基于高速MOS管的音頻功率放大器(未實現(xiàn))

1、目錄 摘要.1第一章 引 言21.1 音頻功率放大器的種類及主要發(fā)展史21.2 四種常見的音頻功率放大器21.3 本次放大器的設(shè)計指標(biāo)3第二章 音頻功率放大器的比較42.1 音頻功率放大器的效率42.2 各音頻放大器的對比5第三章 D類功率放大器的工作原理73.1 模擬電路組成的脈寬調(diào)制器7第四章 D類音頻功率放大器的設(shè)計84.1 D類音頻功率放大器的整機結(jié)構(gòu)框圖84.2 電路解析8 4.3 系統(tǒng)調(diào)試.12第五章 總 結(jié)15致謝語19參考文獻(xiàn)16附錄20 采用高速MOS管輸出的高效音 頻功率放大器的實現(xiàn) 摘 要 音頻功率放大器是一種不顯眼卻非常有實用性的設(shè)備，他可以帶動揚聲器，使聲音信號得以放

2、大。在實際應(yīng)用中，凡有有設(shè)備需要發(fā)出聲音信號的電子產(chǎn)品中都需要音頻功率放大器。不僅僅是小型的電子便攜式產(chǎn)品如手機，MP3等設(shè)備中需要用到音頻功率放大器，在許多大型的電子設(shè)備中，也經(jīng)?？梢钥匆娫擃惙糯笃鳌?yīng)用中不難發(fā)現(xiàn)，對于功率越大的設(shè)備，其效率也更加重要。于是，本設(shè)計中主要研究失真度較低，音頻放大效率較高的功率放大器。關(guān)鍵字：功率放大器、PWM功率放大、PWM調(diào)制。 第一章 引 言1.1 音頻功率放大器的種類及主要發(fā)展史近年來，音頻功率放大器的技術(shù)已經(jīng)越發(fā)發(fā)展成熟，各項指標(biāo)也越來越完善。在應(yīng)用領(lǐng)域中，人們主要將放大器劃分為以下幾類：A類功放、B類功放、AB類功放、D類功放。發(fā)展主要經(jīng)歷以下過程

3、：1. 音頻功率放大器由簡單的晶體管到較為復(fù)雜的集成電路1；2. 集成電路的組成由單管輸出轉(zhuǎn)向為推挽輸出； 3.變壓器輸出方式被其他形式的輸出所取代。 1.2四種常見的音頻功率放大器 1.2.1 A類放大器 第一種比較常見的功率放大器為A類功率放大器，也常被稱作為甲類功率放大器。該類放大器是基于線性模式工作，處在工作狀態(tài)中的晶體管，無論信號有沒有輸入，晶體管都呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)。這也就決定了該放大器不管有或沒有音頻功率輸出，都具有一定的功率消耗。并且沒有音頻功率輸出的這一部分功率消耗，都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊Ｒ蚨?，效率是比較低的。A類功率放大器為保證它的波形不至于失真，一般它的工作點電流要大于音頻電流的幅度值

4、。這就決定了它的效率非常得低。 1.2.2 B類放大器 還有一類線性功率放大器是B類音頻功率放大器，也常常被稱作 乙類功率放大器。在工作時，它和甲類功率放大器具有完全相反的模式和狀態(tài)。該放大器在靜態(tài)工作時，晶體管呈現(xiàn)關(guān)閉（不導(dǎo)通）的狀態(tài)。當(dāng)信號從正半周輸入時，僅僅正向通道進行工作。反之，信號從負(fù)半周輸入時，只有負(fù)向通道工作。簡而言之，晶體管的兩個通道不可能同時工作?？芍?，在信號沒有輸入的情況下，不存在輸入功率，也就沒有損耗。然而，在正負(fù)通道關(guān)閉的前提下，將伴隨著嚴(yán)重的失真，特別是在電平較低的情況下。所謂，人們在選擇高保真功放的時候往往不考慮類功率放大器。 1.2.3 AB類放大器 類功率放大器

