基于pspice的d類功率放大器的設(shè)計與仿真【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(論文)</p><p><b>　　( 屆)</b></p><p>　　論文題目 基于PSPICE的D類功率放大器的設(shè)計與仿真</p><p>　　(英文) Design and simulation of Class D power amplifier based on PSPICE </p

2、><p>　　所在學(xué)院 電子信息學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　

3、　完成日期 年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前便攜式消費類電子產(chǎn)品（如：手機、MP3、PDA、便攜式GPS等）日益流行，以效率高、低失真為特點的D類功率放大器就開始廣泛地應(yīng)用于這些產(chǎn)品中。音頻放大器可分為A類、AB 類、B 類、C類和D 類放大器。D類放大器與線性音頻放大器（如A類

4、、B類和AB類）相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。</p><p>　　本系統(tǒng)是設(shè)計高效率D類功率放大器，通過將三角波與放大的音頻信號相比較獲得PWM脈寬調(diào)制信號，控制由MOSFET管構(gòu)成的對稱H橋結(jié)構(gòu)進行功率放大，再通過Butterworth濾波器低通濾波后輸出，通過PSPICE仿真，系統(tǒng)還能夠進行功率的測量。經(jīng)測試，功率放大器效率達到80%以上，系統(tǒng)總體比較理想的實現(xiàn)了設(shè)計指標的要求。</p><

5、;p>　　關(guān)鍵詞：D類功率放大器；PWM脈寬調(diào)制；H橋電路；Butterworth低通濾波器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Currently, portable consumer electronics products (such as: mobile phones,MP3, PDA, portable GPS,

6、 etc.) become increasingly popular, class-D power amplifier began widely used of these products. Audio amplifier can be divided into Class A, Class AB, Class B, Class C and Class D amplifier. Compared with linear audio a

7、mplifier (such as Class A, B and AB), Class D amplifier has a considerable advantage on the effect.</p><p>　　This system is going to design a highly efficient Class D power amplifier, by comparing both the t

8、riangular wave and the amplified audio signal, to obtain the PWM pulse width modulated signal, controlled by symmetrical H-bridge structure consisting of the MOSFET to amplify power, than output through the Butterworth l

9、ow-pass filter, by Pspice simulation, system is also capable of power measurements. Tested, power amplifier efficiency can reach 66%, overall system can achieve the design specificat</p><p>　　Key Words: Clas

10、s D power amplifier; pulse width modulation; H-bridge circuit; Butterworth low-pass filter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 功率放大器的介紹

11、1</p><p>　　1.2 放大器的分類1</p><p>　　1.3 D類放大器4</p><p>　　1.4 發(fā)展趨勢6</p><p><b>　　2 設(shè)計任務(wù)7</b></p><p>　　2.1 設(shè)計的任務(wù)7</p><p>　　2.2 對設(shè)計任

12、務(wù)的分析7</p><p>　　2.2.1 設(shè)計框圖7</p><p>　　2.2.2 高效率原理分析8</p><p>　　2.2.3 PWM調(diào)制分析9</p><p>　　3 仿真軟件10</p><p>　　4. 總體設(shè)計與仿真12</p><p>　　4.1 三角波產(chǎn)生電

13、路12</p><p>　　4.2 音頻前置放大電路14</p><p>　　4.3 脈寬調(diào)制電路16</p><p>　　4.4 脈沖功率放大電路17</p><p>　　4.4.1 驅(qū)動電路17</p><p>　　4.4.2 H橋開關(guān)功放電路19</p><p>　　4.5 低

14、通濾波器20</p><p>　　4.6 總電路圖22</p><p><b>　　5 結(jié)論23</b></p><p><b>　　致 謝24</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p>　　附錄 總電路設(shè)

15、計圖26</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 功率放大器的介紹</p><p>　　能輸出所需功率的放大器稱為功率放大器。在功率放大器中，三極管主要起能量轉(zhuǎn)換的作用，即把電源的能量轉(zhuǎn)換為由信號控制的能量。功率放大器要解決的主要問題是在允許的非線性失真條件下，輸出的信號功率盡可能大，而三極管本身的損耗盡可

16、能小。由于考慮功率、阻抗、失真、動態(tài)以及不同的使用范圍和控制調(diào)節(jié)功能，不同的功放在內(nèi)部的信號處理、線路設(shè)計和生產(chǎn)工藝上也各不相同。</p><p>　　功放的應(yīng)用可以分做兩大類別，即專業(yè)功放與家用功放。在體育館場、影劇場、歌舞廳、會議廳或其它公共場所擴聲，以及錄音監(jiān)聽等場所使用的功放，一般說在其技術(shù)參數(shù)上往往會有一些獨特的要求，這類功放通常稱為專業(yè)功放。而用于家庭的Hi－Fi音樂欣賞，AV系統(tǒng)放音，以及卡拉OK娛

