D类功率放大器的设计与仿真.docx

1、D类功率放大器的设计与仿真 1概述.11.1课题研究的意.21.2课题的任务与技术要求.21.3课题研究的内容.22 设及方案的论证32.1功率放大器的种类.32.1.1A类功率放大器52.1.2B类功率放大器.72.1.3AB类功率放大器.92.1.4D类功率放大器.103信号脉宽调制.123.1正弦脉宽调制133.2音频信号宽度调制163.2.1语音信号的时域分析.173.2.2语音信号的谱和能量分布.193.2.3语音和乐音信号的脉宽调制.214单元电路设计与仿真.244.4.1 H桥功率输出器件的选取.254.4.2设计低通滤波器的必要性.264.4.3低通滤波器的设计方案.274.4

2、.4 H桥式功率输出和低通滤波器的设计与仿真.285实物的安装焊接与调试.286结束语.29参考文献.30 附录.31D类功率放大器的设计与仿真1概述1.1课题研究的意义随着全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求,迫使人们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。它应该具有工作效率高，便于与其他数字设备相连接的特点。D类音频功率放大器是PWM型功率放大器即为模拟开关式音频功率放大器，它符合上述要求。近几年，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，几家著名研究机构及公司已试验性地向市场提供了D类音频功率放大器评估模块及技术。这一技术一经问世立即

3、显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子工业、商业界的特别关注。不久的将来，D类音频功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形式从变压器输出到OTL、OCL、BTL形式过程。其基本类型是模拟音频功率放大器，它们的最大缺点是工作效率太低，A类音频功率放大器的最高工作效率为50%，B?类音频功率放大器的最高工作效率为78.5%， AB类音频功率放大器的工作效率介于二者之间。无论?A类、B类、AB类音频功率

4、放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就更低，播放动态的语言、音乐时的平均工作效率只有30%左右。此外，传统模拟功率放大器还存在以下的一些缺点：a.电路复杂，成本高，常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路，体积较大，电路复杂。b.输出功率不可能做的很大。模拟开关式功率放大器又称为数字功放或D类功放，工作于开关状态，理论效率可达100%，实际的运用也可达80%以上。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。功率MOS有自我保护电路，可以大大简化保护电路，而且不会引入非线形失真。所以，采用这种模拟开关式音频功率放大器作为本毕

5、业设计所要研究的内容，具有较大的研究意义。 1.2课题的任务与技术要求D类功率放大器是功率放大器中的一种，它的功率管工作在开关状态，因而管耗很低，整机效率很高。本设计中，要求运用学过的知识，设计一台分立元件的D类功率放大器。要求给出电路的原理图、PCB图以及关键部分的仿真结果图，撰写一篇符合学校要求的毕业设计说明书。原始数据以及技术参数要求a)输出平均功率 10W（8负载）；b)放大器的输入灵敏度0dB；c)放大器的效率不低于80%，总失真度小于1%；（5W）d)设计放大器的电源，要求纹波因素底、功率余量0.5；e)要求整机电路体积小、可靠性高；f)考虑脉冲信号对电网的污染的影响；整机设计符合

6、国家安全标准1.3课题的主要内容掌握模拟电子技术中功率放大器作用和种类，研究其工作原理和性能特点；查找相关资料，了解语音信号的波形特点；掌握脉宽调制的原理以及电路的实现；设计工作与脉宽调制方式下的功率输出电路，并对这个电路的性能进行研究；最后可以采用?PROTEL?对音频功率放大器的部分电路进行仿真；制作实物并对实物性能进行测试。2设计方案论证2.1功率放大器的分类从晶体管的工作状态来看，功率放大器可分为A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类）三类。甲类功率放大器的静态工作点Q是选在晶体管的放大区内，且信号的作用范围也限在放大区，此时若输入信号为正弦波，则输出信号也为正弦波，非线性失真很小

7、。如图21（a）所示。但在甲类功率放大电路中，由于电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时，这些功率全部消耗在管子（和电阻）上，并转化成热量的形式耗散出去。当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功率，信号越大，输送给负载的功率越多。因此，即使在理想情况下，甲类放大器的效率最高也只能达到50%。甲乙类功率放大器的静态工作点Q的位置略高于乙类，但低于甲类，处在放大区内。此时若输入正弦波，则输出将为单边失真的正弦波，如图21（b）所示。乙类功率放大器的静态工作点Q是选在晶体管放大区和截止区的交界处，信号的作用范围一半在放大区，另一半在截止区。此时若输入信号为正弦波，则输出信号为正弦波的一半，如图

