【正文】 ω t ic ω t ic ω t ω t 0 ic ic 圖 1－ 1－ 1 安徽理工大學電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計論文 9 近似等于飽和壓降 Vce(sat)，其值很小，因而導通的半個 周期內瞬時管耗 icvce始終處在很小值上。甲乙類導通時間更短，它的效率又比乙類高。例如，減小管子在信號周期內的導通時間，即增大 ic=0的時間，這樣，在一個信號周期內，瞬時管耗為零的時間增大，相應的積分值即 Pc也就減小。由 ηC 的定義式（ 1－ 1－ 1）可見，當輸入信號功率 PO 一定時，減小管子的集電極耗散功率 PC，就可有效的提高ηC 。 僅在半個周期內導通的稱為乙類狀態(tài)；介于甲類和乙類之間即大于半個周期小于一個周 期內導通的稱為甲乙類狀態(tài)；小于半個周期內導通的稱為 丙類狀態(tài)；工作于開關狀態(tài)的稱為丁類狀態(tài)；它們的集電極電流波形如圖1－ 1－ 1。 安徽理工大學電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計論文 8 功率管的運用特性 在功率放大器中，往往選擇靜態(tài)工作點，使功率管運用在特性的不同區(qū)段上，實現(xiàn)甲類、乙類、甲乙類、丙類等不同運用狀態(tài)。功率增益地，可以用增加前置級的級數(shù)或提高相應增益來彌補。 作為放大器，功率增益是重要的性能指標，但與上述 要求相比，它卻是第二位的。而 PC小，則可選 PCM 小的功率管，這對于降低成本是十分有利的。放大器的集電極效率 ηC （ Collector Efficiency）就是用來評價這種轉換能力的性能指標，定義為 η C＝ = (111) 可見， η C越大，表明給定 PO時所需的 PD就越小，相應地， PC 也就越小， PD 小就節(jié)省能源。實踐上，除了采用負反饋等措施減小失真外，還必須限制輸出功率，使失真在允許范圍內。為了獲得大的輸出信號功率，放大管就必須大信號運用，包括大的動態(tài)電壓和動態(tài)電流，必須選用合適的功率管保證其安全。但是，它們在性能要求和器件運用特性上卻是不同的。安徽理工大學電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計論文 7 第二章 功率放大器的概述 功率放大器是放大器的一個類別，廣泛應用于通信、音響、圖象等各種電子設備中。 國內有幾家公司正在研究開發(fā)丁類音頻功率放大器，大多采用的是國外 “ 評估件 ” 、專用 IC，開發(fā)成本高，但對于能輸出中功率、大功率及超大功率丁類音頻功率放大器的研究還數(shù)少數(shù)。 MAX429 MAX4297 組合丁類音頻功率放大器； LM465 LM4652 組合（ 170W）丁類音頻功率放大器； CS442 IRCS8001 組合（ 50W）丁類音頻功率放大器； Tripath Technology 公司推出的 “T 類音頻功率放大器 ” ； Microsemi 公司推出 LXE1710 評估套件，且聲稱他們采用了不同于丁類音頻功率放大器的技術，但經(jīng)分析研究，這些音頻功率放大器是丁類音頻功率放大器的派生。 國外幾家公司在丁類音頻功率放大器的研究開發(fā)方面取得了一定進展，他們?yōu)榱颂崆罢碱I數(shù)字音頻功率放大器的市場，用他們自己研制的專用 IC 及器件，采用專門技術做成 “ 評估模塊 ” ，如： TI 的高效丁類音頻功率放大器 TPA2021D1， LG 電子公司的四款全新 CDMA 手機 (LGKV1300、 LGSV1 LGSV140 及 LGSV9140)均選用 TI 的這款丁類音頻功率放大器， TPA2021D1 可實現(xiàn)更長的通話時間并為 LG 的新 型 CDMA 手機中的游戲、多種鈴音以及揚聲器電話應用提供更高的輸出功率； TI 推出 TAP3000D系列，此系列產(chǎn)品可在不犧牲音質的條件下低功耗、體積小及低成本的要求，單聲道輸出可達 20W，適合應用于車上音響、免持式聽筒、 PDA 擴大器、 MP3 桌上音響、 LCD熒幕及 HDTV 等產(chǎn)品；愛丁堡，英國 – 英商歐勝微電子（股票代碼： WLF. L） 2021年 02 月 06 日 宣布了功能豐富的丁類器件家族的首個產(chǎn)品 WM8608。 又被稱為開關模式放大器的丁類放大器正在音頻系統(tǒng)中快速地代替線性放大器；特別是在掌上型的 CD 和 DVD 播放機中，這類產(chǎn)品在功率使用和失真之間提供了可以接受的平衡。