電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)--數(shù)字功率放大器

1、<p>　　電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　　姓名_____ 班級(jí) 指導(dǎo)老師 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1、 總體方案與原理說明2</p><p>　　2.三角波產(chǎn)生的電路4</p><

2、;p><b>　　3.比較器電路5</b></p><p>　　4.橋式輸出級(jí)電路6</p><p>　　5.基準(zhǔn)電壓源電路7</p><p>　　6.總體電路原理相關(guān)說明8</p><p>　　6.1 數(shù)字功率放大器的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9</p><p>　　6.2數(shù)字功率放大器的系

3、統(tǒng)框架9</p><p>　　7.總體電路原理圖10</p><p><b>　　8.元件清單11</b></p><p><b>　　9.參考文獻(xiàn)12</b></p><p>　　10.設(shè)計(jì)心得體會(huì)13</p><p><b>　　總體方案與原理說明&l

4、t;/b></p><p>　　模擬音頻功率放大器經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在技術(shù)和性能上目前已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)巔峰，很難出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。效率成為制約模擬音頻功率放大器發(fā)展的主要因素。模擬音頻功率放大器是線性放大器，可以根據(jù)偏置點(diǎn)的不同將模擬音頻功率放大器分為A類，B類，AB類，各類功率放大器的理論效率在50%~78.5%之間。模擬音頻功率放大器的最大效率是在輸出最大輸出功率時(shí)得到的，但是為了保證信號(hào)保真度這一性能指

5、標(biāo)，放大器往往不能工作在最大輸出功率狀態(tài)，因此模擬音頻功率放大器在實(shí)際系統(tǒng)中正常工作的效率一般不高，對(duì)于A 類音頻功率放大器，實(shí)際的工作效率一般在25%左右。盡管人們?cè)?jīng)采用多種方式試圖提高效率，但是由于理論極限值的限制，模擬音頻放大器的效無法得到本質(zhì)上的改善，數(shù)字功率放大器就是在這種情況下被廣泛關(guān)注的。</p><p>　　數(shù)字功率放大器是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的創(chuàng)新技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景，并對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)生巨大的沖擊作

6、用，在音頻和非音頻領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，如DVD接受機(jī)，AV接收機(jī)，助聽器，手機(jī)，等離子顯示器，汽車音響，收錄機(jī)以及專業(yè)音頻設(shè)備等。與模擬功率放大器相比，數(shù)字功率放大器在獲得更高效率的同時(shí)可以降低芯片尺寸，所以在便攜式音頻設(shè)備中有著重要的地位。統(tǒng)計(jì)表明，數(shù)字功率放大器目前以每年超過50%的速度在迅猛增長(zhǎng)。</p><p>　　數(shù)字功率放大器的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，我國(guó)擁有巨大的消費(fèi)電子市場(chǎng)。目前國(guó)內(nèi)使用手機(jī)的用戶很多

7、，而每一部手機(jī)都可以使用一個(gè)數(shù)字功率放大器；在時(shí)尚潮流方面，MP3,MP4等便攜式媒體播放器深受消費(fèi)者的喜愛，在消費(fèi)電子領(lǐng)域占有巨大的份額，而數(shù)字功率放大器常常作為耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于此類播放器中：在汽車電子領(lǐng)域，數(shù)字功率放大器以其高效率，低散熱和更緊湊的封裝形式，將逐步取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器成為汽車音響的首選和主流。</p><p>　　數(shù)字功率放大器根據(jù)調(diào)制方式的不同，可以分為脈沖寬度調(diào)制（PWM）型數(shù)字功率

8、放大器和Sigma-Delta調(diào)制型數(shù)字功率放大器。采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）型數(shù)字功率放大器，其功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，其效率理論上可以達(dá)到100％，電路實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但是要特別注意電磁干擾（EMI）和噪聲；采用Sigma-Delta調(diào)制方法來設(shè)計(jì)數(shù)字功率放大器，該調(diào)制方法相對(duì)于PWM調(diào)制方法來說能夠進(jìn)一步提高數(shù)字功率放大器的總諧波失真（THD），得到更好的線性度，但其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)也會(huì)更為復(fù)雜。</p><p>

