【正文】 級(jí)。此外，由于丁類功放的延遲誤差大約只有模擬功放的六分之一，因此，使丁類功放的輸出可以控制得更好，使它的暫態(tài)響應(yīng)特性良好。切換頻率通常達(dá)數(shù) 十千赫到數(shù)百千赫。當(dāng)工作頻率越高時(shí)，所需的變壓器就越小。 丁類功放輸出的 PWM 信號(hào)用低通濾波器把高頻信號(hào)濾除，僅保留調(diào)制音頻信號(hào)部分，用以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。 另有一種類似于丁類功放的 “T” 類功放，它是由 Tripass 公司改進(jìn)丁類功放而命名的。 音視頻領(lǐng)域的數(shù)字化進(jìn)展迅速，從數(shù)字化音源到數(shù)字化處理技術(shù)日趨完善。目前，在小信號(hào)范圍內(nèi)音頻系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 “ 數(shù)字化 ” ，但在大信號(hào)功率范圍內(nèi)仍然使用著模擬音頻功率放大器。丁類音頻功率放大器是數(shù)字音頻功率放大器，而且可在大功率范圍內(nèi)使用，因此加強(qiáng)對(duì)丁類音頻功率放大器的研究開發(fā)才能使音視頻技術(shù)領(lǐng)域完全數(shù)字化。早些時(shí)候人們已經(jīng)論證了丁類音頻功率放大器的存在。所以丁類音頻功率放大器是高效、節(jié)能、數(shù)字化音頻功率放大器。因此，對(duì)丁類音頻功率放大器的研究開發(fā)遇到了相當(dāng)?shù)睦щy，研究開發(fā)一直停留在理論上。所以，近幾年丁類音頻功率放大器研究開發(fā)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 5 有了突破性進(jìn)展。 丁類器件代替了多個(gè)數(shù)字到音頻轉(zhuǎn)換器，提高了電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備的功率效率，并最終降低了整個(gè)產(chǎn)品的成本。該產(chǎn)品能夠基于 4個(gè)脈碼調(diào)制（ PCM）立體聲輸入提供 通道的脈寬調(diào)制（ pulsewidth modulation, PWM）輸出，該產(chǎn)品的發(fā)布表明歐勝在經(jīng)過成功的研發(fā)之后，領(lǐng)先進(jìn)入丁類技術(shù)領(lǐng)域。 目前國外以 “ 評(píng)估 ” 形式銷售專用器件供開發(fā)商使用，商業(yè)化丁類音頻功率放大器產(chǎn)品很少，偶見丁類音頻功率放大器上市，而且價(jià)格昂貴。 本設(shè)計(jì)所要達(dá)到的要求 設(shè)計(jì)一臺(tái)丁類音頻功率放大器，其主要性能指標(biāo)有： RL=8Ω 時(shí)，輸出功率有效值為 100W； 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 6 4－ 16Ω 場(chǎng)合 ； 1%； 50HZ10KHZ； 80% （ RL=8Ω ， P0=100W） ； 。工作原理上，它與其它放大器一樣，都是在輸入信號(hào)作用下，將直流電源的直流功率轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)功率。 功率放大器 的性能 指標(biāo) 在功率放大器的各種性能要求中，最主要的是安全、高效率和不失真 (即失真在允許范圍內(nèi) )地輸出所需信號(hào)功率。 輸出信號(hào)功率越大，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)電壓和電流就越大，因而由器件特性非線性引起的非線性失真也就越大。 在輸入信號(hào)作用下，直流電源提供的直流功率 PD 中一部分被轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)功率（ Out Signal Power） ,其余部分將消耗在功率管中，成為功率管的耗散功率（ Pow Dissipation），簡(jiǎn)稱管耗 PC。對(duì)于用電池供電的便攜式設(shè)備，節(jié)省能源就可有效地延長電池壽命，這對(duì)消費(fèi)者是十分有吸引力的?？傊?，提高 ηC 是十分有利的，是功率放大器發(fā)展進(jìn)程中人們始終關(guān)注的一個(gè)研究方向。首先是要安全、高效率和小失真地輸出所需功率。