【正文】 功率放大器一般是沒(méi) 什么 問(wèn)題的，但如果用來(lái)直接為前置放大器或其他小信號(hào)放大器供電，其波紋系數(shù)偏大， 會(huì) 影響放大器的信噪比指標(biāo)。 交流市電經(jīng)變壓器降壓或升壓后，通過(guò)整流器變?yōu)槊}動(dòng)直流電的過(guò)程稱為“整流”。 電源電路 音響設(shè)備一般使用單相 交流市電。 圖 ，其中 (a)為輸入信號(hào)； (b)為鋸齒波與輸入信號(hào)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(hào)。低通濾波器通常采用電容器和電感器，只有揚(yáng)聲器是耗能元件。經(jīng)常在輸出級(jí)和揚(yáng)聲器之間插入一個(gè)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(dòng)揚(yáng)聲器。 由于大多數(shù)音頻信號(hào)不是脈沖串，因此必須包括一個(gè)調(diào)制器將音頻輸入轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。利用噪聲整形技術(shù)可以進(jìn)一步提高性能。最后，該采樣信號(hào)由 低通濾波器 濾波之后，重新生成經(jīng)過(guò)放大的音頻信號(hào)。這個(gè)脈寬信號(hào)代表音頻信號(hào)的一個(gè)樣本。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。 D類放大器需要兩只 MOSFET，它們?cè)诜浅６痰臅r(shí)間內(nèi)可完全工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下。 機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 10 4 功放電路設(shè)計(jì) D 類放大器構(gòu)成原理 D類放大器的電路共分為三級(jí)：輸入開關(guān)級(jí)、功率放大級(jí)以及輸出濾波級(jí)。缺點(diǎn)是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。 VMOSFET 管具有較小的驅(qū)動(dòng)電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開關(guān)特 性，故選用高速 VMOSFET 管。晶體三極管需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，并存在儲(chǔ)存時(shí)間，開關(guān)特性不夠好，使整個(gè)功放的靜態(tài)損耗及開關(guān)過(guò)程中的損耗較大。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(duì)它的要求是高速、低導(dǎo)通電阻、低損耗。此方式可充分利用電源電壓，浮動(dòng)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。電路輸出載波峰 — 峰機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 3 方案論證 9 值不可能超過(guò) 5V電源電壓，最大輸出功率遠(yuǎn)達(dá)不到題目的基本要求。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。 方案二：采用圖 。能夠完成所有要求的功能，而且容易實(shí)現(xiàn)。 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(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)難易程度及聯(lián)系實(shí)際條件，我們決定使用方案四，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能為揚(yáng)聲器提供電壓輸出的放大器。作為設(shè)計(jì)過(guò)程的一部分，對(duì)該放大器的理論工作過(guò)程進(jìn)行了分析，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室物理測(cè)試。 D類放大器并非剛剛出現(xiàn)，但近 年 來(lái)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。不過(guò)另一方面，開關(guān)工作模式也增加了輸出信號(hào)的失真。兩只晶體管不會(huì)在同一時(shí)刻導(dǎo)通，因此產(chǎn)生的熱量很機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 3 方案論證 8 少。AB類放大器的效率 (約為 50%)不如 B類放大器高，因?yàn)槠鋬芍痪w管可在同一時(shí)刻導(dǎo)通，但精度得到了提高，因此常作為音頻放大器使用。所以 B類放大器雖然具有很好的效率，但同時(shí)精度也不高。不過(guò)由于晶體管都需要一定的開通時(shí)間，因此在兩只管子交替過(guò)程中輸出端存在一個(gè)短暫的無(wú)輸出功率狀態(tài)。因此在理論上兩只晶體管不會(huì)在同一時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。盡管其效率很低 (約 20%)，但精度非常高。 機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （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 。 ② 與低音揚(yáng)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。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。