9、　　第二級(jí)共模反饋電路由MOS管MF1～MF8組成。MF1、MF2和MF3、MF4構(gòu)成兩個(gè)輸入差分對(duì)結(jié)構(gòu)，檢測(cè)第二級(jí)放大電路的輸出共模電壓；MF5和MF6為共模反饋電路供偏置電流；MF7產(chǎn)生第二級(jí)共模輸出信號(hào)，通過控制流過M10和M12的電流，調(diào)整第二級(jí)放大電路的輸出共模電壓。假設(shè)輸出電壓Vo+和Vo-超過了Vcm，MF3和MF4管的漏端電流開始下降，這使得流過MF7的電流減小，導(dǎo)致第二級(jí)共模反饋信號(hào)向VDD方向增加，流過M10和M12

10、管的電流減少，由于通過M11和M13管的電流是一個(gè)定值，這將導(dǎo)致輸出電壓Vo+和Vo-下降，最終，輸出電壓的平均值將穩(wěn)定于Vcm。</p><p>　　與輸入級(jí)運(yùn)算放大器不同的是,積分器的運(yùn)算放大器具有一個(gè)較大的負(fù)載電容，而且這個(gè)運(yùn)算放大器中的右半平面零點(diǎn)降低這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以需要對(duì)這個(gè)積分器的運(yùn)算放大器的進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償。零點(diǎn)補(bǔ)償技術(shù)把零點(diǎn)移到了左半平面，它消除了第一個(gè)非主極點(diǎn)，提高了單位增益帶寬，并且這個(gè)零點(diǎn)

11、補(bǔ)償方法并不會(huì)因?yàn)殡娫措妷旱淖兓?，溫度的變化和工藝偏差而出現(xiàn)補(bǔ)償不準(zhǔn)的現(xiàn)象。兩級(jí)運(yùn)放中的右半平面的零點(diǎn)是一個(gè)嚴(yán)重的問題，我們可以通過把零點(diǎn)移到左半平面，以便消除第一個(gè)非主極點(diǎn)，以提高這個(gè)運(yùn)算放大器的單位增益頻率。</p><p>　　2.三角波產(chǎn)生的電路</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的三角波產(chǎn)生電路由偏置電路、控制電路以及恒流源充放電電路三部分組成。MOS管MF1～MF9以及電阻R4構(gòu)成三

12、角波產(chǎn)生電路的偏置級(jí)。MF5、MF6構(gòu)成電流鏡恒流源；MF7、MF8分別和MF1、MF3亦構(gòu)成電流鏡恒流源。MF1、MF2、MF3、MF互相組成電流鏡，確保I3和I4恒定，以提高其穩(wěn)定程度，使得MF5和MF6在相等的源漏電壓下工作，以減少I5和I6的差別，即使由于某種原因使得電流源輸出電壓發(fā)生變化，電流源本身的負(fù)反饋起到的內(nèi)部自我調(diào)節(jié)作用,從而達(dá)到恒流的效果。MF9柵極和漏極連接，電壓相等，管子工作在飽和區(qū)，輸出特性曲線區(qū)域平坦。改變電

13、阻R4的值可以調(diào)整輸出偏置電壓大小。</p><p><b>　　3.比較器電路</b></p><p>　　由于NMOS管輸入級(jí)和PMOS管輸入級(jí)電路原理一樣，以下只分析NMOS管差分輸入電路。M1和M2為輸入級(jí)的差分輸入管；M3、M4、M6、M7耦合相接，組成電流鏡作為輸入級(jí)的負(fù)載管，這種結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定輸出共模電平及提高輸入級(jí)增益的優(yōu)點(diǎn)；M5是恒流源管，為比較器提供

14、偏置電流。</p><p>　　輸入級(jí)電路共有兩條反饋通路：第一條是通過晶體管M1和M2共源節(jié)點(diǎn)的串聯(lián)電流負(fù)反饋；第二條是連接晶體管M6和M7源-漏極的并聯(lián)電壓正反饋。當(dāng)正反饋系數(shù)</p><p>　　小于負(fù)反饋系數(shù)時(shí)，整個(gè)電路在共模輸入電壓很高時(shí)為負(fù)反饋，電路沒有遲滯效應(yīng)；當(dāng)正反饋系數(shù)大于負(fù)反饋系數(shù)時(shí)，整個(gè)電路表現(xiàn)為正反饋，同時(shí)在電壓傳輸曲線中表現(xiàn)為遲滯效應(yīng)。</p>&l

