高效音頻功率放大器設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　高效音頻功率放大器設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電子信息工程

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p&

3、gt;<p>　　音頻放大器已經(jīng)快有一個(gè)世紀(jì)的歷史了，最近幾年，電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展。音質(zhì)好、電源效率高、發(fā)熱少的D類放大器成為市場(chǎng)的需求。并且由于D類放大器的耗電低、發(fā)熱少等諸多特點(diǎn)，越來(lái)越得到日益強(qiáng)調(diào)環(huán)保的市場(chǎng)的認(rèn)同。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的音頻功率放大器就是采用的D類放大器，采用了TLC4502積分器和LM311比較器產(chǎn)生三角波，然后用LM311比較器與輸入波形比較來(lái)進(jìn)行

4、脈寬調(diào)制，為了放大聲音，采用了TLC4502進(jìn)行了放大，為了提高輸出電壓，輸出采用了H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路，聲音還原采用四階低通濾波器（butterworth）,為了將雙端輸出變?yōu)閱味溯敵?，所以最后做了一個(gè)減法器。</p><p>　　關(guān)鍵詞：D類放大器（class D amplifier）；脈寬調(diào)制器（pulse width modulator）；低通濾波器（lowpass）</p><p&g

5、t;<b>　　Abstract</b></p><p>　　Audio amplifier has almost a century ago, in recent years, electronic products are to the rapid development of light-weight, a portable. Timbre, and power efficiency

6、high, fever less D class amplifier become the demand of the market. And because the D class the amplifier's low power consumption and fever many characteristics, such as less has been increasingly emphasize environme

7、ntal protection market acceptance. </p><p>　　The design is to use the audio power amplifier and the D class amplifiers, adopted TLC4502 integrators and LM311 comparator produce triangle wave, then use LM311

8、comparator and input weaveform is for pulse width modulation, to amplify sound TLC4502, adopted the amplifier, in order to improve the output voltage, output adopted H bridge complementary symmetry output circuit, the vo

9、ice reduction adopted four order low-pass filter (butterworth), in order to will double the output into the ocl output</p><p>　　Keywords: D class amplifier (amplifier),；scale-up D pulse width modulator (widt

10、h modulator points)； low-pass filter (lowpass) </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1引言- 1 -</b></p><p>　　1.1音頻放大器- 1 -</p><p>　　1.2音頻放大器發(fā)展及趨勢(shì)-

11、 1 -</p><p>　　2方案設(shè)計(jì)- 2 -</p><p>　　2.1設(shè)計(jì)任務(wù)- 2 -</p><p>　　2.2方案論證與比較- 2 -</p><p>　　2.3總體方案- 5 -</p><p>　　3各部分電路設(shè)計(jì)- 6 -</p><p>　　3.1 D類放大器的工

12、作原理- 6 -</p><p>　　3.2 各部分電路設(shè)計(jì)- 7 -</p><p>　　3.2.1三角波產(chǎn)生器- 7 -</p><p>　　3.2.2比較器- 9 -</p><p>　　3.2.3前置放大器- 10 -</p><p>　　3.2.4驅(qū)動(dòng)電路- 13 -</p><

13、;p>　　3.2.5H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路- 14 -</p><p>　　3.2.6低通濾波器- 16 -</p><p>　　3.2.7信號(hào)變換電路- 17 -</p><p>　　3.2.8電源模塊- 18 -</p><p>　　4系統(tǒng)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析- 20 -</p><p>　　5結(jié)論- 2

14、1 -</p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 22 -</p><p><b>　　附錄- 23 -</b></p><p><b>　　1引言</b></p><p><b>　　1.1音頻放大器</b>&l

15、t;/p><p>　　音頻放大器的目的是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號(hào)，信號(hào)音量和功率級(jí)都要理想——如實(shí)、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz～ 20kHz，因此放大器在此范圍內(nèi)必須有良好的頻率響應(yīng)(驅(qū)動(dòng)頻帶受限的揚(yáng)聲器時(shí)要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根據(jù)應(yīng)用的不同，功率大小差異很大，從耳機(jī)的毫瓦級(jí)到TV或PC音頻的數(shù)瓦，再到“迷你”家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦，直到功率更大的家用和商用音響系統(tǒng)的數(shù)百瓦以

