D類功率放大器設(shè)計與制作

/完成日期任務(wù)書一、任務(wù)設(shè)計并制作一個高效率音頻功率放大器及其參數(shù)的測量、顯示裝置。功率放大器的電源電壓為+5V（電路其他部分的電源電壓不限），負載為8Ω電阻。二、指導老師：張文初、湯俊秀三、要求1．基本要求（1）功率放大器a．3dB通頻帶為300Hz～3400Hz，輸出正弦信號無明顯失真。b．最大不失真輸出功率≥1W。c．輸入阻抗>10k，電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)。d．低頻噪聲電壓（20kHz以下）≤10mv，在電壓放大倍數(shù)為10，輸入端對地溝通短路時測量。e．在輸出功率500mW時測量的功率放大器效率（輸出功率/放大器總功耗）≥50%。（2）具有輸出短路愛護功能。（3）設(shè)計并制作一個測量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5%。2、設(shè)計內(nèi)容和要求=1\*GB2⑴繪制系統(tǒng)組成框圖，確定設(shè)計方案；=2\*GB2⑵了解電路所需集成芯片的功能，參數(shù)和工作原理；=3\*GB2⑶繪制整機電路圖；=4\*GB2⑷制作實物并完成軟、硬件調(diào)試；=5\*GB2⑸提交畢業(yè)設(shè)計論文。四、設(shè)計參考書《模擬電子技術(shù)》、《高頻電子技術(shù)》、《電子設(shè)計自動化技術(shù)》、《數(shù)字電路設(shè)計方法》、《電子裝置的設(shè)計》、《單片機原理及應(yīng)用》五、設(shè)計說明書要求封面：包括設(shè)計題目，班級，姓名，指導老師，完成時間書目：依據(jù)說明書的內(nèi)容確定，一般采納2至3級。設(shè)計任務(wù)書：包括課題名稱、目的、用途、主要技術(shù)性能指標(參照教材書目編排)。中文題目、摘要、關(guān)鍵詞；英文題目、摘要、關(guān)鍵詞。正文：設(shè)計方案框圖及電路工作原理：包括系統(tǒng)方框圖，電氣原理圖，各單元電路的設(shè)計，簡述主要部件（包括主要集成電路）的工作原理、工作條件、給定參數(shù)、理論公式及具體的計算步驟、計算結(jié)果。這是說明書的主要部分。元件參數(shù)表：包括所選用的元器件名稱、參數(shù)、型號。調(diào)試方案：包括調(diào)試的條件、方法、運用儀器設(shè)備的型號，并對測試數(shù)據(jù)進行分析。設(shè)計心得：包括對本課程設(shè)計的客觀評價、設(shè)計特點、存在的問題以及改進看法等。參考文獻：包括作者、署名、出版地、出版年等六、設(shè)計進程支配第1周：資料打算和借閱，了解課題思路。第2-3周：設(shè)計要求說明及課題內(nèi)容輔導，完成圖紙初稿。第4-6周：進行畢業(yè)設(shè)計，完成說明書初稿。第7周：其次次檢查設(shè)計完成狀況，并作好畢業(yè)答辯打算。第8周：畢業(yè)答辯和綜合成果評定。七、畢業(yè)設(shè)計答辯及論文要求1.畢業(yè)設(shè)計答辯要求答辯前三天，每個學生應(yīng)按時將畢業(yè)設(shè)計說明書或畢業(yè)論文、專題報告等必要資料交指導老師批閱，由指導老師寫出批閱看法。學生答辯時對自述部分應(yīng)寫出書面提綱，內(nèi)容包括課題的任務(wù)、目的和意義，所采納的原始資料或參考文獻、設(shè)計的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評價。答辯小組質(zhì)詢課題的關(guān)鍵問題，質(zhì)詢和課題親密相關(guān)的基本理論、學問、設(shè)計和計算方法試驗方法、測試方法，鑒別學生獨立工作實力、創(chuàng)新實力。2．畢業(yè)設(shè)計論文要求文字要求：說明書要求打印(除圖紙外)，不能手寫。文字通順，語言流暢，排版合理，無錯別字，不允許抄襲。圖紙要求：按工程制圖標準制圖，圖面整齊，布局合理，線條粗細勻稱，圓弧連接光滑，尺寸標注規(guī)范，文字注釋必需運用工程字書寫。曲線圖表要求：全部曲線、圖表、線路圖、程序框圖、示意圖等不準用徒手畫，必需按國家規(guī)定的標準或工程要求繪制。摘要本系統(tǒng)以高效率音頻功率放大器為核心，輸出開關(guān)管采納高速VMOSFET管,連接成互補對稱H橋式結(jié)構(gòu),最大不失真輸出功率大于1W，平均效率可達到70%左右,兼有輸出1:1雙變單電路,單片機實現(xiàn)功率測量顯示電路。此外還有輸出短路愛護協(xié)助功能,比較志向地實現(xiàn)了設(shè)計指標的要求。音頻放大器已經(jīng)有快要一個世紀的歷史了,從最早的電子管放大器的第一個應(yīng)用就是音頻放大器。然而直到現(xiàn)在為止,它還在不斷地更新、發(fā)展、前進。主要因為人類的聽覺是各種感覺中的相當重要的一種,也是最基本的一種。為了滿意它的須要,有關(guān)的音頻放大器就要不斷地加以改進。高效率的音頻放大器不只是在便攜式的設(shè)備中須要,在大功率的電子設(shè)備中也須要。因為,功率越大,效率也就越重要。而隨著人們的居住條件的改善,高保真音響設(shè)備和更高擋的家庭影院也漸漸起先興起。在這些設(shè)備中,往往須要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率。這時,低失真、高效率的音頻放大器就成為其中的關(guān)鍵部件。