15、t;p><b>　　4.橋式輸出級(jí)電路</b></p><p><b>　　橋式輸出電路</b></p><p>　　數(shù)字功率放大器的輸出級(jí)采用橋接負(fù)載差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。理論上，由于數(shù)字功率放大器的開關(guān)工作模式，在開關(guān)理想的情況下，其功率效率為100%。但實(shí)際上，由于由MOS現(xiàn)的開關(guān)導(dǎo)通電阻不可能為零，并且其導(dǎo)通和關(guān)閉需要一個(gè)過程，所以數(shù)字功率

16、放大器的效率不可能真正達(dá)到100%，而是有一個(gè)上限。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的全橋式輸出結(jié)構(gòu)如圖4-14所示。PWM信號(hào)經(jīng)過死區(qū)時(shí)間調(diào)整電路后再經(jīng)過功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率晶體管。</p><p>　　全橋式結(jié)構(gòu)（BTL）數(shù)字功率放大器除具有與AB類BTL音頻功率放大器相同的優(yōu)點(diǎn)外，還具有高效率特性[33]。BTL放大器的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是采用單電源供電時(shí)輸出端不需要隔直電容，半橋式放大器則不

17、然，因?yàn)樗妮敵鰰?huì)在VDD和地之間擺動(dòng)，這意味著它的輸出具有VDD/2的直流偏移，全橋式放大器中，這個(gè)偏移會(huì)出現(xiàn)在負(fù)載的兩側(cè)，輸出端的直流電流為零。它們具有的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在相同的電源電壓下BTL結(jié)構(gòu)的放大器輸出信號(hào)擺幅是半橋式放大器的2倍，因?yàn)樨?fù)載是差分驅(qū)動(dòng)的，在相同的電源電壓下，理論上它可提供最大輸出功率是半橋式放大器的4倍。全橋式數(shù)字功率放大器所需要的MOSFET的開關(guān)個(gè)數(shù)是半橋式結(jié)構(gòu)的兩倍。一些人會(huì)認(rèn)為這是它的缺點(diǎn)，因?yàn)楦嚅_關(guān)就

18、意味著會(huì)產(chǎn)生更多的導(dǎo)通和開關(guān)損耗和占用更大的面積，然而這僅對(duì)于大功率輸出的放大器（>10W）是正確的，因?yàn)樗鼈冃枰叩妮敵鲭娏骱碗娫措妷?，因此，半橋式放大器往往憑借其在效率上的微弱優(yōu)勢(shì)而被大功率設(shè)備所采用。大多數(shù)的全橋式放大器在驅(qū)動(dòng)8?負(fù)載時(shí)，效率在80%～90%之間。</p><p><b>　　5.基準(zhǔn)電壓源電路</b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)的數(shù)字

19、功率放大器電路一共使用了5種偏置電壓，分別為Vb1＝3.455V、Vb2＝2 V、Vb3＝1.7V、Vb＝1.255V、Vcm＝2.5V。這五種偏置電壓的精確性對(duì)整個(gè)數(shù)字功率放大器的精度有著直接影響。</p><p>　　基準(zhǔn)源應(yīng)當(dāng)不隨溫度、電壓、工藝參數(shù)的變化而變化，具有較低的溫度系數(shù)和較高的電源抑制比。在眾多類型的基準(zhǔn)電壓源中，只有CMOS帶隙基準(zhǔn)源既可以綜合滿足上述指標(biāo)，又兼顧制造成本。帶隙基準(zhǔn)的一般原理如

20、圖4-17所示。帶隙基準(zhǔn)源的主要工作原理是利用工藝參數(shù)隨溫度變化的特性，產(chǎn)生正負(fù)兩種溫度系數(shù)來達(dá)到零溫度系數(shù)的目的，以此對(duì)電路的溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償。圖2-5為傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源電路。Q1、Q2、Q3發(fā)射區(qū)的面積之比為1：N：N。</p><p>　　傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源電路分析過程中有兩個(gè)缺點(diǎn):一是輸出電壓約為1.25V,不能進(jìn)行調(diào)節(jié);二是只考慮了一階溫度系數(shù),如果仿真此電路并畫一條V的曲線，會(huì)發(fā)現(xiàn)它呈現(xiàn)有限的曲率，溫度