16、上，大到能滿足整個(gè)電影院或禮堂的聲音要求。[1] </p><p>　　音頻放大器的一種簡(jiǎn)單模擬實(shí)現(xiàn)方案是采用線性模式的晶體管，得到與輸入電壓成比例的輸出電壓。正向電壓增益通常很高(至少40dB)。如果反饋環(huán)包含正向增益，則整個(gè)環(huán)增益也很高。因?yàn)楦攮h(huán)路增益能改善性能，即能抑制由正向路徑的非線性引起的失真，而且通過(guò)提高電源抑制能力(PSR)來(lái)降低電源噪聲，所以經(jīng)常采用反饋。[2]</p><p&

17、gt;　　1.2音頻放大器發(fā)展及趨勢(shì)</p><p>　　音頻放大器已經(jīng)有快要一個(gè)世紀(jì)的歷史了，最早的電子管放大器的第一個(gè)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(jìn)。主要因?yàn)槿祟惖穆?tīng)覺(jué)是各種感覺(jué)中的相當(dāng)重要的一種，也是最基本的一種。為了滿足它的需要，有關(guān)的音頻放大器就要不斷地加以改進(jìn)。</p><p>　　進(jìn)入21世紀(jì)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

18、要的發(fā)展趨勢(shì)。從作為通信工具的手機(jī)，到作為娛樂(lè)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。陸續(xù)將要普及的還有便攜式電視機(jī)，便攜式DVD等等。所有這些便攜式的電子設(shè)備的一個(gè)共同點(diǎn)，就是都有音頻輸出，也就是都需要有一個(gè)音頻放大器；另一個(gè)特點(diǎn)就是它們都是電池供電的。都希望能夠有較長(zhǎng)的使用壽命。就是在這種需求的背景下，D類放大器被開(kāi)發(fā)出來(lái)了。它的最大特點(diǎn)就是它能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。[3]</p>

19、<p><b>　　2方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)并制作一個(gè)基于PWM的D類音頻功率放大器。該音頻放大器包括鋸齒波振蕩器、前置放大電路、PWM波形成方波放大電路、H橋功率放大電路、低通濾波電路構(gòu)成，其框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2

20、-1 PWM D類音頻功放組成框圖</p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　1）設(shè)計(jì)一個(gè)音頻信號(hào)前置放大電路，使其放大倍數(shù)不小于400倍（音頻輸入信號(hào)的幅值小于10mV），同時(shí)-1dB的通頻帶為20Hz～20kHz；</p><p>　　設(shè)計(jì)三角波振蕩器，其頻率大于200kHz；</p><p>

21、;　　設(shè)計(jì)PWM形成及D類開(kāi)關(guān)放大器的驅(qū)動(dòng)電路，要求其驅(qū)動(dòng)電路具有較好的驅(qū)動(dòng)性能，能驅(qū)動(dòng)H橋開(kāi)關(guān)放大器或半橋型開(kāi)關(guān)放大器；</p><p>　　設(shè)計(jì)LC低通濾波器，使其還原音頻信號(hào)，要求失真度≤0.05%；</p><p>　　功率放大電路帶負(fù)載（音響設(shè)備）時(shí)，最大不失真功率輸出≥10W。[4]</p><p>　　2.2方案論證與比較</p><

22、;p>　　下面對(duì)每個(gè)框內(nèi)電路的設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行論證與比較：</p><p>　?。?） 三角波產(chǎn)生器</p><p>　　方案一：采用FPGA芯片產(chǎn)生三角波，使用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)三角波發(fā)生程序。該方案中三角波波形準(zhǔn)確，但采用FPGA產(chǎn)生三角波成本較高，故不采用該方案。</p><p>　　方案二：采用單片機(jī)產(chǎn)生三角波，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)三角波發(fā)生程序。該方案采用單

