基于高速MOS管的音频功率放大器未实现.docx
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基于高速MOS管的音频功率放大器未实现
摘要............................................................1
4.3系统调试.......................................................12
采用高速MOS管输出的高效音
频功率放大器的实现
摘要
音频功率放大器是一种不显眼却非常有实用性的设备，他可以带动扬声器，使声音信号得以放大。
在实际应用中，凡有有设备需要发出声音信号的电子产品中都需要音频功率放大器。
不仅仅是小型的电子便携式产品如手机，MP3等设备中需要用到音频功率放大器，在许多大型的电子设备中，也经常可以看见该类放大器。
应用中不难发现，对于功率越大的设备，其效率也更加重要。
于是，本设计中主要研究失真度较低，音频放大效率较高的功率放大器。
关键字：
功率放大器、PWM功率放大、PWM调制。
第一章引言
1.1音频功率放大器的种类及主要发展史
近年来，音频功率放大器的技术已经越发发展成熟，各项指标也越来越完善。
在应用领域中，人们主要将放大器划分为以下几类：
A类功放、B类功放、AB类功放、D类功放。
发展主要经历以下过程：
1.音频功率放大器由简单的晶体管到较为复杂的集成电路[1]；
2.集成电路的组成由单管输出转向为推挽输出；
3.变压器输出方式被其他形式的输出所取代。
1.2四种常见的音频功率放大器
1.2.1A类放大器
第一种比较常见的功率放大器为A类功率放大器，也常被称作为甲类功率放大器。
该类放大器是基于线性模式工作，处在工作状态中的晶体管，无论信号有没有输入，晶体管都呈现导通状态。
这也就决定了该放大器不管有或没有音频功率输出，都具有一定的功率消耗。
并且没有音频功率输出的这一部分功率消耗，都转变为热量。
因而，效率是比较低的。
A类功率放大器为保证它的波形不至于失真，一般它的工作点电流要大于音频电流的幅度值。
这就决定了它的效率非常得低。
1.2.2B类放大器
还有一类线性功率放大器是B类音频功率放大器，也常常被称作乙类功率放大器。
在工作时，它和甲类功率放大器具有完全相反的模式和状态。
该放大器在静态工作时，晶体管呈现关闭（不导通）的状态。
当信号从正半周输入时，仅仅正向通道进行工作。
反之，信号从负半周输入时，只有负向通道工作。
简而言之，晶体管的两个通道不可能同时工作。
可知，在信号没有输入的情况下，不存在输入功率，也就没有损耗。
然而，在正负通道关闭的前提下，将伴随着严重的失真，特别是在电平较低的情况下。
所谓，人们在选择高保真功放的时候往往不考虑Ｂ类功率放大器。
1.2.3AB类放大器
ＡＢ类功率放大器集合了Ａ类和Ｂ类功率放大器的优势，也叫做甲乙类功率放大器。
在给放大器输入较低信号时，ＡＢ类放大器不会像Ａ类功率放大器一样呈现常开状态，该状态下，输入功率有所损耗，可是远远小于Ａ类功率放大器。
信号从正相通道中输入的情况下，反相通道随着输入信号逐渐加强而开，逐渐减弱而闭合。
反之，从负向通道输入信号时，正相通道随着信号加强而断开，信号减弱而闭合。
上述分析可得，ＡＢ类功率放大器无论从失真小的角度还是效率高的角度，都明显优于Ａ类和Ｂ类功率放大器。
1.2.4D类放大器
从工作原理上分析，Ｄ类功率放大器又有别于上述三类放大器。
D类功率放大器的晶体管是工作于开关状态。
基于两个开关晶体管，在工作的时间内，这两个器件不会同时导通，也不会同时截止。
因此，D类功率放大器产生的热量很小[2]。
在理想情况下，Ｄ类功率放大器的效率能达到百分之百，而ＡＢ类功率放大器的效率仅为78.5%。
美中不足的是，晶体管开关在工作下会导致输出信号的部分失真，不过，这在能接受的范围内。
1.3本次放大器的设计指标
1、研究比较上述四类音频功率放大器以及各项指标。
在四类放大器中，挑选出失真度小、效率高的方案。
2、分析该功率放大器的组成。
实物最大不失真输出功率≥3W
