畢業(yè)設(shè)計(jì)---d類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1概述…………………………………………………………………….1</p><p>　　1.1課題研究的意……………………………………………………………………..2</p><p>　　1.2課題的任務(wù)與技術(shù)要求…………………………………………………………..2</p>

2、<p>　　1.3課題研究的內(nèi)容…………………………………………………………………..2</p><p>　　2 設(shè)及方案的論證……………………………………………………………………3</p><p>　　2.1功率放大器的種類(lèi)………………………………………………………………..3</p><p>　　2.1.1A類(lèi)功率放大器…………………………………………

3、………………………5</p><p>　　2.1.2B類(lèi)功率放大器………………………………………………………………….7</p><p>　　2.1.3AB類(lèi)功率放大器………………………………………………………………..9</p><p>　　2.1.4D類(lèi)功率放大器………………………………………………………………...10</p><p>

4、　　3信號(hào)脈寬調(diào)制……………………………………………………………………...12</p><p>　　3.1正弦脈寬調(diào)制……………………………………………………………………13</p><p>　　3.2音頻信號(hào)寬度調(diào)制………………………………………………………………16</p><p>　　3.2.1語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析………………………………………………………….

5、17</p><p>　　3.2.2語(yǔ)音信號(hào)的譜和能量分布…………………………………………………….19</p><p>　　3.2.3語(yǔ)音和樂(lè)音信號(hào)的脈寬調(diào)制………………………………………………….21</p><p>　　4單元電路設(shè)計(jì)與仿真……………………………………………………………...24</p><p>　　4.4.1 H橋功率

6、輸出器件的選取…………………………………………………….25</p><p>　　4.4.2設(shè)計(jì)低通濾波器的必要性…………………………………………………….26</p><p>　　4.4.3低通濾波器的設(shè)計(jì)方案……………………………………………………….27</p><p>　　4.4.4 H橋式功率輸出和低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真……………………………….28<

7、;/p><p>　　5實(shí)物的安裝焊接與調(diào)試…………………………………………………………...28</p><p>　　6結(jié)束語(yǔ)……………………………………………………………………………...29</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………..30 </p><p>　　附錄………………………………………

8、…………………………………………..31</p><p>　　D類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真</p><p><b>　　1概述</b></p><p>　　1.1課題研究的意義</p><p>　　隨著全球音視頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對(duì)音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求,迫</p><p>　　使人們盡快研

9、究開(kāi)發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器。它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字設(shè)備相連接的特點(diǎn)。D類(lèi)音頻功率放大器是PWM型功率放大器即為模擬開(kāi)關(guān)式音頻功率放大器，它符合上述要求。近幾年，國(guó)際上加緊了對(duì)D類(lèi)音頻功率放大器的研究與開(kāi)發(fā)，并取得了一定進(jìn)展，幾家著名研究機(jī)構(gòu)及公司已試驗(yàn)性地向市場(chǎng)提供了D類(lèi)音頻功率放大器評(píng)估模塊及技術(shù)。這一技術(shù)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)，引起了科研、教學(xué)、電子工業(yè)、商業(yè)界的特別關(guān)注。不久的

10、將來(lái)，D類(lèi)音頻功率放大器必然取代傳統(tǒng)的模擬音頻功率放大器。</p><p>　　幾十年來(lái)在音頻領(lǐng)域中，A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)音頻功率放大器一直占據(jù)“統(tǒng)治”</p><p>　　地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個(gè)過(guò)程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過(guò)程；</p><p>　　電路組成從單管到推挽過(guò)程；電路形式從變壓器輸出到OTL、OCL、BTL形式過(guò)程。其基本類(lèi)型是模擬音頻功

11、率放大器，它們的最大缺點(diǎn)是工作效率太低，A類(lèi)音頻功率放大器的最高工作效率為50%，B?類(lèi)音頻功率放大器的最高工作效率為78.5%， AB類(lèi)音頻功率放大器的工作效率介于二者之間。無(wú)論?A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)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)，效率就更低，播放動(dòng)態(tài)的語(yǔ)言、音樂(lè)時(shí)的平均工作效率只有30%左右。此外，傳統(tǒng)模擬功率放大器還存在以下的一些缺點(diǎn)：</p><p>　　a.電路復(fù)雜，成本高，常常需要設(shè)

12、計(jì)復(fù)雜的補(bǔ)償電路和過(guò)流，過(guò)壓，過(guò)熱等保</p><p>　　護(hù)電路，體積較大，電路復(fù)雜。</p><p>　　b.輸出功率不可能做的很大。</p><p>　　模擬開(kāi)關(guān)式功率放大器又稱為數(shù)字功放或D類(lèi)功放，工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，理論效</p><p>　　率可達(dá)100%，實(shí)際的運(yùn)用也可達(dá)80%以上。功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大減小散熱

13、器的尺寸，連續(xù)輸出功率很容易達(dá)到數(shù)百瓦。功率MOS有自我保護(hù)電路，可以大大簡(jiǎn)化保護(hù)電路，而且不會(huì)引入非線形失真。所以，采用這種模擬開(kāi)關(guān)式音頻功率放大器作為本畢業(yè)設(shè)計(jì)所要研究的內(nèi)容，具有較大的研究意義。</p><p>　　1.2課題的任務(wù)與技術(shù)要求</p><p>　　D類(lèi)功率放大器是功率放大器中的一種，它的功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而管耗很低，整機(jī)效率很高。本設(shè)計(jì)中，要求運(yùn)用學(xué)過(guò)的知識(shí)，設(shè)

14、計(jì)一臺(tái)分立元件的D類(lèi)功率放大器。要求給出電路的原理圖、PCB圖以及關(guān)鍵部分的仿真結(jié)果圖，撰寫(xiě)一篇符合學(xué)校要求的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。</p><p>　　原始數(shù)據(jù)以及技術(shù)參數(shù)要求</p><p>　　輸出平均功率 10W（8Ω負(fù)載）；</p><p>　　放大器的輸入靈敏度0dB；</p><p>　　放大器的效率不低于80%，總失真度小于1%；（

15、5W）</p><p>　　設(shè)計(jì)放大器的電源，要求紋波因素底、功率余量≥0.5；</p><p>　　要求整機(jī)電路體積小、可靠性高；</p><p>　　考慮脈沖信號(hào)對(duì)電網(wǎng)的污染的影響；</p><p>　　整機(jī)設(shè)計(jì)符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)1.3課題的主要內(nèi)容</p><p>　　掌握模擬電子技術(shù)中功率放大器作用和種類(lèi)，研究