5、集合了類和類功率放大器的優(yōu)勢，也叫做甲乙類功率放大器。在給放大器輸入較低信號時，類放大器不會像類功率放大器一樣呈現(xiàn)常開狀態(tài)，該狀態(tài)下，輸入功率有所損耗，可是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于類功率放大器。信號從正相通道中輸入的情況下，反相通道隨著輸入信號逐漸加強而開，逐漸減弱而閉合。反之，從負(fù)向通道輸入信號時，正相通道隨著信號加強而斷開，信號減弱而閉合。上述分析可得，類功率放大器無論從失真小的角度還是效率高的角度，都明顯優(yōu)于類和類功率放大器。 1.2.4 D類放大器 從工作原理上分析，類功率放大器又有別于上述三類放大器。D類功率放大器的晶體管是工作于開關(guān)狀態(tài)?；趦蓚€開關(guān)晶體管，在工作的時間內(nèi)，這兩個器件不會同時導(dǎo)通，

6、也不會同時截止。因此，D類功率放大器產(chǎn)生的熱量很小2。在理想情況下，類功率放大器的效率能達(dá)到百分之百，而類功率放大器的效率僅為78.5%。美中不足的是，晶體管開關(guān)在工作下會導(dǎo)致輸出信號的部分失真，不過，這在能接受的范圍內(nèi)。1.3 本次放大器的設(shè)計指標(biāo)1、研究比較上述四類音頻功率放大器以及各項指標(biāo)。在四類放大器中，挑選出失真度小、效率高的方案。2、分析該功率放大器的組成。實物最大不失真輸出功率3W 3、在放大器中，需要添加一個濾波的器件，討論濾波器的工作原理以及選擇合適的濾波器。 4、其他 第二章 音頻功率放大器的比較不同器件和原理組成了各種各樣的音頻功率放大器。實際應(yīng)用中，這些放大器的工作實現(xiàn)

7、原理基本相同。都是在外界導(dǎo)入信號的情況中，將外加電源的功率成功轉(zhuǎn)換成輸出端的信號功率。在不同電子產(chǎn)品設(shè)備中，所需要的放大器是不一樣的，對其性能指標(biāo)和工作特性都有特定的要求。接下來，主要研究一下不同放大器的性能。2.1音頻功率放大器的效率音頻功率放大器在實際的應(yīng)用中，人們往往比較關(guān)注的有高效率、使用安全，以及在控制范圍內(nèi)的失真程度。要優(yōu)化上述指標(biāo)內(nèi)容，最關(guān)鍵的是選擇一個合適的功率管。有了一個合適的功率管，放大器就能在輸入較大信號的狀態(tài)下工作，并且能通過的電信號都是較大的。在音頻功率放大器的實際使用和運作過程中，我們可以知道系統(tǒng)輸出的信號功率越大，則意味著著動態(tài)電壓和電流也會越大，相應(yīng)地，會引起更

8、大失真。在制作音頻功率放大器時，不僅要盡可能地減小失真度，還要控制輸出的功率大小。當(dāng)給系統(tǒng)輸入一個工作信號時，電源的功率PD一部分轉(zhuǎn)換為輸出的功率，另一部分則被系統(tǒng)損耗，稱為損耗功率PC3。在判斷功率放大器的指標(biāo)時，常用效率C來表示，下面給出計算效率的公式。C = 2.1由該計算公式可得，要想獲得高的效率，在輸入功率穩(wěn)定的情況下則要減小PD，相應(yīng)的也就是減小的值。要想較小可以通過選擇一款脈沖調(diào)制較小的功率管，同時這也能大大較小制作成本。在放大器的研究過程中，人們始終把提高工作效率C作為一個重要指標(biāo)。提高功放效率固然重要，然而，音頻放大器的安全使用、失真程度控制在一定的范圍內(nèi)，這二者也不容忽視。

