畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書1高效率音頻功率放大器的設(shè)計(jì)摘要: 由于 D 類音頻功率放大器與傳統(tǒng)的模擬功放相比，具有體積小，效率高，低失真，大功率的特點(diǎn)所以具有廣闊的發(fā)展前景。D 類音頻功率放大器通常包括 PWM 脈寬調(diào)制器、高速開關(guān)功率放大器、低通濾波器這三個(gè)部分，加上信號轉(zhuǎn)換、測量顯示以及短路保護(hù)部分就構(gòu)成了一個(gè)完整的音頻功率放大系統(tǒng)。本文先簡單介紹音頻功率放大器的發(fā)展進(jìn)程及該領(lǐng)域內(nèi)的新興技術(shù),接著介紹音響和放大器的基本知識，由此提出設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求，主要對系統(tǒng)內(nèi)各組成部分電路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證與比較，并擇優(yōu)選用 D 類音頻功率放大器以及其它部分電路完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，最后對該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果顯示達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：D 類音頻功率放大器 PWM 脈寬調(diào)制器 高速開關(guān)功率放大器 低通濾波器畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書2Abstract: Compared with the traditional analog amplifier, the class-D amplifier possesses large developmental foreground. The reason is the later has several characters, such as small volume, high efficiency, low distortion and high power. the class-D amplifier usually includes the PWM pulse width modulator, the high-speed switch power amplifier and the low-pass filter. Besides of it, an integrity of the audio frequency power enlarge system still includes signal conversion part, measure manifestation part and short-circuit proof part. This text first introduces the amplifiers development progress and those newly arisen techniques in the realm of the amplifier in brief, introduces the basic knowledge of the sound box and amplifier second. After these, it puts forward the mission and request of this design, and Mainly carry on argument to each circuits design project of which constitute the system. Then compare them , choosing the class-D amplifier and other optimization parts, and complete the design work of the system. finally, start an experiment and test to that system, the result come to the designs request. Keywords：the Class-D amplifier the PWM pulse width modulator the high-speed switch power amplifier the low-pass filter畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書3引言低失真、大功率、高效率是對功率放大器提出的普遍要求。模擬功率放大器通過采用優(yōu)質(zhì)元件，復(fù)雜的補(bǔ)償電路，深負(fù)反饋，使失真變得很小，但大功率和高效率一直沒有很好的解決。工作在開關(guān)狀態(tài)下的 D類功率放大器卻很容易實(shí)現(xiàn)大功率、高效率、低失真。傳統(tǒng)的音頻功放工作時(shí)，直接對模擬信號進(jìn)行放大，工作期間必須工作于線性放大區(qū)，功率耗散較大，雖然采用推挽輸出，減小了功率器件的承受功率，但在較大功率情況下，仍然對功率器件構(gòu)成極大威脅。