23、片機(jī)產(chǎn)生三角波，波形較好。但考慮到D類功放的便攜性與易實(shí)現(xiàn)性，故不采用該方案。</p><p>　　方案三：采用LM311產(chǎn)生方波，再經(jīng)TLC4502芯片對(duì)方波積分產(chǎn)生三角波。該方案比較簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)節(jié)LM311的反饋電阻就可以改變?nèi)遣ǚ宸逯?，調(diào)節(jié)TLC4502反相端輸入電阻可改變?nèi)遣l率。本設(shè)計(jì)采用此方案。[5]</p><p>　?。?）脈寬調(diào)制器(PWM)</p>&

24、lt;p>　　方案一：選用專用的集成脈寬調(diào)制器，但是其電源要求較高，對(duì)于本設(shè)計(jì)難于實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　方案二：三角波產(chǎn)生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分的功能清晰，實(shí)現(xiàn)靈活，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。[6]</p><p>　?。?） 高效率功放類型的選擇</p><p>　　高效D類功率放大器實(shí)現(xiàn)

25、電路的選擇本題目的核心就是功率放大器部分，采用何種電路形式以達(dá)到題目要求的性能指標(biāo)，這是關(guān)鍵。</p><p><b>　　a. 輸出方式</b></p><p>　　方案一：選用推挽單端輸出方式。如圖2-2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)不到題目的基本要求。</p><p>　　圖2-2高速開(kāi)關(guān)電路</

26、p><p>　　方案二：選用H橋型輸出方式。如圖2-3所示，此方式可充分利用電源電壓，浮動(dòng)輸出載波的峰-峰值可達(dá)10 V，有效地提高了輸出功率，且能達(dá)到題目所有指標(biāo)要求，故選用此輸出電路形式。</p><p>　　圖2-3 高速開(kāi)關(guān)電路</p><p>　　b. 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。

27、</p><p>　　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，并存在儲(chǔ)存時(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管的最大缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降太大。</p><p>　　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，故選用高速VMOSFET管。[7]</p><p>

28、;　?。?） 濾波器的選擇</p><p>　　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。</p><p>　　方案二：采用兩個(gè)相同的四階Butterworth低通濾波器，在保證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。[8]</p><p><b>　?。?）信號(hào)變換電路<

29、;/b></p><p>　　要求信號(hào)變換電路具有雙端變單端的功能，且增益為1。</p><p>　　方案一：采用集成儀用放大器，精度高，但價(jià)格較貴。</p><p>　　方案二：由于功放輸出具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，故對(duì)變換電路輸入阻抗要求不高，所以可選用較簡(jiǎn)單的單運(yùn)放組成的差動(dòng)式減法電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。[9]</p><p><b>

30、　　2.3總體方案</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用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(hào)幅度對(duì)三角波進(jìn)行調(diào)制，得到占空比隨音頻輸入信號(hào)幅度變化的方波，并以相反的相位驅(qū)動(dòng)上下橋臂的功率管，使功率管一個(gè)導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)截止，再經(jīng)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號(hào)，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。采用全橋的D類放大器可以實(shí)現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并可減少干擾。全橋電路負(fù)載上的

31、電壓峰峰值接近電源電壓的2倍，可采用單電源供電。實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采取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(guò)低通濾波器后，仍存在較大的負(fù)載電流，特別當(dāng)濾波器設(shè)計(jì)不好時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流就會(huì)更大，從而導(dǎo)致負(fù)載損耗大，降低放大器效率。</p><p><b>　　3各部分電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 D類放大器的工作原理</p>&

32、lt;p>　　本設(shè)計(jì)采用了D類放大器，一般脈寬調(diào)制D類功放的原理如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 脈寬調(diào)制D類功放原理圖</p><p>　　如圖3-2所示，其中(a)為輸入信號(hào)；圖(b)為鋸齒波與輸入信號(hào)進(jìn)行比較的波形；圖(c)為調(diào)制器輸出的脈沖；圖(d)為功率放大器放大后的的調(diào)寬脈沖；圖(e)為低通濾波后的放大信號(hào)。[10]</p><p>