9、2.2 各音頻放大器的對比A類音頻功放見圖2.2.1左邊為晶體管輸入特性，固定偏置所構(gòu)成的工作點在Q點，當(dāng)正弦音頻信號輸入時，其幅度未超過線性限度，集電極工作狀態(tài)則在截至區(qū)和飽和點之間，集電極電流的信號為完整的全周導(dǎo)通的正弦波，此時導(dǎo)通角為180°4。我們知道這種放大狀態(tài)下失真較小，其他原因造成的失真情況較小，受元器件特性影響的失真情況較大。如果元器件線性特性好那么失真較小。由于本設(shè)計的輸入電源是直流，又因為A音頻類功率放大器再輸入的電源不是交流的情況下，失真比較大，功率較低， 所以本次設(shè)計中不采用A類音頻功放設(shè)計。IcIc圖2-2-1 A類晶體管，在輸入信號最大值，為了晶體管不截止

10、，設(shè)定VbVce0tQQ圖2-2-2 B類放大器，在晶體管截止極限設(shè)定VbVce0VbQIc0IcB類音頻功放靜態(tài)偏置為Q點，剛好在截止點上。故音頻信號輸入后，波形會有90°導(dǎo)通角的導(dǎo)通。而電極輸出半個周期的正弦波，這種情況下的失真率較大，所以通常來說B類功率放大器比較多的是用雙管來做，單個管工作是以半個周期用來構(gòu)成完整的正弦波以達(dá)到減小失真的目的5。 B類功率放大器有個最為突出的優(yōu)點是在沒有信號輸入時，理論上不會有電流通過，這說明在沒有信號輸入的情況下沒有直流功率損耗，因而效率超過50，但是也有一個比較大的缺點，由于起始段的非線性的緣故，B類功放大器的效率沒辦法達(dá)到一個令人比較滿意

11、的高度，只有6070，工作介于AB之間，故又稱甲乙類功放4。如下圖所示：由于本次設(shè)計使用電源為直流電源，所以除去B類和AB類功放器的設(shè)計。圖2-4-4 AB類放大和B類放大IcVbe我們再看D類放大器。理想狀態(tài)下，基于兩個晶體管開關(guān)的類功率放大器，在沒有信號通過的情況下也不存在電流，單有信號通過時，開關(guān)導(dǎo)通，此次也沒有損耗。但是，在實際應(yīng)用中，關(guān)斷器件時會有較小的電流露出。當(dāng)有信號通過，晶體管導(dǎo)通時，器件不可能完全短路，電壓也會下降一些，損耗就隨之產(chǎn)生6。所以，即便是D類功率放大器，其效率也無法達(dá)到百分之百。但是能控制在8090，相比另一三類放大器已經(jīng)很高。將其應(yīng)用在大型設(shè)備中時，即便有幾百瓦

12、的輸出，損耗也僅僅為十幾瓦。損耗值較小，在沒有必要的情況下，甚至可以不安裝散熱器。因而，本設(shè)計所用的為D類音頻功率放大器。第三章 D類功率放大器的工作原理在D類功率放大器的工作過程中，在輸入段輸入要放大的信號，將該信號轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制信號，再推動晶體開關(guān)管導(dǎo)通，經(jīng)過一個低頻信號通過的濾波器，最后成功實現(xiàn)將信號功率放大的功能。在第一步所得的經(jīng)過調(diào)制的脈寬信號，有多個等級的電壓，這時就可以用普通的開關(guān)輸出。在晶體管開關(guān)工作的過程中，元器件都處在截止或者飽和的狀態(tài)，（截止時，有電壓沒有電流。飽和時，有電流沒有電壓）損耗是微乎其微的。但當(dāng)開關(guān)從導(dǎo)通到斷開或者從斷開到導(dǎo)通的過程中，晶體管既有電壓又有電流，