D類放大器在這些設(shè)備中也扮演了極重要的角色。關(guān)鍵詞：高效率；音頻；功率放大；LM311；74LS0；555芯片ABSTRACTThissystemwithhighefficiencyaudiopoweramplifierasthecore,outputswitchtubewithahighVMOSFETtube,connectedintocomplementarysymmetryHbridgetypestructure,maximumoutputpowergreaterthan1notdistortionW,averageefficiencycanreach70%,withoutput1:1doublechangesinglecircuit,singlechipmicrocomputerpowermeasurementshowcircuit.Inadditiontotheoutputshortcircuitprotectionauxiliaryfunction,anidealwaytorealizetherequirementofdesignindex.Audioamplifierhasisacenturyofhistory,fromtheearliesttubeamplifiersfirstapplicationisaudioamplifier.However,uptonow,itwillcontinuetoupdate,developmentandprogress.Mainlybecauseofthehumanauditoryisallsortsoffeelingofquiteimportant,alsoisthemostbasicone.Inordertomeettheneedofit,theaudioamplifierwillbeconstantlyimproved.Highefficiencyoftheaudioamplifiernotjustinportableequipmentneed,inhighpowerelectronicequipmentalsoneed.Because,thegreaterthepower,efficiencyandalsomoreimportant.Butalongwiththeimprovementofpeople'slivingconditions,highfidelityaudioequipmentandhighertoblockofhometheatergraduallybegantorise.Inthesedevices,oftenneeddozensoftileorevenhundredsofwattsofaudiopower.Atthistime,lowdistortion,highefficiencyoftheaudioamplifierwillbecomeoneofthekeycomponents.Dclassinthesedevicesamplifieralsoplayanextremelyimportantrole.Keywords:highefficiency;Audio;Poweramplifier;LM311;74LS08;555chip目錄摘要. IABSTRACT II第1章緒論 11.1課題概述 1D類功率放大器簡介 11.2探討背景 31.3論文探討目標和意義 3第2章方案論證和設(shè)計 42.1總體設(shè)計分析 42.2方案的選擇和設(shè)計 4高效率功率放大器 4信號變換電路 7功率測量電路 72.3方案確定 7第3章硬件電路設(shè)計 93.1原理分析 9脈寬調(diào)制器 9前置放大電路 113.1.3驅(qū)動電路 12H橋互補對稱輸出及低通濾波電路 12信號變換電路 13功率測量 13愛護電路 14第4章電路調(diào)試 154.1調(diào)試的設(shè)備 154.2調(diào)試步驟 15電路調(diào)試 16第5章運用說明 195.1運用方法 195.1.1D類功放的安裝 195.1.2D類功放的調(diào)整 195.2故障分析 19三角波電路故障分析 19輸出功率和效率不高 19結(jié)論 21參考文獻 22致謝 23附錄一原理圖 24附錄二PCB圖 25附錄三元件清單 26第1章緒論1.1課題概述近幾十年來在音頻領(lǐng)域中，A類，B類，AB類音頻功率放大器（額定輸出功率）始終占據(jù)“統(tǒng)治”地位，其發(fā)展經(jīng)驗了這樣幾個過程：所用器件從電子管，晶體管到集成電路過程；電路組成從單管到推挽過程；電路形式從變壓器到OTL，OCL，BTL形式過程。其最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。A類音頻功率放大器的最高工作效率為50%，B類音頻功率放大器的最高工作效率為78.5%，AB類音頻功率放大器的工作效率則介于兩者之間。但是無論A類，B類還是AB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，效率就會明顯降低，播放動態(tài)的語言和音樂時平均工作效率只有30%左右。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(zhuǎn)化成熱能，也就是說，這些類型的音頻功率放大器要有足夠大的散熱器。因此A類，B類，AB類音頻功率放大器效率低，體積大，并不是人們志向中的音頻功率放大器。