高效音頻功率放大器的設(shè)計(jì)摘要在音頻功率放大器的市場(chǎng)上，AB類(lèi)一直處于統(tǒng)治地位。近年來(lái)，隨著MP3、DVD和移動(dòng)電話(huà)等便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品的普及，D類(lèi)音頻功率放大器以高效率、低功耗、小體積的優(yōu)點(diǎn)日益成為音響領(lǐng)域的主流，在未來(lái)便攜式和大功率音頻視頻領(lǐng)域中將具有廣闊的發(fā)展前景，因此對(duì)高效音頻功率放大器的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。本設(shè)計(jì)根據(jù)D類(lèi)功放的工作原理設(shè)計(jì)的D類(lèi)音頻功率放大器，能對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大，放大器的通頻帶達(dá)到300~3400HZ，輸出功率1W，輸出信號(hào)無(wú)明顯失真。根據(jù)D類(lèi)功放的原理分別設(shè)計(jì)了前置放大模塊、三角波產(chǎn)生模塊、比較器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出及低通濾波模塊等。其中三角波產(chǎn)生器及比較器共同組成脈寬調(diào)制（PWM）模塊，H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出電路采用驅(qū)動(dòng)電流小、低導(dǎo)通電阻及良好開(kāi)關(guān)特性的VMOSFET管，濾波器采用兩個(gè)相同的四階Buteworth低通波器。經(jīng)過(guò)仿真和測(cè)試都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞：高效，音頻，D類(lèi)功放，放大器DesignofHigh-EfficientAudioPowerAmplifierABSTRACTIntheaudiopoweramplifiermarket,ABhasbeenthedominantclass.Inrecentyears,alongwithMP3,DVDandmobilephones,thepopularityofportableconsumerelectronicproducts,Daudiopoweramplifierwithhighefficiency,lowpower,smallsizeadvantageofthefieldisincreasinglybecomingthemainstreamaudio,portableandhigh-poweraudiointhefutureVideoareawillhaveabrightfuture,Therefore,efficientaudiopoweramplifierdesignisofgreatsignificance.

AccordingtotheworkingprincipleofclassDamplifier,thisproductisdesignedandtheaudiosignalcanbeamplifiedtotheamplifier'spassbandto300~3400HZ,theoutputpower1W,theoutputsignalwithoutsignificantdistortion.ClassDamplifieraccordingtotheprincipleofpreampmodulesweredesigned,triangularwavegeneratormodule,comparisonmodule,drivermodule,Hbridgeoutputandthecomplementarysymmetriclow-passfiltermodule.Onetriangularwavegeneratorandpulsewidthmodulationcomparatorcommonform(PWM)module,Hbridgeoutputcircuitusingcomplementarysymmetrydrivecurrent,lowresistanceandgoodswitchingcharacteristicsofVMOSFETtube,filterusestwoidenticalfourth-orderButterworthlow-passfilter.KEYWORDS：High-Efficient,Audio,ClassDamplifier,Amplifier目錄摘要 IABSTRACT II目錄 III1緒論 11.1音頻功率放大器概述 11.2D類(lèi)音頻功率放大器的發(fā)展 21.3本論文的主要工作及主要內(nèi)容 32音頻功率放大器 42.1音頻功率放大器的指標(biāo) 42.1.1THD+N指標(biāo) 42.1.2功率放大器的效率η 42.1.3最大輸出功率（POCM） 42.1.4脈沖寬度調(diào)制（PWM） 52.1.6轉(zhuǎn)換速率 62.2功率放大器的分類(lèi) 62.2.1A類(lèi)放大器 62.2.2B類(lèi)放大器 72.2.3AB類(lèi)放大器 82.2.3D類(lèi)放大器 82.2.4T類(lèi)放大器 93D類(lèi)功率放大器 103.1D類(lèi)放大器原理 103.2D類(lèi)放大器的系統(tǒng)分析 113.3綜合比較 124D類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)計(jì) 134.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 134.1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 134.1.2設(shè)計(jì)要求 134．2方案論證與比較 134.2.1脈寬調(diào)制器（PWM） 134.2.2高速開(kāi)關(guān)電路 144.3各部分電路分析與計(jì)算 154.3.1脈寬調(diào)制器 154.3.2前置放大器電路 174.3.3驅(qū)動(dòng)電路 174.3.4H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出電路 184.3.5低通濾波器 194.3.6系統(tǒng)整體分析 194.4模塊仿真 194.4.1前置放大電路 204.4.2比較器電路 214.4.3H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出及低通濾波電路 224.5系統(tǒng)測(cè)試 244.5.1測(cè)試步驟 244.5.2測(cè)試工具 244.5.3三角波產(chǎn)生電路測(cè)試 244.5.4PWM脈寬調(diào)制模塊的測(cè)試 254.5.5調(diào)制與解調(diào)測(cè)試 254.5.6系統(tǒng)測(cè)試 264.5.7系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析 274.5.7系統(tǒng)分析 285總結(jié) 295.1收獲 295.2總結(jié) 29致謝 30參考文獻(xiàn) 31附錄Ⅰ系統(tǒng)原理圖 32附錄Ⅱ系統(tǒng)PCB圖 331緒論1.1音頻功率放大器概述音頻功率放大器是MP3播放器、筆記本電腦、手機(jī)以及便攜式DVD等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的組件之一，有很大的市場(chǎng)。傳統(tǒng)音頻功率放大器主要有A類(lèi)(甲類(lèi))、B類(lèi)(乙類(lèi))和AB類(lèi)(甲乙類(lèi))。