在下面的討論中為了實(shí)現(xiàn)上述要求，不僅要用合適的功率管及其運(yùn)用狀態(tài)，而且還與管外電路的合理設(shè)計(jì)密切相關(guān)。在輸入正玄波激勵(lì)下，凡是功率管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的稱為甲類狀態(tài) 。 管子的運(yùn)用狀態(tài)不同，相應(yīng)的最大集電極效率也就不同。假設(shè)管子的集電極瞬時(shí)電流和電壓分別為 iC 和 Vce ,則 PC 表示為 PC = icvcedωt (112) 在上述積分表示式中，要減小積分式中的瞬時(shí)管耗，即 ic 與 vce 的相乘積。乙類導(dǎo)通時(shí)間比甲類小，它的效率也就比甲類高。 減小 Pc，提高 η C的另一個(gè)途徑是使管子運(yùn)用在開關(guān)狀態(tài)也即丁類狀態(tài)，即管子在信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)飽和導(dǎo)通，另半個(gè)周期截止。截止時(shí)，不論 vce為何值， ic≈I ceo，相應(yīng)的瞬時(shí)管耗 icvce在截止的半個(gè)周期內(nèi)也始終處在零值附近。 綜上所述可見，在功率放大器中，管子的運(yùn)用狀態(tài)從甲類轉(zhuǎn)向乙類、甲乙類或開關(guān)工作的丁類，目的都是為了高效率地輸出所需功率。 功率放大器的電路組成和工作特性 在功率放大器中，要高效率的提升 PO，必須減小 RL（幾歐到 幾十歐量級(jí)），同時(shí)相應(yīng)的增大輸入激勵(lì)電流。這種情況顯然與小信號(hào)不同，小信號(hào)放大器等效為線性電路，它的功率匹配負(fù)載是指數(shù)值上等于放大器輸出電阻 rce 的負(fù)載，且其值與輸入激勵(lì)大小無關(guān)。 綜上所述。在工作特性上，輸出負(fù)載、輸入激勵(lì)和靜態(tài)工作點(diǎn)是相互牽制的，要高效率地輸出所需信號(hào)功率，三者必須有一最佳匹 配。這種放大狀態(tài)失真較小，之受器件特性曲線的影響，若器件 線性好則失真較小。 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 10 ．乙類放大器，如圖 242： 靜態(tài)偏置為 Q 點(diǎn)，處于截止點(diǎn)上，因此信號(hào)輸入時(shí)，只有半周導(dǎo)通（導(dǎo)通角為 90度）。乙類狀態(tài)的 最大優(yōu)點(diǎn)是無信號(hào)時(shí)原則上沒有直流電流，因而，沒有直流功率損耗，效率超過 50％，但是由于起始段的非線性，常將推挽放大器的均少量正向偏置，其導(dǎo)通角大于半周，故效率不能達(dá)到很高，達(dá) 60－ 70％，工作介于 AB之間，故又稱甲乙類功放，其情況如圖 2－ 4－ 2－ 4－ 4： Ic Ic 圖 241 A類晶體管，在輸入信號(hào)最大值，為 了晶體管不截止，設(shè)定 Vb Vce 0 t Q Q 圖 242 B 類放大器，在晶體管截止極限設(shè)定 Vb Vce 0 Vb Q Ic 0 Ic 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 11 情況如圖 2－ 4－ 5，靜態(tài)偏置點(diǎn)在截止點(diǎn)之下，當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)只有超過偏置點(diǎn)部分管子才導(dǎo)通，效率更高，但由于失真過大，難用于音頻功放，多用于高頻功放作倍頻器用，集電極電流作脈沖狀，諧波豐富，再用高 Q電路調(diào) 諧于二次諧波輸出完整波形的倍頻正弦波。無信號(hào)時(shí)的電流越大則直流損耗越大，效率越低。但是，信號(hào)導(dǎo)通角越小波形失真越大，輸出信號(hào)中諧波成分增加，這兩個(gè)要求互相矛盾。波形陡直的極端狀態(tài)時(shí)輸入信號(hào)為矩形波，這種波形，無論偏置如 何變化，由于前后沿是垂直升降的，導(dǎo)通狀態(tài)都不會(huì)變化，這樣就誕生了工作與脈沖狀態(tài)的丁類功率放大器。事實(shí)上，由于關(guān)斷時(shí)器件尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時(shí)，器件并未完全短路，尚有一定管壓降，故存在較少損耗，效率不能達(dá) 100％，實(shí)際上在 80％－ 90％，是實(shí)用放大器中效率最高的。