近幾年，出現(xiàn)了 VMOS 管、IGBT 器件，它們的開關特性好、開關速度快、工作頻率高、管壓降小、功耗低，很適合用于丁類音頻功率放大器的研究開發(fā)。但 是，早些時候晶體管、集成電路的開關特性差，不能滿足丁類音頻功率放大器的技術要求。由于丁類音頻功率放大器只工作在 “0 、 1” 狀態(tài)，其功率開關器件要么導通要么截止，不在放大區(qū) “ 停留 ” ，因此功率損耗極小、效率極高（效率可高于 96%）。 音頻功率放大器的現(xiàn)狀 為了提高音頻功率放大器的效率，科技人員曾進行了多年研究，做了大量的研究試驗工作。因此，音頻功率放大器數(shù)字化是整個音頻領域數(shù)字化的 最后疆界。音頻數(shù)字化的格式、編解碼規(guī)則、數(shù)字壓縮技術、糾錯技術、數(shù)據(jù)記錄傳輸及重放技術、多路信號編解碼技術等已形成比較完善的體系，它們廣泛地應用在 LD、 CD、 VCD、 DVD、DV和 DTV 等方面，并取得了良好效果。 T類功放的特點是采用自適應算法對混合信號進行處理并將控制器件和輸出器件模擬化，使設計簡單化。此濾波器的高端頻率決定了丁類功放的高頻響應，濾波器的截止頻率通常設計為 30~40kHz。小型變壓器的輸出用一個小線圈與一組小型電容器把高頻方波轉換為直流電以供給各級電路使用，這樣就可以不必使用低效率的線性穩(wěn)壓處理。然后將高頻方波用一個小型變壓器把電壓轉換為所需要的工作電壓。 丁類放大器的供電也與甲類、甲乙類完全不同，它用開關電源，即把家用交流電安徽理工大學電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計論文 4 源整流為高壓直流電，然后由開關電路的精確控制分割后產(chǎn)生一種高電壓、高頻率的方波。 PWM 控制電路的設計并不復雜，但需要把噪聲降低并用使諧波失真很小。在電源電壓為額定值時，丁類功放的效率高達 80%以上。其輸出級的工作狀態(tài)不是完全導能，就是完全截止；因此輸出器件的功耗甚小。因此，模擬音頻功率放大器效率低，所需散熱器大、笨重，不符和當前節(jié)能環(huán)保的要求。為此，人們曾經(jīng)努力想設計出效率高的音頻功率放大器，如 G類音頻功率放大器，但其最高效率仍然不大的散熱器。模擬音頻功率放大器的效率低就意味著工作時有相當多的電能轉化成熱能，也就是說，這些類型的音頻功率放大器必須有足夠熱器。 其基本類型是模擬音頻功率放大器，它們的最大缺點是工作效率太低， 甲 類音頻功率放大器的最高工作效率為 50%， 乙 類音頻功率放大器的最高工作 效率為 %，甲乙 類音頻功率放大器的工作效率介于二者之間。 關鍵字 ： 音頻功率放大器、失真、 PWM、輸出信號功率、電源。它的研制和設計過程中主要的性能技術問題是高速切換系統(tǒng)，并要保證連續(xù)而穩(wěn)定的線性響應，同時盡可能避免高頻電磁波干擾。它的供電采用開關電源，即把家用電流電源整流為高壓直流電，然后由開關 電路的精確控制分割產(chǎn)生一種高電壓、高頻率的方波。 丁類音頻功率放大器的工作方式采用切換電壓的方式，同時利用 PWM 信號控制導通時間以放大信號。這類音頻功率放大器除了具有工作效率高外，還要具備和其他設備相連接的特點。安徽理工大學電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計論文 1 摘 要 社會的進步 ，消費水平的提高，使人們對音頻設備的要求又提高了一步。目前全球音頻領域數(shù)字化的浪潮以及人們對音頻設備節(jié)能、環(huán)保的要求，迫使人們盡快研究、開發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器。丁類音頻功率放大器完全符合上述要求。其輸出級工作狀態(tài)不是完全導通，就是完全截止。它輸出的 PWM 信號采用低通濾波器把高頻信號濾出，僅留調制音頻部分，用以驅動揚聲器。 不久的將來，丁類音頻功率放大器必然取代傳統(tǒng)音頻功率放大器，成為音頻世界的主力軍。 