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(diǎn)：電路復(fù)雜，成本高，常常需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的補(bǔ)償電路和過流、過壓、過熱等保護(hù)電路，體積較大，電路復(fù)雜；效率低，輸出功率不可能做的很大。D 類開關(guān)音頻功率放大器的工作基于 PWM 模式：將音頻信號與采樣頻率比較，經(jīng)自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號幅度成正比例變化的PWM 波，然后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路，加到功率放大器的柵極，控制功率器件的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)放大，將放大的 PWM 送入濾波器，則還原為音頻信號。D 類功率放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，理論效率可達(dá) 100%，實(shí)際運(yùn)用也可達(dá) 80%95。功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱器的尺寸，連續(xù)輸出功率很高，而且不會引入非線性失真。近年來，國外的公司對 D 類功率放大器進(jìn)行了研究和開發(fā)，提出了一些方案，但是尚存在較大的難度，由于采用 PWM 方式，為了提高音質(zhì)，降低失真，必須提高調(diào)制頻率，但是在較高頻率下，會產(chǎn)生一定的問題，同時(shí)，D 類功率放大器對器件的要求較高，不利于降低成本。但由于其效率極高，目前得到了廣泛的應(yīng)用。1 音頻功率放大器的發(fā)展進(jìn)程及新興技術(shù)1.1 音頻功率放大器的發(fā)展進(jìn)程畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書4音頻功率放大器是一個(gè)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域，幾十年來，人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?，無論從線路技術(shù)還是元器件方面，乃至于思想認(rèn)識上都取得了長足的進(jìn)步。下面就簡要說明一下音頻功率放大器的發(fā)展進(jìn)程。1.1.1 早期的晶體管功放半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使晶體管放大器向前邁進(jìn)了一大步。自從有了晶體管，人們就開始用它制造功率放大器。早期的放大器幾乎全用鍺管來制作，但由于鍺管工藝上的一些原因，使得放大器中所用的晶體管，尤其是功放管性能指標(biāo)不易做得很高，例如，共發(fā)射極截止頻率fh的典型值為4kHz，大電流管的耐壓值一般在30V40V左右。這樣，放大器的頻率響應(yīng)也就很狹窄，其3dB截止頻率通常在10kHz左右，大大影響了音樂中高頻信號的重現(xiàn)。再加上功放管的耐壓、電流和功耗三個(gè)指標(biāo)相互制約，制作較大功率的 OTL或OCL放大器不易尋到三個(gè)指標(biāo)都滿足要求的管子，所以不得不采用變壓器耦合輸出。變壓器的相移又使電路中加深度負(fù)反饋?zhàn)兊煤芾щy，諧波失真得不到充分的抑制，因此這一時(shí)期的晶體管放大器音質(zhì)是很差的。下面講一下晶體管功放的發(fā)展和互調(diào)失真。 隨著半導(dǎo)體工藝的逐漸成熟，大電流、高耐壓的晶體管品種日益增加，越來越多的功率放大器采用了無輸出變壓器的 OCL電路或 OTL電路。最初的大功率PNP管是鍺管，而NPN管是硅管，兩者的特性差別非常顯著，電路的對稱性很差，人們更多采用的是準(zhǔn)互補(bǔ)電路，通過小功率硅管與一只大功率的NPN硅管復(fù)合，得到一只極性與PNP管類似的大功率管，降低了電路因?qū)ΨQ性差而招至的失真。到了六十年代末，大功率的PNP硅管商品化的時(shí)候，互補(bǔ)對稱電路才得到廣泛的應(yīng)用。元器件的進(jìn)步使晶體管功率放大器的技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，在主觀音質(zhì)評價(jià)方面，也改變了過去人們對晶體管功放的看法，無論是在廳堂擴(kuò)音、電臺節(jié)目制作還是家庭重放，晶體管功放都被大量地采用，首次在數(shù)量上以壓倒性的優(yōu)勢超過了電子管功放。在商品化的晶體管擴(kuò)音機(jī)中，相繼出現(xiàn)了一些畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書5璀璨奪目的名機(jī)，如JBL的SA600，Marantz互補(bǔ)對稱電路Model15等等盡管電子管的擁護(hù)者仍大量存在，人們畢竟能夠比較公正地看待晶體管放大器了，認(rèn)為晶體管機(jī)頻響寬闊，層次細(xì)膩，與電子管機(jī)比較起來有一種獨(dú)特的艙力，而不是簡單的誰取代誰的問題。 瞬態(tài)互調(diào)失真的提出是認(rèn)識上的一次飛躍，七十年代，功率放大器的發(fā)展史中出現(xiàn)了一件最引人注目的事情，這就是瞬態(tài)互調(diào)失真(Transient lntermodulation)及其測量方法的提出。