21、系數(shù)在一定的溫度范圍內(nèi)為零,而在其他的溫度范圍內(nèi)或?yàn)檎驗(yàn)樨?fù)。產(chǎn)生曲率的主要原因是溫度隨晶體管發(fā)射極電壓、集電極電流的變化而變化。輸出濾波器電路PWM信號(hào)的頻率為幾百KHz，比音頻信號(hào)帶寬20Hz～20KHz大得多，為了從PWM開關(guān)信號(hào)中恢復(fù)出音頻信號(hào)，通常采用低通濾波器（LPF）。</p><p>　　6.總體電路原理相關(guān)說明</p><p>　　6.1 數(shù)字功率放大器的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)&

22、lt;/p><p>　　典型的數(shù)字功率放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗較低，并可以通過設(shè)計(jì)高性能的濾波器，把THD+N限制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，因此這種結(jié)構(gòu)常被應(yīng)用于對(duì)講機(jī)等對(duì)于主板空間和音質(zhì)的要求不是很高的領(lǐng)域。</p><p>　　數(shù)字功率放大器典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，它包括一個(gè) PWM調(diào)制器，由兩個(gè)輸出功率晶體管組成的半橋式輸出級(jí)和一個(gè)低通LC濾波電路。</p><p>　　圖

23、2-1典型數(shù)字功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　典型的PWM調(diào)制器包括一個(gè)比較器和一個(gè)三角波產(chǎn)生電路。三角波產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)頻率范圍在200kHz~300kHz之間的三角波信號(hào)，音頻輸入信號(hào)通過比較器與三角波</p><p>　　信號(hào)進(jìn)行比較，在比較器的輸出端，得到脈沖寬度隨音頻輸入信號(hào)幅度變化的脈沖信號(hào)，</p><p>　　即PWM信號(hào)。PWM信號(hào)控制半橋

24、式輸出功率管的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管截止，電流通過PMOS管由電源流入濾波器和負(fù)載，當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管截止，電流通過NMOS管由濾波器和負(fù)載流入到地，從而達(dá)到控制流入濾波器和負(fù)載上的電流的方向的目的。低通濾波器起到解調(diào)器</p><p>　　的作用，PWM信號(hào)通過濾波器后，高頻載波信號(hào)以及高頻信號(hào)的諧波分量被濾除，放大了的音頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載

25、發(fā)聲，最終實(shí)現(xiàn)了功率放大。典型的數(shù)字功放輸入輸出波形如圖3-2所示。后級(jí)低通濾波器選用單端兩極點(diǎn)LC積分電路，即一種最簡(jiǎn)單的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可將放大的PWM信號(hào)解調(diào)，當(dāng)脈沖寬度大時(shí)，電容上的電壓就積累得高,反之電壓就低。這樣既可濾掉高頻開關(guān)噪聲，又得到放大的音頻信號(hào),驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。同時(shí)由于功率管處于開關(guān)狀態(tài)，功耗很低，因而可以獲得很高的效率，理論上可以獲得接近100%的效率。對(duì)調(diào)制波信號(hào)進(jìn)行傅立葉分解，其頻譜可以用二維傅立葉級(jí)數(shù)表示。&l

26、t;/p><p>　　6.2數(shù)字功率放大器的系統(tǒng)框架</p><p>　　圖2-2為數(shù)字功率放大器的系統(tǒng)框架，包括前置放大器電路、積分器電路、調(diào)制器電路、全橋式輸出級(jí)電路、基準(zhǔn)電路、過溫保護(hù)電路以及過流保護(hù)電路。這個(gè)數(shù)字功率放大器利用反饋環(huán)路來抑制電源電壓波動(dòng)、開關(guān)功率級(jí)的輸出及諧波失真（THD），電阻R1、R2、R3以及Rf必須具有良好的線性度和匹配，以獲得良好的閉環(huán)性能。</p>