3、在放大器中，需要添加一个滤波的器件，讨论滤波器的工作原理以及选择合适的滤波器。
4、其他
第二章音频功率放大器的比较
不同器件和原理组成了各种各样的音频功率放大器。
实际应用中，这些放大器的工作实现原理基本相同。
都是在外界导入信号的情况中，将外加电源的功率成功转换成输出端的信号功率。
在不同电子产品设备中，所需要的放大器是不一样的，对其性能指标和工作特性都有特定的要求。
接下来，主要研究一下不同放大器的性能。
2.1音频功率放大器的效率
音频功率放大器在实际的应用中，人们往往比较关注的有高效率、使用安全，以及在控制范围内的失真程度。
要优化上述指标内容，最关键的是选择一个合适的功率管。
有了一个合适的功率管，放大器就能在输入较大信号的状态下工作，并且能通过的电信号都是较大的。
在音频功率放大器的实际使用和运作过程中，我们可以知道系统输出的信号功率越大，则意味着着动态电压和电流也会越大，相应地，会引起更大失真。
在制作音频功率放大器时，不仅要尽可能地减小失真度，还要控制输出的功率大小。
当给系统输入一个工作信号时，电源的功率PD一部分转换为输出的功率，另一部分则被系统损耗，称为损耗功率PC[3]。
在判断功率放大器的指标时，常用效率ηC来表示，下面给出计算效率的公式。
ηC＝=2.1
由该计算公式可得，要想获得高的效率，在输入功率稳定的情况下则要减小PD，相应的也就是减小的ＰＣ值。
要想较小ＰＣ可以通过选择一款脉冲调制较小的功率管，同时这也能大大较小制作成本。
在放大器的研究过程中，人们始终把提高工作效率ηC作为一个重要指标。
提高功放效率固然重要，然而，音频放大器的安全使用、失真程度控制在一定的范围内，这二者也不容忽视。
2.2各音频放大器的对比
A类音频功放见图2.2.1左边为晶体管输入特性，固定偏置所构成的工作点在Q点，当正弦音频信号输入时，其幅度未超过线性限度，集电极工作状态则在截至区和饱和点之间，集电极电流的信号为完整的全周导通的正弦波，此时导通角为180°[4]。
我们知道这种放大状态下失真较小，其他原因造成的失真情况较小，受元器件特性影响的失真情况较大。
如果元器件线性特性好那么失真较小。
由于本设计的输入电源是直流，又因为A音频类功率放大器再输入的电源不是交流的情况下，失真比较大，功率较低，所以本次设计中不采用A类音频功放设计。
B类音频功放静态偏置为Q点，刚好在截止点上。
故音频信号输入后，波形会有90°导通角的导通。
而电极输出半个周期的正弦波，这种情况下的失真率较大，所以通常来说B类功率放大器比较多的是用双管来做，单个管工作是以半个周期用来构成完整的正弦波以达到减小失真的目的[5]。
B类功率放大器有个最为突出的优点是在没有信号输入时，理论上不会有电流通过，这说明在没有信号输入的情况下没有直流功率损耗，因而效率超过50％，但是也有一个比较大的缺点，由于起始段的非线性的缘故，B类功放大器的效率没办法达到一个令人比较满意的高度，只有60－70％，工作介于AB之间，故又称甲乙类功放[4]。
如下图所示：
由于本次设计使用电源为直流电源，所以除去B类和AB类功放器的设计。
我们再看D类放大器。
理想状态下，基于两个晶体管开关的Ｄ类功率放大器，在没有信号通过的情况下也不存在电流，单有信号通过时，开关导通，此次也没有损耗。
但是，在实际应用中，关断器件时会有较小的电流露出。
当有信号通过，晶体管导通时，器件不可能完全短路，电压也会下降一些，损耗就随之产生[6]。
所以，即便是D类功率放大器，其效率也无法达到百分之百。
但是能控制在80％－90％，相比另一三类放大器已经很高。
将其应用在大型设备中时，即便有几百瓦的输出，损耗也仅仅为十几瓦。
损耗值较小，在没有必要的情况下，甚至可以不安装散热器。
因而，本设计所用的为D类音频功率放大器。
第三章D类功率放大器的工作原理
在D类功率放大器的工作过程中，在输入段输入要放大的信号，将该信号转换成脉宽调制信号，再推动晶体开关管导通，经过一个低频信号通过的滤波器，最后成功实现将信号功率放大的功能。
在第一步所得的经过调制的脉宽信号，有多个等级的电压，这时就可以用普通的开关输出。
在晶体管开关工作的过程中，元器件都处在截止或者饱和的状态，（截止时，有电压没有电流。