13、此時，在元器件上存在小部分的損耗。因而，D類功率放大器的頻率較其他放大器更高7。與如甲類功率放大器的線性放大器相比，D類功率放大器又一個明顯的弱點，就是在輸出的波形有較大的失真，其波形畸變率較大。下圖所示直觀地反映了D類功率放大器的原理：如上圖所示，信號從輸入端進入后，利用PWM技術(shù)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，再經(jīng)過晶體開關(guān)管等一些列器件，將信號放大，并且輸出。3.1 模擬電路組成的脈寬調(diào)制器下圖展現(xiàn)了PWM的調(diào)制原理，該調(diào)制原理基于自然采樣定理，用模擬數(shù)字信號的方案組成的PWM調(diào)制器通常都是根據(jù)自然采樣的方法（即次此時輸入的音頻信號是模擬的信號），用三角波和輸入的音頻信號進行調(diào)制比較產(chǎn)生PWM信號，并

14、且由其交點來判斷脈沖序列來控制開關(guān)管的PWM序列8。要做一個完整的音頻功率放大電路，其中需要設(shè)計一個三角波產(chǎn)生電路、前置的信號處理電路，PWM信號調(diào)制電路和PWM功率放大電路,一般的音頻功率放大器都是由這四個模塊組成。另外也可以用模擬信號來構(gòu)成這樣一個系統(tǒng)。在科學(xué)不斷發(fā)展的今天，隨著集成技術(shù)的的不斷進步，越來越多的PWM專用集成芯片不斷的出現(xiàn)，如SG3524,TL5001等9。但是本此設(shè)計使用的分立元件。第四章 D類音頻功率放大器的設(shè)計4.1 D類音頻功率放大器的整機結(jié)構(gòu)框圖圖41D類音頻放大器的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖41，它由前置電路（信號輸入電路、取絕對值電路、電頻匹配電路）、PWM調(diào)制電路、三

15、角波產(chǎn)生電路、PWM功率放大電路、低通濾波器和外接負(fù)載組成。下面會一一解析電路各個細(xì)節(jié)。4.2 電路解析4.2.1 輸入級輸入級是由外接輸入耦合電容、變阻器、電阻、和一只OP07運算放大器組成。本此設(shè)計的音頻信號輸入級為一同向放大電路，其放大倍數(shù)為2倍。47K的變阻器的作用是用于控制外接喇叭的音量。IN端是音頻信號的輸入端，A端接取絕對值電路的輸入端，B接過零比較器的輸入端。 4.2.2 取絕對值電路一開始的設(shè)計中，本來沒有這個細(xì)節(jié)電路，考慮到本次設(shè)計中對失真率的要求，加入該電路。它的作用是把從輸入級放大后的音頻信號的負(fù)半波全部翻轉(zhuǎn)為正半波，來與三角波進行比較，從而全部輸出正脈沖。可以使信號高

16、度對稱，減小失真。本電路的運算放大器全為單倍放大，低輸入阻抗、高輸出阻抗，外接周圍電阻選擇10k和5k，在上圖中，二極管將選用晶體開關(guān)二極管，經(jīng)過查證，這里選擇IN4148。4.2.3 電頻匹配電路電平匹配電路的作用是調(diào)節(jié)前置電路中的輸出的信號的電頻，從而是前置電路中輸出的信號的電頻與三角波產(chǎn)生電路中產(chǎn)生的三角波的電頻相匹配，使兩信號的電頻中心點重合并且可以使前置電路處理過的輸入信號的幅值不會大于三角波的最高幅值。使PWM信號的調(diào)制更加精確。4.2.4 三角波產(chǎn)生電路三角波產(chǎn)生模塊，三角波是調(diào)制PWM信號必不可少的，如何產(chǎn)生符合設(shè)計的要求的三角波也是一個難題 ，這個三角波產(chǎn)生電路主要是由一個斯

17、密特觸發(fā)器和一個積分器組成，它產(chǎn)生的三角波頻率是F=R4/(4*R6*R7*C1) 如果需要的頻率不夠 可以調(diào)節(jié)相應(yīng)的電容電阻值。4.2.5 PWM控制器在功率放大的制作過程中，還需要用到控制器，它也是一種電壓比較器。如圖414所示，這是LM393/A高速雙比較器的工作原理。OP07的第三腳輸入預(yù)設(shè)的是經(jīng)過前置電路處理得到的合適PWM調(diào)制的信號，OP07的第四腳輸入三角波產(chǎn)生電路輸出的三角波。兩個輸入信號通過LM393/A高速雙比較器后，輸出設(shè)備所需的脈沖信號PWM信號10。PEM信號的頻率與輸入的三角波信號頻率相同，其原理如圖43。4.2.6 光電耦合及驅(qū)動電路驅(qū)動電路一般有單管驅(qū)動和雙管驅(qū)