33、<b>　　圖3-2 波形圖</b></p><p>　　3.2 各部分電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1三角波產(chǎn)生器</p><p>　　三角波波產(chǎn)生器本設(shè)計(jì)采用了TLC4502放大器和LM311比較器。</p><p>　　圖3-3 TLC4502管腳圖</p><p>　　如圖3-3所

34、示，TLC4502自校準(zhǔn)自維克精密CMOS軌到軌輸出運(yùn)算放大器具有較寬的頻帶，可以在較低的電壓下滿幅輸出，既能保證產(chǎn)生線性良好的三角波，而且可達(dá)到發(fā)揮部分對(duì)功放在低電壓下正常工作的要求。</p><p>　　圖3-4 LM311電壓比較器管腳圖</p><p>　　如圖3-4所示，LM311，8引線，其第7腳為輸出，是集電極開(kāi)路的結(jié)構(gòu)，即所謂集電極開(kāi)路門，簡(jiǎn)稱OC 門，其作用是為了滿足一些

35、特殊的需要，如推動(dòng)LED、燈、繼電器，及與后隨的數(shù)字電路等在電平上兼容。 因此，在應(yīng)該輸出高電平的時(shí)候，就不會(huì)得到高電平，需要在7腳與正電源8腳之間接入一個(gè)電阻，如1kΩ左右，使集電極不再開(kāi)路。</p><p>　　載波頻率因?yàn)榭紤]抽樣定理，所以必須要大于2*20kHz，又要滿足電路的實(shí)現(xiàn)，所以選擇了150kHz。</p><p>　　如圖3-5所示，在5V單電源供電下，我們將運(yùn)放 5 腳

36、和比較器3 腳的電位用R8調(diào)為2.5 V，同時(shí)設(shè)定輸出的對(duì)稱三角波幅度為 1 V(Vp-p＝2V)，忽略比較器高電平時(shí)R11上的壓降。</p><p>　　圖3-5 三角波產(chǎn)生電路</p><p><b>　　有關(guān)系：</b></p><p>　　則：,取R10為100k時(shí)，R9則為40k。</p><p>　　因?yàn)檫x定

37、工作頻率為f=150 kHz，所以： </p><p>　　取C4=220 pF，R7=10kΩ，R6采用 20 kΩ可調(diào)電位器，使振蕩頻率 在150KHz左右有較大的調(diào)整范圍。仿真波形如圖3-6：</p><p>　　圖3-6 三角波仿真圖</p><p>　　如圖3-6所示，通過(guò)仿真分析得到三角波的幅度大小為大于1.05v，直流電壓為2.5V，頻率為108KHZ

38、。通過(guò)調(diào)整R6電阻應(yīng)該可以滿足頻率要求。[4]</p><p><b>　　3.2.2比較器</b></p><p>　　比較器常見(jiàn)的芯片有LM324、LM358、uA741、TL081\2\3\4、OP07、OP27，這些都可以做成電壓比較器（不加負(fù)反饋）。LM339、LM393是專業(yè)的電壓比較器，切換速度快，延遲時(shí)間小，可用在專門的電壓比較場(chǎng)合。[11]</

39、p><p>　　圖3-7 比較器電路圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用了LM311精密、高速比較器，電路如圖3-6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 R16=R17，R14=R15，4 個(gè)電阻均取 10 kΩ。同時(shí)由于LM311集電極開(kāi)路，需接1K上拉電阻R13。</p><p>　　由于三角波 Vp-p=2V，所以要求音頻信號(hào)的 V

