【正文】 入的音頻最大幅度 Vim ( Vom / AV )=2/8=250mv。 驅動電路 電路如圖 516 所示。 驅動電路晶體三極管選用 2SC8050 和 2SA8550 對管。電路輸出載波峰 —峰值不可能超過 5v 電源電壓，最大輸出功率遠達不到題目的基本要求。此方式可充分利用電 22 源電壓，浮動輸出載波的峰 — 峰值可達 10 v，有效地提高了輸出功率，且能達到題目所有指標要求，改選用此輸出電路形式。 方案一：選用晶體三極管、 IGBT 管。 方案二：選用 VMOSFET 管。 2. 開關功率輸出電路 ①． H 橋式輸出電路基本結構 H 橋式輸出電路在數(shù)字功放中廣泛采用，其差動平衡式輸出可以濾除共模噪聲，同時可以實現(xiàn)較大的輸出功率，典型的數(shù)字功放 H 橋式輸出電路如 圖 519所示，由四個開關與輸出濾波器組成。根據(jù)開關控制規(guī)律的不同，橋式電路的 PWM 輸出可分為雙極性 PWM 與單極性 PWM。 PWM1與 PWM2 都是低電平為零，高電平為 VCC 的方波， PWM1 與 PWM2 形成的差 動信號則是低電平為 VCC，高電平為 VCC 的方波。 圖 520 雙極性 PWM 占空比為 50%波形 圖 521 雙極性 PWM 占空比變化與濾波后波形 ③．單極性 PWM H橋式電路輸出的兩路 PWM 波是同相的， 圖 522所示為 50%占空比，輸入為零的情況， PWM1與 PWM2 的相位差為零。 24 圖 522 單極性 PWM 占空比為 50%波形 圖 523 單極性 PWM 占空比變化與濾波后波形 ④． LC 濾波特性 為了從 PWM 波中恢復音頻信號，要采用 LC元件對 PWM 進行濾波， LC 參數(shù)要根據(jù)負載阻抗、 PWM頻率、音頻帶寬、高頻噪聲等因素進行設計。 H 橋式電路輸出 PWM波的極性不同，會對濾波器輸出產(chǎn)生影響。相關參數(shù)如下： PWM 頻率： 350～ 400kHz；音頻信號： 1kHz；負載： 8Ω純電阻； L L2： 15μ H； CC2 ： F。 在阻抗分別為 2Ω、 4Ω、 8Ω、 16Ω、 32Ω、空載等情況下，雙極性 PWM與單極性 PWM經(jīng) LC濾波后的 20～ 20kHz 幅頻特性曲線對比如 圖 527。 (a)雙極性 PWM (b) 單極性 PWM 圖 527 不同阻抗幅頻特性曲線 26 ⑤． 總結 數(shù)字功放 H 橋式輸出電路的兩類 PWM可分為雙極性與單極性；單極性 PWM具有高頻噪聲低，電磁干擾小， 4Ω以上阻抗幅頻特性平直， 10kHz～ 20kHz 輸出電壓抬升小等優(yōu)點，所反映出的負載阻抗變化敏感性小，特別適合負載變化較大的應用場合，如公共廣播定壓輸出功放；在較低負載阻抗時，采用雙極性 PWM 可以得到更大范圍的頻率響應。 因輸出功率稍大于 l w，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅動的對管， IRFDl20 和 IRFD9120 VMOS 對管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。 互補 PWM 開關驅動信號交替開啟 Q5 和 Q8或 Q6和 Q7，分別經(jīng)兩個 4階 Butterworth 濾波器濾波后推動喇叭工作。 缺點是負載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。 2． 低通濾波 采用開關放大技術的數(shù)字功放工作原理與模擬功放完全不同，其開關功率級輸出的高頻 PWM信號中包含有音頻信號。 27 圖 529 低 通濾波器頻率特性 圖 530與 圖 531為 PWM 濾波前后的時域與頻域分析。 圖 530 PWM 濾波前后的時域波形 圖 531 PWM 濾波前后的頻譜分布 根據(jù)組成低通濾波器的元件與結構不同，低通濾波效果與應用方面不盡相同。低通濾波器按照組成元件通常可分為 LC、 RC型， RC又可分為無源與有源型，低通濾波器的比較如 表 52所示 28 圖 532 數(shù)字功放中低通濾波器位置及作用 表 52 低通濾波器的比較 以二階 LC低通濾波器為例，其拉普拉斯變換為： 在 LC 低通濾波器中，負載電阻 RL 是影響 Q值的一個變量，負載電阻的變化將影響頻率響應曲線， 圖 533所示為負載電阻為 4 歐姆所設計的 LC 參數(shù)，頻響曲線平坦，對于 8 歐姆與 2 歐姆負載，在 20kHz 處的幅度分別有 2db 的抬升與 4dB 的下降。這兩款器件采用了 D類結構，提供 15W功率時效率高達 78%。 MAX9703/MAX9704提供兩種調制方案：固定頻率模式 (FFM)與擴頻模式 (SSM)，SSM模式降低了調制頻率產(chǎn)生的 EMI輻射。 MAX9703/MAX9704具有 80dB的高 PSRR， %的低 THD+N，以及超過 95dB的 SNR。 MAX9703 提供 32 引腳TQFN(5mm x 5mm x )封裝， MAX9704采用 32引腳 TQFN(7mm x 7mm x )封裝。 C至 +85176。 MAX9703/MAX9704的應用與： LCD TV 、 LCD監(jiān)視器、臺式 PC、 LCD放映機、免提式車載電話適配器、汽車電子 。 MAX9703是單聲道放大器， MAX9704是立體聲放大器。獨特的無濾波調制方案以及擴頻切換模式構成了一個緊湊、靈活、低噪聲、高效率的音頻功率放大器。