18、動兩種，本設(shè)計選用的是驅(qū)動力較大的雙管驅(qū)動，可以最大保證輸出管的飽，采用雙電源供電可以使輸出管工作更穩(wěn)定。由于輸出半橋是第一管和第二管的兩個Mos管交替飽和導(dǎo)通，所以驅(qū)動電路也采用兩路相同的設(shè)計。 這里選擇的耦合管是4N25，用1.5K的電阻進行限流，這樣的好處是電源去掉第一管和發(fā)光二極管的降壓還大約有14v左右，在功率管正常工作狀態(tài)下，第一管的輸入電流經(jīng)計算為10MA左右。而第一管的基極偏置電阻在10100k之間，從而得到輸入阻抗高的效果，故而選擇51k比較合適。本著簡化電源減小設(shè)計難度的目的，耦合管和兩個驅(qū)動管為同一個電源加以供電。中間級的第二管可以用來提高PWM功率放大電路的的驅(qū)動能力，

19、在第二管飽和的情況下，電極電流為10mA左右。 PWM功率放大電路的基本工作流程：當(dāng)?shù)谝还茱柡蛯?dǎo)通，第二管飽和導(dǎo)通，則第五管截止，第六管飽和導(dǎo)通，而此時下半路均截止；當(dāng)?shù)谝还芙刂箷r，第二管截止,第五管飽和導(dǎo)通，第六管截止，而此時下半路均截止11。上下兩半路的工作順序完全一致。4.2.7 輸出橋 研究不難發(fā)現(xiàn)，提供等值電壓的情況下，全橋輸出是半橋的二倍。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。本設(shè)計對電源的要求比較低，所以這里采用半橋輸出式較為合適。具體電路見右邊418： 輸出信號時是單管導(dǎo)通飽和，這樣一來，單管承受的電壓為30V，所以VDS大于等于60V(兩倍的

20、富余量)；當(dāng)電阻RL8時，要想得到最大輸出功率為60w，則必須滿足輸出電流有效值I=0.54A，Imax=3A,所以功率管的ID大于等于3A；由于此放大器的效率大于等于80%，其集電極功率損耗小6W，所選功率管的PC大于4W即可。本次設(shè)計的三角波頻率是10KHZ，所以要選擇開關(guān)管小于5ms的功率管，防止出現(xiàn)兩管同時導(dǎo)通而燒壞功率管的事情發(fā)生。所以，選擇開關(guān)時間較為短暫的功率管，就能在一定程度上縮減損耗，信號功率的轉(zhuǎn)換效率也會隨之提高；通過用導(dǎo)通電阻也是有效的方法之一12。根據(jù)以上條件我們選NMOS IRF3205.4.2.8 輸出濾波器的設(shè)計在設(shè)計D類功率放大器的過程中，還需要控制輸出的頻率，

21、此時就要用到低通濾波器。低通濾波器截至的頻率控制系統(tǒng)的頻率上限，其隨著系統(tǒng)上限我們知道，功放頻率的高頻上限是由低通濾波決定的。所以高頻上限隨著輸出負(fù)載不同而改變。通過低通濾波器的電感器的電流越大，電路中的各類元器件消耗功率的比例都會有一定的變化，所以想要降低D類功放的功率，可以采用串聯(lián)電感等方法。用二階低通濾波器時所需的元件數(shù)量少，成本低對高頻信號的衰減效果也要差一些8。而四介低通濾波器需要的元件數(shù)量相對較多，成本較高，對高頻信號的濾波效果要好過二階低通濾波器5。而提高開關(guān)管的信號頻率可以有效降低電感器和電容器的所需數(shù)值，從而讓我們達(dá)到可以用更小的體積的元器件，方便制板時的布線和印刷電路板，也