在本文中的D類音頻功率放大器的功率器件受一高頻脈寬調(diào)制信號（PEM）的限制，使其工作在開關(guān)狀態(tài)，理論上其效率可以達到100%，但其不足之出在于會產(chǎn)生高頻干擾及噪聲，但是若細心設(shè)計低通濾波器及合理的選擇元器件參數(shù)，其音質(zhì)噪聲完全能夠滿意人們的需求。本文中具體論述了一種基于晶體管的D類音頻功率放大器的設(shè)計組成和實現(xiàn)方法。D類功率放大器簡介傳統(tǒng)的音頻功率放大器工作時，干脆對模擬信號進行放大，工作期間必需工作于線性放大區(qū)，功率耗散較大，雖然采納推挽輸出，減小了功率器件的承受功率，但在較大功率狀況下，仍舊對功率器件構(gòu)成極大威逼，功率輸出受到限制。此外，模擬功率放大器還存在以下的缺點：電路困難，成本高。經(jīng)常須要設(shè)計困難的補償電路和過流，過壓，過熱等愛護電路，體積較大，電路困難、效率低，輸出功率不行能做的很大。進入21世紀以后，各種便攜式的電子設(shè)備成為了電子設(shè)備的一種重要的發(fā)展趨勢。從作為通信工具的手機，到作為消遣設(shè)備的MP3播放器，已經(jīng)成為差不多人人具備的便攜式電子設(shè)備。接連將要普及的還有便攜式電視機，便攜式DVD等等。全部這些便攜式的電子設(shè)備的一個共同點，就是都有音頻輸出，也就是都須要有一個音頻放大器；另一個特點就是它們都是電池供電的。都希望夠有較長的運用壽命。就是在這種需求的背景下，D類放大器被開發(fā)出來了。它的最大特點就是它能夠在保持最低的失真狀況下得到最高的效率。高效率的音頻放大器不只是在便攜式的設(shè)備中須要，在大功率的電子設(shè)備中也須要。因為，功率越大，效率也就越重要。而隨著人們的居住條件的改善，高保真音響設(shè)備和更高檔的家庭影院也漸漸起先興起。在這些設(shè)備中，往往須要幾十瓦甚至幾百的音頻功率。這時，低失真、高效率的音頻放大器就成為其中的關(guān)鍵部件。國外對數(shù)字音頻功率放大器領(lǐng)域進行了二三十年的探討。在20世紀60年頭中期，日本研制出8bit的數(shù)字音頻功率放大器；1983年，國外提出了D類（數(shù)字）PWM功率放大器的基本結(jié)構(gòu)。但是這些功放僅能實現(xiàn)低位D/A功率轉(zhuǎn)換，若要實現(xiàn)16bit、44.1KHz采樣的功率放大器。隨著數(shù)字信號處理(DSP)和音頻數(shù)字壓縮技術(shù)的結(jié)合、新型離散功率器件及其應(yīng)用的發(fā)展，使開發(fā)好用化的16bit數(shù)字音頻功率放大器成為可能。簡潔地說，歷史上出現(xiàn)過三代D類放大器設(shè)計：第一代的范例是由托卡塔設(shè)計的TacTMillennium，證明了D類放大器的概念，但是該技術(shù)還不能供應(yīng)足夠的性能，這使第一代D類放大器向著好用性的方向發(fā)展。其次代D類放大器把一個用于模擬源信號的PWM信號和一個集成的輸出級以及片外濾波器組合在一起。這些放大器須要源選擇，音量，平衡和音調(diào)限制等困難的前端功能，而這些附加的功能增加了額外的困難性。但是首先這代放大器變得價格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超過了AB類放大器，從而獲得了確定的應(yīng)用。第三代是最近一段時間，現(xiàn)有的D類數(shù)字放大器較以前的技術(shù)已有所改善，他們在音質(zhì)、封裝、性能、價格和核心技術(shù)方面都已取得重大改進。為了生成精確的音頻，輸入晶體管須要在動態(tài)范圍的兩端都能同樣精彩地工作，以幫助精確地實現(xiàn)精確的功率安排。通過采納一個簡潔但功能強大的內(nèi)部限制邏輯系統(tǒng)改善音頻輸出，并額外增加一套輸入晶體管，這些晶體管可以實現(xiàn)對音頻信號輸入的更精細的限制。最終還不能忽視新的架構(gòu)技術(shù)。國內(nèi)外一些從事數(shù)字信號處理的技術(shù)人員，特地探討音頻數(shù)字編碼技術(shù)，在不損傷音頻信號質(zhì)量的狀況下，盡量壓縮數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過多次試驗，最終將末級功放開關(guān)頻率由沒有壓縮數(shù)據(jù)時的約2.8GHz減至小于1MHz，從而降低了對開關(guān)功放管的要求。同時在開關(guān)功率放大部分，采納了驅(qū)動緩沖器和平衡電橋技術(shù)，實現(xiàn)了在不提高工作電壓的狀況下能夠輸出較大的功率，并且設(shè)計了完善的防止開關(guān)管擊穿的愛護電路。1.2探討背景學習模電數(shù)電以來，設(shè)計過模擬功放，只了解了一些理論上的概念及分析方法，加上模電部分的不確定性，所以通過此次D類功率放大電路的設(shè)計，復(fù)習模電和數(shù)電，去應(yīng)用理論并加深理解，學會分析問題，解決問題，并從中學些解決問題的閱歷。我們此次畢業(yè)設(shè)計以小組進行的，所以通過各組員的相互協(xié)作，相互指出不足，相互學習，培育我的交際實力和團隊合作精神。1.3論文探討目標和意義功率放大器是機電一體化產(chǎn)品中不行缺少的部分，也是其最基本的部分。功率放大器發(fā)展至今，有很多種類和應(yīng)用，在工業(yè)方面，有在電力電子限制技術(shù)種的應(yīng)用，有數(shù)控機床的電機驅(qū)動，也有應(yīng)用于新型磁軸承開關(guān)。