該器件也可以配置為單端輸入放大器。當三角 波輸入幅度超出相應的比較器輸入電壓時，比較器的輸出翻轉。在 D類放大器中，輸出晶體管用作電流調整開關，消耗的額外功率可以忽略不計。 31 理論上線性放大器的最佳效率為 78%，不過該效率僅出現(xiàn)在輸出功率的峰值處。 圖 61 MAX9704 效率與 AB 類效率的對比 應用信息 1. 無濾波工作 傳統(tǒng)的 D類放大器需要輸出濾波器，從放大器的 PWM輸出恢復音頻信號。傳統(tǒng)的 PWM結構采用較大的差分輸出擺幅 (2 x VDD峰 峰值 )，造成紋波電流過大。 MAX9703/MAX9704不需要輸出濾波器，而是利用揚聲器線圈自身的電感和揚聲器與人耳的天然濾波作用，從方波輸出中恢復音頻成分。 由于 MAX9703/MAX9704的輸出頻率遠遠超出了大多數(shù)揚聲器的帶寬，由方波頻率引起的音頻線圈的偏移非常小。為獲得最佳效果，可以用一個等效串聯(lián)電感大于 30181。典型的 8?揚聲器等效串聯(lián)電感在 30181。H范圍內。H時可以獲得最佳效率。 MAX9703/MAX9704的 REG輸出為 MAX9703/MAX9704的邏輯控制引腳 (G_, FS_)提供邏輯高電平電壓，從而簡化了系統(tǒng)設計，并降低了系統(tǒng)成本。不 32 要用 VREG作為系統(tǒng)周圍元件的 6V電源。 3. 輸出失調 與 AB類放大器不同的是， D類放大器在加上負載后其輸出失調電壓不會明顯增大靜態(tài)電流。例如，在 AB類器件中， 8mV的直流失調電壓通過 8?負載會額外消耗 1mA的電流。W的額外功率。W/(VDD/100 x η )，只有幾個微安。 表 61 增益設置 33 7 D 類功放的發(fā)展與技術展望 D 類功放的不足 （ 1） 晶體管在接通和關閉的過程中，接地點的電位會出現(xiàn)波動，從而增大噪音 （ 2） 功率輸出電路是用兩只功率晶體管接成的橋路，一只功率晶體管導通，另外一只關閉，這之間存在死區(qū)。 （ 4）功率輸出電路和揚聲器之間用一只輸出低通濾波器把音頻以外的成分濾除，讓音頻信號進入揚聲器，但不可能徹底濾除脈寬調制的載波，這也是造成失 真的一個因素。 T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調制 D類功放相同，功率晶體管也是工作在開關狀態(tài)，功率和 D類功放相當。它把通信技術中處理小信號的適應算法及預測算法用到這里。此外， T 類功放的動態(tài)范圍更寬，頻率響應平坦，群延遲小。 在 T類功率放大器中，功率晶體管的切換頻率不是固定的（在 D 類功率放大器中是固定的），無用分量的功率譜不 像 D類功率放大器那樣是集中在載頻兩側狹窄的頻帶內，而是散布在很寬的頻帶上，例如從 至 的頻帶上，它的波形和擴譜技術的波形相似，因此，功率密度并不高，從而降低了對輸出低通濾波器的要求，同時它產(chǎn)生的 EMI 也不像 D 類功率放大器那么嚴 重。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點是效率太低。 D類音頻功率放大器是 PWM 型功率放大器， 符合上述要 求。這一技術一經(jīng)問世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點，引起了科研、教學、電子工業(yè)、商業(yè)界的特別關注，現(xiàn)在這一前沿的技術正迅猛發(fā)展，前景一片光明。例如，在功放效率、最大不失真輸出功率等方面還有較大的潛力可挖，這些都有待于我們通過對電路的改進和對元器 件的最佳選擇進一步完善。正是這些經(jīng)驗教訓使我們對 D類放大器的工作原理有了更深刻的理解，對功放的設計有了更深刻的認識，對集成電路的設計有了更深刻的理解和認識。從最初的選題，開題到寫論文直到完成論文。 但 由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起工作的同學們的支持，想 要完成這個設計是難以想象的。老師平日里工作繁多，但在我們做畢業(yè)設計的每個階段 都傾注著老師的心血 ，從外出實習到查閱資料，設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我們悉心的指導。他 以嚴謹?shù)闹螌W之道，寬厚仁慈的胸懷，積極樂觀的生活 態(tài)度；兢兢業(yè)業(yè)，孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神為我樹立了學習典范，他的教誨與鞭策將激勵我在學習和生活的道路上勵精圖治，開拓創(chuàng)新。 其次要感謝一起做畢業(yè)設計的同學，他們在本次設計中勤奮工作，克服了許多困難來完成此次畢業(yè)設計，并承擔了大部分的工作量。 然后還要感謝大學幾年來所有的老師，為我們打下電子專業(yè)知識的基礎；同時還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。 36 參考文獻 1. 全國大學生電子設計競賽組委會編 .第五屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編 .北京：北京理工大學出版社， 2020年 01 期。 ：《音頻功率放大器》，《電子世界》， 2020 年 0