16、其工作原理和性能特點(diǎn)；查找相關(guān)資料，了解語(yǔ)音信號(hào)的波形特點(diǎn)；掌握脈寬調(diào)制的原理以及電路的實(shí)現(xiàn)；設(shè)計(jì)工作與脈寬調(diào)制方式下的功率輸出電路，并對(duì)這個(gè)電路的性能進(jìn)行研究；最后可以采用?PROTEL?對(duì)音頻功率放大器的部分電路進(jìn)行仿真；制作實(shí)物并對(duì)實(shí)物性能進(jìn)行測(cè)試。</p><p><b>　　2設(shè)計(jì)方案論證</b></p><p>　　2.1功率放大器的分類(lèi)</p>

17、;<p>　　從晶體管的工作狀態(tài)來(lái)看，功率放大器可分為A類(lèi)（甲類(lèi)）、B類(lèi)（乙類(lèi)）、AB類(lèi)（甲乙類(lèi)）三類(lèi)。</p><p>　　甲類(lèi)功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Q是選在晶體管的放大區(qū)內(nèi)，且信號(hào)的作用范圍也限在放大區(qū)，此時(shí)若輸入信號(hào)為正弦波，則輸出信號(hào)也為正弦波，非線性失真很小。如圖2－1（a）所示。但在甲類(lèi)功率放大電路中，由于電源始終不斷地輸送功率，在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，這些功率全部消耗在管子（和電阻）上，并轉(zhuǎn)

18、化成熱量的形式耗散出去。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，信號(hào)越大，輸送給負(fù)載的功率越多。因此，即使在理想情況下，甲類(lèi)放大器的效率最高也只能達(dá)到50%。</p><p>　　甲乙類(lèi)功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Q′的位置略高于乙類(lèi)，但低于甲類(lèi)，處在放大區(qū)內(nèi)。此時(shí)若輸入正弦波，則輸出將為單邊失真的正弦波，如圖2－1（b）所示。乙類(lèi)功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Q″是選在晶體管放大區(qū)和截止區(qū)的交界處，信號(hào)的作用范圍一半

19、在放大區(qū)，另一半在截止區(qū)。此時(shí)若輸入信號(hào)為正弦波，則輸出信號(hào)為正弦波的一半，如圖2－1（c）所示。甲乙類(lèi)和乙類(lèi)放大主要用于功率放大器中。甲乙類(lèi)和乙類(lèi)放大，雖然減小了靜態(tài)功耗，提</p><p>　　高了效率，但都出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真</p><p>　　圖2-1靜態(tài)工作點(diǎn)Q下移對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響</p><p>　　（a）甲類(lèi)放大（b）甲乙類(lèi)放大（c）乙類(lèi)放大

20、</p><p>　　而功率放大器按照信號(hào)導(dǎo)通角可分為A類(lèi)(甲類(lèi))、B類(lèi)（乙類(lèi)）、AB類(lèi)（甲乙類(lèi)）、D類(lèi)（模擬開(kāi)關(guān)式）。</p><p>　　下面我們對(duì)這四種功率放大器進(jìn)行介紹。2.1.1 A類(lèi)(甲類(lèi))功率放大器</p><p>　　圖2-2是甲類(lèi)單管功率放大器的典型電路。其中，Tr1為輸入變壓器，它同</p><p>　　輸出變壓器Tr

21、2一樣也是作為阻抗變換用的，即使前一級(jí)能得到合適的負(fù)載，本級(jí)能獲得最大的功率輸入。電阻RB1、RB2和RE構(gòu)成了偏置電路，保證晶體管工作于甲類(lèi)及工作點(diǎn)穩(wěn)定。CB、CE?是RB（RB1∥RB2）及RE?的旁路電容，避免輸入信號(hào)通過(guò)它們時(shí)產(chǎn)生損耗，使放大倍數(shù)下降。</p><p>　　在甲類(lèi)功率放大電路中，電源供給的功率是由端電壓和輸出電流決定的。由于電源內(nèi)阻r很小，所以盡管輸出電流有較大的波動(dòng)，但其端電壓仍能保持恒

22、定。而輸出電流的大小，主要取決于晶體管的集電極電流ic的大小。在無(wú)信號(hào)時(shí)，ic等于IcQ。有信號(hào)時(shí)，ic的正負(fù)幅度相同，其平均值依然為IcQ，如圖2-3所示。因此得出</p><p>　　即甲類(lèi)功率放大器從直流電源吸收的功率總是等于Ec和IcQ的乘積。并不隨輸入信號(hào)的有無(wú)或強(qiáng)弱而有所變動(dòng)。這是甲類(lèi)功率放大器的一個(gè)特點(diǎn)。</p><p>　　圖2-3 電源在不同情況下供給的電流波形<

23、/p><p>　　根據(jù)以上分析，不難求出晶體管集電極輸出的最高效率為</p><p>　　可見(jiàn)，晶體管的輸出功率僅為電源供給的功率的一半，效率很低，這是甲類(lèi)功率放大器的最大缺點(diǎn)。實(shí)際上，若考慮到Vces和IcEo，則晶體管的最高效率僅為40~50%左右。此外變壓器本身也有一定的功率損耗，可求出放大器的總效率為</p><p>　　它等于晶體管的轉(zhuǎn)換效率和變壓器效率的乘

24、積。因此，甲類(lèi)功率放大器的效率較低，總效率一般為30~35%左右。</p><p>　　2.1.2 B類(lèi)(乙類(lèi))功率放大器</p><p>　　乙類(lèi)推挽功率放大器如圖?2-4?所示，它是由特性相同的兩個(gè)晶體管V1、V2組成的對(duì)稱電路。Tr1、Tr2?為有中心抽頭的輸入、輸出變壓器。</p><p>　　由于沒(méi)有加偏置電壓，所以兩個(gè)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)在?IB=0?處，

25、在沒(méi)有信號(hào)的</p><p>　　輸入時(shí)，兩個(gè)管子都處于截至狀態(tài)。此時(shí)電源供給的功率及管耗都等于零，從而實(shí)現(xiàn)了乙類(lèi)工作狀態(tài)。在有信號(hào)輸入時(shí)，兩管交替工作。當(dāng)正弦信號(hào)Ui送到輸</p><p>　　圖2-4 乙類(lèi)推勉功率放大器</p><p>　　入變壓器Tr1的初級(jí)時(shí)，在Tr1的次級(jí)則產(chǎn)生大小相等，相位相反的兩個(gè)交流電壓，分別加在V1和V2的輸入端，這個(gè)過(guò)程叫倒相