22、可以有效的減小MOSFET管的損耗。而且由元器件帶來的高頻損耗引起效率下降也可以用線性特性更好的元器件代替。一般該音頻功率放大器可以采用功率較小的二階低通LC濾波器13。本設(shè)計就采用二階低通濾波器。4.3 系統(tǒng)調(diào)試 通過原理圖，在軟件上做出PCB圖，最后制板做出實物。4.3.1 問題描述在實際測試中發(fā)現(xiàn)了大量問題：1、 接好電源，在示波器上，檢測不到三角波產(chǎn)生電路產(chǎn)生的三角波。2、 音頻信號輸入級，檢測到的正弦波帶有大量干擾信號。3、 取絕對值電路之后的功放上檢測不到信號。4、 功放電路接入電源之后，兩塊IRF3205發(fā)熱問題嚴(yán)重。5、 其他4.3.2 問題的探索過程及解決 在眾多問題中，最先

23、解決的是去絕對值電路之后為什么檢測不到信號，在經(jīng)過對照原理圖一步步的檢測，發(fā)現(xiàn)原因是電路上的一個二極管接反向了，導(dǎo)致沒有信號能通過。把二極管重新接好之后，雖然后面的功放都能檢測到信號，可是信號干擾問題依舊嚴(yán)重。經(jīng)過和同學(xué)的探討，做出了一系列的調(diào)整，如調(diào)整一些電容、電阻大小等，都沒有收到比較明顯的效果。經(jīng)過導(dǎo)師指點，在功放電源極填加一個細(xì)節(jié)電路：退耦電路，問題得到顯著改善。見右圖。在電源與地線之間接一個電容（視情況可以添加電阻），能有效濾除雜波。 我們知道，D類功放通過將三角波和音頻輸入的信號通過比較器生成PWM信號再通過PWM功率放大電路，最終得到我們要的放大信號。所以三角波電路不能輸出三角波

24、，無疑說明此次設(shè)計的不成功。照例先檢查實物與原理圖，沒有發(fā)現(xiàn)焊接上的錯誤。通過萬用表沒有檢測出短路及斷路的問題。更換新芯片以排除芯片是壞的可能性。通過仿真及請教導(dǎo)師，發(fā)現(xiàn)該三角波生成電路本身存在問題，無法自激震蕩產(chǎn)生三角波。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，把電路圖的三角波生成器部分的電路做了部分修改，從而解決了一大難題。見下圖： （修改前） （修改后） （修改后的仿真圖） 在實物的檢測過程中還是不是遇到一些新的問題，因為本次設(shè)計為純硬件，各個元器件的聯(lián)系緊密，可謂牽一發(fā)而動全身。在這里換個其他型號的元器件，檢測的時候又發(fā)現(xiàn)原來有信號的其他地方又沒有信號了，在這些調(diào)試中耗費了大量時間和精力，以至于時間不夠繼續(xù)探

25、索功放電路的故障，這里有點遺憾。在前面的三角波生成模塊，音頻輸入模塊及比較器模塊還有一些細(xì)小的改動，將會在答辯中講述。這里不一一贅述。 第六章 總 結(jié) 本次設(shè)計總體上還算是比較成功的，也使我對音頻功放有了更進一步的理解和認(rèn)識。上述比較了各個類型的功率放大器，很明朗地展現(xiàn)了每種放大器的優(yōu)缺點，以及針對優(yōu)缺點該應(yīng)用的電子產(chǎn)品或者帶音頻設(shè)備的大型電器。本次設(shè)計中未涉及到的音頻功放還有C類功放及D類的數(shù)字功放，這主要是初期對音頻功放這一方面不夠了解，造成的失誤。本次設(shè)計中，由于時間關(guān)系，未能對功放電路的故障原因進行探索研究也是本次設(shè)計的一大缺憾，以后在做討論。 參考文獻(xiàn)：1:劉冬青，新型D類音頻功率放

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