数字功放的设计报告汇总.docx
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数字功放的设计报告汇总
摘要
为了进一步学习新的知识和新的内容，比较一般功放和数字功放各自的异同，比较两者的性能指标值，我们这次的设计主要是以在软件上仿真为题材，培养良好的分析问题和解决问题的能力。
本文主要介绍数字功放的设计与仿真，通过软件ORCAD完成基本的原理图并进行仿真和PCB板的制作，使其满足基本设计要求。
在构建好电路的每一个环节后要对数字功放电路的每一部分进行仿真分析。
培养了动手能力及严谨的工作作风和小组人员之间共同配合良好的学风。
关键词：
数字功放ORCAD仿真软件PCB板制作
1、引言：
有时侯我们自以为简单的事情,当做起来时才知道并不是我们想象的那么简单。
任何一件事要做好都要掌握一定的技术，还必须具备一定的素质才能完成。
要了解一项工作，掌握焊接和电子工艺的操作技术，光靠看书本和讲解是不行的。
这就要求我们不仅要具备熟练的动手操作能力，而且还应该学会一定的软件操作能力，所谓实践就是要我们自己实际的去练习，去操作，亲自动手。
把真正要做的东西通过硬件和软件紧密结合，所以，这次我们所做的主要是通过在软件上仿真，进一步学会熟练运用仿真软件解决实际问题的能力。
要真正的把从书本的理论知识转到实际操作、实践中去。
1.1背景：
本次设计主要是从最基本的出发，主要是以在软件上仿真为主，做数字功率放大器。
通过在仿真软件上仿真其输出波形、测量其有关的性能参数值，跟一般的功放进行对比，进一步加深对仿真软件的学习，同时学会其PCB板的制作，使软件和硬件有力的结合，从而解决相关的实际问题。
经过近一个月的软件学习，不仅学习了数字功放理论知识，而且也对仿真软件达到了熟练运用的程度，通过小组人员之间的配合和分工，共同完成了本次的设计。
1.2名称：
数字功放的电路仿真与PCB板的制作
1.3参考资料：
【1】
【2】何希才主编，电子工业出版社，常用集成电路应用实例，2007
【3】陈永真主编，电子工业出版社，全国大学生电子设计竞赛试题经解选，2007
【4】康华光主编，高等教育出版社，电子技术基础，2006
2、总体设计：
本系统总体设计分为两部分：
硬件模块和软件模块。
先在ORCAD软件上仿真电路图及测量有关性能参数值，再对电路图进行PCB板制作。
2.1开发者与运行环境：
制作者：
XXXXXXXXXXXX
运行环境：
XXXXXXXXXX
2.2硬件结构：
图1
3、硬件模块设计：
3.1数字功放模块：
数字功放也称D类功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。
传统模拟放大器有甲类、乙类和甲乙类、丙类等。
一般的小信号放大都是甲类功放，即A类，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以，能量转换效率很低，理论效率最高才25%。
乙类放大，也称B类放大不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效率高达78.5%。
但因为这样的放大，小信号时失真严重，实际电路都要略加一点偏置，形成甲乙类功放，这么一来效率也就随之下降，虽然高频发射电路中还有一种丙类，即C类放大，效率可以更高，但电路复杂、音质差，音频放大中一般都不用，这几种模拟放大电路的共同的特点是晶体管都有工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号大小控制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自身也在消耗电能。
数字功放的功放管工作在开关状态，理论状态晶体管导通时内阻为零，两端没有电压，当然没有功率消耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也不消耗。