26、。</p><p>　　在輸入信號(hào)為正半周時(shí)，電路的工作情況如圖2-4（a）所示。圖中用符號(hào)+、-</p><p>　　代表各電壓的瞬時(shí)極性。由圖可見(jiàn)，此時(shí)?Vbe1>0，V1?導(dǎo)通。集電極電流?ic1?的方向如圖所示，為逆時(shí)針?lè)较?。與此同時(shí)，由于?V1?的反射結(jié)處于反向偏置，即Vbe2<0,所以V2管處于截止?fàn)顟B(tài)ic2=0。在輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，電路的工作情況如圖2-4（b）

27、所示。此時(shí)Vbe2>0，V2導(dǎo)通，集電極電流?ic2?的方向如圖所示，為順時(shí)針?lè)较?。同時(shí)由于Vbe1<0,所以V1處</p><p>　　于截止?fàn)顟B(tài)，ic1=0。這樣就實(shí)現(xiàn)了兩管在正負(fù)半周交替工作的目的。</p><p>　　由2-4（a）可以看出，輸入信號(hào)為正半周時(shí)，集電極電流ic1流經(jīng)Tr2初級(jí)線圈的上班部分產(chǎn)生的壓降，其極性應(yīng)為上-下+，即同名端處為-，則ic1在Tr2初

28、級(jí)的下半部分和次級(jí)繞組中所產(chǎn)生的感生電壓極性，也應(yīng)在同名端處為-，所以流過(guò)次級(jí)負(fù)載RL的電流ic2應(yīng)為順時(shí)針?lè)较颍鐖D2-4（a）所示。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，由圖2-4（b）可以看出，集電極電流ic2了流經(jīng)Tr2初級(jí)線圈的下半部分產(chǎn)生壓降，其極性應(yīng)為上+下-，即在同名端處為+，則ic2在Tr2初級(jí)的上半部分和次級(jí)繞組所產(chǎn)生的感生電壓極性，也應(yīng)在同名端處為+，所以流經(jīng)次級(jí)負(fù)載RL的電流io，應(yīng)為逆時(shí)針?lè)较?，如圖2-4（b）所示。當(dāng)輸入正弦

29、信號(hào)變化一周時(shí)，經(jīng)V1和V2輪換放大后，在Tr2次級(jí)負(fù)載上就可獲得一個(gè)完整的正弦信號(hào)了。所以這種放大器雖然在工作時(shí)ib1、ib2及ic1、ic2都是半波，但輸入信號(hào)Ui及輸出信號(hào)電流io和電壓卻都是完整的正弦波。</p><p>　　圖2-4（a）正半周</p><p><b>　　圖2-4 負(fù)半周</b></p><p>　　晶體管的轉(zhuǎn)換

30、效率等于晶體管的輸出功率P1?與電源供給功率PE?的比值，即</p><p>　　可見(jiàn)，輸入信號(hào)越強(qiáng)，Vcem越大，則效率η也越高。在不失真情況下，晶體管最大輸出功率時(shí)，由于Vcem=Ec,這時(shí)的轉(zhuǎn)換效率也為最高</p><p>　　可見(jiàn)，如果把變壓器Tr2的損耗也考慮進(jìn)去，則總的效率還要低一些，一般為60%。由于乙類(lèi)放大器的輸出波形是由兩個(gè)半波復(fù)合而成，所以乙類(lèi)放大器的交越失真比較嚴(yán)重。

31、2.1.3 AB類(lèi)(甲乙類(lèi))功率放大器</p><p>　　圖2-5是采用一個(gè)電源的甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱原理電路，圖中由V1?組成前置放大級(jí)， V2和V3組成互補(bǔ)對(duì)稱電路輸出級(jí)。在輸入信號(hào)Ui=0時(shí)，一般只要R1、R2?有適當(dāng)?shù)墓ぷ饔诩滓翌?lèi)狀態(tài)的功率輸出級(jí)的單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路圖2-5所示。通過(guò)上面的討論不難看出，在對(duì)失真要求不是很高的場(chǎng)合，提高效率，減小功率管的溫升是功率放大器設(shè)計(jì)首先要考慮的事情。而考慮的方法則是將

32、功率管的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)一步下移。數(shù)值，就可使Ic3、VB2和VB1達(dá)到所需的大小，給V2和V3提供一個(gè)合適的偏置，從而使?K點(diǎn)電位VK=Vc=Vcc/2。當(dāng)有信號(hào)Ui?時(shí)，在信號(hào)的負(fù)半周，V3導(dǎo)電，有電流通過(guò)負(fù)</p><p>　　圖2-5工作在甲乙類(lèi)的功率放大器電路</p><p>　　載RL，同時(shí)向C充電；在信號(hào)的正半周，V2導(dǎo)電，則已充電的電容?C?起著電源—Vcc的作用，通過(guò)負(fù)載?R

33、L?放電。只要選擇時(shí)間常數(shù)RLC足夠大（比信號(hào)的最長(zhǎng)周期還大得多），就可以認(rèn)為用電容C和一個(gè)電源Vcc可代替原來(lái)的+Vcc和—Vcc兩個(gè)電源的作用。</p><p>　　工作于甲乙類(lèi)狀態(tài)的功率輸出級(jí)的單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖2-5所示。</p><p>　　通過(guò)上面的討論不難看出，在對(duì)失真要求不是很高的場(chǎng)合，提高效率，減小功率管的溫升是功率放大器設(shè)計(jì)首先要考慮的事情。而考慮的方法則是將功率管

34、的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)一步下移。</p><p>　　2.1.4 D類(lèi)(模擬開(kāi)關(guān)式)功率放大器</p><p>　　由以上各類(lèi)功率放大器可知，傳統(tǒng)的音頻功率放大器A類(lèi)(甲類(lèi))、B類(lèi)（乙類(lèi)）和AB類(lèi)（甲乙類(lèi)）存在著很多缺點(diǎn)。A類(lèi)功率放大器在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)都有電流連續(xù)流過(guò)，它的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)的失真比較小，缺點(diǎn)是輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍比較小，效率低。而B(niǎo)類(lèi)功率放大器在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)功率器件的導(dǎo)通時(shí)