8、21（c）所示。甲乙类和乙类放大主要用于功率放大器中。甲乙类和乙类放大，虽然减小了静态功耗，提高了效率，但都出现了严重的波形失真 图2-1静态工作点Q下移对放大器工作状态的影响（a）甲类放大（b）甲乙类放大（c）乙类放大而功率放大器按照信号导通角可分为A类(甲类)、B类（乙类）、AB类（甲乙类）、D类（模拟开关式）。下面我们对这四种功率放大器进行介绍。2.1.1 A类(甲类)功率放大器图2-2是甲类单管功率放大器的典型电路。其中，Tr1为输入变压器，它同输出变压器Tr2一样也是作为阻抗变换用的，即使前一级能得到合适的负载，本级能获得最大的功率输入。电阻RB1、RB2和RE构成了偏置电路，保证晶

9、体管工作于甲类及工作点稳定。CB、CE?是RB（RB1RB2）及RE?的旁路电容，避免输入信号通过它们时产生损耗，使放大倍数下降。在甲类功率放大电路中，电源供给的功率是由端电压和输出电流决定的。由于电源内阻r很小，所以尽管输出电流有较大的波动，但其端电压仍能保持恒定。而输出电流的大小，主要取决于晶体管的集电极电流ic的大小。在无信号时，ic等于IcQ。有信号时，ic的正负幅度相同，其平均值依然为IcQ，如图2-3所示。因此得出即甲类功率放大器从直流电源吸收的功率总是等于Ec和IcQ的乘积。并不随输入信号的有无或强弱而有所变动。这是甲类功率放大器的一个特点。图2-3 电源在不同情况下供给的电流波

10、形根据以上分析，不难求出晶体管集电极输出的最高效率为可见，晶体管的输出功率仅为电源供给的功率的一半，效率很低，这是甲类功率放大器的最大缺点。实际上，若考虑到Vces和IcEo，则晶体管的最高效率仅为4050%左右。此外变压器本身也有一定的功率损耗，可求出放大器的总效率为它等于晶体管的转换效率和变压器效率的乘积。因此，甲类功率放大器的效率较低，总效率一般为3035%左右。2.1.2 B类(乙类)功率放大器乙类推挽功率放大器如图?2-4?所示，它是由特性相同的两个晶体管V1、V2组成的对称电路。Tr1、Tr2?为有中心抽头的输入、输出变压器。由于没有加偏置电压，所以两个晶体管的静态工作点在?IB=

11、0?处，在没有信号的输入时，两个管子都处于截至状态。此时电源供给的功率及管耗都等于零，从而实现了乙类工作状态。在有信号输入时，两管交替工作。当正弦信号Ui送到输图2-4 乙类推勉功率放大器入变压器Tr1的初级时，在Tr1的次级则产生大小相等，相位相反的两个交流电压，分别加在V1和V2的输入端，这个过程叫倒相。在输入信号为正半周时，电路的工作情况如图2-4（a）所示。图中用符号+、-代表各电压的瞬时极性。由图可见，此时?Vbe10，V1?导通。集电极电流?ic1?的方向如图所示，为逆时针方向。与此同时，由于?V1?的反射结处于反向偏置，即Vbe20，V2导通，集电极电流?ic2?的方向如图所示，

12、为顺时针方向。同时由于Vbe10,所以V1处于截止状态，ic1=0。这样就实现了两管在正负半周交替工作的目的。由2-4（a）可以看出，输入信号为正半周时，集电极电流ic1流经Tr2初级线圈的上班部分产生的压降，其极性应为上-下+，即同名端处为-，则ic1在Tr2初级的下半部分和次级绕组中所产生的感生电压极性，也应在同名端处为-，所以流过次级负载RL的电流ic2应为顺时针方向，如图2-4（a）所示。当输入信号为负半周时，由图2-4（b）可以看出，集电极电流ic2了流经Tr2初级线圈的下半部分产生压降，其极性应为上+下-，即在同名端处为+，则ic2在Tr2初级的上半部分和次级绕组所产生的感生电压极