在通訊方面，有幾百毫瓦的蜂窩電話放射機、有基站幾十瓦的功率放大器、也有上千瓦的電視信號放射機。而它的設(shè)計包含了電子電路技術(shù)、模擬限制理論、測試技術(shù)以及實現(xiàn)智能化的單片機限制技術(shù)等。因此以電子管音頻功率放大器設(shè)計制作作為載體。實現(xiàn)愛好和理論實踐相結(jié)合，使整個設(shè)計過程不味同嚼蠟，從而既實現(xiàn)了對功率放大器的理論學習，又進行一次高性能智能型產(chǎn)品設(shè)計。同時，通過實際設(shè)計和制作，進一步發(fā)揮和鞏固三年來所學的學問，在實踐中熬煉自己的專業(yè)水平。第2章方案論證和設(shè)計2.1總體設(shè)計分析依據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，本系統(tǒng)的組成方框圖如圖2-1所示。下面對每個框內(nèi)電路的設(shè)計方案分別進行論證和比較。圖2-1系統(tǒng)方框圖2.2方案的選擇和設(shè)計2.2.1高效率功率放大器（1）高效率功放類型的選擇方案一：采納A類放大器。A類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q設(shè)定在負載線的中點旁邊,晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡潔，調(diào)試便利。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25％，且有較大的非線性失真。由于效率比較低現(xiàn)在設(shè)計基本上不在再運用。方案二：采納B類放大器。B類放大器的主要特點是：放大器的靜態(tài)點在(VCC，0)處，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當Vi為負半波正弦波(如圖虛線部分所示)，所以必需用兩管推挽工作。其特點是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點是"交越失真"較大。即當信號在-0.6V至0.6V之間時，Q1Q2都無法導通而引起的。所以這類放大器也漸漸被設(shè)計師摒棄。方案三：、采納AB類放大器。AB類放大器的主要特點是：晶體管的導通時間稍大于半周期，必需用兩管推挽工作?？梢员荛_交越失真。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率相對提高，晶體管功耗也較小。方案四：采納D類功率放大器。D類功率放大器是用音頻信號的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，通過LC低通濾波器后輸出音頻信號。由于輸出管工作在開關(guān)狀態(tài)，故具有極高的效率。理論上為100％，實際電路也可達到80％～95％，所以我們確定采納D類功率放大器。（2）高效D類功率放大器實現(xiàn)電路的選擇本題目的核心就是功率放大器部分，采納何種電路形式以達到題目要求的性能指標，這是關(guān)鍵。①脈寬調(diào)制器(PWM)方案一：可選用專用的脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題發(fā)揮部分的實現(xiàn)。方案二：采納圖2-2所示方式來實現(xiàn)。三角波產(chǎn)生器及比較器分別采納通用集成電路，各部分的功能清晰，實現(xiàn)敏捷，便于調(diào)試。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。、圖2-2脈寬調(diào)制器電路②高速開關(guān)電路a.輸出方式方案一：選用推挽單端輸出方式(電路如圖2-3所示)。電路輸出載波峰-峰值不行能超過5V電源電壓，最大輸出功率遠達不到題目的基本要求。圖2-3高速開關(guān)電路方案二：選用H橋型輸出方式(電路如圖2-4所示)。此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波的峰-峰值可達10V，有效地提高了輸出功率，且能達到題目全部指標要求，故選用此輸出電路形式。圖2-4高速開關(guān)電路b.開關(guān)管的選擇。為提高功率放大器的效率和輸出功率，開關(guān)管的選擇特別重要，對它的要求是高速、低導通電阻、低損耗。方案一：選用晶體三極管、IGBT管。晶體三極管須要較大的驅(qū)動電流，并存在儲存時間，開關(guān)特性不夠好，使整個功放的靜態(tài)損耗及開關(guān)過程中的損耗較大；IGBT管的最大缺點是導通壓降太大。方案二：選用VMMOSFET管。VMOSFET管具有較小的驅(qū)動電流、低導通電阻及良好的開關(guān)特性，故選用高速VMOSFET管。③濾波器的選擇方案一：采納兩個相同的二階巴特沃茲低通濾波器。缺點是負載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。方案二：采納兩個相同的四階巴特沃茲低通濾波器，在保證20kHz頻帶的前提下使負載上的高頻載波電壓進一步得到衰減。2.2.2信號變換電路由于采納浮動輸出，要求信號變換電路具有雙端變單端的功能，且增益為1。方案一：采納集成數(shù)據(jù)放大器，精度高，但價格較貴。方案二：由于功放輸出具有很強的帶負載實力，故對變換電路輸入阻抗要求不高，所以可選用較簡潔的單運放組成的差動式減法電路來實現(xiàn)。