35、間為50%,它的優(yōu)點(diǎn)是在理想情況下效率可達(dá)78.5%，但缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生交越失真，增加噪聲。而AB類(lèi)功率放大器是以上兩種放大器的結(jié)合，每個(gè)功率放大器件的導(dǎo)通時(shí)間在50%~100%之間，兼有A類(lèi)失真小和?B?類(lèi)效率高的特點(diǎn)，但其工作效率只介于二者之間。因此傳統(tǒng)音頻功率放大器效率偏低，體積偏大的缺點(diǎn)與音頻功率放大器高效、節(jié)能和小型化的發(fā)展趨勢(shì)的矛盾，催生了D類(lèi)音頻功率放大器的出現(xiàn)和發(fā)展。D類(lèi)功率放大器是數(shù)字功放，也可稱為開(kāi)關(guān)功放或PWM（脈寬調(diào)

36、制）功放，工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，工作基于PWM模式：將音頻信號(hào)與采樣頻率比較，經(jīng)過(guò)自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號(hào)幅度成正比例變化的PWM波，然后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，加到</p><p>　　功率MOS的柵極，控制功率器件的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)放大，將放大的PWM信號(hào)送入濾波器，則還原為音頻信號(hào)。此類(lèi)音頻功率放大器理論效率可達(dá)100%，實(shí)際的運(yùn)用也可達(dá)80%以上。正是由于D類(lèi)放大器的效率高，100瓦輸出的設(shè)備，直流功耗就十幾瓦，故散熱

37、器就幾個(gè)平方厘米，連電路板可作的很小，大大減少了體積重量。并且由于工作比音頻高10余倍的脈沖狀態(tài)，電源整流紋波對(duì)電路工作影響很小。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)輸出功率很容易達(dá)到數(shù)百瓦。功率MOS有自我保護(hù)電路，可以大大簡(jiǎn)化保護(hù)電路，而且不會(huì)引入非線形失真。D類(lèi)功放是一項(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)生巨大的沖擊作用。由于其具有效率高，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，采用D類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)備能

38、夠提高電池的壽命，它特別適合應(yīng)用于無(wú)線和手持通信設(shè)備，主要應(yīng)用在PDA、移動(dòng)電話和類(lèi)似的手持移動(dòng)通信工具的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品中。而大功率輸出的音頻設(shè)備具有很大的功耗，所以在大功率輸出的音頻設(shè)備中采用低功耗的D類(lèi)音頻功率放大器也是十分必要的，特別在集成了高質(zhì)量音頻性能和擴(kuò)展了混合能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗。總之，PWM機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)在于他</p><p>　　3.1正弦脈沖寬度調(diào)制</p><p>　　P

39、WM(PulseWidthModulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。 圖3-1 形狀不同而沖量相同的各種窄沖波</p><p>　　根據(jù)采樣控制理論中的沖量等效原理:大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于</p><p>　　慣性系統(tǒng)時(shí)，只要它們的沖量（即變量對(duì)時(shí)

40、間的積分）相等，其作用效果相同，且脈沖越窄，輸出的差異越小。這一結(jié)論表明，慣性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)主要取決于系統(tǒng)的沖量，即窄脈沖的面積，而與窄脈沖的形狀無(wú)關(guān)。圖3-1給出了幾種典型的、形狀不同而沖量相同的窄脈沖，圖3-1（a）所示的為矩形脈沖，圖3-1（b）所示的為三角脈沖，圖3-1（c）所示的為正弦半波脈沖，它們的面積（沖量）均相同，當(dāng)它們分別作用在同一個(gè)慣性系統(tǒng)上時(shí)，其輸出響應(yīng)相同。圖3-1形狀不同而沖量相同的各種窄沖波</p>

41、;<p>　　依據(jù)上述原理，可將任意波形用以一系列沖量與之相等的窄脈沖進(jìn)行等效。如圖3-所示，以正弦波為例，將一正弦波的正半波k等分（圖中，k=7），其中每一</p><p>　　等分所包含的面積（沖量）均用一個(gè)與之面積相等的、等幅而不等寬的矩脈沖替</p><p>　　代，且使每個(gè)矩形脈沖的中心線和等分點(diǎn)的中線重合，如此，則各個(gè)矩形脈沖寬度</p><p

42、>　　將按正弦規(guī)律變化。這就是正弦脈沖寬度調(diào)制（sinusoidalpulse?width?modulation，簡(jiǎn)</p><p>　　稱SPWM）控制的理論依據(jù)。由此得到的矩形脈沖序列為SPWM序列。</p><p>　　如圖3-2所示，將正弦波在一個(gè)周期內(nèi)N等份（N為偶數(shù)），其中每一等份時(shí)</p><p>　　間間隔均為2p/N。按沖量等效原理，正弦波在

43、每一等分所包含的面積，都用</p><p>　　一矩形脈沖與之等效。</p><p>　　圖3-2 與正弦波等效的矩形脈沖序列波形</p><p>　　設(shè)正弦波的幅值為Vm,等效矩形波形的幅值為V Vm,則各等效矩形脈沖的</p><p><b>　　度 </b></p><p>　　以上的公式表

44、明，有沖量等效的原理得出的等效脈沖寬度di與分段位置中心角</p><p>　　bi的正弦值成正比。同理，以音頻信號(hào)為調(diào)制波，高頻三角波為載波，經(jīng)比較即可得到占空比隨音頻幅度規(guī)律變化的?PWM?信號(hào)。三角波的頻率f V與正弦波的頻率f之</p><p>　　圖3-3正弦波與三角波調(diào)制</p><p>　　上式說(shuō)明：當(dāng)載波比N固定，而大于20以上時(shí)，在比較器輸出產(chǎn)生的

45、矩形脈沖</p><p>　　寬度正比于分段中心角bi的正弦值。</p><p>　　3.2音頻信號(hào)寬度調(diào)制</p><p>　　信號(hào)有確定型信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)之分，凡是瞬時(shí)值與時(shí)間之間存在確定的函數(shù)關(guān)</p><p>　　系的信號(hào)都屬于確定性信號(hào)。例如，我們熟知的正弦信號(hào)、指數(shù)信號(hào)、抽樣信號(hào)、高斯函數(shù)信號(hào)、脈沖序列信號(hào)以及一些奇異函數(shù)信號(hào)都是確