13、性，也应在同名端处为+，所以流经次级负载RL的电流io，应为逆时针方向，如图2-4（b）所示。当输入正弦信号变化一周时，经V1和V2轮换放大后，在Tr2次级负载上就可获得一个完整的正弦信号了。所以这种放大器虽然在工作时ib1、ib2及ic1、ic2都是半波，但输入信号Ui及输出信号电流io和电压却都是完整的正弦波。图2-4（a）正半周图2-4 负半周 晶体管的转换效率等于晶体管的输出功率P1?与电源供给功率PE?的比值，即可见，输入信号越强，Vcem越大，则效率也越高。在不失真情况下，晶体管最大输出功率时，由于Vcem=Ec,这时的转换效率也为最高可见，如果把变压器Tr2的损耗也考虑进去，则总

14、的效率还要低一些，一般为60%。由于乙类放大器的输出波形是由两个半波复合而成，所以乙类放大器的交越失真比较严重。2.1.3 AB类(甲乙类)功率放大器图2-5是采用一个电源的甲乙类互补对称原理电路，图中由V1?组成前置放大级， V2和V3组成互补对称电路输出级。在输入信号Ui=0时，一般只要R1、R2?有适当的工作于甲乙类状态的功率输出级的单电源互补对称电路图2-5所示。通过上面的讨论不难看出，在对失真要求不是很高的场合，提高效率，减小功率管的温升是功率放大器设计首先要考虑的事情。而考虑的方法则是将功率管的静态工作点进一步下移。数值，就可使Ic3、VB2和VB1达到所需的大小，给V2和V3提供

15、一个合适的偏置，从而使?K点电位VK=Vc=Vcc/2。当有信号Ui?时，在信号的负半周，V3导电，有电流通过负图2-5工作在甲乙类的功率放大器电路载RL，同时向C充电；在信号的正半周，V2导电，则已充电的电容?C?起着电源Vcc的作用，通过负载?RL?放电。只要选择时间常数RLC足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源Vcc可代替原来的+Vcc和Vcc两个电源的作用。工作于甲乙类状态的功率输出级的单电源互补对称电路如图2-5所示。通过上面的讨论不难看出，在对失真要求不是很高的场合，提高效率，减小功率管的温升是功率放大器设计首先要考虑的事情。而考虑的方法则是将功率管的静

16、态工作点进一步下移。2.1.4 D类(模拟开关式)功率放大器由以上各类功率放大器可知，传统的音频功率放大器A类(甲类)、B类（乙类）和AB类（甲乙类）存在着很多缺点。A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过，它的优点是输出信号的失真比较小，缺点是输出信号的动态范围比较小，效率低。而B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50%,它的优点是在理想情况下效率可达78.5%，但缺点是会产生交越失真，增加噪声。而AB类功率放大器是以上两种放大器的结合，每个功率放大器件的导通时间在50%100%之间，兼有A类失真小和?B?类效率高的特点，但其工作效率只介于二者之间。因此传统音频功

17、率放大器效率偏低，体积偏大的缺点与音频功率放大器高效、节能和小型化的发展趋势的矛盾，催生了D类音频功率放大器的出现和发展。D类功率放大器是数字功放，也可称为开关功放或PWM（脉宽调制）功放，工作于开关状态，工作基于PWM模式：将音频信号与采样频率比较，经过自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波，然后经过驱动电路，加到功率MOS的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的PWM信号送入滤波器，则还原为音频信号。此类音频功率放大器理论效率可达100%，实际的运用也可达80%以上。正是由于D类放大器的效率高，100瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，连电路板

18、可作的很小，大大减少了体积重量。并且由于工作比音频高10余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响很小。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。功率MOS有自我保护电路，可以大大简化保护电路，而且不会引入非线形失真。D类功放是一项意义深远的创新技术，具有广阔的发展前景，并对消费电子产生巨大的冲击作用。由于其具有效率高，功耗低的优点，采用D类音频功率放大器的设备能够提高电池的寿命，它特别适合应用于无线和手持通信设备，主要应用在PDA、移动电话和类似的手持移动通信工具的设计和产品中。而大功率输出的音频设备具有很大的功耗，所以在大功率输出的音频设备中

19、采用低功耗的D类音频功率放大器也是十分必要的，特别在集成了高质量音频性能和扩展了混合能力的同时实现了低功耗。总之，PWM机的最大优势在于他的高效率。散热设施无需特别处理，结构严谨，性能稳定，使用寿命长。低频性能特别好，这对混响效果很差的露天音乐场所来说尤其重要。一般的音响设备中频特性好，但从人耳的对声音响度的感觉来看，低频远不如中频，要使听到的声音柔韧、丰满、有弹性，就必须加强低音。PWM功率放大器能做到这一点。3信号脉宽调制3.1正弦脉冲宽度调制PWM(PulseWidthModulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含