A類(lèi)放大器主要特點(diǎn)是：放大器工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線(xiàn)中點(diǎn)附近,晶體管在輸入信號(hào)整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)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(xiàn)線(xiàn)性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率理論最大值僅有25％，且有較大非線(xiàn)性失真。由于效率比較低現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。B類(lèi)放大器主要特點(diǎn)是：放大器靜態(tài)點(diǎn)在(VCC，0)處，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。在輸入信號(hào)正半周期內(nèi)，三極管一個(gè)導(dǎo)通一個(gè)截止，輸出端正半周正弦波；同理，當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半波正弦波也是一樣，所以必須用兩管推挽工作。其特點(diǎn)是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是"交越失真"較大。即當(dāng)信號(hào)在-0.6V~0.6V之間時(shí)，兩個(gè)三極管都無(wú)法導(dǎo)通而引起。所以這類(lèi)放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。AB類(lèi)功率放大器能夠提供高品質(zhì)的信號(hào)放大性能，所以已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，然而AB類(lèi)功率放大器工作時(shí)，由于直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，工作期問(wèn)必須處于線(xiàn)性放大區(qū)，因此其功率耗散較大，在大輸出功率情況下，AB類(lèi)放大器會(huì)對(duì)功率器件構(gòu)成極大威脅。其特點(diǎn)是：1．效率低，其輸出功率不可能很大；2．大功率輸出時(shí)，通常需要散熱器，因此系統(tǒng)體積較大。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，更多、更新的便攜式多媒體產(chǎn)品都要求其中的音響系統(tǒng)具有更小的外形設(shè)計(jì)和更大的電池容量，所以上述缺點(diǎn)都成為AB類(lèi)功率放大器的致命弱點(diǎn)，限制了AB類(lèi)音頻功放的進(jìn)一步發(fā)展。近些年來(lái)，隨著各領(lǐng)域數(shù)字化程度不斷加深，D類(lèi)音頻功率放人器逐漸進(jìn)入了人們的視線(xiàn)，D類(lèi)放大器的工作方式小不同與于A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)，它采用切換電壓方式的同時(shí)利用數(shù)字信號(hào)控制導(dǎo)通時(shí)間以放大信號(hào)，其輸輸出級(jí)的工作狀態(tài)不是完全導(dǎo)通就是完全截至，因此輸出器件的功耗非常小，使它的效率遠(yuǎn)比A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)要高的多，同時(shí)D類(lèi)放大器的效率和輸入信號(hào)的大小無(wú)關(guān)，不像AB類(lèi)放大器只有在很高的輸出功率時(shí)才能達(dá)到比較高的效率，在電源電壓為額定值時(shí)，D類(lèi)放大器的效率高達(dá)80％—90％以上，其平均效率大約要比AB類(lèi)放大器高2—3倍，也就是說(shuō)，通常系統(tǒng)電池的壽命可以延2—3倍，同時(shí)在輸出功率一樣的情況下，D類(lèi)音頻功率放大器的表面溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低AB類(lèi)，因此使用時(shí)不需或只需要一個(gè)很小的散熱器，這就大大減小了D類(lèi)音頻功率放大器的體積。D類(lèi)音頻功放的特點(diǎn)：(1)節(jié)能，所需散熱片小，這樣可以節(jié)省空間，系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)得較輕、較小，便于攜帶；(2)電源使用效率很高，可以延長(zhǎng)系統(tǒng)電池的壽命。上述優(yōu)點(diǎn)使得D類(lèi)音頻放大器和模擬音頻放大器相比時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)。隨著目前市場(chǎng)上消費(fèi)電子行業(yè)的快速發(fā)展以及音頻功率放大器高效、節(jié)能和小型化的趨勢(shì)，D類(lèi)音頻功率放大器開(kāi)始逐漸取代AB類(lèi)進(jìn)入可攜式產(chǎn)品、家庭AV設(shè)備、專(zhuān)業(yè)影音、汽車(chē)音響、平板電視、媒體播放器筆記本電腦和汽車(chē)音箱等多個(gè)領(lǐng)域，可以說(shuō)，在未來(lái)的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，D類(lèi)音頻功率放大器將一直是研究的熱點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款兼顧效率與保真度的D類(lèi)音頻功率放人器也會(huì)越來(lái)越成為眾多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)所關(guān)注的課題。1.2D類(lèi)音頻功率放大器的發(fā)展D類(lèi)工作模式在1959年由Baxandall首先提出，即使用脈沖形式的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)高速的功率開(kāi)關(guān)，該脈沖信號(hào)一般都是脈寬凋制(PWM)信號(hào)，它的低頻部分包含了調(diào)制信號(hào)的信息，通過(guò)一個(gè)低通濾波器以后，可以將調(diào)制信號(hào)重現(xiàn)。從60年代起，人們就開(kāi)始嘗試研制D類(lèi)放大器，最早是想用真空管來(lái)研制D類(lèi)放大器，但由于受到真空管在電壓降和電流能力方面的限制，降低了放大器的效率，限制了放大器的輸出。在60年代后期，雙極型晶體管取代了真空管，此時(shí)研制低頻高效D類(lèi)放大器的條件已經(jīng)成熟，然而由于D類(lèi)放大器需要在高頻條件下工作，其工作頻率至少為20KHz音頻頻率的4～5倍，因此在這樣的高頻下，使用雙極型晶體管會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的開(kāi)關(guān)損耗，這限制了D類(lèi)放大器效率的提高。直到1970年金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管出現(xiàn)后，滿(mǎn)足了D類(lèi)放大器對(duì)高開(kāi)關(guān)速度和低導(dǎo)通損耗的要求，實(shí)現(xiàn)了高性能的開(kāi)關(guān)器件，這才開(kāi)發(fā)出寬頻帶D類(lèi)音頻功率放大器，D類(lèi)音頻功率放大器從一經(jīng)問(wèn)世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，引起了電子工業(yè)界的廣泛關(guān)注。