饱和时，有电流没有电压）损耗是微乎其微的。
但当开关从导通到断开或者从断开到导通的过程中，晶体管既有电压又有电流，此时，在元器件上存在小部分的损耗。
因而，D类功率放大器的频率较其他放大器更高[7]。
与如甲类功率放大器的线性放大器相比，D类功率放大器又一个明显的弱点，就是在输出的波形有较大的失真，其波形畸变率较大。
下图所示直观地反映了D类功率放大器的原理：
如上图所示，信号从输入端进入后，利用PWM技术产生脉宽调制信号，再经过晶体开关管等一些列器件，将信号放大，并且输出。
3.1模拟电路组成的脉宽调制器
下图展现了PWM的调制原理，该调制原理基于自然采样定理，
用模拟数字信号的方案组成的PWM调制器通常都是根据自然采样的方法（即次此时输入的音频信号是模拟的信号），用三角波和输入的音频信号进行调制比较产生PWM信号，并且由其交点来判断脉冲序列来控制开关管的PWM序列[8]。
要做一个完整的音频功率放大电路，其中需要设计一个三角波产生电路、前置的信号处理电路，PWM信号调制电路和PWM功率放大电路,一般的音频功率放大器都是由这四个模块组成。
另外也可以用模拟信号来构成这样一个系统。
在科学不断发展的今天，随着集成技术的的不断进步，越来越多的PWM专用集成芯片不断的出现，如SG3524,TL5001等[9]。
但是本此设计使用的分立元件。
第四章D类音频功率放大器的设计
4.1D类音频功率放大器的整机结构框图
图4－1
D类音频放大器的整体结构框图如图4－1，它由前置电路（信号输入电路、取绝对值电路、电频匹配电路）、PWM调制电路、三角波产生电路、PWM功率放大电路、低通滤波器和外接负载组成。
下面会一一解析电路各个细节。
4.2电路解析
4.2.1输入级
输入级是由外接输入耦合电容、变阻器、电阻、和一只OP07运算放大器组成。
本此设计的音频信号输入级为一同向放大电路，其放大倍数为2倍。
47K的变阻器的作用是用于控制外接喇叭的音量。
IN端是音频信号的输入端，A端接取绝对值电路的输入端，B接过零比较器的输入端。
4.2.2取绝对值电路
一开始的设计中，本来没有这个细节电路，考虑到本次设计中对失真率的要求，加入该电路。
它的作用是把从输入级放大后的音频信号的负半波全部翻转为正半波，来与三角波进行比较，从而全部输出正脉冲。
可以使信号高度对称，减小失真。
本电路的运算放大器全为单倍放大，低输入阻抗、高输出阻抗，外接周围电阻选择10k和5k，在上图中，二极管将选用晶体开关二极管，经过查证，这里选择IN4148。
4.2.3电频匹配电路
电平匹配电路的作用是调节前置电路中的输出的信号的电频，从而是前置电路中输出的信号的电频与三角波产生电路中产生的三角波的电频相匹配，使两信号的电频中心点重合并且可以使前置电路处理过的输入信号的幅值不会大于三角波的最高幅值。
使PWM信号的调制更加精确。
4.2.4三角波产生电路
三角波产生模块，三角波是调制PWM信号必不可少的，如何产生符合设计的要求的三角波也是一个难题，这个三角波产生电路主要是由一个斯密特触发器和一个积分器组成，它产生的三角波频率是F=R4/（4*R6*R7*C1）如果需要的频率不够可以调节相应的电容电阻值。
4.2.5PWM控制器
在功率放大的制作过程中，还需要用到ＰＷＭ控制器，它也是一种电压比较器。
如图4－14所示，这是LM393/A高速双比较器的工作原理。
OP07的第三脚输入预设的是经过前置电路处理得到的合适PWM调制的信号，OP07的第四脚输入三角波产生电路输出的三角波。
两个输入信号通过LM393/A高速双比较器后，输出设备所需的脉冲信号PWM信号[10]。
PEM信号的频率与输入的三角波信号频率相同，其原理如图4－3。
4.2.6光电耦合及驱动电路
驱动电路一般有单管驱动和双管驱动两种，本设计选用的是驱动力较大的双管驱动，可以最大保证输出管的饱，采用双电源供电可以使输出管工作更稳定。
由于输出半桥是第一管和第二管的两个Mos管交替饱和导通，所以驱动电路也采用两路相同的设计。
这里选择的耦合管是4N25，用1.5K的电阻进行限流，这样的好处是电源去掉第一管和发光二极管的降压还大约有14v左右，在功率管正常工作状态下，第一管的输入电流经计算为10MA左右。