40、p-p不能大于 2V，否則會(huì)使功放產(chǎn)生失真。</p><p><b>　　仿真如圖3-8：</b></p><p>　　圖3-8 比較器仿真波形圖</p><p>　　如圖3-8所示，紅色正弦波為輸入波形，藍(lán)色三角波為比較波形，當(dāng)輸入波形大于比較波形的時(shí)候，輸出為高電平，當(dāng)輸入波形小于比較波形的時(shí)候，輸出為低電平，綠色波形為輸出波形。因此通過(guò)L

41、M311可以產(chǎn)生反應(yīng)輸入音頻信號(hào)的脈寬調(diào)制PWM波形，也就是說(shuō)當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生改變時(shí)，PWM的脈寬也隨之改變。</p><p>　　3.2.3前置放大器</p><p>　　前置放大器功能有兩個(gè)：一是要選擇所需要的音源信號(hào)，并放大到額定電平；二是要進(jìn)行各種音質(zhì)控制，以美化聲音。</p><p>　　如圖3-9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

42、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。因此必須對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行前置放大，其增益應(yīng)大于 5。仍采用寬頻帶、低漂移、滿幅運(yùn)放TLC4502，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。</p><p>　　圖3-9 前置放大電路</p><p>　　采用滿幅運(yùn)放可在降低電源電

43、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R18=R19=51kΩ，則Ri=51/2=25.5kΩ，反饋電阻采用電位器R20，取R20=20kΩ，反相端電阻R21取 2.4kΩ，則前置放大器的最大增益Av為：</p><p>　　調(diào)整R20整個(gè)功放的電壓增益從0～37可調(diào).考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值Vom<2.5V，取Vom=2.0V，則要求輸入的音

44、頻最大幅度Vim<(Vom/Av)=2/9.3=215mV。超過(guò)此幅度則輸出會(huì)產(chǎn)生削波失真。</p><p>　　圖3-10 前置放大電路仿真波形圖</p><p>　　如圖3-10所示，當(dāng)R20=10K時(shí)，綠色波形為輸入波形，幅度為150mv，藍(lán)色波形為放大后的輸出波形,幅度為0.8v，放大倍數(shù)大約為5.33和理論的基本一致。</p><p>　　下圖為輸入

45、波形大于最大輸入電壓時(shí)，輸出波形出現(xiàn)了失真。</p><p>　　圖3-11 失真波形圖</p><p>　　3.2.4 驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　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峭的脈沖；二是能倒相形成PWM和兩個(gè)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，

46、當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過(guò)流或短路時(shí)，應(yīng)封鎖PWM和脈沖信號(hào)輸出。[12]本設(shè)計(jì)采用了7404來(lái)做驅(qū)動(dòng)電路， 7404管腳如圖3-12：</p><p>　　圖3-12 7404管腳圖</p><p>　　如圖3-13所示，將 PWM 信號(hào)整形變換成互補(bǔ)對(duì)稱的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，送給由晶體三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器驅(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8050 和8550 對(duì)管。</

47、p><p>　　圖3-13 驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　PWM波形通過(guò)7404反相，與門和互補(bǔ)射極跟隨器，產(chǎn)生和PWM極性相反的波形。</p><p>　　PWM波形通過(guò)7404反相，7404反相和互補(bǔ)射極跟隨器，產(chǎn)生和PWM極性相同的波形。</p><p>　　仿真波形如圖3-14：</p><p>　　圖3-14 驅(qū)

48、動(dòng)電路仿真波形圖</p><p>　　3.2.5 H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路</p><p>　　功率輸出電路本設(shè)計(jì)采用H橋式功率放大電路，H橋式功率放大器電路的任務(wù)是把PWM信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái)，即開(kāi)關(guān)式功放就是一逆變器電路。對(duì)逆變電路的設(shè)計(jì)首先要選擇開(kāi)關(guān)頻率高，導(dǎo)通電阻小的場(chǎng)效應(yīng)管；其次應(yīng)采用H橋式逆變器電路，目的是使輸出電壓擺幅可以升高到接近于兩倍的電源電壓，增大功率放大器的最大不失真