Ri功 放 輸 出內(nèi)阻，單位為 Ω:Rl功放 與揚(yáng)聲器之間連接導(dǎo)線的電阻，單位為 Ω 它揭示了揚(yáng)聲器的電阻尼狀態(tài)。 D=Rs/(Ri+Rl)。 ③ 選用線性好的 功率 管和電路結(jié)構(gòu)。 降低失真的措施有： ① 采用電子分頻方式、限制放大器或揚(yáng)聲器的工作 頻 帶。 Us額定負(fù)載電阻上 15KH2正弦波的電壓有效值 。 互調(diào)失真 互調(diào)失真 是 指兩個(gè)不同頻率的信號(hào)通過(guò)放大器后或經(jīng)揚(yáng)聲器 發(fā) 聲時(shí)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(hào)，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(hào)的均方根值占原來(lái)較高頻率信號(hào)振幅的百分比來(lái)表示。 ⑤ 合理布線、使輸入信號(hào)引線盡可能短。 ④ 嚴(yán)格區(qū)分模擬地線與數(shù)字地線，各級(jí)地線分別定線，一點(diǎn)接地。 ② 使用高性能的穩(wěn)壓電源供電。 ① 適當(dāng)降低信號(hào)源的輸出內(nèi)阻 。雖然因 素 很多，但也不是無(wú)章可循，除了器件本身的噪聲以外、放大器噪聲的來(lái)源概括起來(lái)主要有三個(gè)途徑：電源干擾、空間干擾和地線干擾。由于影響 S/N 的 因 素 很多，提高 S/N 便顯得機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 2 功放的基礎(chǔ)知識(shí) 5 很棘手，有時(shí)費(fèi)了九牛二虎之力，能使之提高兩三個(gè) dB 已屆戰(zhàn)果 輝 煌?，F(xiàn)代高保真后級(jí)功放的 S/N 一 般能達(dá)到 90dB 以上，問(wèn)題不會(huì)很突出。 ④ 采用甲類放大，選用優(yōu) 秀的電路，如雙 差 分放大、全互補(bǔ)輸出或全對(duì)稱、全百補(bǔ)電路等。 ② 選用 fT 較高、線性好的放大器件。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＜ ％。U2 ,U s. ?Un— 2次、 3次、 n次諧波電壓有效值。其值以新增加的諧波成分的均方根值與原信號(hào)電壓 的均方根值的百分比來(lái)表示。 諧波失真 諧波失真 是 指信號(hào)通過(guò)音頻設(shè)備后，新增加的諧波成分。 放大器的電壓 增益 相對(duì)于中音頻 fo (1kHz)的電壓增益下降 3dB 時(shí)所對(duì)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)。對(duì)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(duì)參考電平的不均勻度越小 。 即 ： 一是有效頻率范圍 。 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(jiǎn)稱為頻響 )。 頻率響應(yīng) 音頻功放的頻率特性，是反映它對(duì)不同信號(hào)頻率放大能力的物理量 。功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻 RL(代替揚(yáng)聲器 )，輸入端接 Ui，逐漸增大輸入電壓 Ui； 直到 Uo 的波形剛好不出現(xiàn)諧波失真 (r1%)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電 壓為前置 控制 驅(qū)動(dòng) 功放 輸入 機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 2 功放的基礎(chǔ)知識(shí) 4 最大輸出電壓。 額定功率 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(dá)式 ； Po= Uo2/RL 式 (21) Uo 為負(fù)載兩端的最大不失真電壓， RL為額定負(fù)載阻抗。其中，輸出功率、頻率特性、信噪比和阻尼特性等，通常稱為靜態(tài)特性指標(biāo) ， 它們是用穩(wěn)態(tài)信號(hào)測(cè)量的 。因?yàn)椴捎脙x器測(cè)試設(shè)備的性能指標(biāo)．能得到很 直 觀的可供參考比較的定量結(jié)果，無(wú)疑是最科學(xué)而值得信賴的。 圖 音響結(jié)構(gòu)框圖 ② 參數(shù) [8] 1．輸入靈敏度： 800mV； 2．效率： 90%以上； 3．信噪比： 90dB 以上 ； 4．頻率響應(yīng)： 20HZ～ 20kHZ； 5．諧波失真： ≤ %（ 8Ω 負(fù)載， 1kHZ 1W）； 6．輸出功率： 18W（ 8Ω 阻抗） ； 7．帶載能力：（ 2～ 8Ω ）。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。 近年來(lái)，國(guó)外的公司對(duì) D 類功率放大器進(jìn)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(zhì)，降低失真，必須提高調(diào)制頻率，但是在較高頻率下，會(huì)產(chǎn)生一定的問(wèn)題，同時(shí)， D 類功率放大器對(duì)器件的要求較高，不利于降低成本。 而且體積小，重量輕，省能耗，而且無(wú)需加反饋。 我設(shè)計(jì)的功率放大器前端是數(shù)字信號(hào)處理部分，可以直接與數(shù)字音頻設(shè)備的輸出端相連，后端直接就是驅(qū)動(dòng)與功率放大，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化功率放大器。 去掉了自舉電容和死區(qū)校正 。