而第一管的基极偏置电阻在10～100k之间，从而得到输入阻抗高的效果，故而选择51k比较合适。
本着简化电源减小设计难度的目的，耦合管和两个驱动管为同一个电源加以供电。
中间级的第二管可以用来提高PWM功率放大电路的的驱动能力，在第二管饱和的情况下，电极电流为10mA左右。
PWM功率放大电路的基本工作流程：
当第一管饱和导通，第二管饱和导通，则第五管截止，第六管饱和导通，而此时下半路均截止；当第一管截止时，第二管截止,第五管饱和导通，第六管截止，而此时下半路均截止[11]。
上下两半路的工作顺序完全一致。
4.2.7输出桥
研究不难发现，提供等值电压的情况下，全桥输出是半桥的二倍。
一般全桥用于供电电压低和超大功率的场合，只有这样才能输出满足要求的功率。
本设计对电源的要求比较低，所以这里采用半桥输出式较为合适。
具体电路见右边4－18：
输出信号时是单管导通饱和，这样一来，单管承受的电压为30V，所以VDS大于等于60V（两倍的富余量）；当电阻RL＝8Ω时，要想得到最大输出功率为60w，则必须满足输出电流有效值I=0.54A，Imax=3A,所以功率管的ID大于等于3A；由于此放大器的效率大于等于80%，其集电极功率损耗小6W，所选功率管的PC大于4W即可。
本次设计的三角波频率是10KHZ，所以要选择开关管小于5ms的功率管，防止出现两管同时导通而烧坏功率管的事情发生。
所以，选择开关时间较为短暂的功率管，就能在一定程度上缩减损耗，信号功率的转换效率也会随之提高；通过用导通电阻也是有效的方法之一[12]。
根据以上条件我们选NMOSIRF3205.
4.2.8输出滤波器的设计
在设计D类功率放大器的过程中，还需要控制输出的频率，此时就要用到低通滤波器。
低通滤波器截至的频率控制系统的频率上限，其随着系统上限
我们知道，功放频率的高频上限是由低通滤波决定的。
所以高频上限随着输出负载不同而改变。
通过低通滤波器的电感器的电流越大，电路中的各类元器件消耗功率的比例都会有一定的变化，所以想要降低D类功放的功率，可以采用串联电感等方法。
用二阶低通滤波器时所需的元件数量少，成本低对高频信号的衰减效果也要差一些[8]。
而四介低通滤波器需要的元件数量相对较多，成本较高，对高频信号的滤波效果要好过二阶低通滤波器[5]。
而提高开关管的信号频率可以有效降低电感器和电容器的所需数值，从而让我们达到可以用更小的体积的元器件，方便制板时的布线和印刷电路板，也可以有效的减小MOSFET管的损耗。
而且由元器件带来的高频损耗引起效率下降也可以用线性特性更好的元器件代替。
一般该音频功率放大器可以采用功率较小的二阶低通LC滤波器[13]。
本设计就采用二阶低通滤波器。
4.3系统调试
通过原理图，在软件上做出PCB图，最后制板做出实物。
4.3.1问题描述
在实际测试中发现了大量问题：
1、接好电源，在示波器上，检测不到三角波产生电路产生的三角波。
2、音频信号输入级，检测到的正弦波带有大量干扰信号。
3、取绝对值电路之后的功放上检测不到信号。
4、功放电路接入电源之后，两块IRF3205发热问题严重。
5、其他
4.3.2问题的探索过程及解决
在众多问题中，最先解决的是去绝对值电路之后为什么检测不到信号，在经过对照原理图一步步的检测，发现原因是电路上的一个二极管接反向了，导致没有信号能通过。
把二极管重新接好之后，虽然后面的功放都能检测到信号，可是信号干扰问题依旧严重。
经过和同学的探讨，做出了一系列的调整，如调整一些电容、电阻大小等，都没有收到比较明显的效果。
经过导师指点，在功放电源极填加一个细节电路：
退耦电路，问题得到显著改善。
见右图。
在电源与地线之间接一个电容（视情况可以添加电阻），能有效滤除杂波。
我们知道，D类功放通过将三角波和音频输入的信号通过比较器生成PWM信号再通过PWM功率放大电路，最终得到我们要的放大信号。
所以三角波电路不能输出三角波，无疑说明此次设计的不成功。
照例先检查实物与原理图，没有发现焊接上的错误。
通过万用表没有检测出短路及断路的问题。
更换新芯片以排除芯片是坏的可能性。