所以作为控制元件的晶体管本身不消耗功率，电源的利用率就特别高。
图1是数字D类功放的工作原理框图。
D类功放处理的是经脉宽调制（PWM）的音频数字信号，声音信息埋藏在脉冲的占空比或脉冲密度中。
数字功放由于效率高，管子的耗损小，功放的散热结构可以做得非常小巧简单，整个电路可以做得很小。
所以，首先在笔记本电脑、有源音箱和声卡上采用。
带有数字功放的声卡可直接接通普通音箱，这样使用就方便得多。
利用数字功放技术生产整机时，音量调节方案会成为机种档次的分界线。
简单方案就像传统模拟功放那样由电位器衰减模拟信号的输入幅度，实现音量衰减。
这种方式数字信号的量化比特率得不到充分利用，小音量时信噪比下降，动态范围变小。
而且也不能用于数字音频直接输入系统。
较好的方案是采用调节电源电压的方式来衰减音量，以改变加到低通滤波器上的脉冲电压幅度来改变输出功率。
这样量化比特率仍可充分利用，由于电压下降，量化噪声也随之下降，所以音量减小，但信噪比和动态范围仍能保持不变。
由于功放电源的功率较大，改变电源电压不能用电阻衰减或分压方式来实现，必须从电源整流稳压部分就开始。
4、模块的电路图及工作原理：
4.1各部分电路工作原理的叙述：
普通乙类音频放大器在嵌位时的效率是78.5%或者说是π/4。
随着输出降低，当没有电压输出时效率线性地降低到0。
在1/10峰值功率电平上,于1s内已经测得集成了的音乐和语言，只要他们是连续的话不大能改变其结构。
在这样的条件下，一个乙类放大器具有的有效效率是25%。
当乙类放大器实际上运行在发热最重的时候，输出功率还略小于最大功率的一半。
最大热损耗出现在最大输出功率的40%左右。
输出功率从10%变化到最大值的90%时，发热上升变化仅25%。
迄今为止，很少人知道开关放大器在产生直流和低频交流的时候对供电电源所起的破坏现象特性。
当正弦波刚刚进入较小的钳位现象时由开关放大器的正功率开关产生的电流。
在第一个半周，正功率开关在大部分时间把大部分的功率都提供给负载，但若干能量开始存储在输出电感器中。
在第二个半周，功率开关关断，大部分时间及大部分电流都反向流经开关。
这个反向电流从输出电感器来，经过输出功率开关Q3（见后文叙述）的源漏二极管把能量返给正电源。
这样第一个半周的正向电流倾向于降低正电源电压，而第二个半周的反向电流却要升高正电源电压。
由此可见，正功率开关在其开关接通期内的平均电流是：
sinx+sin2x/2。
输出正弦波的第一个半周平均电流是π+4/4π，这个数值是峰值电流的0.5683倍。
输出正弦波的第二个半周平均电流是π-4/4π，这个数值是峰值电流的0.0683倍。
整个周期的平均电流是0.250，正好是正弦波平均功率与峰值功率之比的一半。
经过开关的峰值平均反向电流是平均峰值正向电流的0.125倍。
这种情况将引起以普通手段设计电源的电压达到短路般的损坏电平，除非此电源使用的是一个电池。
如开关放大器进入比之更坏的状态，平均正向电流和平均反向电流都是0.500。
这意味着，在整个周期平均而言没有净能量从电源提取。
这反映出一个事实，没有能量从短路状态提取。
为了缓解放大器输出近似短路而不产生危险电压，必须使用专门的电源电路装置。
这个电路装置必须能够容纳每路电源线上其值为峰值短路输出电流一半的反向电流。
传统基于整流器的电源电路不能在其工作周期内容忍虽然有益，但不能从根本上解决问题。
一个较好的解决方法是在正电源母线和负电源母线上实行耦合。
4.2具体实现中采用的关键技术：
本设计开关放大器互补大功率场效应管的输出级示于图5。
输出级产生±44V的方波电压，方波的占空比从5%到95%之间变化。
占空比变化的方波馈到输出滤波器，音频通过低通滤波器然后加到8Ω扬声器上。
低通滤波器容许声频上限率50KHZ通过而没有损失，但它却大大地衰减了开关频率。