由于現(xiàn)在設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，D類(lèi)音頻功率放大器的性能得到了突飛猛進(jìn)的改善，在音質(zhì)方面已經(jīng)逐漸追上了AB類(lèi)的性能，這使得其近年來(lái)在市場(chǎng)上有極快的發(fā)展，根據(jù)專(zhuān)業(yè)調(diào)研公司的數(shù)據(jù)，2005年全球D類(lèi)音頻放人器銷(xiāo)售總值己達(dá)2億美元以上，2006年增長(zhǎng)至約3．5億美元，而2008年市場(chǎng)需求將會(huì)超過(guò)6億美元，按照這樣的增長(zhǎng)速度，預(yù)計(jì)到2010年將達(dá)到10億左右的規(guī)模，發(fā)展前景十分樂(lè)觀。目前D類(lèi)音頻功率放大器市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品幾乎都來(lái)自歐美的各大半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(National)、德州儀器(TI)、美信(Maxim)和Tripath公司，此外還有歐洲的意法半導(dǎo)體(ST)、歐勝(WolfonMicro)和飛利浦(PHILIPS)等，而包括臺(tái)灣在內(nèi)的中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)都極少有能夠與他們競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)品。國(guó)際方面，首先介紹的是美國(guó)的Tripath公司，該公司擁有稱(chēng)為數(shù)碼功率處理(DPPTM)的專(zhuān)利技術(shù)，此技術(shù)采用多種信號(hào)處理技術(shù)，包括自適應(yīng)預(yù)處理、噪聲整形、預(yù)失真處理和△一∑調(diào)制電路，進(jìn)一步減小了失真和噪聲，確保了音頻高保真性能的同時(shí)也完成了高效率的放大，Tripath公司將基于DPPTM原理設(shè)計(jì)的放大器稱(chēng)為T(mén)類(lèi)放大器，該類(lèi)放人器具有高保真、高效率、體積小、重量輕等特點(diǎn)，該類(lèi)放大器在推動(dòng)40hm負(fù)載時(shí)功率可達(dá)90W，THD+N小于0．1％，效率高達(dá)90％。作為全球D類(lèi)音頻功率放大器行業(yè)的領(lǐng)先公司，TI于2005年5月推出較為先進(jìn)的20W單聲道高功率數(shù)字輸入D類(lèi)音頻放大器TPA3200D1，該芯片突破傳統(tǒng)的模擬輸入，向全數(shù)字化功放更進(jìn)一步，該芯片在18V電源電壓下推動(dòng)80hm負(fù)載時(shí)功率可達(dá)20W，THD+N小于0．1％，效率高達(dá)85％以上。另外，NS，ST，PHILIPS，YAMAHA等公司也紛紛推出自主設(shè)計(jì)的D類(lèi)音頻功率放大器，如NS的l。M系列，ST的sTA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等等。國(guó)內(nèi)方面，1998年11月，成都天奧公司發(fā)布了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的D類(lèi)音頻功率放大器，并于2000年研制出6通道專(zhuān)用芯片DPPC2006，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了90％以上，目前，該公司數(shù)字音頻功放IC已廣泛應(yīng)用于DVD、汽車(chē)音響、家庭影院和背投電視等領(lǐng)域。2005年12月，成都華微《數(shù)字音頻功放芯片丌發(fā)與模塊制造》項(xiàng)目己成功通過(guò)國(guó)家電子信息發(fā)展基金辦公室驗(yàn)收，并得到高度評(píng)價(jià)。同時(shí)諸多公司也己開(kāi)始或者有計(jì)劃向D類(lèi)音頻功放芯片化方向投入大量人力與物力，種種跡象表明，近幾年，國(guó)內(nèi)公司在D類(lèi)音頻功率放大器開(kāi)發(fā)方面將作出突破。因此，對(duì)D類(lèi)音頻功率放大器的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究具有非常重要的意義。1.3本論文的主要工作及主要內(nèi)容本論文的目標(biāo)就是設(shè)計(jì)一款便攜式電子產(chǎn)品中的高效率、高保真度、小體積的D類(lèi)音頻功率放大器。在論文工作期間，作者查閱了大量有關(guān)D類(lèi)音頻功率放大器方面的資料，較系統(tǒng)地研究了D類(lèi)音頻功率放大器的結(jié)構(gòu)和性能，設(shè)計(jì)了一款工作于5V電源電壓的D類(lèi)音頻功率放大器，并完成了D類(lèi)音頻功率放大器的版圖設(shè)計(jì)。本文采用PWM調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)D類(lèi)音頻功率放大器，主要研究工作有：(1)研究了基于PWM調(diào)制技術(shù)的D類(lèi)音頻功率放大器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；(2)各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)；(3)原理圖設(shè)計(jì)與系統(tǒng)仿真；(4)系統(tǒng)調(diào)試；(5)PCB圖的設(shè)計(jì)。本文的主要內(nèi)容為：第一章為引言，指出了本論文的研究意義。第二章介紹了音頻功率放大器的分類(lèi)，分析了各自工作原理，比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。第三章介紹了所設(shè)計(jì)D類(lèi)音頻功率放大器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析。第四章討論了所設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的具體電路實(shí)現(xiàn)、仿真結(jié)果及系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。第五章對(duì)相關(guān)工作的總結(jié)和對(duì)自己以后工作的要求。2音頻功率放大器2.1音頻功率放大器的指標(biāo)2.1.1THD+N指標(biāo)THD+N是英文TotalHormonicDistortion+Noise的縮寫(xiě)，譯成中文是“總諧波失真加噪聲”。它是音頻功率放大器的一個(gè)主要性能指標(biāo)，也是音頻功率放大器的額定輸出功率的一個(gè)條件。總諧波失真THD（TotalHarmonicDistortion）是指用信號(hào)源輸入時(shí)，輸出信號(hào)（諧波及其倍頻成分）比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分（通常用%來(lái)表示）。噪聲發(fā)生是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，它的大小在任何時(shí)候都不能被預(yù)測(cè)。