46、定型信號(hào)。有一些信號(hào)雖然不能用一個(gè)精確的函數(shù)表達(dá)式來(lái)表述信號(hào)的特性和變化規(guī)律，但是，可以用波形圖來(lái)表示，它的任一時(shí)刻，都有確定的函數(shù)值與該時(shí)刻對(duì)應(yīng)，這種信號(hào)也屬于確定性信號(hào)或規(guī)則信號(hào)。語(yǔ)音、音樂(lè)、干擾和噪聲等信號(hào)，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是它們都具有未可預(yù)知的不確定性，因而它們均不屬于確定性信號(hào)，而屬于隨機(jī)信號(hào)或不確定信號(hào)。確定性信號(hào)的幅度、函數(shù)值都是可預(yù)知的，因而，確定性信號(hào)幾乎不能包含什么信息。而瞬息萬(wàn)變的隨機(jī)信號(hào)則包含了巨大的信息

47、量，人們可以從其中獲得很多新的消息。隨機(jī)信號(hào)也會(huì)表現(xiàn)為一定的確定性，例如：樂(lè)音表現(xiàn)為某種周期性變化的波形。因此，前一章中對(duì)確定性信號(hào)的脈寬調(diào)制特性的研究，同樣可應(yīng)用于對(duì)隨機(jī)信號(hào)的脈</p><p>　　3.2.1語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析</p><p>　　在進(jìn)行語(yǔ)音及音樂(lè)信號(hào)的處理時(shí)，最先接觸到的并且也是最直觀的是它的時(shí)域</p><p>　　波形。為了獲取一段語(yǔ)音信號(hào)

48、的時(shí)域波形，首先用高保真的傳聲器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變應(yīng)的電信號(hào)，在用A/D轉(zhuǎn)換將其在為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)起來(lái)，最后用繪圖儀將其時(shí)域波形繪制出來(lái)。如圖3-4所示是一位男青年說(shuō)的“歡迎你到鹽城來(lái)”這段話的語(yǔ)音時(shí)域波形。這段話持續(xù)時(shí)間為四秒，圖中的橫為時(shí)間，縱為語(yǔ)音信號(hào)的幅度，由于時(shí)間壓縮的很緊，單從圖3-4還無(wú)法分辨出語(yǔ)音信號(hào)波形的細(xì)節(jié)，但</p><p>　　是可以看到語(yǔ)音信號(hào)能量的起伏，還可以大致分辨出話語(yǔ)中每一

49、個(gè)字(音節(jié))在此波</p><p>　　形中的位置。為了仔細(xì)辨識(shí)語(yǔ)音波形，可以把時(shí)間軸拉寬。圖3-5是將圖3-4的每個(gè)字的語(yǔ)音波形圖拆開(kāi)，并且將其分別在時(shí)間軸上拉寬的波形圖。 圖3-5語(yǔ)音拉寬波形圖</p><p>　　由圖中可以看出語(yǔ)音信號(hào)具有著很強(qiáng)的“時(shí)變特性”和噪聲特性，當(dāng)然在信號(hào)</p><

50、p>　　的局部又表現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性。</p><p>　　3.2.2語(yǔ)音信號(hào)的譜和能量分布</p><p>　　正常人的聽(tīng)音的頻率范圍在20Hz～20kHz，我們通常把按正弦規(guī)律變化的聲</p><p>　　音信號(hào)稱為“純音”，純音的頻率是單一的。一般把200Hz～300Hz以下的音頻信號(hào)稱為音頻信號(hào)的低頻，把?500?～?3000Hz?稱為音頻信號(hào)的中頻，而

51、把4000Hz以上的音頻信號(hào)稱為音頻信號(hào)的高頻。但是語(yǔ)音和音樂(lè)信號(hào)的信號(hào)波形遠(yuǎn)不象純音那樣平滑，這從上面的波形圖可以看到。事實(shí)上，正是這些坎坷的波形之中包含了語(yǔ)音或音樂(lè)想要表達(dá)的信息。從頻率的角度上來(lái)看，這些非不確定信號(hào)，是無(wú)窮多個(gè)不同頻率的復(fù)合體。如果把各個(gè)分量的幅度按照對(duì)應(yīng)的頻率由低到高的順序排列起來(lái)，就可以獲得該信號(hào)的頻譜。從頻譜圖上我們可以看到信號(hào)的頻率成分、信號(hào)的各頻率成分之間的相對(duì)大小。圖?3－6?是小提琴拉音符“1”時(shí)的頻

52、譜圖，從頻譜圖可以看出音頻信號(hào)的基波分量的幅值最大，隨著諧波次數(shù)的增高，信號(hào)對(duì)應(yīng)諧波頻率分量的幅度不斷衰減，直到零。幅度譜縱軸量的平方即功率，所以，可將幅度譜圖轉(zhuǎn)換為能量譜圖。從譜圖的特性來(lái)看信號(hào)的?90%以上的能量集中在靠近基波的頻率段，高、中頻所占的能量極少</p><p><b>　　。</b></p><p>　　圖3-6音樂(lè)信號(hào)的頻譜總之，對(duì)于音樂(lè)和語(yǔ)音

53、信號(hào)我們需要了解以下幾個(gè)特點(diǎn)： a.語(yǔ)音和樂(lè)音信號(hào)都是隨機(jī)的不確定信號(hào)。</p><p>　　b.信號(hào)的在某些時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性，這是與噪聲類(lèi)型的隨機(jī)信號(hào)有</p><p><b>　　著本質(zhì)的區(qū)別。</b></p><p>　　c.上、下波形不對(duì)稱。</p><p>　　d.信號(hào)不包含直流分量，即上下波形所包

54、圍的面積相等。</p><p>　　e.信號(hào)的能量相對(duì)集中于信號(hào)的低頻分量之中。</p><p>　　3.2.3語(yǔ)音和樂(lè)音信號(hào)的脈寬調(diào)制</p><p>　　了解了語(yǔ)音及樂(lè)音信號(hào)的特點(diǎn)之后，我們就可以選擇其脈寬調(diào)制的方法和電路。</p><p>　　從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，樂(lè)音、語(yǔ)音信號(hào)與噪聲有著截然不同的特點(diǎn)，就是它在局部范圍內(nèi)分別體現(xiàn)出它的周