因与电源线上连接着正负两个电源，要求每个大功率管门极实现全导通，缓冲放大器使用±5V电源提供这仪驱动。
R17和R18是4.7Ω的电阻，可以阻止每个门极在开关时产生的高频振荡。
12V稳压二极管CR3和CR4用作普通钳位二极管，提供静电放电电保护。
上述元器件也可以用作直流恢复，以实现交流耦合的需要。
10KΩ电阻R15和R16也轻微地提供放电路径，以保持钳位二极管中的导通脉冲。
如果驱动信号丢失，它们也可以使门极放电大约1MS。
每个门极大约有9V的偏置接通电压。
门极之间的紧耦合阻止了两个器件的同时导通。
输出级倒相驱动信号，产生的上升和下降时间大约30NS。
这个电路设计可使当频率下降到0.1HZ时，最大输出电流±5A。
低于这个频率时，最大电流可能需要降额，以防止每个输出器件产生过热。
散热器发热太大将使器件的接通电阻和源漏二极管的存储时间增加，结果是器件的损耗增大，有可能导致器件热击穿。
驱动波形的占空不必须是控制电压的线性函数。
图6画出了占空比控制的电路。
120KHZ±5V的方波通过R1和C1耦合到积分器U1B。
C1的作用是阻断直流，R1是积分器电阻。
C2是积分器电容器，它在U1B的输出端产生±2V的三角波。
R2提供少量的直流泄露以确保输出没有明显的直流分量。
R3耦合三角波到比较器的正向输入。
通过隔离比较器和积分器之间的输入电容，可以起到改善波形的作用。
三角波的直流补偿等于U1B的直流补偿，其线性度优于1%。
输入音频信号通过R4加到U2C的倒相输入端，功率放大器的输入方波通过R5也加到与输入音频信号相同的点汇合。
U2C用作积分器，C3是积分器的电容器。
因为R5是R4的20倍，如果U2C的输入接地的话，就得到20倍的倒相电压增益。
U2C的输入作用误差电压，并通过R6和R7加到U1D的倒相输入。
电容器C4可以消除误差信号短的尖峰。
电流限制电路是通过R6和R7的连接点接通的。
当从功率放大器吸取的电流声超过的连接点接通的。
当从功率放大器吸取的电流上升超过安全范围时，电路不会考虑误差电压，过流就被阻止了。
±2V三角波电压加到U1D的正相输入。
一般来说，误差电压在次相同范围内变化。
如果是这样的话，U1D的输入在120KHZ方波上的占空比就可以从0%到100%之间变化。
如果功率放大器的波形被削顶，误差电压将超过正常的区域。
在这种情况下输出的驱动波形将锁定在+5V或者-5V之间。
如果不能校正的话，驱动信号的交流耦合将引起末级放大器驱动损失，导致末级放大器产生严重的失真。
4.3功放原理图:
5、软件模块设计：
5.1Orcad软件上的仿真部分：
5.1.1数字功放原理图（分解）
5.1.2方波的产生
矩形波产生电路如图所示，它是在迟滞比较器的基础上，把输出电压经Rf、C反馈集成运放的反相端。
在运放的输出端引入限流电阻R和两个稳压管而组成的双向限幅电路。
5.1.3工作原理
在接通电源的瞬间，图XX_01电路的输出电压究偏于正向饱和还是负向饱和，纯属偶然。
设输出电压偏于负饱和值，即
时，则集成运放同相端的电压为
（1）
而
时电容反向充电，vc由零变负。
在vc高于vp之前，
不变。
当vc下降到略低于vp时，vo从–VZ跳变到+VZ。
与此同时，vp由
变为
（2）
而
是电容充电，在vc低于vp以前，
不变。
当vc上升到略高于vp时，vo从+VZ跳到–VZ。
如此循环不已，产生振荡，输出矩形波。
5.1.4振荡周期
图XX_02画出了在
时的一个方波的典型周期内输出端及电容C上的电压波形。
当
时，
，则在
的时间内电容C上的电压vc将以指数规律由
向+Vz方向变化，根据一阶RC电路的三要素法：
A:
时间常数
B:
在t1时刻vC的初始值
C:
若
，vC的终了值是+VZ
则得
（3）
其中
，且t1≤t≤t2。
当
时，
，将这些条件代入式（3），
得出
（4）
产生方波：
当正弦波刚刚进入较小的钳位现象时由开关放大器的正功率开关产生的电流。