并且由于工作比音頻高 10余倍的脈沖狀態(tài)，電源整 流紋波對(duì)電路工作影響很小。表達(dá)式 PO=U02/RL,UO為負(fù)載兩端的最大不失真電壓， RL為額定負(fù)載阻抗。 3. 噪聲電壓： 使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載 RL上的電壓稱為噪聲電壓。 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 13 第三章 丁類功率放大器的工作原理 在 60 年代就有人提出丁類功率放大器的概念。因此并未得到很大的發(fā)展。 丁類功率放大器的基本概念就是將欲放大的信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈寬調(diào)制信號(hào)，用來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。因?yàn)槊}寬調(diào)制信號(hào)只有兩個(gè)或三個(gè)電壓等級(jí)，因此可用簡(jiǎn)單的開關(guān)電路輸出較高的電壓。 丁類功率放大器也有自身的弱點(diǎn)，其最大的缺點(diǎn)就是輸出波形中含有較大的諧波成分，與線性功率放大器相比，丁類功率放大器的輸出波形的畸變率較大。產(chǎn)生脈寬調(diào)制的控制方法可分為兩種：用模擬電路組成的脈寬調(diào)制控制器和用數(shù)字電路組成的脈寬調(diào)制控制器。 如圖 3－ 2（ ui 為模擬信號(hào)）： a、當(dāng) ui＝ uo＝ 0時(shí)，開關(guān)管 T T2 兩管均截止； b、當(dāng) ui0時(shí)，開關(guān)管 T2截止，而 T1 工作在開關(guān)（脈沖）狀態(tài)，其脈沖占空比δ正比于 ui。 組成這樣一個(gè)系統(tǒng)，需要三角波發(fā)生器、比較器等模擬器件。本設(shè)計(jì)是使用分立元件組成的 PWM，也即前者。 另一種數(shù)字電路組成的脈寬調(diào)制器是用單片機(jī)實(shí)時(shí)控制的脈寬調(diào)制器。在單片機(jī)控制的系統(tǒng)中，開關(guān)管的復(fù)雜控制電路由軟件實(shí)現(xiàn)，只要更改軟件就可以改變開關(guān)管的性能，因此用單片機(jī)控制的脈沖調(diào)制器具有極大 的靈活性。今年來，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化日益成為音視頻產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。在以模擬方式進(jìn)行音頻信號(hào)的傳輸、放大的重放過程中，不可避免的會(huì)引入噪聲，導(dǎo)致音頻信號(hào)傳輸質(zhì)量下降。丁類功放還具有一些普通線性功放無法相比的優(yōu)點(diǎn)，如體積小、效率高等，因此丁類功放首先被應(yīng)用于汽車高級(jí)音響等領(lǐng)域。在這種結(jié)構(gòu)中，理所當(dāng)然要采用數(shù)字控制。因?yàn)槿绻麑?shù)字音頻信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)，則需要極高的調(diào)制時(shí)鐘頻率，例如，如果將 CD 音頻信號(hào)（采樣頻率， 16 位精度）直接轉(zhuǎn)化為 PWM 脈寬信號(hào)，則需要時(shí)鐘頻率為： 103216=，即最小時(shí)間間隔視 ，這樣高的時(shí)鐘頻率實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)困難。因此目前在音頻類丁類音頻功率放大器中，人們更多的是將注意力投入對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，在不降低輸出音頻信號(hào)質(zhì)量的前提下，盡量降低控制時(shí)鐘頻率。由于本設(shè)計(jì)是采用通用器件來設(shè)計(jì)，是采用模擬電路組成的脈寬調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)要求的 , 就不對(duì)此作深入探討。 輸入級(jí) 輸入級(jí)如圖 4－ 2，它由 1uF 的外接輸入耦合電容、變阻器、確定放大器的增益的 47K電阻及 94K 的反饋電阻和一只 OP7 型運(yùn)算放大器組成。而變阻器的作用是控制丁類音頻功率放大器的音量。 