而且有更高的保真度，這一點(diǎn)，在國(guó)外的 SV D 類功率放大器中已經(jīng)開始運(yùn)用，如 :TEXAS 公司的 TPA20xxD2。功率 MOS 有自保護(hù)電路，可以大大簡(jiǎn)化保護(hù)電路，而且不會(huì)引入非線性失真。 D 類功率放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，理論效率可達(dá) 100%，實(shí)際的運(yùn)用也可達(dá)80%以上。 ②效率低，輸出功率不可能做的很大。此外，模擬功率放大器還存在以下的缺點(diǎn) : ①電路復(fù)雜，成本高。 傳統(tǒng)的音頻功放工作時(shí)，直接對(duì)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(duì)功率器件構(gòu)成極大威脅。模擬功率放大器通過(guò)采用優(yōu)質(zhì)元件，復(fù)雜的補(bǔ)償電路，深負(fù)反饋，使失真變得很小，但大功率和高效率一直沒(méi)有很好的解決。 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，接著對(duì) D類音頻放大器電路的各個(gè)模塊進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)及測(cè)試 ，并完成了數(shù)字音頻功放的 仿真 測(cè)試工作。 D類音頻功率放大器，由脈寬調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率輸出電路、濾波電路四部分構(gòu)成。 實(shí)用高保真 D 類 低頻功率放大器 設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 王朝陽(yáng) 學(xué)生學(xué)號(hào)： 080102402 院（系）： 機(jī)電工程 學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 應(yīng)用電子 指導(dǎo)教師： 王春霞 二 〇 一 〇年 十一 月機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 摘 要 I 摘 要 本 設(shè)計(jì) 的基本內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)高保真功率放大器，包括闡述它的功能原理及應(yīng)用，而功率放大器又分模擬式和數(shù)字式兩種，由于數(shù)字式 D類 功率放大器具有前沿性和高 效性 ，操作簡(jiǎn)單，并且越來(lái)越多的新技術(shù)被運(yùn) 用于高保真 數(shù)字 功率放大器，所以高保真 數(shù)字 功率放大器將會(huì)是今后功率放大器發(fā)展的趨勢(shì)，因此本課題將主要設(shè)計(jì)一款高保真 數(shù)字 功率放大器。 由于 D 類音頻功率放大器與傳統(tǒng)的模擬功放相比，具有體積小，效率高，低失真，大功率的特點(diǎn)所以具有廣闊的發(fā)展前景。在本文里，對(duì)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、功率輸出級(jí)電路、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)溫保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、檢測(cè)和關(guān)斷模式控制電路、接口電路等 ） 進(jìn)行了設(shè)計(jì) 。 關(guān)鍵詞 ： D類放大器 ， 脈寬調(diào)制 ， 驅(qū)動(dòng) ， 功率輸出級(jí)機(jī)電工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） ABSTRACT II ABSTRACT The basic content of this paper is to design a high fidelity power amplifier, and describe the function principle and application of the amplifier. Power amplifier includes analog module and digital module. The digital Class D power amplifier has frontier performance and high effectivity, and is easy to operate. And more and more new technologies have been applied to highfidelity digital power amplifier. Therefore, highfidelity digital power amplifier will be the future developing trend of the power amplifier. Then, the main topic designs a highfidelity digital power amplifier. Compared with the analog power amplifier, Class D audio power amplifier has a small size, high efficiency, low distortion and highpower. Therefore, it has broad prospects for development. ClassD Audio Power Amplifier is made up of the PWM circuit, driving circuit, power output circuit and the filter circuit. This paper designs each mo