17、樂的功放，通常我們稱為家用功放。</p><p>　　1.2 放大器的分類</p><p>　　功率放大器根據(jù)其工作狀態(tài)可分為5類，即A類、B類、AB類、C類和D類。</p><p>　　A類放大器：晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通。也就是說沒有信號輸入時，晶體管也有輸出功率，因此晶體管會變得很熱，大部分功率都浪費在了產(chǎn)生熱量上。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍

18、內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低（約20%），晶體管功耗大，優(yōu)點是不存在非線性失真，精度非常高。電路如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 A類放大器</p><p>　　B類放大器：采用兩只晶體管，每只晶體管工作半個周期，一只晶體管工作于輸入信號的正半周，另一只晶體管則工作于輸入信號的負半周。因此在理論上兩只晶體管不會在同一時間內(nèi)導(dǎo)通。在沒有輸入的

19、情況下，兩只晶體管均處于截止狀態(tài)且無輸出功率，故而其效率高于A類放大器。不過由于晶體管都需要一定的開通時間，因此在兩只管子交替過程中輸出端存在一個短暫的無輸出功率狀態(tài)。這個無功率區(qū)域稱為交越區(qū)，如圖1.2所示。這就造成了相對較大的信號失真。所以B類放大器雖然具有很好的效率，但同時精度也不高。</p><p>　　圖1-2 交越區(qū)失真</p><p>　　AB類放大器：晶體管的導(dǎo)通時間稍大

20、于半周期，小于一個周期，必須用兩管推挽工作，可以避免交越失真。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點。AB類放大器的效率（約為50%）不如B類放大器高，因為其兩只晶體管可在同一時刻導(dǎo)通，但精度得到了提高，因此常作為音頻放大器使用。電路如圖1-3所示。</p><p>　　圖1-3 AB類放大器</p><p>　　C類放大器：效率高，但電路復(fù)雜、音質(zhì)差，很難

21、找到用于音頻放大的實例。這類放大器，一般用于射頻放大。電路如圖1-4所示。</p><p>　　圖1-4 C類放大器</p><p>　?。念惙糯笃鳎罕容^特殊，它只有兩種狀態(tài)，即通、斷。因此，它不能直接放大模擬音頻信號，而需要把模擬信號經(jīng)“脈寬調(diào)制”變換后再放大。外行曾把此種具有“開關(guān)”方式的放大，稱為“數(shù)字放大器”。相比其他放大器，具有效率高、體積小、重量輕、輸出功率大等優(yōu)點。<

22、/p><p><b>　　1.3 D類放大器</b></p><p>　　D類放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成PWM（脈沖寬度調(diào)制）或PDM（脈沖密度調(diào)制）的脈沖信號，然后用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通/斷的音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器（有時也稱為數(shù)字功放）。</p><p>　　線性放大器（A類和AB類）

23、和D類音頻功率放大器的不同之處主要在效率，這也是當(dāng)初開發(fā)D類放大器的主要原因。線性放大器線性很好但效率也很低，功率約為50％，而D類放大器的效率很高，在實際使用中可高達90％。圖1-5對線性放大器和D類放大器的典型效率曲線進行了比較。</p><p>　　圖1-5 線性放大和D類放大效率</p><p>　　增益---線性放大器的增益不會受總線電壓影響而變化，而D類放大器的增益是和總線電

24、壓成一定比例。這就意味著D類放大器的電源抗擾比（PSRR）為0dB，而線性放大器的PSRR就很好。D類放大器普通采用反饋來補償總線電壓的波動。</p><p>　　能量流向---在線性放大器中，電流是從電源流向負載，在全橋D類放大器中也是如此。而半橋D類放大器則不同，因其電流可以雙向流動從而導(dǎo)致“總線電壓上升”這一現(xiàn)象，這樣會造成總線電容被從負載至電源方向反向加載的能量充電。這種情況主要發(fā)生在低頻，如低于100H

25、Z。</p><p>　　D類放大器其優(yōu)點如下：</p><p>　　具有很高的效率，通常能夠達到85%以上。</p><p>　　體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。</p><p><b>　　無裂噪聲接通。</b></p><p>　　低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少，便于設(shè)計調(diào)

26、試。</p><p>　　D類放大器缺點主要有三點：</p><p>　　第一，其效率在理論上來說是很高的，但是，實際困難還是非常大的，因為200kHz的高功率方波是不是好的出發(fā)點尚不清楚；從失真的角度來看，為保證采樣頻率的有效性，必須將一個陡峭截止頻率的低通濾波器插入放大器與揚聲器之間，以消除絕大部分的射頻成分，這至少需要4個電感（考慮立體聲），成本自然不會低。此外，表現(xiàn)在頻響方面，它只