在第一个半周，正功率开关在大部分时间把大部分的功率都提供给负载，但若干能量开始存储在输出电感器中。
在第二个半周，功率开关关断，大部分时间及大部分电流都反向流经开关。
这个反向电流从输出电感器来，经过输出功率开关Q3（见后文叙述）的源漏二极管把能量返给正电源。
这样第一个半周的正向电流倾向于降低正电源电压，而第二个半周的反向电流却要升高正电源电压。
由此可见，正功率开关在其开关接通期内的平均电流是：
sinx+sin2x/2。
输出正弦波的第一个半周平均电流是π+4/4π，这个数值是峰值电流的0.5683倍。
输出正弦波的第二个半周平均电流是π-4/4π，这个数值是峰值电流的0.0683倍。
整个周期的平均电流是0.250，正好是正弦波平均功率与峰值功率之比的一半。
经过开关的峰值平均反向电流是平均峰值正向电流的0.125倍。
这种情况将引起以普通手段设计电源的电压达到短路般的损坏电平，除非此电源使用的是一个电池。
5.1.5PCB板的制作：
5.2数字功放原理图2
5.2.1输入与输出电压：
在输入交流信号电压为100mv,输入频率为1KHz时，对其进行时域分
析，从3ms到10ms的时间，每隔0.0000001s描一个点，其输入、输
出波形如下：
从输出波形可以看出其放大倍数太小，而且跟以前所仿真的普通功放相对比其差距很大，主要是由于数字信号对其产生的影响。
5.2.2静态（直流）工作点分析：
这个表列出了所示节点的电压数据，其实这也可以直接从电路图上可
明显的看出。
5.2.3输入阻抗、输出阻抗和电压增益：
5.2.4电压源的信息：
6、总结：
经过近一个月的仿真，基本上完成了数字功放的仿真和PCB板的制作，小组人员之间的配合起了很大的作用，各自分工，遇到问题商量解决，由于后半部分的电路图出现错误，所以整个电路未能得出最后仿真的波形。
7、心得体会：
通过这次实践我从中学到了很多宝贵的经验和知识。
我深刻的认识到了硬件和软件相结合是电子专业学习环节中相当重要的一个环节，只有这样才能提高自己的实际操作能力和软件的运用能力，并且从中培养自己的独立思考，勇于克服困难能力。
通过这一次的数字功放在仿真软件上的学习，我不仅对成功有了更大向往，而且对于失败我也明白坦然的好处和换个角度想的态度，一切的技术与经验都是在实践中一点一滴的积累起来的，实践是培养我们动手能力的一个很好的方法，通过这次的软件学习，我学会了
总结一个月的学习，收获很多，感悟很深，主要由以下几个方面：
<1>硬件和软件有力结合的重要性。
要想掌握一门技术，尤其是学习好电子这个专业，不仅要具备一定的动手操作能力，而且应该究其问题给出理性的认识，所以，软件就在这方面起着很大的作用。
通过软硬件的结合，这就克服了在有些问题上盲目不知所措的现象。
<2>各小组人员之间的配合。
我懂得了小组之间的配合，往往要想干成干好一件大事，光靠个人能力是远远不够的，要想成功那么这条路上往往充满着荆棘和坎坷，那么，自己身边的朋友和同学就是这条成功路上的助脚，就一个问题进行分工，各自完成相应的部分，然后再总结结合在一起，那么很完美的一个设计就会成功。
而且有些知识只靠个人能力是远远解决不了的，这就要体现团队合作精神，小组成员间相互讨论，那么对自己来说很难的一个问题便会迎刃而解。
同时学习借鉴其他组的有些良好的方面，所有的电路原理图基本上都大同小异，从而各部分所表现的功能，所起的作用也相当，因此把整个电路图模块化之后就显得很简单了，相互协作，共同完善结果。
<3>对一个比较复杂的问题分工完成的重要性。
往往一个比较复杂的问题一时半会是完不成的，就是完成了那也不能确保质量，所以遇到一个比较复杂的问题时，首先应该好好的规划一下，把一个复杂的问题分成几个步骤，几个阶段进而完成，这样既保证了质量又显得很有条理，而且避免因茫然而无所下手的现象。
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