55、期性，也就是說(shuō)，如果將這段信號(hào)看成周期性信號(hào)，則可以將其分解成傅麗葉級(jí)數(shù)，信號(hào)可以看成有無(wú)窮項(xiàng)正弦信號(hào)的疊加。因而研究正弦信號(hào)的脈寬調(diào)制(SPWM)及其方法對(duì)于研究語(yǔ)音及樂(lè)音信號(hào)的脈寬調(diào)制有著重要的指導(dǎo)意義。4單元電路設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　4.1模擬開(kāi)關(guān)式音頻功率放大器基本原理</p><p>　　模擬開(kāi)關(guān)式音頻功率放大器設(shè)計(jì)，包含信號(hào)的脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)（包括三角波發(fā)&l

56、t;/p><p>　　生器的設(shè)計(jì)、前置放大器的設(shè)計(jì)）、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、H橋式功率輸出電路設(shè)計(jì)、解調(diào)用的低通濾波器設(shè)計(jì)和電源設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。模擬開(kāi)關(guān)式音頻功率放大器的工作原理框圖如圖4-1所示。將音頻信號(hào)對(duì)一線性良好的高頻三角波進(jìn)行調(diào)制，既形成PWM(脈沖寬度調(diào)制波形。D類(lèi)音頻放大器一般采用異步調(diào)制方式,既在調(diào)制信號(hào)(音頻信號(hào))周期發(fā)生變化時(shí)，高頻載波信號(hào)周期仍保持不變。這種調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)音頻信號(hào)頻率較低時(shí)，PWM波

57、的載波個(gè)數(shù)成數(shù)量級(jí)增多，這對(duì)抑制高頻諧波及減少失真非常有利，而且載波的邊頻帶遠(yuǎn)離音頻信號(hào)頻率，故不存在載波邊頻帶與基波之間的相互干擾問(wèn)題。PWM波經(jīng)倒相后驅(qū)動(dòng)H橋式逆變器，PWM脈沖方波使對(duì)角方位的兩個(gè)功率管輪流地且等間隔地導(dǎo)通與截止，在H橋的輸出端電壓是一組等幅不等寬的正負(fù)對(duì)稱的脈沖列，脈沖的幅值等于電源電壓Vcc。為了得到不失真的音頻信號(hào)，在H橋的輸出端之間加入LC低通濾波器以濾除高頻成分，在負(fù)載RL兩端可得到功率放大的音頻信號(hào)。&

58、lt;/p><p>　　圖4-1模擬開(kāi)關(guān)式音頻放大器原理圖</p><p>　　D類(lèi)放大器的性能優(yōu)劣主要取決于以下幾點(diǎn)：</p><p>　　a．三角波(或鋸齒波)的頻率。根據(jù)信號(hào)取樣定理，脈沖發(fā)生器的頻率應(yīng)大于最</p><p>　　高音頻的兩倍。實(shí)際上此頻率越高，則調(diào)制精度越高。</p><p>　　b．三角波(或鋸齒

59、波)的頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度越高．則調(diào)制后的調(diào)寬脈沖的</p><p>　　時(shí)序誤差就越小，使信號(hào)的線性失真降低。</p><p>　　c．調(diào)制器(比較器)精度。調(diào)制器的精度越高，則調(diào)制信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍就大。</p><p>　　d．低通濾波器的性能。低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率可設(shè)計(jì)在20～22kHz，如采用二</p><p>　　階巴特沃茲濾波器，

60、則衰減斜率為12dB／Oct，這樣如脈沖信號(hào)頻率(即載波頻率)為</p><p>　　80kHz，則在輸出端對(duì)載頻的衰減大于40dB。如載波頻率取160kHz，使用四階巴特</p><p>　　沃茲Lc濾波器，則輸出端對(duì)載頻的衰減大于70dB。</p><p>　　e．其它實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還要考慮D類(lèi)放大器的射頻干擾問(wèn)題，由于D類(lèi)放大器為一</p><

61、;p>　　強(qiáng)力的振蕩器，應(yīng)對(duì)其采取良好而周密的屏蔽措施，防止對(duì)周?chē)h(huán)境及其它電路造成干擾。</p><p>　　所以電路設(shè)計(jì)以后，電路能否工作、性能怎么樣，有沒(méi)有達(dá)到預(yù)定的級(jí)數(shù)指標(biāo)，</p><p>　　這一些都需要通過(guò)對(duì)放大器各個(gè)部分的性能進(jìn)行檢測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)證明，即需要根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖制作出電路來(lái)，再經(jīng)過(guò)測(cè)試以后得出結(jié)論。對(duì)電路進(jìn)行仿真也是一種全面考察電路性能的好方法，與實(shí)際電路制作

62、相比，仿真有它的優(yōu)點(diǎn)：首先，取代了人工解析分析，減輕設(shè)計(jì)的勞動(dòng)強(qiáng)度和重復(fù)性勞動(dòng)。其次，提高分析速度、分析精度和分析廣度，比真實(shí)電路實(shí)驗(yàn)可擴(kuò)大研究范圍，測(cè)得更多的數(shù)據(jù)，可以測(cè)量一些實(shí)驗(yàn)中無(wú)法直接測(cè)量的數(shù)據(jù)，如：元件中的數(shù)值和波形，研究系統(tǒng)性能受其變化的影響。第三，采用計(jì)算機(jī)仿真可以大大減少元器件的損壞而引起的損失。最后，減小科研設(shè)備的投入。本電路設(shè)計(jì)后采用電路仿真對(duì)電路進(jìn)行研究。下面就組成放大器的各個(gè)部分進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和仿真。</

63、p><p>　　4.2信號(hào)的脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)</p><p>　　三角波產(chǎn)生電路和波形如圖4-2所示。采用555芯片構(gòu)成三角波發(fā)生器，利用</p><p>　　圖4-2三角波發(fā)生電路和波形圖</p><p>　　V1、V2和R1構(gòu)成恒流源對(duì)C1實(shí)現(xiàn)線性充電，利用V3、V4

64、和R2構(gòu)成的恒流源實(shí)現(xiàn)對(duì)C1的放電。電容C1上的三角波經(jīng)A同相跟隨器輸出。電路中電容C1?選用漏電流很低的聚苯乙烯電容。</p><p>　　電路原理如下：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(dǎo)通，從而D2也截止，D1導(dǎo)通，電源Vcc?通過(guò)V1，V2，R1，D1?對(duì)電容C1恒流充電，當(dāng)C1恒流充電，當(dāng)C1上電壓達(dá)到2Vcc/3時(shí)，555芯片的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即③腳輸出低電平，D3導(dǎo)通，D4