但在很多情況下，噪聲的平均功率還是可以被預(yù)測(cè)的。我們通常需要把幾個(gè)主要噪聲源的影響相加來(lái)獲得總噪聲，得到我們關(guān)注的平均噪聲功率。這里特別要指出的是THD+N這個(gè)指標(biāo)是在Fin=1kHz下給出的，在實(shí)際上音頻范圍是20Hz～20kHz，則在20Hz～20kHz范圍測(cè)試時(shí)，其THD+N要大得多。例如，某音頻功率放大器在1kHz時(shí)測(cè)試，其TDH+N=0.08%。若FIN改成20Hz-20kHz,，其他條件不變，其THD+N變?yōu)樾∮?.5%。對(duì)于音頻功率放大器來(lái)說(shuō)，THD+N指標(biāo)越小越好[2][9]。2.1.2功率放大器的效率η功串放大的實(shí)質(zhì)是通過(guò)晶體管的控制作用，把電源提供給放大器的直流功率轉(zhuǎn)換成負(fù)載上的交流功率。交流輸出功串和直流電源功率息息相關(guān)。一個(gè)功率放大器的直流電源提供的功率究竟能有多少轉(zhuǎn)換成交流輸出功率呢？我們當(dāng)然希望功率放大器最好能把直流功率（PE=EcIc）百分之百轉(zhuǎn)換成交流輸出功率（Psc＝Uscisc）實(shí)際上卻是不可能的[1-5]。因?yàn)榫w管自身要有一定的功率消耗，各種電路元件（電阻、變壓器等）要消耗一定的功率，這就有個(gè)效率問(wèn)題了。放大器的效率η指輸出功率Psc與電源供給的直流動(dòng)率PE之比：η=Psc/PE（2-1）通常用百分比表示：η=Psc/PE×100%（2-2）效率越高，表示功率放大器的性能越好。2.1.3最大輸出功率（POCM）輸出功率反映音頻功率放大器的負(fù)載能力，通常音頻放大器廠家會(huì)提供產(chǎn)品的在一定工作電壓和額定負(fù)載下的最大輸出功率。芯片的效率在不同的條件下肯定也不相同[1-5]。2.1.4脈沖寬度調(diào)制（PWM）脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。圖2-1所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為T(mén)s的鋸齒波發(fā)生器組成。語(yǔ)音信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。因此，從圖中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。2-1PWM原理與波形圖2-1PWM原理與波形圖通過(guò)圖2-1的分析可以看出，生成的矩形脈沖的寬度取決于脈沖下降沿時(shí)刻tk時(shí)的語(yǔ)音信號(hào)幅度值。因而，采樣值之間的時(shí)間間隔是非均勻的。在系統(tǒng)的輸入端插入一個(gè)采樣保持電路可以得到均勻的采樣信號(hào)，但是對(duì)于實(shí)際中tk-kTs<<Ts的情況，均勻采樣和非均勻采樣差異非常小。如果假定采樣為均勻采樣，第k個(gè)矩形脈沖可以表示為：

（2-3）其中，x{t}是離散化的語(yǔ)音信號(hào)；Ts是采樣周期；是未調(diào)制寬度；m是調(diào)制指數(shù)。然而，如果對(duì)矩形脈沖作如下近似：脈沖幅度為A，中心在t=kTs處，在相鄰脈沖間變化緩慢，則脈沖寬度調(diào)制波xp(t)可以表示為：

（2-4）其中，。無(wú)需作頻譜分析，由式（2-4）可以看出脈沖寬度信號(hào)由語(yǔ)音信號(hào)x(t)加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)<<時(shí)，相位調(diào)制部分引起的信號(hào)交迭可以忽略，因此，脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過(guò)低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn).由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。2.1.6轉(zhuǎn)換速率功放的轉(zhuǎn)換速率涉及它的高頻性能,轉(zhuǎn)換速率越高,高音的音質(zhì)越佳。功率放大器的轉(zhuǎn)換速率的定義是放大器瞬時(shí)輸出電壓上升(或下降)的最大時(shí)間變化率,即輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大導(dǎo)數(shù)(dv/dt)。它反映了放大器跟隨能力的大小。由于現(xiàn)代立體聲音樂(lè)節(jié)奏強(qiáng)烈,信號(hào)變化量大,而且又有較多中、高頻分量的打擊樂(lè)器,這就要求放大器須有跟得上輸入信號(hào)躍變的速率。衡量放大器的響應(yīng)速度一般是用電壓轉(zhuǎn)換速率。其定義是在1微秒時(shí)間里電壓升高幅度。轉(zhuǎn)換速率低的功率放大器瞬態(tài)響應(yīng)差,而轉(zhuǎn)換速率相當(dāng)高(數(shù)百V/μs)的功率放大器,穩(wěn)定性差,而且還有可能引入噪聲和干擾。轉(zhuǎn)換速率究竟以多大為最佳,目前尚無(wú)定論,根據(jù)信號(hào)源與聽(tīng)感要求,轉(zhuǎn)換速率在30～100V/μs的功率放大器比較符合需要。由于晶體管功放的開(kāi)關(guān)速度(與轉(zhuǎn)換速率有關(guān)的一個(gè)參數(shù))沒(méi)有電子管功放那么快,因此它的轉(zhuǎn)換速率也沒(méi)有電子管功放那么高?，F(xiàn)今晶體管功放的轉(zhuǎn)換速率一般可做到10～15V/μs。MOS-FET場(chǎng)效應(yīng)晶體管功放的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到50～70Ⅴ/μs,即達(dá)到電子管功放同樣的水平,因此高音音質(zhì)非常清晰,層次分明[6]。2.2功率放大器的分類(lèi)根據(jù)不同的需要出現(xiàn)了各種類(lèi)型的功率放大器，分為線(xiàn)性功率放大器和數(shù)字功率放大器（D類(lèi)功率放大器和T類(lèi)功率放大器），線(xiàn)性功率放大器按導(dǎo)通角又分為A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)功率放大器。2.2.1A類(lèi)放大器A類(lèi)功放也被稱(chēng)為甲類(lèi)功放，此類(lèi)功放的導(dǎo)通角θ=180°心。如圖2-2所示，A類(lèi)放大器的偏置電流IQ大于輸入電流，Q點(diǎn)（靜態(tài)偏置點(diǎn)）處于負(fù)載線(xiàn)的中心，A類(lèi)功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)一般選在負(fù)載線(xiàn)的中點(diǎn)，所有輸出器件在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均有電流流過(guò)，使其處于良好的線(xiàn)性工作狀態(tài)。這種放大電路，由于不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)失真和交越失真，只要偏置和動(dòng)態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來(lái)看，它是一種優(yōu)質(zhì)的線(xiàn)性放大電路，其聲音表現(xiàn)是相當(dāng)不錯(cuò)的。由于較小的非線(xiàn)性失真，使得A類(lèi)功率放大器一般都用在較高檔次的音響系統(tǒng)中。