1963年，芬蘭Helvar工廠的一名工程師在制作一臺晶體管擴(kuò)音機(jī)時(shí)，由于接線失誤，使電路的負(fù)反饋量減少了，后來卻意外地發(fā)現(xiàn)負(fù)反饋量減少后的音質(zhì)非常好，客觀技術(shù)指標(biāo)較差，而更正錯(cuò)誤以后的線路盡管技術(shù)指標(biāo)提高了，音質(zhì)反而比誤接時(shí)明顯下降。這一現(xiàn)象引起了當(dāng)時(shí)同一工廠的Otala博士的重視，之后，他對此進(jìn)行了悉心研究，于1970年首先發(fā)表丁關(guān)于晶體管功率放大器瞬態(tài)互調(diào)失真(TIM)的論文。至1971年,Otala博士及其研究小組就TIM失真理論發(fā)表的論文已經(jīng)超過20篇，引起了電聲界準(zhǔn)互補(bǔ)電路人士的廣泛反響。 TIM 失真和音樂信號也有密切關(guān)系，音量大、頻率高的節(jié)目信號容易誘發(fā) TIM 失真。嚴(yán)重的 TIM 失真反映在聽感上類似高頻交選失真，而較弱的 TIM 失真給人以“金屬聲”的不快感覺，導(dǎo)致音質(zhì)劣化。至今，音響界對于 TIM 失真都還有爭議，但這畢竟是人們認(rèn)識的深化，它使后來放大器的設(shè)計(jì)思想發(fā)生了根本性的變化，即更加注重放大器的動(dòng)態(tài)性能而不是僅僅滿足于靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)的提高。 1.1.2 性能較好的模擬功放接下來的很長一段時(shí)間，A 類、B 類以及 AB 類音頻功率放大器（額定輸出功率）一直占據(jù)“統(tǒng)治”地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個(gè)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；電路形式從變壓器輸出到 OTL、OCL、BTL 形式過程。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點(diǎn)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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書6類音頻功率放大器的工作效率介于二者之間。無論 A 類、B 類、AB 類音頻功率放大器，當(dāng)它們的輸出功率小于額定輸出功率時(shí)，效率就會明顯降低，播放動(dòng)態(tài)的語言、音樂時(shí)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(shí)有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，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。例如，一臺額定功率為 1000W 的 A 類音頻功率放大器需要 2000W 的散熱器，一臺額定功率為1000W 的 B 類音頻功率放大器需要 400W 的散熱器，因此，A 類、B 類和AB 類音頻功率放大器效率低、體積大。人們曾努力想設(shè)計(jì)出效率高的音頻放大器，如 C 類音頻功率放大器，但其最高效率仍然不大于 78.5，因此，模擬音頻功率放大器效率低，所需散熱器大、笨重，不符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的要求，在這種情況下，D 類音頻功率放大器應(yīng)運(yùn)而生了。1.1.3 D 類音頻功率放大器為了提高音頻功率放大器的效率，科研技術(shù)人員做了大量的研究試驗(yàn)工作。早些時(shí)候人們已經(jīng)論證了D類音頻功率放大器的存在，它不同于模擬音頻功率放大器，是全新的結(jié)構(gòu)方式，是PWM開關(guān)脈沖功率放大器。D類音頻功率放大器通常由PWM調(diào)制器、高速開關(guān)功率放大器、低通濾波器這三部分組成，工作過程簡單描述如下：輸入的音頻信號經(jīng)PWM調(diào)制器變成與其幅度相對應(yīng)脈寬的高頻率PWM脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)高速開關(guān)功率放大器對信號進(jìn)行放大，放大后的信號經(jīng)低通濾波器進(jìn)行濾波后帶動(dòng)揚(yáng)聲器。由于D類音頻功率放大器只工作在開關(guān)狀態(tài)，其功率開關(guān)器件要么導(dǎo)通，要么截止，不在“放大區(qū)”停留，因此功耗極小、效率極高，理論上可達(dá)100，實(shí)際電路中可達(dá)90以上，所以D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。但是，早些時(shí)候晶體管、集成電路的開關(guān)性差，不能滿足D類音頻功率放大器的技術(shù)要求，因此，對D類音頻功率放大器的研究開發(fā)有相當(dāng)?shù)睦щy，研究開發(fā)僅停留在理論上。近幾年出現(xiàn)的VMOS管，IGBT管的開關(guān)特性很好，工作頻率高、開關(guān)速度快、管壓降小、功耗低，適合用于D類音頻功率放大器的研究開發(fā)。所以，近來D類音頻功率放大器的研究開發(fā)有了突破性的進(jìn)展。