2.2.3功率測量電路方案一：干脆用A/D轉(zhuǎn)換器采樣音頻輸出的電壓瞬時值，用單片機計算有效值和平均功率，原理框圖如圖2-5所示，但算法困難，軟件工作量大。圖2-5功率測量電路方案二：由于功放輸出信號不是單一頻率，而是20KHz頻帶內(nèi)的隨意波形，故必需采納真有效值變換電路。此方案采納真有效值轉(zhuǎn)換專用芯片，先得到音頻信號電壓的真有效值。再用A/D轉(zhuǎn)換器采樣該有效值，干脆用單片機計算平均功率(原理框圖如圖2-6所示)，軟件工作量小，精度高，速度快。圖2-6功率測量電路2.3方案確定D類放大器的架構(gòu)有對稱和非對稱兩大類，在此探討的D類功放針對的是對功率、體積都特別敏感的便攜式應(yīng)用，因此采納全電橋的對稱型放大器，以充分利用其單一電源、系統(tǒng)小型化的特點。通過以上各方案論證D類放大器由PWM電路、開關(guān)功放電路及輸出濾波器組成，原理框圖如圖2-7所示。它采納了由比較器和三角波發(fā)生器組成的固定頻率的PWM電路，用輸入的音頻信號幅度對三角波進行調(diào)制，得到占空比隨音頻輸入信號幅度改變的方波，并以相反的相位驅(qū)動上下橋臂的功率管，使功率管一個導通時另一個截止，再經(jīng)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號，推動揚聲器發(fā)聲。采納全橋的D類放大器可以實現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并可削減干擾。全橋電路負載上的電壓峰峰值接近電源電壓的2倍，可采納單電源供電。實現(xiàn)時，通常實行2路輸出脈沖相位相反的方法。其輸出電壓是疊加變大的，經(jīng)過低通濾波器后，仍存在較大的負載電流，特殊當濾波器設(shè)計不好時，流過負載的電流就會更大，從而導致負載損耗大，降低放大器效率。音頻輸入電壓放大器電壓放大器三角波發(fā)生器比較器驅(qū)動電路驅(qū)動電路開關(guān)放大電路濾波電路濾波電路開關(guān)放大電路外接測量電路圖2-7系統(tǒng)組成框圖第3章硬件電路設(shè)計3.1原理分析D類功率放大器的工作過程是：當輸入模擬音頻信號時，模擬音頻信號經(jīng)過PWM調(diào)制器變成和其幅度相對應(yīng)脈寬的高頻率PWM脈沖信號，經(jīng)脈沖推動器驅(qū)動脈沖功率放大器工作，然后經(jīng)過功率低通濾波器帶動揚聲器發(fā)聲。當輸入PCM數(shù)字信號時，數(shù)字信號經(jīng)PCM-PWM轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變成為PWM脈沖信號，經(jīng)脈沖推動器驅(qū)動脈沖功率放大器工作，然后經(jīng)低通功率濾波器帶動揚聲器工作。3.1.1脈寬調(diào)制器①三角波產(chǎn)生電路。該電路我們用555芯片構(gòu)成三角波產(chǎn)生電路，如圖3-1所示。本設(shè)計利用555組成多諧振蕩器的電容C41充放電特性加以改進，實現(xiàn)對電容C41的線性充放電獲得三角波。利用QN9、QN10和R22構(gòu)成恒流源對C41實現(xiàn)線性充電，利用QN7、QN8和R23構(gòu)成的恒流源實現(xiàn)對C41的放電。電容C41上的三角波經(jīng)QN6射極跟隨器輸出。電路中電容C41選用漏電流很低的聚苯乙烯電容。該振蕩器振蕩頻率:2/3Vcc=1/3Vcc+I*T1/C;1/3Vcc=2/3Vcc-I*T2/C;F=1/(T1+T2)=3I/2Vcc*C。我們要得到一個線性很好、頻率約100KHZ、峰峰值為2.18V的三角波，將其輸入到脈寬調(diào)制比較器的一個輸入端。 圖3-1三角波產(chǎn)生電路電路工作原理如下：接通電源瞬間，555芯片的3腳輸出高電平，二極管D3截止，D4導通，從而D2也截止，D1導通，電源Vcc通過QN9，QN10，R22，D1對電容C41恒流充電，當C41上電壓達到2/3Vcc時，555芯片的輸動身生翻轉(zhuǎn)，即3腳輸出低電平，D3導通，D4截止，從而D1也截止，D2導通，電容C41通過D2，QN7，QN8，R23恒流放電，直到C41電壓等于1/3Vcc，電容又起先充電，如此循環(huán)，則C41上可以得到線性度良好的三角波，輸出加一級電壓跟隨器，以提高帶負載實力，其仿真波形如圖3-2所示。圖3-2三角波波形圖②比較器常規(guī)PWM調(diào)制電路如圖3-3所示，電路以音頻信號為調(diào)制波，頻率為150kHz的三角波為載波，兩路信號均加上2.5V的直流偏置電壓，通過比較器進行比較，得到幅值相同，占空比隨音頻幅度改變的脈沖信號。比較電路采納高速、精密的比較器芯片LM311。由于比較器芯片LM311的輸出級是集電極開路結(jié)構(gòu)，輸出端須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采納芯片資料上的舉薦阻值1k。其仿真波形如圖3-4所示。圖3-3比較器電路輸入輸入輸出三角波信號PWM信號PWM信號輸入信號三角波輸入圖3-4脈寬調(diào)制波形3.1.2前置放大電路前置放大電路如圖3-5所示。設(shè)計要求整個功率放大電路的增益從1～20連續(xù)可調(diào)，考慮到設(shè)計要求功率放大單元的電源為單電源+5V，故取載波（三角波）的峰峰值為2.18V。當功放輸出的最大不失真功率為1W時，其8?