但是由于電源不斷地輸出功率，在沒(méi)有信號(hào)時(shí)，這些功率全部消耗在器件上，并轉(zhuǎn)化為熱量形式好散出去。有信號(hào)時(shí)，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用輸出功率，信號(hào)愈大，輸出給負(fù)載的功率愈多，因此A類(lèi)功放的效率較低。圖2-2A類(lèi)功放輸入輸出曲線(xiàn)圖2-2A類(lèi)功放輸入輸出曲線(xiàn)2.2.2B類(lèi)放大器B類(lèi)放大器亦稱(chēng)為乙類(lèi)放大器，導(dǎo)通角θ=90°，雖然管耗小，但是有利于提高效率，使得輸出信號(hào)的半個(gè)波形被削掉了。但是如圖2-3所示，如果利用兩個(gè)管子都工作在乙類(lèi)放大狀態(tài)，一個(gè)工作在正半周期，另一個(gè)工作在負(fù)半周期，從而在負(fù)載上得到一個(gè)完整的波形，解決效率與失真的矛盾。2-32-3B類(lèi)放大器原理圖及輸入輸出曲線(xiàn)輸出功率用輸出電壓有效值Vo和輸出電流有效值Io的乘積來(lái)表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Vom，則輸出功率為：（2-5）最大輸出功率為：（2-6）設(shè)輸出信號(hào)為Vo=VomSint，則直流電源的供給功率Pv為：（2-7）其中Po為輸出功率，Pt為在管耗功率。則效率η為：﹪（當(dāng)VomVcc時(shí)成立）（2-8）2.2.3AB類(lèi)放大器由于乙類(lèi)放大器，當(dāng)輸入信號(hào)在-0.6V—+0.6V時(shí)T1和T2都截止，負(fù)載RL上無(wú)電流通過(guò)，數(shù)顯一段死區(qū)，這種現(xiàn)象叫交越失真。如圖2-4所示AB類(lèi)放大器能夠很好的克服交越失真，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T(mén)1、T2提供一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘海怪幱谖?dǎo)通狀態(tài)。2-4單電源的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)原理電路當(dāng)有信號(hào)時(shí)，在信號(hào)的負(fù)半周期，T1導(dǎo)電，有電流通過(guò)負(fù)載RL,同時(shí)向C充電；在信號(hào)的正半周期，T2導(dǎo)電，則已充滿(mǎn)電的電容起電源VCC的作用，通過(guò)負(fù)載RL放電。2-4單電源的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)原理電路AB類(lèi)放大器通過(guò)兩個(gè)偏置電壓（Vbb）來(lái)避免交越失真。由于這一優(yōu)點(diǎn)，AB類(lèi)放大器在傳統(tǒng)的音頻放大器中得到了廣泛應(yīng)用。在電子設(shè)備中，AB類(lèi)放大器還占有很大的市場(chǎng)。當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，由于此時(shí)兩個(gè)晶體管仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此每一個(gè)晶體管的功率損耗均大于B類(lèi)放大器，即AB類(lèi)放大器的最大工作效率小于B類(lèi)放大器，但大于A類(lèi)放大器。2.2.3D類(lèi)放大器D類(lèi)(數(shù)字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM或PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn).數(shù)字音頻功率放大器也看上去成是一個(gè)一比特的功率數(shù)模變換器.放大器由輸入信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開(kāi)關(guān)電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成.D類(lèi)放大或數(shù)字式放大器。系利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路來(lái)放大音頻信號(hào)的。（1）具有很高的效率，通常能夠達(dá)到85%以上。（2）體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。（3）無(wú)裂噪聲接通。（4）低失真，頻率響應(yīng)曲線(xiàn)好。外圍元器件少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試。D類(lèi)放大器的原理，在三、四章節(jié)在詳細(xì)敘述，它的主要特點(diǎn)是高效率高效率、低功耗、小體積；缺點(diǎn)是信號(hào)失真度相對(duì)較大，但是隨著D類(lèi)放大器的發(fā)展，必定會(huì)有所改善。2.2.4T類(lèi)放大器T類(lèi)功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制D類(lèi)功率放大器相同，功率晶體管也是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，效率和D類(lèi)功率放大器相當(dāng)。但它和普通D類(lèi)功率放大器不同的是：（1）它不是使用脈沖調(diào)寬的方法，Tripath公司發(fā)明了一種稱(chēng)作數(shù)碼功率放大器處理器“DigitalPowerProcessing（DPP）”的數(shù)字功率技術(shù)，它是T類(lèi)功率放大器的核心。它把通信技術(shù)中處理小信號(hào)的適應(yīng)算法及預(yù)測(cè)算法用到這里。輸入的音頻信號(hào)和進(jìn)入揚(yáng)聲器的電流經(jīng)過(guò)DPP數(shù)字處理后，用于控制功率晶體管的導(dǎo)通關(guān)閉。從而使音質(zhì)達(dá)到高保真線(xiàn)性放大。（2）它的功率晶體管的切換頻率不是固定的，無(wú)用分量的功率譜并不是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在很寬的頻帶上。使聲音的細(xì)節(jié)在整個(gè)頻帶上都清晰可“聞”。（3）此外，T類(lèi)功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍更寬，頻率響應(yīng)平坦。DDP的出現(xiàn)，把數(shù)字時(shí)代的功率放大器推到一個(gè)新的高度。在高保真方面，線(xiàn)性度與傳統(tǒng)AB類(lèi)功放相比有過(guò)之而無(wú)不及。3D類(lèi)功率放大器3.1D類(lèi)放大器原理D類(lèi)放大器是一種完全不同的放大器，它并不只是放大器工作點(diǎn)的選擇，因此也稱(chēng)之為“數(shù)字音頻放大器”。因?yàn)橛幸环ND類(lèi)放大器可以接收數(shù)字輸入而省去D/A變換。D類(lèi)放大器所采用的技術(shù)其實(shí)就是脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）。所謂脈寬調(diào)制技術(shù)也就是把模擬音頻信號(hào)的幅度來(lái)調(diào)制一系列矩形脈沖的寬度。如圖3-1所示，一個(gè)模擬音頻信號(hào)就與三角波（或鋸齒波）通過(guò)比較器，就形成一系列寬度受到調(diào)制的等幅脈沖信號(hào)。