49、輸出功率。[7]</p><p>　　如圖3-15所示，整個(gè)放大器電路由四個(gè)輸出電容小，容易快速驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)效應(yīng)管組成，在這里我采用IRFD120（N溝道）和IRFD9120（P溝道）組成。左面兩的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（下為IRFD120，上為IRFD9120）的柵極組成放大器的同相輸入端，另外兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（下為IRFD120，上面為IRFD9120）的柵極組成功率放大器的反相輸入段。一路信號(hào)由放大器的左端（兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵

50、極）輸入，另一路反相信號(hào)由放大器的右端（兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極）輸入；輸出則由兩場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連接組成。）</p><p>　　由于兩路脈沖信號(hào)的極性是相反的，當(dāng)M4導(dǎo)通時(shí)，M6截止，電流經(jīng)過(guò)低通濾波器進(jìn)入負(fù)載(揚(yáng)聲器)，從接地端流出來(lái)；當(dāng)M6導(dǎo)通時(shí)，M4導(dǎo)通，進(jìn)入負(fù)載的電流方向相反。注意，此時(shí)負(fù)載的一端是接地的。</p><p>　　圖3-15 H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路和Butterworth

51、低通濾波器</p><p>　　圖3-16 輸出電路仿真波形圖</p><p>　　3.2.6低通濾波器</p><p>　　功率輸出電路送到負(fù)載的信號(hào)是一串脈沖，脈沖的占空比和加在脈沖寬度調(diào)制器輸入端的模擬信號(hào)幅度成正比，但是脈沖包含的基頻和諧波是有害的，必須通過(guò)低通濾波器(Low pass filter)把基頻和諧波(超高頻)信號(hào)濾除，僅留調(diào)制音頻信號(hào)(模擬信號(hào)

52、)的部分,用以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。[8]</p><p>　　低通濾波器的截止頻率決定功放頻率響應(yīng)的高頻上限。此高頻上限隨著輸出負(fù)載不同而改變，可選30～40kHz。低通濾波器的電感器中流過(guò)的電流很大，電感線圈的電阻和電容器的等效串聯(lián)電阻都會(huì)消耗功率，也就是說(shuō)，輸出低通濾波器會(huì)降低D類功率放大器的效率，必須使用等效串聯(lián)電阻小的電感器和等效串聯(lián)電阻小的電容器。用二階低通濾波器時(shí)需要的元件數(shù)量少，成本低，對(duì)高頻的衰減作用要差

53、一些。用四階低通濾波器需要的元件數(shù)量多，成本增高，對(duì)高頻的濾波效果要好過(guò)二階低通濾波器。[8]</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用 4 階Butterworth 低通濾波器。如圖3-17，對(duì)濾波器的要求是上限頻率≥20 kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。</p><p>　　圖3-17 低通濾波器電路圖</p><p><b>　　圖3-18通頻帶</b&

54、gt;</p><p>　　從仿真圖3-18可以看出該4 階Butterworth 低通濾波器截止頻率大約為30KHZ，基本滿足要求。</p><p>　　3.2.7信號(hào)變換電路 </p><p>　　如圖3-19所示，電路要求增益為1，將雙端變?yōu)閱味溯敵觯\(yùn)放選用寬帶運(yùn)放TLC4502，電路如圖3-所示。由于功放的帶負(fù)載能力很強(qiáng)，故對(duì)變換電路的輸入阻抗要求不高，選

55、所有電阻為20kΩ。其增益為A =20/20=1，其上限頻率遠(yuǎn)超過(guò) 20 kHz 的指標(biāo)要求。</p><p>　　圖3-19 信號(hào)變換電路</p><p>　　電路圖中OUT3，和OUT4分別為兩個(gè)4階低通濾波器的輸出端，這兩個(gè)信號(hào)大小相等，極性相反，經(jīng)過(guò)減法器后，輸出信號(hào)為兩輸入信號(hào)的兩倍。結(jié)果如下圖3-20：</p><p>　　圖3-20 信號(hào)變換電路仿真波