負載上等效正弦波的電壓峰峰值為V′p-p=8V，此時送給比較器音頻信號的最大峰峰值為Vp-pmax=2V，則對應(yīng)的調(diào)制放大增益為4（事實上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其電壓增益要略大于4），由于設(shè)計要求電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)，因此必需對輸入的音頻信號進行前置放大，其增益應(yīng)大于5。電路中運算放大器通過低噪聲、高速運放OP-37為核心，加上相關(guān)元件構(gòu)成反相比例放大器。選擇反相放大器是為了簡潔實現(xiàn)輸入電阻Ri≥10kΩ的要求，取V+=VPP/2=2.5V要求輸入阻抗Ri大于10K?,反饋電阻采納R3=51K?,反相端電阻R1=10K?,則前置放大器的最大增益Av為Av=R3/R1=51/10=5.1調(diào)整R3使其Av增益約為8，則整個功放的電壓增益從1～20可調(diào)。圖3-5前置放大電路3.1.3驅(qū)動電路如圖3-6所示。將PWM信號整形變換成互補對稱的輸出驅(qū)動信號，用CD40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)運用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補對稱式射極跟隨器驅(qū)動的輸出管，保證了快速驅(qū)動。驅(qū)動電路晶體三極管選用8050和8550對管。圖3-6驅(qū)動電路3.1.4H橋互補對稱輸出及低通濾波電路H橋互補對稱輸出電路對VMOSFET的要求是導通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。因輸出功率稍大于1W，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、簡潔快速驅(qū)動的對管，IRF120和IRF9120VMOS對管的參數(shù)能夠滿意上述要求，故采納之。實際電路如圖3-7所示。互補PWM開關(guān)驅(qū)動信號交替開啟Q5和Q8或Q6和Q7，分別經(jīng)兩個4階巴特沃茲濾波器濾波后推動喇叭工作。圖3-7H橋互補對稱輸出及低通濾波電路低通濾波器采納四階巴特沃茲LC濾波電路，如圖3-7所示。對濾波器的要求是上限頻率≥20kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。通過試驗，從而得到了一組較佳的參數(shù)：L1=22μH，L2＝47μH，L3=22μH，L4=47H。19.95kHz處下降2.464dB，可保證20kHz的上限頻率，且通帶內(nèi)曲線基本平坦；100kHz、150kHz處分別下降48dB、62dB，完全達到要求。3.1.5信號變換電路由于負載兩端的電壓是浮動的，須將此雙極性信號變?yōu)閱螛O性信號，然后才能通過A/D和單片機作采樣處理。由于對這部分電路的電源電壓不加限制，可不必采納價格較貴的滿幅運放,故信號變換電路采納低噪聲、高速運算放大器芯片NE5532。題目要求電路增益為1，選取R1＝R2＝R3＝R4＝20k?，電路如圖3-8所示。圖3-8信號變換電路3.1.6功率測量信號分壓后先經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637，AD637輸出信號的有效值模擬電平，然后通過A/D采集送到單片機，干脆計算功率放大器的輸出功率、效率，然后把計算結(jié)果送顯示單元顯示即可。真有效值變換電路如圖3-9所示，采納美國模擬器件公司(AnalogDevices)髙精度真有效值變換芯片AD637，所需外圍元件少，頻帶寬，測量誤差≤±(0.2讀數(shù)＋0.5mV)，能計算任何困難波形的真有效值、平均值、均方根值、確定值，當輸入信號大于1V時測量信號的頻率上限高達8MHz。圖3-9真有效值變換電路3.1.7愛護電路愛護電路的原理如圖3-10所示,0.1Ω過流取樣電阻和8Ω負載串聯(lián)連接，對0.1Ω電阻上的取樣電壓進行放大(并完成雙變單變換)。電路由U1B組成的減法放大器完成，選用的運放是NE5532。R6和R7調(diào)整為11kΩ，則該放大器的電壓放大倍數(shù)為Av=R0/R7≈51。經(jīng)放大后的音頻信號再通過由D1、C2、R10組成的峰值檢波電路，檢出幅度電平，送給由LM393組成的電壓比較器“+”端,比較器的“-”端設(shè)置為5.1V，由R12和穩(wěn)壓管D6組成，比較器接成遲滯比較方式，一旦過載，即可鎖定狀態(tài)。正常工作時，通過0.1Ω上的最大電流幅度Im=5/(8+0.1)=0.62A，0.1Ω上的最大壓降為62mV。經(jīng)放大后輸出的電壓幅值為Vim×Av=62×51≈3.2V，檢波后的直流電壓稍小于此值，此時比較器輸出低電平，Q1截止，繼電器不吸合，處于常閉狀態(tài)，5V電源通過常閉觸點送給功放。一旦8Ω負載端短路或輸出過流，0.1Ω上電流、電壓增大，經(jīng)過電壓放大、峰值檢波后，大于比較器反相端電壓(5.1V)，則比較器翻轉(zhuǎn)為高電平并自鎖，Q1導通，繼電器吸合，切斷功放5V電源，使功放得到愛護。要解除愛護狀態(tài)，需關(guān)斷愛護電路電源。為了防止開機瞬間比較器自鎖，增加了開機延時電路，由R11、C3、D2、D3組成。D2的作用是保證關(guān)機后C3上的電壓能快速放掉，以保證再開機時C3的起始電壓為零。