只要對(duì)這系列的脈沖信號(hào)放大就可以了。而原來(lái)的模擬信號(hào)就被調(diào)制為寬度不同的等幅信圖3-1D類(lèi)功放的工作原理框圖號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)輸出電路放大，將被放大圖3-1D類(lèi)功放的工作原理框圖3-2D類(lèi)放大器的工作波形示意圖3-2D類(lèi)放大器的工作波形示意圖如上圖3-2所示為脈寬調(diào)制D類(lèi)功放的原理框圖，三角波產(chǎn)生器產(chǎn)生的三角波V1與音頻輸入信號(hào)通過(guò)比較器比較產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)V2，V2經(jīng)開(kāi)關(guān)功率放大后經(jīng)過(guò)濾波后輸出V0。3.2D類(lèi)放大器的系統(tǒng)分析功率放大器的輸出呈開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即輸出為一方波波形，由傅利葉級(jí)數(shù)分析知：=（3-1）高次諧波經(jīng)由低通濾波器濾除后，輸出信號(hào)最大值為，因此負(fù)載所能得到的最大功率為：=（3-2）而電路的平均輸入電流為：（3-3）電源的輸入功率為：（3-4）由上可知：=（3-5）所以D類(lèi)放大器理想的效率可以達(dá)到100﹪，但是由于元器件并非理想器件，所以器件中等效電阻會(huì)損耗功率，假設(shè)功率晶體管的導(dǎo)通電阻為,所有其它無(wú)源電阻為，濾波器電阻為，負(fù)載電阻為，其效率為：（3-6）晶體管開(kāi)關(guān)損耗：（3-7）是載波頻率，和是功率晶體管的開(kāi)斷時(shí)間，考慮電阻損耗和開(kāi)關(guān)損耗，其效率為：（3-8）故負(fù)載電阻相對(duì)其他電阻的比值越大則效率越高。假設(shè)CMOS晶體管導(dǎo)通電阻是0.3Ω，則有輸出接4Ω的喇叭，其效率大概在87%左右；輸出接8Ω的喇叭，其效率為93%。除了導(dǎo)通電阻的損耗以外，還有前面提到的開(kāi)關(guān)損耗、偏置電流損耗、輸入電容充電損耗等，所以一般的D類(lèi)放大器在8Ω負(fù)載時(shí)效率為85%左右。可以看出，D類(lèi)放大器的效率仍要比目前市場(chǎng)上廣泛采用的AB類(lèi)放大器效率高很多。輸出功率為10W時(shí)，D類(lèi)放大器只需12W左右的功率，而AB類(lèi)則需20W左右的功率。故選用D類(lèi)放大器可節(jié)省功耗由以上分析可以看出，D類(lèi)放大器的效率高達(dá)85%左右，這樣在相同輸出的情況下，就節(jié)省了電源的功率，延長(zhǎng)電池的壽命，另外由于D類(lèi)放大器體積小，容易散熱等諸多優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為便攜式音頻設(shè)備的主流。3.3綜合比較以上幾類(lèi)放大器各自有各自的特設(shè)，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目的，可以選擇不同的設(shè)計(jì)思路，綜合比較起來(lái)，它們的各自性能如表2-1所示：表2-1放大器綜合比較表2-1放大器綜合比較放大器類(lèi)型導(dǎo)通角效率（）信號(hào)失真度THD耗電情況A類(lèi)放大器180°小于25﹪極小較大B類(lèi)放大器90°小于78.5﹪較小大AB類(lèi)放大器90°～180°小于75﹪小大D類(lèi)放大器80－90％大小4D類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求4.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)高效率音頻功率放大器及其參數(shù)的測(cè)量、顯示裝置。功率放大器的電源為+5V（電路其他部分的電源電壓不限），負(fù)載為8Ω電阻。4.1.2設(shè)計(jì)要求（1）功率放大器（a）3dB通頻帶為300～3400Hz，輸出正選信號(hào)無(wú)明顯失真。（b）最大不失真輸出功率≥1W。（c）輸入阻抗>10KΩ，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(duì)地交流短路時(shí)測(cè)量。（e）在輸出功率500mW時(shí)測(cè)量功率放大器效率（輸出功率/放大器總功耗）≥50﹪。（2）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)放大倍數(shù)為1的信號(hào)變換電路，將功率放大器雙端輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出，經(jīng)RC濾波供外接測(cè)試儀表用，如圖4-1所示：4-14-1系統(tǒng)成框圖4．2方案論證與比較4.2.1脈寬調(diào)制器（PWM）方案一：可選用專(zhuān)用脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓限制。方案二：采用三角波產(chǎn)生器及比較器等集成芯片設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制器，這樣各部分的功能清晰，實(shí)現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。相比之下，選擇本方案。4.2.2高速開(kāi)關(guān)電路（1）輸出方式方案一：選用推挽單端輸出方式（電路如圖4-2所示）。電路輸出載波峰-峰值不可能超過(guò)5V電源電壓，最大輸出功率遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求[7]。圖4-2高速開(kāi)關(guān)電路圖4-2高速開(kāi)關(guān)電路方案二：選用H橋輸出方式,此方式可充分利用電源電壓，浮動(dòng)輸出載波峰-峰值可達(dá)10V，有效地提高了輸出功率，且能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，故選用此方案。其電路如圖4-3所示：圖4-3高速開(kāi)關(guān)電路圖4-3高速開(kāi)關(guān)電路（2）開(kāi)關(guān)管的選擇：為提高功率放大器的效率和輸出功率，開(kāi)關(guān)管的選擇非常重要，對(duì)它的要求是高速，低導(dǎo)通電阻，低損耗。方案一：選用晶體三極管、IGBT管。晶體三極管需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，并存在存儲(chǔ)時(shí)間，開(kāi)關(guān)特性不夠好，使整個(gè)功放的靜態(tài)損耗及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗較大；IGBT管的最大缺陷是導(dǎo)通壓降太大，不利于提高效率。方案二：選用VMMOSFET管，VMOSFET管具有較小的驅(qū)動(dòng)電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開(kāi)關(guān)特性，符合設(shè)計(jì)的要求，有利于提高效率，故選用VMOSFET管。（3）濾波器選擇方案一：采用兩個(gè)相同的二階Butterworth低通濾波器。缺點(diǎn)是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。