56、形圖</p><p>　　紫色和紅色波形為輸入端，綠色為輸出端，大約剛好為輸入兩倍。</p><p><b>　　3.2.8電源模塊</b></p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)需要的電源有+5V，-5V。電源電路由輸入電壓經(jīng)變壓器變壓后進(jìn)行整流，濾波，再接以三端穩(wěn)壓芯片7805，7905組成。如下圖3-11為電源電路圖。</p><

57、;p>　　圖3-21 電源電路</p><p>　　電壓由V1、V2輸入經(jīng)IN4007組成的整流橋整流變壓，再經(jīng)7805，7905，穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓輸出得到穩(wěn)定的+5V、-5V電壓。</p><p>　　4系統(tǒng)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析</p><p>　　把前面所有模塊點(diǎn)路連接起來(lái)，并通上電源。</p><p><b>　　測(cè)量該電路的通頻

58、帶</b></p><p>　　如下表所示，當(dāng)輸入信號(hào)為100mv，頻率改變時(shí)，測(cè)出輸出的大小</p><p>　　從上表可以看出，通頻帶為20KHZ，基本符合要求。</p><p>　?。?）最大不失真輸出功率</p><p><b>　　最大輸出功率</b></p><p>　　從

59、上表看出最大功率基本可以超過(guò)1W，基本符合要求。</p><p><b>　?。?）效率</b></p><p>　　由于沒(méi)有測(cè)試直流電源電流，效率,所以在此無(wú)法計(jì)算。</p><p><b>　　5結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)了一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)并制作一個(gè)基

60、于PWM的D類音頻功率放大器。由于時(shí)間及條件的限制我只做了仿真。</p><p>　　我所設(shè)計(jì)的D類音頻功率放大器其各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)基本符合設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)中，通過(guò)多次的分析，設(shè)計(jì)出了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)D類音頻功率放大器的工作原理，結(jié)合PWM波的產(chǎn)生。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，雖然走過(guò)了許多的彎路，但是這同時(shí)使我從中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。正是這些的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)使我對(duì)D類音頻功率放大器的工作原理有了更進(jìn)一步的理解，對(duì)集成電路

61、的工作原理有了更深的理解和認(rèn)識(shí)。在方老師的指導(dǎo)和講解下，我明白了原理，還掌握了方法和技巧。</p><p>　　在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，讓我了解了設(shè)計(jì)方法對(duì)我們學(xué)習(xí)的重要性，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處。深有感觸：</p><p>　　1．僅僅了解書(shū)本上的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有結(jié)合自己的實(shí)際情況運(yùn)用于實(shí)踐，這樣才能更深地了解和學(xué)習(xí)好知識(shí)。</p><p>　　2．我們要在

62、工作中不斷的積累經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會(huì)用自己的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。</p><p>　　3．覺(jué)得自己學(xué)到的知識(shí)太有限，知識(shí)面太窄，以后還有待加強(qiáng)訓(xùn)練和實(shí)踐</p><p>　　4．同時(shí)我們要不斷地向別人學(xué)習(xí)，尤其要多想老師請(qǐng)教，他們可以讓我們少走很多的彎路，同時(shí)也讓我們知道很多優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方法和與眾不同的設(shè)計(jì)理戀。</p><p>　　5．創(chuàng)新設(shè)計(jì)是我們未來(lái)生存的法寶，所以從現(xiàn)在開(kāi)

63、始一定要有意識(shí)的鍛煉和培養(yǎng)自己在這方面能力。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]高吉祥主編.模擬電子線路設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2007年5月. </p><p>　　[2]黃智偉主編.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2006年12月. </p><p&

64、gt;　　[3]樓然苗，李光飛主編.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2007. </p><p>　　[4]談雪梅,俞亞珍.寬帶可控增益放大器的設(shè)計(jì)[J].常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),科技廣場(chǎng)，2009年3月,(21)，195-197. </p><p>　　[5] 陳永剛，劉立國(guó).AD603及其在AGC電路中的應(yīng)用[J].電子世界，2002年第4期，39-40.

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