20、形状和幅值）。 图3-1 形状不同而冲量相同的各种窄冲波根据采样控制理论中的冲量等效原理:大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（即变量对时间的积分）相等，其作用效果相同，且脉冲越窄，输出的差异越小。这一结论表明，惯性系统的输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关。图3-1给出了几种典型的、形状不同而冲量相同的窄脉冲，图3-1（a）所示的为矩形脉冲，图3-1（b）所示的为三角脉冲，图3-1（c）所示的为正弦半波脉冲，它们的面积（冲量）均相同，当它们分别作用在同一个惯性系统上时，其输出响应相同。图3-1形状不同而冲量相同的各种窄冲波依据上述原理，可

21、将任意波形用以一系列冲量与之相等的窄脉冲进行等效。如图3-所示，以正弦波为例，将一正弦波的正半波k等分（图中，k=7），其中每一等分所包含的面积（冲量）均用一个与之面积相等的、等幅而不等宽的矩脉冲替代，且使每个矩形脉冲的中心线和等分点的中线重合，如此，则各个矩形脉冲宽度将按正弦规律变化。这就是正弦脉冲宽度调制（sinusoidalpulse?width?modulation，简称SPWM）控制的理论依据。由此得到的矩形脉冲序列为SPWM序列。如图3-2所示，将正弦波在一个周期内N等份（N为偶数），其中每一等份时间间隔均为2p/N。按冲量等效原理，正弦波在每一等分所包含的面积，都用一矩形脉冲与之

22、等效。图3-2 与正弦波等效的矩形脉冲序列波形设正弦波的幅值为Vm,等效矩形波形的幅值为V Vm,则各等效矩形脉冲的度 以上的公式表明，有冲量等效的原理得出的等效脉冲宽度di与分段位置中心角bi的正弦值成正比。同理，以音频信号为调制波，高频三角波为载波，经比较即可得到占空比随音频幅度规律变化的?PWM?信号。三角波的频率f V与正弦波的频率f之图3-3正弦波与三角波调制 上式说明：当载波比N固定，而大于20以上时，在比较器输出产生的矩形脉冲宽度正比于分段中心角bi的正弦值。3.2音频信号宽度调制信号有确定型信号和随机信号之分，凡是瞬时值与时间之间存在确定的函数关系的信号都属于确定性信号。例如，

23、我们熟知的正弦信号、指数信号、抽样信号、高斯函数信号、脉冲序列信号以及一些奇异函数信号都是确定型信号。有一些信号虽然不能用一个精确的函数表达式来表述信号的特性和变化规律，但是，可以用波形图来表示，它的任一时刻，都有确定的函数值与该时刻对应，这种信号也属于确定性信号或规则信号。语音、音乐、干扰和噪声等信号，都有一个共同的特点，那就是它们都具有未可预知的不确定性，因而它们均不属于确定性信号，而属于随机信号或不确定信号。确定性信号的幅度、函数值都是可预知的，因而，确定性信号几乎不能包含什么信息。而瞬息万变的随机信号则包含了巨大的信息量，人们可以从其中获得很多新的消息。随机信号也会表现为一定的确定性，

24、例如：乐音表现为某种周期性变化的波形。因此，前一章中对确定性信号的脉宽调制特性的研究，同样可应用于对随机信号的脉3.2.1语音信号的时域分析在进行语音及音乐信号的处理时，最先接触到的并且也是最直观的是它的时域波形。为了获取一段语音信号的时域波形，首先用高保真的传声器将声音信号转变应的电信号，在用A/D转换将其在为数字信号输入计算机中存储起来，最后用绘图仪将其时域波形绘制出来。如图3-4所示是一位男青年说的“欢迎你到盐城来”这段话的语音时域波形。这段话持续时间为四秒，图中的横为时间，纵为语音信号的幅度，由于时间压缩的很紧，单从图3-4还无法分辨出语音信号波形的细节，但是可以看到语音信号能量的起伏