ABSTRACT Along with the social advance and the improvement of consumption, the quality of audio frequency equipments requested by people must advantage as well. At present, the request of audio frequency power amplifier which can protect environment and save energy leads to exploit highly efficient and digital audio frequency power amplifier which can connect other equipments. Class D audio frequency power amplifier meets above request pletely. The work style of class D audio frequency power amplifier adopts the style of cutover electric voltage. Simultaneously, to utilize the PWM signal control the time of leading time in sake of enlarging one signal. Its power supply adopts switch power source which can change AD into DC which produce high voltage and high frequency square wave by the accurate control of switch 安徽理工大學電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計論文 2 electric circuit. The output PWM signal adopts low filter to filter the high frequent signal and reserve modulating audio signal to drive the loudspeaker. The important technique problems in design process are high speed changing system , continual and stable linerespond and avoiding the interference of high frequent electromagic wave. In ing years, class D audio frequency power amplifier will take place of the traditional enlarger and bee the main tendency in the audio frequency world. Keyword: Audio frequency power amplifier、 Crossover、 PWM、 Output signal power、 Power supply. 安徽理工大學電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計論文 3 第一章 引 言 音頻功率放大器的發(fā)展過程 在音頻領域中， 甲 類、 乙 類、 甲乙 類音頻功率放大器一直占據(jù) “ 統(tǒng)治 “ 地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個過程： 1. 所用器件從電子管、晶體管到集成電路過程； 2. 電路組成從單管到推挽過程； 3. 電路形式從變壓器輸出到 OTL、 OCL、 BTL 形式過程。無論甲類、乙類、甲乙類音頻功率放大器，當它們的輸出功率小于額定輸出功率時，效率就會更低，播放動態(tài)的語言、音樂時的平均工作效率只有 30%左右。因此，甲類、乙類、甲乙類音頻功率放大器效率低、體積大。例如，一臺額定輸出功率 100W 的甲類音 頻功率放大器需要有 100W 的散熱器；一臺額定輸出功率 1000W 的乙類音頻功率放大器需要有 400W 的散大于 %，且實際使用效率仍然很低。 丁類音頻功放不同于甲類、乙類和甲乙類工作方式，它采用切換電壓方式的同時利用 PWM 信號控制導通時間以放大信號。由于丁類功放利用晶體管快速切換的開關特性，以開關方式把模擬音頻信號進行脈寬調制（ PWM），使它的效率遠比甲類、乙類 和甲乙類要高得多。丁類音頻功率的控制芯片設計采用 PWM 技術，它類似于甲乙類功放的控制芯片外加一個開關輸出