65、截止，從而D1也截止，D2導(dǎo)通，電容C1通過(guò)D2，V3，V4，R2恒流放電，直到C1?電壓等于Vcc/3為止，電容又開(kāi)始充電，如此循環(huán)，則C1上可以得到線性度很好的三角波，輸出加一級(jí)電壓跟隨器，以提高帶負(fù)載能力。輸出三角波頻率的計(jì)算：電阻R1上的電壓等于V1的PN結(jié)壓降Vbe=0.7V，故流過(guò)R1</p><p>　　的電流i=0.7/300mA=0.233A，忽略V1的基極電流，則流過(guò)R1的電流即為V2的射極&

66、lt;/p><p>　　電流，也約等于T2?的集電極電流，故C1?的充電電流約為0.2mA，同理可得放電電流</p><p>　　也約為0.2mA。設(shè)充電時(shí)間為t1，放電時(shí)間為t2，則有</p><p>　　可得三角波的周期 </p><p><b>　　故三角波的頻率為</b></p><p

67、>　　該電路的特點(diǎn)是：利用恒流源對(duì)電容線性充、放電產(chǎn)生三角波，其波形比波形經(jīng)</p><p>　　阻容電路或者積分電路得到的三角波失真度小。由方波直接經(jīng)阻容電路得到的三角波波形是指數(shù)函數(shù)，由方波經(jīng)積分電路得到三角波波形雖然是線性的，但是，積分電路存在積分漂移，得到的三角波中含有一定的直流分量，而且該直流分量與積分電路中積分電容的初始條件有關(guān)，是一個(gè)隨機(jī)的量。常規(guī)的做法是在積分電容上并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)積分電路開(kāi)

68、始工作時(shí)，先把開(kāi)關(guān)按下給電容放電，讓積分電容的初始電荷為零，如此來(lái)控制積分電路的直流分量為零。</p><p>　　4.2.3脈寬調(diào)制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　脈寬調(diào)制電路將直接影響音頻功率放大器的性能指標(biāo)。對(duì)于高頻載波三角波信</p><p>　　號(hào),為了減少輸出音頻信號(hào)的非線性失真,要求三角波信號(hào)的兩個(gè)斜邊對(duì)稱且具高的線性度。對(duì)于載波頻率的要求,理論分析表

69、明,載波頻率越高,功率放大器的輸出高頻干擾越容易濾除,輸出波形失真也越??；但功率放大器的開(kāi)關(guān)頻率也升高,這將大大增加開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗,造成功率放大器的效率下降。因此,一般載波信號(hào)(三角波)的頻率和調(diào)制信號(hào)(取正弦波)的頻率滿足如下關(guān)系: f V= (10～20) f。其中,f V為載波信號(hào)頻率, f為調(diào)制信號(hào)頻率。功率放大器的通頻帶為16kHz,在第四節(jié)中我們求出三角波信號(hào)的頻率為150kHz，符合要求。</p><

70、;p>　　PWM調(diào)制電路如圖4-4?所示。電路以音頻信號(hào)為調(diào)制波，頻率為150kHz的三</p><p>　　角波為載波，兩路信號(hào)均加上2.5V的直流偏置電壓，通過(guò)比較器進(jìn)行比較，得到幅值相同、占空比隨音頻幅度的變化而變化的脈沖信號(hào)。比較電路由高速、精密的比</p><p>　　圖4-4PWM脈寬調(diào)制電路較器芯片LM311構(gòu)成，由于比較器芯片LM311的輸出級(jí)是集電極開(kāi)路，故輸出端

71、須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采用芯片資料上的推薦電阻1kΩ。4.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路如圖4-5所示。經(jīng)前面脈寬調(diào)制得到的PWM信號(hào)不能</p><p>　　直接驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件，需增加PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)功能。驅(qū)動(dòng)電路可以增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流，使之能夠有效、快速地驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管。對(duì)于驅(qū)動(dòng)控制電路的要求一是把PWM信號(hào)整形成前后沿更加陡斜的脈沖；二是能倒相

72、形成PWM?和PWM兩路脈沖以滿足H?橋功率開(kāi)關(guān)管的要求；三是為防止同一橋臂上兩功率管直通，PWM和PWM兩脈沖之間要有一定的死區(qū)時(shí)間；四是應(yīng)具有保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過(guò)流或短路時(shí)，應(yīng)封鎖PWM和PWM脈沖信號(hào)輸出。圖4-5所示電路即可滿足以上要求，該電路采用5V電源供電，G4～G12全部采用CMOS集成器件。當(dāng)過(guò)流保護(hù)信號(hào)為高電平“1”時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路正常工作，Rt?，Ct?決定死區(qū)時(shí)間；當(dāng)過(guò)流保護(hù)信號(hào)為低電平“0”時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路無(wú)脈沖輸出。

73、為了使的H橋功率輸出電路能夠正常工作，在輸出端加入一三極管進(jìn)行電壓控制。 </p><p>　　圖4-5驅(qū)動(dòng)控制電路 4.4 H橋式功率輸出、低通濾波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.4.1 H橋功率輸出器件的選取</p><p>　　功率輸出電路即放大器的功率輸出級(jí)，這里可供選擇的

74、元件有：雙極型功率晶</p><p>　　體管，MOS功率場(chǎng)效應(yīng)管，IGBT等，組成功率級(jí)的方式有：?jiǎn)喂茏儔浩黢詈想娐冯p晶體管變壓器耦合電路、半橋式功率電路、全橋式功率電路等，這里本人選用率開(kāi)關(guān)管MOSFET作為功率輸出電路的元器件。功率MOSFET是一種多子導(dǎo)電的單極型壓控器件，具有開(kāi)關(guān)速度快、高頻性能好，輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無(wú)二此次擊穿問(wèn)題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)。而電路的核心

75、則是由四個(gè)MOSFET功率開(kāi)關(guān)管構(gòu)成四個(gè)橋臂。橋式電路的輸出功率大，而且易實(shí)現(xiàn)。采用H橋式D類(lèi)功率放大器還可以實(shí)現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并減少干擾。4.4.2設(shè)計(jì)低通濾波器的必要性</p><p>　　D類(lèi)功放采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），把音頻信號(hào)經(jīng)三角波調(diào)制，轉(zhuǎn)換成周期</p><p>　　固定、占空比變化的方波（稱為PWM信號(hào)）。在PWM信號(hào)中即有全部的音頻信息，