幾家著名畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書7的研究機(jī)構(gòu)及公司已試驗(yàn)性地向市場提供了D類音頻放大器評估模塊及技術(shù)，這一技術(shù)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(diǎn)，引起了科研、教學(xué)、電子工業(yè)以及商業(yè)界的特別關(guān)注。下表是某一實(shí)驗(yàn)中對D類和B類音頻功率放大器的效率以及功耗進(jìn)行了比較。比較條件：電源電壓24V，負(fù)載4，1000Hz，連續(xù)輸出，整機(jī)效率，得到下表：D類音頻功率放大器模擬音頻功率放大器輸出功率（W） 效 率（）熱功耗（W）效 率（）熱功耗（W）72 97 2 72 2636 96 1.5 50 36由此表可以看出，D類音頻功率放大器有著模擬功放所無法比擬的優(yōu)勢，所以不久的將來，D類音頻功率放大器必將取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器。1.2 音頻功率放大器的新興技術(shù)傳統(tǒng)的音頻功率放大器在解決失真與效率的矛盾問題上總顯得有點(diǎn)力不從心,但以下的幾種新技術(shù)卻很好地解決了這個(gè)矛盾.1.2.1 超甲類功率放大器按甲類方式工作，理論上不會存在開關(guān)失真，而其效率可達(dá)到甚至超過乙類放大。它解決了乙類的失真和甲類的低效率問題。圖1是超甲類功放的輸出級，它采用活動(dòng)偏置電路來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定偏置?；顒?dòng)偏置電路具有以下兩種功能：第一是在信號輸出的整個(gè)周期內(nèi)沒有開關(guān)現(xiàn)象；第二是波形的正、負(fù)半周過渡平滑，使合成波不會出現(xiàn)交越失真。電路中A 1和A 2代表兩個(gè)檢波放大級，用來檢測加到功率級輸入端激勵(lì)信號的變化，并加以放大，然后以控制電流的形式輸出給可控電壓源U B1和畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書8UB2。U B1和U B2把來自A 1和A 2的電流變化轉(zhuǎn)換成電壓變化以控制末級電路的基極偏壓，使AB兩端的偏壓隨激勵(lì)信號的大小變化，實(shí)現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)偏流”。E 1為穩(wěn)壓電源，用來確定靜態(tài)時(shí)末級電流并實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。從上述可知，超甲類功放的效率基本與乙類相似，而又大大地減少了波形的開關(guān)失真，是解決失真與效率之間矛盾較為理想的方法。圖1 超甲類功率放大器1.2.2 S類功率放大技術(shù)其特點(diǎn)是用電壓控制放大器與電流驅(qū)動(dòng)放大器構(gòu)成電橋，使電壓控制放大器工作在無負(fù)載的狀態(tài)（即輸出電流為零），即使接類似于揚(yáng)聲器之類的復(fù)合動(dòng)態(tài)阻抗的負(fù)載，其電壓控制放大器仍然能工作在十分理想的甲類狀態(tài)。由一個(gè)大功率的乙類放大器負(fù)責(zé)供給負(fù)載電流，所以大大地減小交越失真和其它失真，同時(shí)又具有乙類的高效率。圖2是S類放大器的基本電路。電路的構(gòu)成是由甲類電壓控制放大器A 1之后接有乙類電流驅(qū)動(dòng)放大器A 2，這兩個(gè)放大器和負(fù)載R L之間通過電橋耦合。假如放大器A 2的增益接近于無窮大，那么A與B點(diǎn)同電位，R 1與R3，R 2與R 4上的電壓分別相等，即I 2R1=I3R3,I0R2=I4R4。設(shè)A 2的輸入阻抗為無窮大，則I 3=I4，可得I 0R2I 3R4，I 2=R2R3I0/(R1R4)。電橋平衡時(shí)有：R 1R4=R2R3，于是I 2=I0（即輸出電流完全供給負(fù)載）；I 1=I2-I0=0（即電壓放大器空載工作）。就是說驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電流完全是由電流驅(qū)動(dòng)放大器提供，甲類電壓放大器總是工作在無負(fù)載的狀態(tài)而與負(fù)載阻畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書9抗及其變化無關(guān)。這樣，甲類電壓放大器可將工作點(diǎn)選擇在最佳工作區(qū)；而電流放大器可以工作在效率最高的乙類放大狀態(tài)。圖2 S類放大電路原理圖綜上所述，S類放大器既有乙類的高效率，又有甲類甚至超過一般甲類放大器的低失真。故其性能十分優(yōu)良。1.2.3 電流傾注式乙類放大技術(shù)由Quad 公司注冊的“電流傾注式”功率放大器，利用其“電流傾注”技術(shù)，不僅使放大器的失真降低至很低的水平，而且末級采用了純乙類方式。其方法是：設(shè)法從功放主要失真源的末級取出一部分信號與輸入信號比較，從而得到一個(gè)能反映末級失真程度的“誤差信號”，然后將它放大到所需的幅度和相位直接加到負(fù)載中去，即可抵消功放末級產(chǎn)生的各種失真，包括負(fù)反饋難以克服的交越失真和開關(guān)失真，對提高功放的性能和降低末級功率管的要求極為有利。電流傾注式功放原理見圖3，A 1為小功率甲類激勵(lì)級，大功率乙類末級用等效互