方案二：采用兩個(gè)相同的四階Butterworth低通濾波器，保證20KHz頻帶的前提下使負(fù)載上的高頻載波電壓進(jìn)一步得到衰減，有利于提高功放的音質(zhì)，故選用此方案。4.3各部分電路分析與計(jì)算4.3.1脈寬調(diào)制器（1）三角波產(chǎn)生電路。三角波的作用是用來(lái)調(diào)制音頻信號(hào)，對(duì)此有兩方面的要求:其一,調(diào)制后的信號(hào)可以被完整地恢復(fù)。根據(jù)Nyquist采樣定理，三角波的頻率至少是音頻信號(hào)最高頻率的兩倍，人類(lèi)聽(tīng)到的聲頻范圍是20Hz~20kHz，說(shuō)明三角波的頻率應(yīng)在40kHz以上，為確保音頻信號(hào)的采樣，可取三角波的頻率為150kHz。其二，三角波要有穩(wěn)定的頻率和幅度，否則，調(diào)制后的脈寬會(huì)產(chǎn)生變形，從而降低音頻輸出的信噪比，音質(zhì)變差，噪聲增大。該電路我們采用滿(mǎn)幅運(yùn)放TLC4502及高速精密電壓比較器LM311來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路圖如圖4-4所示。TLC4502不僅具有較寬的頻帶，而且可以在較低的電壓下滿(mǎn)幅輸出，保證能產(chǎn)生線(xiàn)性良好的三角波[8]。圖4-4三角波產(chǎn)生電路圖4-4三角波產(chǎn)生電路載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實(shí)現(xiàn)，選擇150kHz的載波，使用四階BultterworthLC濾波器，輸出端對(duì)載頻的衰減大于60dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，所以我們選用載波頻率為150kHz。電路參數(shù)的計(jì)算：在5V單電源供電下，我們將運(yùn)放5腳和比較器3腳的電位用R8調(diào)整為2.5V，同時(shí)設(shè)定輸出的對(duì)稱(chēng)三角波幅度為1V(Vp-p＝2V)。若選定R10為100kΩ，并忽略比較器高電平時(shí)R11上的壓降，則R9的求解過(guò)程如下：（4-1）所以取為39K。選定工作頻率為f=150kHz，并設(shè)定，則電容的計(jì)算過(guò)程如下：對(duì)電容的恒流充電或放電電流為：（4-2）則電容兩端的最大電壓值為：（4-3）其中為半周期，=。的最大值為2V，則（4-4）（4-5）取=220Pf，取=10k，取為20K的可變電位器。使電路的震蕩頻率f在150KHZ左右可調(diào)。通過(guò)使產(chǎn)生的三角波，在以2.5V上下1V震蕩。（2）比較器電路選用LM311精密，高速比較器，電路如圖4-5所示，因供電為5V單電源，為給V+=V-提供2.5V的靜態(tài)電位，取R12=R15，R13=R14，4個(gè)電阻均取10kΩ。由于三角波Vp-p=2V，所以要求音頻信號(hào)的Vp-p不能大于2V否則會(huì)使功放產(chǎn)生失真。圖4-5比較器電路圖4-5比較器電路4.3.2前置放大器電路如圖4-6所示。設(shè)置前置放大器，可使整個(gè)功放的增益從1～20連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。當(dāng)功放輸出的最大不失真功率為1W時(shí)，其8Ω上的電壓Vp-p=8V，此時(shí)送給比較器音頻信號(hào)的Vp-p值應(yīng)為2V，則功放的最大增益約為4（實(shí)際上，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）[7]。因此必須對(duì)輸入圖4-6前置放大電路的音頻信號(hào)進(jìn)行前置放大，其增益應(yīng)大于5。前放仍采用寬頻帶、低漂移、滿(mǎn)幅運(yùn)放TLC4502，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。選擇同相放大器的目的是容易實(shí)現(xiàn)輸入電阻Ri≥10kΩ的要求。同時(shí)，采用滿(mǎn)幅運(yùn)放可在降低電源電壓時(shí)仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求輸入電阻Ri大于10kΩ，故取R1=R2=51kΩ，則Ri=51/2=25.5kΩ，反饋電阻采用電位器R4，取R4=20kΩ，反相端電阻R3取2.4kΩ，則前置放大器的最大增益Av為：(4-6)調(diào)整使其增益約為8，則整個(gè)功放的電壓增益從0~32可調(diào)?？紤]到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值,取=2V，則要求輸入的音頻信號(hào)最大幅度。如果超過(guò)250mV，則輸出會(huì)產(chǎn)生波削失真。4.3.3驅(qū)動(dòng)電路如圖4-7所示。將PWM信號(hào)整形變換成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用CD40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)運(yùn)用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)式射極跟隨器驅(qū)動(dòng)的輸出管，保證了快速驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路晶體三極管選用2SC8050和2SA8550對(duì)管。圖4-7驅(qū)動(dòng)電路電路圖圖4-7驅(qū)動(dòng)電路電路圖4.3.4H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出電路 對(duì)VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)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(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管，IRFD120和IRFD9120VMOS對(duì)管的參數(shù)能夠滿(mǎn)足上述要求，故采用之。實(shí)際電路如圖4-8所示。互補(bǔ)PWM開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開(kāi)啟Q5和Q8或Q6和Q7，分別經(jīng)兩個(gè)4階Butterworth濾波器濾波后推動(dòng)喇叭工作[1-8]。圖4-8圖4-8H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出及低通濾波電路這個(gè)H橋具有兩個(gè)半橋開(kāi)關(guān)電路，它們?yōu)闉V波器提供相反極性的脈沖，其中濾波器包含兩個(gè)電感器、兩個(gè)電容器。每個(gè)半橋包含兩個(gè)輸出晶體管，一個(gè)是連接到正電源的高端晶體管MH，另一個(gè)是連接到負(fù)電源的低端晶體管ML。全H橋電路通常由單電源（VDD）供電，接地端用于接負(fù)電源端（VSS）。四個(gè)高頻MOSFET功率管，當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí),Q5、Q8導(dǎo)通,Q6、Q7截止，電流從電阻的正極流向負(fù)極；當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，Q5、Q8截止，Q6、Q7導(dǎo)通，電流從電阻的負(fù)極流向正極。