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 18 PWM（脈寬調(diào)制）電路 其有取絕對(duì)值電路、電平匹配 電路、三角波產(chǎn)生電路、 PWM 脈寬調(diào)制控制器等組成。提高主電路開關(guān)工作頻率是改善丁類放大器的保真度的有效方法，但開關(guān)工作頻率的提高，將導(dǎo)致功耗的增加，軟開關(guān)技術(shù)成為目前研究的熱點(diǎn)。丁類放大器一般采用 PWM 控制方式，放大器輸出信號(hào)的頻譜等于 PWM 信號(hào)通過低通濾波器 后的頻譜，因此 PWM 調(diào)制器的性能將直接影響丁類放大器保真度。常用的自然采樣 PWM（ NPWM）屬于模擬 PWM，統(tǒng)一采樣 PWM（ UPWM） 屬于數(shù)字 PWM。在模擬丁類放大器中，受開關(guān)速度的限制，信號(hào)諧波與載波及其各次諧波形成的邊帶信號(hào)可能會(huì)落在音頻范圍內(nèi)，使丁類放大器保真度下降。故研究新的控制理論和方法，改善放大器的動(dòng)態(tài)性能和整體效率，提高保真度，是目前研究的熱點(diǎn)。而在 UPWM 中，如果直接實(shí)現(xiàn) PCM 信號(hào)到 PWM信號(hào)的變換，則調(diào)制器計(jì)數(shù)器工作頻率將高達(dá)數(shù)千兆赫茲，這幾乎是不可能的。為了達(dá)到較高的保真度，也有人提出了增強(qiáng)采樣、補(bǔ)償采樣和一些新穎的調(diào)制方案。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制和反饋控制會(huì)使結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，成本提高；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制的主放大器和輔助放大器由于開關(guān)工作頻率相差較大，在設(shè)計(jì)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)頻率特性的一致，產(chǎn)生失真；增強(qiáng)采樣和補(bǔ)償采樣雖然通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，不許另外增加硬件，但不能完全消除 UPWM 中的信號(hào)諧波失真和邊帶信號(hào)失真。按照載波的不同，自然采樣可以分為單邊調(diào)制和雙邊調(diào)制。 對(duì) NPWM 信號(hào)進(jìn)行傅立葉分解， NPWM 頻譜可以通過二維傅立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行表示。由式 4－ 1可知，在自然采樣 PWM 的輸出頻譜中，包含輸入信號(hào)，載波信號(hào)，載波信號(hào)諧波，以及輸入信號(hào)與載波、輸入信號(hào)諧波與載波諧波相互作用得到的邊帶信號(hào)，這些邊帶信號(hào)有可能落在音頻范圍內(nèi)，造成音頻信號(hào)失真。當(dāng)然，開關(guān)頻率越高損耗頁越大。 2 統(tǒng)一采樣 PWM（ UPWM） UPWM 屬于數(shù)字 PWM 控制。數(shù)字 PWM 控制器完成 PCM 信號(hào)到 PWM信號(hào)的轉(zhuǎn)換，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器電路，如圖 4－ 4： 圖 43 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 20 圖中的 N 位計(jì)數(shù)器相當(dāng)于自然采樣中的三角波或鋸齒波發(fā)生器， PCM 數(shù)據(jù)通過DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）處理后與計(jì)數(shù)器輸出進(jìn)行比較，當(dāng) PCM 數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器輸出相等時(shí)，比較器輸出發(fā)生變化，控制 RS 觸發(fā)器復(fù)位或置位，在 RS觸發(fā)器輸出端即可得到 PWM 數(shù)據(jù)。首先對(duì)單邊調(diào)制的 UPWM 進(jìn)行傅立葉分解： F(t)=k sin(mωct )+ Sinmω ct Sin[(mω c+nω v)(t ) ] (式 42)