25、，还可以大致分辨出话语中每一个字(音节)在此波形中的位置。为了仔细辨识语音波形，可以把时间轴拉宽。图3-5是将图3-4的每个字的语音波形图拆开，并且将其分别在时间轴上拉宽的波形图。 图3-5语音拉宽波形图由图中可以看出语音信号具有着很强的“时变特性”和噪声特性，当然在信号的局部又表现出较强的周期性。3.2.2语音信号的谱和能量分布正常人的听音的频率范围在20Hz20kHz，我们通常把按正弦规律变化的声音信号称为“纯音”，纯音的频率是单一的。一般把200Hz300Hz以下的音频信号称为音频信号的低频，把?500?3000Hz?称为音频信号的中频，而把4000Hz以上的音频信号称为音频信号的高频。

26、但是语音和音乐信号的信号波形远不象纯音那样平滑，这从上面的波形图可以看到。事实上，正是这些坎坷的波形之中包含了语音或音乐想要表达的信息。从频率的角度上来看，这些非不确定信号，是无穷多个不同频率的复合体。如果把各个分量的幅度按照对应的频率由低到高的顺序排列起来，就可以获得该信号的频谱。从频谱图上我们可以看到信号的频率成分、信号的各频率成分之间的相对大小。图?36?是小提琴拉音符“1”时的频谱图，从频谱图可以看出音频信号的基波分量的幅值最大，随着谐波次数的增高，信号对应谐波频率分量的幅度不断衰减，直到零。幅度谱纵轴量的平方即功率，所以，可将幅度谱图转换为能量谱图。从谱图的特性来看信号的?90%以上

27、的能量集中在靠近基波的频率段，高、中频所占的能量极少。图3-6音乐信号的频谱总之，对于音乐和语音信号我们需要了解以下几个特点： a.语音和乐音信号都是随机的不确定信号。b.信号的在某些时间段内表现出较强的周期性，这是与噪声类型的随机信号有着本质的区别。c.上、下波形不对称。d.信号不包含直流分量，即上下波形所包围的面积相等。e.信号的能量相对集中于信号的低频分量之中。3.2.3语音和乐音信号的脉宽调制了解了语音及乐音信号的特点之后，我们就可以选择其脉宽调制的方法和电路。从上述研究可以发现，乐音、语音信号与噪声有着截然不同的特点，就是它在局部范围内分别体现出它的周期性，也就是说，如果将这段信号看

28、成周期性信号，则可以将其分解成傅丽叶级数，信号可以看成有无穷项正弦信号的叠加。因而研究正弦信号的脉宽调制(SPWM)及其方法对于研究语音及乐音信号的脉宽调制有着重要的指导意义。4单元电路设计与仿真4.1模拟开关式音频功率放大器基本原理模拟开关式音频功率放大器设计，包含信号的脉宽调制电路设计（包括三角波发生器的设计、前置放大器的设计）、驱动电路设计、H桥式功率输出电路设计、解调用的低通滤波器设计和电源设计等几个部分。模拟开关式音频功率放大器的工作原理框图如图4-1所示。将音频信号对一线性良好的高频三角波进行调制，既形成PWM(脉冲宽度调制波形。D类音频放大器一般采用异步调制方式,既在调制信号(音

29、频信号)周期发生变化时，高频载波信号周期仍保持不变。这种调制方式的优点是当音频信号频率较低时，PWM波的载波个数成数量级增多，这对抑制高频谐波及减少失真非常有利，而且载波的边频带远离音频信号频率，故不存在载波边频带与基波之间的相互干扰问题。PWM波经倒相后驱动H桥式逆变器，PWM脉冲方波使对角方位的两个功率管轮流地且等间隔地导通与截止，在H桥的输出端电压是一组等幅不等宽的正负对称的脉冲列，脉冲的幅值等于电源电压Vcc。为了得到不失真的音频信号，在H桥的输出端之间加入LC低通滤波器以滤除高频成分，在负载RL两端可得到功率放大的音频信号。 图4-1模拟开关式音频放大器原理图D类放大器的性能优劣主要取决于以下几点：a三角波(或锯齿波)的频率。根据信号取样定理，脉冲发生器的频率应大于最高音频的两倍。实际上此频率越高，则调制精度越高。b三角波(或锯齿波)的频率稳定度。频率稳定度越高则调制后的调宽脉冲的时序误差就越小，使信号的线性失真降低。c调制器(比较器)精度。调制器的精度越高，则调制信号的动态范围就大。d低通滤波器的性能。低通滤波器的转折频率可设计在2022kHz，如