功率管開(kāi)關(guān)的頻率等于PWM信號(hào)的頻率。對(duì)于給定的VDD和VSS，H橋電路的差分方式提供的輸出信號(hào)是單端方式的兩倍，并且輸出功率是其四倍。半橋電路可由雙極性電源或單極性電源供電，但單電源供電會(huì)對(duì)DC偏置電壓產(chǎn)生潛在的危害，因?yàn)橹挥蠽DD/2電壓施加到過(guò)揚(yáng)聲器，除非加一個(gè)隔直電容器。4.3.5低通濾波器本電路采用4階Butterworth低通濾波器(如圖4-8)。對(duì)濾波器的要求是上限頻率≥20kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。采用了電子工作臺(tái)(EWB)軟件進(jìn)行仿真，從而得到了一組較佳的參數(shù)：L1=22μH，L2＝47μH，C1=l.68μH，C2=1μH。19.95kHz處下降2.464dB，可保證20kHz的上限頻率，且通帶內(nèi)曲線(xiàn)基本平坦；100kHz、150kHz處分別下降48dB、62dB，完全達(dá)到要求。4.3.6系統(tǒng)整體分析本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要是在PWM脈寬調(diào)制模塊和H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出模塊，在脈寬調(diào)制模塊需要首先熟悉TLC4502和LM311芯片的使用方法，以防在使用時(shí)電路接錯(cuò)；另一方面還需要注意在調(diào)節(jié)電位器是一定要細(xì)心，如果一直不起振，就仔細(xì)檢查電路、分析原理；然后在細(xì)心調(diào)節(jié)電位器，使其起震。H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出模塊時(shí)這里面最難的部分，雖然原理簡(jiǎn)單，但是如有一點(diǎn)做不到位就會(huì)得不到理想的效果。所以本設(shè)計(jì)除了理論分析外，實(shí)踐更是不易，唯有細(xì)心加耐心，才能達(dá)到理想的效果。4.4模塊仿真仿真軟件：-虛擬電子實(shí)驗(yàn)室10.0.NI.Multisim.V10.0.1.漢化破解版。仿真步驟：（1）畫(huà)好原理圖。（2）設(shè)置好輸入信號(hào)。（3）在待測(cè)點(diǎn)接好示波器。（4）運(yùn)行程序，觀察示波器的輸出波形。（5）分析波形，是否與理論相符，是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于軟件無(wú)法找到TCL4502芯片，所以一些模塊無(wú)法仿真。下面分別介紹和分析了各模塊的仿真結(jié)果。4.4.1前置放大電路圖4-9前置放大器仿真電路圖4-9前置放大器仿真電路如圖4-9所示由于軟件沒(méi)有TLC4502，則采用TLE2022代替，用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器給5kHz的信號(hào)，調(diào)節(jié)和用示波器觀測(cè)其輸出。4-10前置放大器仿真波形4-10前置放大器仿真波形如上圖4-9所示調(diào)節(jié)和，用示波器測(cè)得器輸出波形如圖4-10所示，可以看出其幅度明顯被放大，調(diào)節(jié)和觀察其放大倍數(shù)的范圍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。4.4.2比較器電路如圖4-11所示用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在比較器LM311的2腳輸入3kHz正弦波，在3腳輸入150kHz三角波，用示波器觀察信號(hào)的輸出情況，信號(hào)的輸入及輸出波形如圖4-12所示。圖4-11比較器仿真電路圖4-11比較器仿真電路圖4-12比較器仿真波形圖4-12比較器仿真波形由上可以觀察，正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器后，形成了一組寬度受到調(diào)制的等幅波。4.4.3H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出及低通濾波電路如圖4-13所示，為了能給相位相反的兩組方波信號(hào)，在H橋前的一組信號(hào)上加一個(gè)反相器CD40106，為了在時(shí)間上延遲相同在另一組信號(hào)上加一與門(mén)74LS04。函數(shù)信號(hào)圖4-1圖4-13H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出及低通濾波器仿真電路發(fā)生器接輸入端，用示波器的A端口接H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出端，B端口接低通濾波器的輸出端。先讓函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入頻率為10kHz，占空比50﹪，振幅為2的信號(hào)，示波器輸出如圖4-14所示。圖4-14圖4-14H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出及低通濾波器波形改變輸入頻率為20kHz，占空比50﹪，振幅為1.5的信號(hào)，示波器輸出如圖4-15所示。圖4-1圖4-15H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出及低通濾波器波形改變輸入頻率為150kHz，觀察低通濾波器的輸出波形如圖4-16所示：圖4-16圖4-16H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出及低通濾波器波形由圖4-14和圖4-15可以看出2和1.5的輸入信號(hào)都能經(jīng)過(guò)H橋互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出得到放大，而且都能得到滿(mǎn)幅輸出，輸出信號(hào)幾乎達(dá)到10，而且信號(hào)可以順利通過(guò)低通濾波器到達(dá)輸出級(jí)，可以看出達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。由圖4-14和圖4-16對(duì)比可以看出，低通濾波器對(duì)150kHz的高頻信號(hào)衰減很大，而能讓20kHz以下的音頻信號(hào)通過(guò)。這樣的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，就可以讓載波信號(hào)得到很好的衰減，而讓音頻信號(hào)順利到達(dá)輸出級(jí)，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。4.5系統(tǒng)測(cè)試4.5.1測(cè)試步驟（1）準(zhǔn)備元器件（2）焊接電路（3）線(xiàn)路檢測(cè)（4）模塊測(cè)試（5）系統(tǒng)測(cè)試4.5.2測(cè)試工具鑷子、剪線(xiàn)鉗、電烙鐵、萬(wàn)用表、直流電源、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、示波器4.5.3三角波產(chǎn)生電路測(cè)試焊接好電路，檢查無(wú)誤后通電，用示波器觀察輸出波形，調(diào)節(jié)電位器使之起震并產(chǎn)生振幅為上下1V，頻率為150kHz的三角波。其產(chǎn)生的信號(hào)用示波器觀察如下圖4-17所示：圖4-17三角波發(fā)生器測(cè)試波形圖4-17三角波發(fā)生器測(cè)試波形由上圖4-17可