圖3-10短路愛護電路第4章電路調(diào)試正確的調(diào)試系統(tǒng)才能使各模塊電路正常工作，實現(xiàn)高穩(wěn)定性的顯示。4.1調(diào)試的設(shè)備為了便利調(diào)試，找出電路相關(guān)電路故障及測量相關(guān)數(shù)據(jù)，我們運用了很多專業(yè)調(diào)試設(shè)備，如表4-1所示。表4-1調(diào)試設(shè)備DC電源XG17232L一臺示波器DS5022M一臺電烙鐵30W一套信號發(fā)生器SFG-1003一臺萬用表UT39B一塊4.2調(diào)試步驟(1)通頻帶的測量：在放大器電壓放大倍數(shù)為10，輸出電壓幅值最大值為1V，實測3dB通帶的上、下邊界頻率值。通頻帶測試時應(yīng)去掉測試用的RC濾波器。(2)最大不失真輸出功率：放大倍數(shù)為10，輸入1000Hz正弦信號，用毫伏表測量放大器輸出電壓有效值，計算最大輸出功率Po-max。(3)輸入阻抗：在輸入回路中串入10K?電阻，放大器輸入端電壓下降應(yīng)小于50％。(4)噪聲電壓：在測試用RC濾波器輸出端，用毫伏表替代測試噪聲電壓，記錄實測值。(5)效率測量：輸入1000Hz正弦波，放大倍數(shù)為10時，使輸出功率達到500mW，測量功率放大器的電源電流I（不包括測試用變換電路和顯示部分的電流）。要求電源電壓V的范圍為5×(1+1%)V。效率為：500mW%V×I。4.2.1電路調(diào)試一：模擬電路調(diào)試方法1.不通電檢查檢查連線電路安裝完畢后，不急于通電，先細致檢查接線是否正確，包括錯線（連線一端正確，另一端錯誤）、少線（安裝時漏掉的線）和多線（連線的兩端在電路圖上都是不存在的）。多線一般是因接線時看錯引腳，或者改接線時遺忘去掉原來的舊線造成的，在試驗中時常發(fā)生，而查線時又不易發(fā)覺，調(diào)試時往往會給人造成錯覺，以為問題是由元器件造成的。2.通電視察把經(jīng)過精確測量的電源電壓加入電路，電源接通之后不要急于測量數(shù)據(jù)和視察結(jié)果，首先要視察有無異樣現(xiàn)象，包括有無冒煙，是否聞到異樣氣味，手摸元件是否發(fā)燙，電源是否有短路現(xiàn)象。假如出現(xiàn)異樣，應(yīng)馬上關(guān)斷電源，待解除故障后方可重新通電。然后再測量各元件引腳的電壓，而不是只測量各路總電源電壓，以保證元器件正常工作。3分塊調(diào)試把電路按功能分成不同的部分，把每個部分看作一個模塊進行調(diào)試。比較志向的調(diào)試程序是按信號的流向進行，這樣可以把前面調(diào)試過的輸出信號，作為后一級的輸人信號，為最終的聯(lián)調(diào)創(chuàng)建條件。（1）前置放大電路由于輸入信號為毫伏級，在前置放大電路的放大倍數(shù)較低時，假如電路設(shè)計的不合理，則前置放大電路的輸出波形中“毛刺”較多，這必將影響到后級電路，可以通過電源去耦濾波削減毛刺。（2）比較部分比較部分原理較簡潔，關(guān)鍵之處在于比較的正弦波和三角波的直流電平應(yīng)嚴格相等，故在兩路信號的比較點，應(yīng)當使兩路波形中的一路直流電平可微調(diào)，以保證兩者嚴格相等，等于1/2Vcc。如此，可以最大限度的提高輸出功率，否則，若兩者的直流電平不相等，在輸入信號較大的時候，失真度大，不利于功率的提高。（3）驅(qū)動部分主要是TTL系列和CMOS系列的比較和選擇，閱歷表明在該電路中選用COMS系列的比較合適。第一，COMS管的功耗低，有利于效率的提高。其次，COMS系列雖然驅(qū)動實力不如TTL，但由于驅(qū)動部分的電壓跟隨不行少，試驗中發(fā)覺，CMOS輸出高電平幾乎等于Vcc，而TTL卻只有4.6V左右，經(jīng)過射隨器后只有3.96V，不利于功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷。第三，TTL對電源要求較嚴格，而COMS電源卻可以低至3V，有利于發(fā)揮部分盡量降低電源電壓的要求。（4）開關(guān)部分要求是VMOS管的功耗盡可能低，兩邊管子必需對稱匹配，以減小靜態(tài)損耗。（5）濾波部分最好選用參數(shù)特性基本一樣的電感電容，其中，電感可適當取小些，電容相應(yīng)匹配電感，以降低濾波電路產(chǎn)生的壓降，但H橋兩邊參數(shù)必需嚴格對稱，否則，對輸出功率的提高極為不利。試驗中發(fā)覺：因為缺一個22uH的電感，就用了兩個47uH的并聯(lián)，理論上覺得相差無幾，但實際結(jié)果是根本無法實現(xiàn)輸出功率的要求，后來換上22uH的電感，功率就有了較大的提高。4.整機聯(lián)調(diào)在分塊調(diào)試的過程中，由于是逐步擴大調(diào)試范圍，故事實上已經(jīng)完成了某些局部聯(lián)調(diào)工作。下面只要做好各功能塊之間接口電路的調(diào)試工作，再把全部電路接通，就可以實現(xiàn)整機聯(lián)調(diào)。整機聯(lián)調(diào)只須要視察動態(tài)結(jié)果，即把各種測量儀器及系統(tǒng)本身顯示部分供應(yīng)的信息和設(shè)計指標逐一對比，找出問題，然后進一步修改電路參數(shù)，直到完全符合設(shè)計要求為止。5.