形成的邊帶信號(hào)。噪聲整形器輸出于輸入 Z變換關(guān)系如下： Y(z)＝ X（ z）＋（ 1－ H（ z）） E（ z） 式 4－ 10 從式 4－ 10 可以看出，通過噪聲整形器減少信號(hào)長度后，在輸出端信號(hào)沒有發(fā)生變化，引入的量化噪聲經(jīng)濾波可得到很大降低。 圖 4－ 7 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 圖中 H 為濾波器，量化器（ Quantizer） 的作用是去掉輸入信號(hào)中次要的信息，然后將剩余的信息進(jìn)行量化，降低信號(hào)長度。噪聲整形技術(shù)同樣會(huì)引入噪聲，但過采樣使噪聲遠(yuǎn)高于音頻帶寬，量化引入的噪聲通過低通濾波器濾掉，這樣在音頻帶寬范圍內(nèi)不會(huì)降低信噪比。如果采用直接截短的方法，理論上每截短一位就會(huì)降低6dB 的信噪比。 單周控制技術(shù)很適合應(yīng)用于開關(guān)音頻放大器：單周控制使開 關(guān)變量在一個(gè)開關(guān)周期中精確地跟隨控制參考，這就保證了獲得高帶寬；單周控制有效地消除電源紋波干擾且在同一級(jí)電路中處理信號(hào)和功率，因此不需要高精度的直流電源，控制方式簡單；單周控制自動(dòng)地更正功率開關(guān)的暫態(tài)誤差和導(dǎo)通誤差，因此不需要開關(guān)元件的精確配 對(duì)，輸出沒有交越失真，能得到很大的線性度。由于二極管導(dǎo)通，開關(guān)變量 VD 為 0，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的到來。當(dāng)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)， RS 觸發(fā)器置位（ Q端為 1），控制開關(guān) T 導(dǎo)通，復(fù)位開關(guān) S 斷開。它通過控制