通过仿真及请教导师，发现该三角波生成电路本身存在问题，无法自激震荡产生三角波。
在导师的指导下，把电路图的三角波生成器部分的电路做了部分修改，从而解决了一大难题。
见下图：
（修改前）
（修改后）
（修改后的仿真图）
在实物的检测过程中还是不是遇到一些新的问题，因为本次设计为纯硬件，各个元器件的联系紧密，可谓牵一发而动全身。
在这里换个其他型号的元器件，检测的时候又发现原来有信号的其他地方又没有信号了，在这些调试中耗费了大量时间和精力，以至于时间不够继续探索功放电路的故障，这里有点遗憾。
在前面的三角波生成模块，音频输入模块及比较器模块还有一些细小的改动，将会在答辩中讲述。
这里不一一赘述。
第六章总结
本次设计总体上还算是比较成功的，也使我对音频功放有了更进一步的理解和认识。
上述比较了各个类型的功率放大器，很明朗地展现了每种放大器的优缺点，以及针对优缺点该应用的电子产品或者带音频设备的大型电器。
本次设计中未涉及到的音频功放还有C类功放及D类的数字功放，这主要是初期对音频功放这一方面不够了解，造成的失误。
本次设计中，由于时间关系，未能对功放电路的故障原因进行探索研究也是本次设计的一大缺憾，以后在做讨论。
参考文献：
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Abstract
Audiopoweramplifierisadiscreetbutverypracticalequipment,hecandrivetheloudspeaker,theaudiosignalisamplified.Inpracticalapplications,wherethereisaelectronicequipmentneedtosoundsignalisneededinaudiopoweramplifier.Notonlyisthesmallelectronicportableproductssuchasmobilephone,needtouseMP3audiopoweramplifiersandotherequipment,inmanylargeelectronicequipment,canoftenseethiskindofamplifier.Itisnotdifficulttofindapplications,forgreaterpowerequipment,itsefficiencyismoreimportant.Then,themainresearchdistortioninthedesignoflowpoweramplifier,audioamplifierwithhighefficiency.
Keywords:
poweramplifier,PWMpoweramplifier,PWMmodulation.
致谢语
在大学毕业前夕的两个多月，我完成了毕业论文的撰写。
在这个过程中，我遇到了许多困难，班级里的同学、我的导师等都给予我极大的帮助。
在此，向那些曾经帮助过我和现在正在帮我的人附上我真诚的谢意。
其中，最先感谢的就是我毕业设计的辅导老师。
在制作实物和撰写论文的过程中，我遇到了许多问题，时常去请教老师。
老师特有的耐心的带领我克服这个过程中所遇到的挫折。
除此之外，我还请教了许多科任老师，科任老师也热心地帮助我补充专业知识。
在这两个月中，我在老师们身上学到的不仅仅是科学知识，更有老师们的一丝不苟科研的心态。
我会将这样的心态带到以后的生活、工作中。
此外，在学术研究上，我水平有限。
这篇论文正可谓是“站在巨人的肩膀上”完成的，文中我引用了许多知名学者的学术研究，没有他们的悉心专研，就没有我的这篇论文。
在此，也感谢那些为电子事业做出卓越奉献的学者们。
最后，我个人的能力有限，论文还有很多不完善的地方，希望各位导师可以提出意见，我会努力做的更加完美！
附录：
整体原理图
三角波输出信号波形正弦波输出波形
取绝对值电路输出波形反向放大输出波形
输出PWM信号
检测中的实物
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