主要調(diào)試數(shù)據(jù)表4-1誤差放大（靜態(tài)）測試點電源端接地端同相端反向端輸出端測試值4.98V0V2.48V2.48V2.48V理論值5V0V2.5V2.5V2.5V表4-2誤差放大（動態(tài)）名稱輸入頻率輸入幅度輸出幅度放大倍數(shù)測試值100HZ0.680V3.28V4.8測試值1KHZ0.680V3.24V4.76測試值5KHZ0.680V3.08V4.53表4-4脈寬調(diào)制（動態(tài)）測試點輸出波形輸出頻率輸出幅度測試值不規(guī)則的矩形方波110KHZ5.5V表4-5最大不失真功率測試數(shù)據(jù)頻率50HZ100HZ500HZ1KHZ5KHZ輸出Vop-p9.28V8.96V8.40V8.32V8VUo3.3V2.91V2.76V2.7V2.5VPmax1.089W0.85W0.76W0.729W0.625W表4-6效率測試測試點UiIiPiUoIoPo?測試值5V0.4A2W3.5V0.35A1.225W61%第5章運用說明5.1運用方法5.1.1D類功放的安裝1.在通入電源之前，先檢查電路是否正常，確認無誤后接通電源，留意電源的大小和方向，接入5V左右的直流電源，避開由于電源極性接錯導致芯片燒壞。2．接通電源后，輸入音頻信號，留意音頻信號的頻率應(yīng)在200Hz～5000Hz，當頻率過高后會產(chǎn)生失真。依據(jù)插口的大小選擇音源，因此一般的手機、MP3、MP4都能夠作為音源輸入。D類功放的調(diào)整1.假如音響不出聲，則回到起先檢查。線路是否接對或元器件是否燒壞，燒壞的話，剛好的更換相同的元器件。2.假如音響正常工作，但音量不大或有較多的雜音，則可以調(diào)整前置放大的可調(diào)電位器，至你想要的效果，還可以通過調(diào)整濾波電容和電感來減小雜音輸出。5.2故障分析5.2.1三角波電路故障分析用過示波器檢測三角波輸出波形紊亂，細致檢查確定電路沒有問題也沒有焊錯。經(jīng)過細致的分析認為是電路元器件不適合，于是把4007的二極管換成4148的二極管。再用示波器檢測波形，輸出的三角波波形良好，能滿意電路要求。5.2.2輸出功率和效率不高功放的效率和最大不失真輸出功率和理論值還有確定的區(qū)分，主要緣由有以下幾個方面：a．功放部分電路存在的靜態(tài)損耗，包括PWM調(diào)制器、音頻前置放大電路、輸出驅(qū)動H橋輸出電路。這些電路在靜態(tài)時均具有確定的功率損耗，實測結(jié)果其5V電源的靜態(tài)總電流約為幾十mA，即靜態(tài)功耗P損耗為mW。那么這部分的損耗對總的效率影響很大，特殊對小功率輸出時影響更大，這是影響效率提高的一個很重要的方面。b．功放輸出電路的損耗，這部分的損耗對效率和最大不失真輸出功率均有影響。此外，H橋的互補激勵脈沖達不到志向同步，也會產(chǎn)生功率損耗。c．濾波器的功率損耗，這部分的損耗主要是由4個電感的直流電阻引起的。結(jié)論高保真響已為人們所熟識，正是由于高保真音響的基本組成系統(tǒng)──音源器材、功率放大器、音箱的對音樂的重放，給很多的音響愛好者和家庭帶來了快樂和享受，使人們了解了音樂的內(nèi)涵；陶冶了自己的情操；抒發(fā)了心靈的情感，正如聞名的音樂家冼星海所說的那樣“音樂，是人生最大的快樂；音樂，是生活中的一股清泉；音樂，是陶冶性情的熔爐”。其中功率放大器是最為重要的一部分，其電路越是簡潔，電信號在傳輸過程中的損失就越小，電路對電信號的影響也就越小，失真也就越小，重放的音質(zhì)也就越好。在此次的畢業(yè)設(shè)計中，加深了我對專業(yè)學問的理解，更加的拓寬了學問面，作品完成的一樣性和完整性，是一次特別好的學習機會。本設(shè)計具體探討D類功放的工作原理，優(yōu)越性以及其局限性，對于本系統(tǒng)設(shè)計，有些指標還有待于進一步提高。例如：在功放效率，最大不失真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。在這次畢業(yè)設(shè)計中，我們走了很多彎路，但這同時使我們從中積累了很多閱歷教訓，正是這些閱歷教訓使我們對D類放大器的工作原理有了更深刻的相識，對集成電路的設(shè)計有了更深刻的理解，進一步鞏固了自己所學的專業(yè)學問，無論理論還是實踐方面都有了較大的提高，和此同時這也是對我們?nèi)陙硭鶎W的東西的一次確定。但由于時間短、動手實力不是很強以及設(shè)備和資料缺乏，所以本次的設(shè)計自己各方面還存在著很多不足的地方，要學習的東西還很多。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我同時也懂得了學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)當不斷的學習，努力提高學問和綜合素養(yǎng)?？傊?，不管學會的還是學不會的，都覺得收獲是最重要的。最終最終做完了，自己有種如釋重負的感覺。為此我得出了一個結(jié)論：學問必需通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)覺是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。在整個設(shè)計中我懂得了很多東西，也培育了我獨立工作的實力，樹立了對自己工作實力的信念，信任會對今后的學習工作生活有特別重要的影響。而且大大提高了著手的實力，使我充分體會到了在創(chuàng)建過程中探究的艱難和勝利時的喜悅。參考文獻[1]曾廣興.《現(xiàn)代音響技術(shù)應(yīng)用》,廣東科技出版社,1997年3月.[2]張