27、;<p>　　這個(gè)音頻功率放大器的PWM調(diào)制方法是基于雙邊自然采樣技術(shù)。PWM信號(hào)是直接通過比較音頻信號(hào)和三角波信號(hào)得到，PWM頻譜中并不直接的包含調(diào)制信號(hào)的諧波，也就是說，從諧波失真的角度上考慮，它是非常理想的。輸入音頻信號(hào)經(jīng)過前置放大器電路，獲得并穩(wěn)定輸入音頻信號(hào)，并確保差動(dòng)信號(hào)；輸入音頻信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過積分器輸出，然后分別與三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生獨(dú)立的PWM信號(hào)，通過死區(qū)控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路后，分別作用到兩個(gè)半橋上

28、，完成音頻的放大。保護(hù)模塊主要包括過流保護(hù)和過溫保護(hù)模塊，是為了保證數(shù)字功率放大器正常工作，防止因?yàn)殡娏鬟^大或溫度過高造成放大器性能上的影響甚至燒壞放大器或負(fù)載揚(yáng)聲器。</p><p>　　圖2-2所示的系統(tǒng)環(huán)路中包含一個(gè)極點(diǎn)，環(huán)路的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)是在增益為0dB時(shí)，電路的相位裕度大于60℃。也可以在這個(gè)環(huán)路系統(tǒng)中引入一個(gè)LPH零點(diǎn)來創(chuàng)建一個(gè)二階環(huán)路，與一階環(huán)路系統(tǒng)相比，二階環(huán)路系統(tǒng)在音頻帶寬內(nèi)具有更高的增益，因此將

29、會(huì)在音</p><p>　　頻范圍內(nèi)具有更好的THD性能和PSRR性能。</p><p><b>　　7.總體電路原理圖</b></p><p><b>　　8.元件清單</b></p><p><b>　　9.參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1

30、]談文心. 高頻電子線路[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社[2]謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試(第二版)[M]. 武昌:華中科技大學(xué)出版社，2000[3]毛哲，張雙德．電路計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)仿真與測(cè)試 [M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003[4]朱力恒．電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教程[M］．北京：電子工業(yè)出版社，2003．[5]王遠(yuǎn). 模擬電子技術(shù)(第二版)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2000[6]《電子制作合訂本—2006下》 電

31、子制作雜志社電子報(bào)合訂本1991年[7]崔瑋 等. Protel99SE電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)[M]．北京：海洋出版社，2005[8]楊幫文.新型集成器件實(shí)用電路（修訂版）[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006</p><p><b>　　10.設(shè)計(jì)心得體會(huì)</b></p><p>　　剛學(xué)習(xí)，并不是很清楚各個(gè)元件在電路中的作用。沒辦法，我必須要全面的去了解才能設(shè)

32、計(jì)出好的電路。</p><p>　　開始查閱各種的電子書籍，同時(shí)上網(wǎng)找資料。逐漸腦海里有了點(diǎn)思路，感覺設(shè)計(jì)一個(gè)光控，聲控開關(guān)很有意義。以為這樣既可以節(jié)約電，也方便了人們的生活。我經(jīng)過多次的修改終于把電路設(shè)計(jì)出來了。在試驗(yàn)中我要考慮的是好多電子元件的綜合作用。從以前看不懂那些電子元件到了解了各種電子元件的作用。小小電子元件各有各的角色，在整個(gè)電路中缺一不可。</p><p>　　通過此次電工

33、電子的課程設(shè)計(jì)鍛煉了我的思考能力，把平時(shí)學(xué)的理論運(yùn)用到了實(shí)踐中去。用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)生活中實(shí)用的電子產(chǎn)品，加深了對(duì)模擬電路和數(shù)字電路的了解和利用。并對(duì)各電子器件有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。同時(shí)也把我從理論帶入了實(shí)踐中去了。也把我從學(xué)習(xí)枯燥無味的電子元件帶入了有去了解其的欲望。感覺哪些小小的電子元件太神奇了，經(jīng)過設(shè)計(jì)合理的組合后竟然那么的神奇。使我更想去了解更多的電器的工作原理了。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)是我們根據(jù)所學(xué)的東