76、也包含了MOSFET?功率管的開(kāi)關(guān)信號(hào)，而開(kāi)關(guān)信號(hào)在輸出端是一種干擾；另外，在放大器與揚(yáng)聲器之間的音頻線構(gòu)成一個(gè)平行的電容性負(fù)載，且PWM信號(hào)是占空比可變的方波，電壓的變化率（dV/dt）很大，這時(shí)電容性負(fù)載與音圈產(chǎn)生電磁干擾（EMI）信號(hào)，這些電磁干擾信號(hào)對(duì)外輻射能量，影響其它射頻線路的正常工作，提高總諧波失真加噪聲（THD+N），降低功放效率，對(duì)像手機(jī)之類(lèi)的產(chǎn)品，還會(huì)影響使用者的健康。因此，設(shè)計(jì)輸出濾波器，消除開(kāi)關(guān)信號(hào)和電磁干擾信號(hào)

77、是必要的。</p><p>　　4.4.3低通濾波器的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　輸出濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮兩方面，一是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)；二是濾波器的類(lèi)型。音頻信號(hào)的頻率一般在22?Hz~22?kHz，如果低通濾波器的截止頻率太低，會(huì)導(dǎo)致音頻信號(hào)的丟失、THD+N?和濾波器元件值的增大；截止頻率太高，又會(huì)使干擾信號(hào)增加，效率降低。另外，無(wú)源低通濾波器的類(lèi)型很多，最常見(jiàn)的有巴特沃思（Butter

78、worth）濾波器、切比雪夫（Chebyshev）濾波器等，它們各有特色。切比雪夫?yàn)V波器在過(guò)渡帶有很快的衰減，逼近理想，但在通帶內(nèi)等波動(dòng)；巴特沃思濾波器在通帶內(nèi)最大平坦近似，但過(guò)渡帶的衰減不如切比雪夫?yàn)V波器。對(duì)于兩階低通濾波器，兩種類(lèi)型的電路相同，只有元件值不同。下面介紹的是由四階巴特沃斯構(gòu)成的低通濾波器。4.4.4 H橋式功率輸出和低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　功率開(kāi)關(guān)管采用IRF9540、

79、IRF540對(duì)管作為開(kāi)關(guān)管，IRF540是TMOS場(chǎng)效應(yīng)管，</p><p>　　擊穿電壓100V，柵源極門(mén)檻電壓為4V，正向?qū)娏鳛?7A，開(kāi)關(guān)時(shí)間分別為</p><p>　　圖4-6H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出低通濾波電路</p><p>　　tON=30ns和tOFF=80ns，導(dǎo)通電阻為0.077W。低通濾波器采用四階巴特沃斯濾波器LC濾波電路，如圖4-6所示<

80、;/p><p>　　5實(shí)物的安裝焊接與調(diào)試</p><p><b>　　5.1安裝焊接</b></p><p>　　電路板采用手工布線、手工制板，電阻、電容等元器件都采用立式安裝，集</p><p>　　電路的安裝用專(zhuān)用插座，焊接也是采用手工焊接，布線力求使得分布參數(shù)的影響</p><p>　　到最小

81、。信號(hào)線采用屏蔽。</p><p><b>　　5.2調(diào)試</b></p><p>　　儀器儀表：多功能函數(shù)發(fā)生器，示波器，萬(wàn)用表，直流穩(wěn)壓電源等。</p><p>　　調(diào)試方法：從最前節(jié)開(kāi)始逐級(jí)調(diào)試。</p><p>　　圖5-1是實(shí)物測(cè)試圖</p><p>　　圖5-2調(diào)制級(jí)輸出波形圖6

82、結(jié)束語(yǔ)</p><p>　　采用PROTEL軟件對(duì)音頻功放的部分電路進(jìn)行了仿真，通過(guò)測(cè)試，本人設(shè)計(jì)的</p><p>　　模擬開(kāi)關(guān)式音頻功率放大器基本符合設(shè)計(jì)的要求，在輸出功率達(dá)到50W時(shí)，感受到散熱片的溫升很小。基本達(dá)到了預(yù)先想要的“降溫”的目的。采用信噪比較高的運(yùn)放NE5532，在實(shí)際處理音頻信號(hào)效果比較好。從頻率特性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，低頻段失真符合要求，高頻段的失真較大，與設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)相距

83、甚遠(yuǎn)。在實(shí)物制作的過(guò)程中，多次出現(xiàn)H橋短路現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究排查原因方得以解決。另外動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，特別是當(dāng)信號(hào)較小時(shí)線性差的問(wèn)題更加特出。還有放大器工作于高頻開(kāi)關(guān)之下，產(chǎn)生的電磁污染是不可避免的，本文中未就這些方面的內(nèi)容進(jìn)行研究。這些以待今后的設(shè)計(jì)中加以考慮。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)以前學(xué)過(guò)的理論知識(shí)起到了回顧作用，并對(duì)其加以進(jìn)一步的消化和鞏固，得到了一次綜合應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)技能分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的機(jī)會(huì)，為進(jìn)為日后成為合格的

84、應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)[1] 劉丁. VMA系列數(shù)字音頻功率放大模塊的應(yīng)用[J].無(wú)線電.2010.7</p><p>　　[2] 黃偉，馬成炎，葉甜春.大功率低THD＋N的D類(lèi)音頻功率放大器. 微電子學(xué).2010.40卷第3期</p><p>　　[3] 毛興武. 2×7

85、5W D類(lèi)功率放大器TDA8922CJ.電子世界[J].2010.2</p><p>　　[4] 杜強(qiáng).D類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真. 電子元器件應(yīng)用[J].2010.01</p><p>　　[5] 黃健. 高效率音頻功率放大器的設(shè)計(jì). 信息系統(tǒng)工程.2010.8</p><p>　　[6] 楊鵬,趙壽全.基于PWM的D類(lèi)音頻功率放大器設(shè)計(jì). 中國(guó)集成電路.20

86、08年10期</p><p>　　[7] 胡 燁.Protel 99SE電路設(shè)計(jì)與仿真教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2005.04</p><p>　　[8] 清源計(jì)算機(jī)工作室.Protel99SE 原理圖與PCB設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2002.1</p><p>　　[9] 應(yīng)建華,付增功.D類(lèi)音頻功率放大器中的死區(qū)控制電路設(shè)計(jì). 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào).自然科學(xué)版