27、能對某一特定負載阻抗保證平坦的頻率響應(yīng)。</p><p>　　第二，如果考慮到放大器系統(tǒng)中的所有功耗源，在低輸出功率電平，線性放大器比D類放大器更好。其原因在于：在低電平生成和調(diào)制開關(guān)波形所需要的功率很大。因此，設(shè)計優(yōu)良的AB類放大器的整個系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，能夠跟D類放大器媲美。然而，在較高的輸出功率范圍內(nèi)，D類放大器的功耗毫無疑問是無與倫比的。在大功率放大器中，放大電路的效率是一個值得關(guān)注的參數(shù)。A類功率放大器的

28、效率最低，AB類功率放大器的理想效率可達到78%，但實際電路不可能超過50%，效率還是不夠高，因此，D類功率放大器就應(yīng)運而生。</p><p>　　第三，D類功放的交越失真問題：</p><p>　　理論上D類功放在信號處理上不存在失真，因為通過PWM技術(shù)已將音頻信號的幅度變化轉(zhuǎn)變成等幅脈沖的脈沖寬度變化，音頻信號的所有信息都包含在脈寬變化上，即使波形有所畸變也可通過波形校正電路進行校正，

29、以保證還原后音頻信號不失真。但事實并非如此，從音頻信號的脈寬調(diào)制到功率音頻信號的輸出，每一個環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生失真，其中危害最大的當(dāng)數(shù)交越失真。</p><p>　　（1）PWM調(diào)制與交越失真</p><p>　　在音頻信號的脈寬調(diào)制電路中，由于語音、音樂信號波形的不規(guī)則性、不對稱性，常需要將時間軸上方的波形和時間軸下方的波形分別進行脈寬調(diào)制，雖然不需要考慮AB類功放的偏置電壓，但需考慮推挽管

30、在交替導(dǎo)通時必須有一定的時間間隔，否則會出現(xiàn)兩只功率管的直通現(xiàn)象，所以這種電路本身也需要死區(qū)。既然存在死區(qū)，就不可避免地會產(chǎn)生交越失真。</p><p>　?。?）SPWM調(diào)制與交越失真</p><p>　　將一個正弦信號直接與一個三角載波比較，可得到SPWM信號，該信號通過驅(qū)動電路去驅(qū)動全橋或半橋電路，在正負半周的交界處有較為明顯的空檔，說明PWM信號的有些脈沖在經(jīng)開關(guān)的死區(qū)時間時丟失了

31、。一般來說，功率管的額定功率越大，最高開關(guān)頻率就越低。音頻信號幅度很小時，調(diào)制后對應(yīng)的脈沖很窄，功率管沒有足夠高的開關(guān)頻率，則無法將其分辨出來。信號幅度越低，PWM脈沖就越窄，交越失真越嚴重。</p><p><b>　　1.4 發(fā)展趨勢</b></p><p>　　作為一種新型的放大器，目前已有多種型號的專門D類功率放大集成電路推出。如TDA7480、TDA7481

32、、TDA7482、MAX9714、MAX9712（配耳機用）等。此類電路將脈寬調(diào)制電路（PWM）和功率放大電路集合在一起，只需外接低通濾波電路即可。此類電路具有輸出功率大，電路簡單等優(yōu)點，特別適合于大屏幕彩電的輸出、車載立體聲系統(tǒng)、多媒體電腦功放、音響系統(tǒng)中的低音輸出等。</p><p>　　近年來，由于便攜式音頻設(shè)備、計算機多媒體設(shè)備以及汽車音響的迅速發(fā)展,對功率放大器的效率和體積提出了非常高的要求。Ｄ類放大器

33、由于工作在開關(guān)狀態(tài),效率可高出線性放大器2~3倍，因此能極大地降低能源損耗,減小放大器體積，在體積、效率和功耗要求較高的場合具有很大的優(yōu)勢。</p><p><b>　　2 設(shè)計任務(wù)</b></p><p><b>　　2.1 設(shè)計的任務(wù)</b></p><p>　　D類功放具有效率高、體積小、重量輕、輸出功率大等優(yōu)點。

34、隨著半導(dǎo)體及微電子制造技術(shù)的不斷發(fā)展，高速、大功率器件已越來越多，人們對音頻功率放大器的要求更加趨向高效、節(jié)能和小型化，所以D類音頻功率放大器越來越受到人們的重視。D類放大器是目前音頻播放器的非常有前途的發(fā)展方向，他更好地適應(yīng)了便攜式電子音頻設(shè)備對功率放大器的高效率，低失真的的發(fā)展要求。</p><p>　　設(shè)計一個D類功率放大器，并完成電路基于PSPICE的仿真調(diào)試?；疽螅?lt;/p><p

35、>　　功率放大器的電源電壓為+5V（電路其他部分的電源電壓不限），負載為8Ω</p><p>　?。?）通頻帶為300～3400Hz，輸出正弦信號無明顯失真</p><p>　　（2）最大不失真輸出功率≥1W</p><p>　?。?）輸入阻抗>10kΩ，電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)</p><p>　?。?）在輸出功率為500m

36、W時測量功率放大器的效率≥50%</p><p>　　2.2 對設(shè)計任務(wù)的分析</p><p>　　2.2.1 設(shè)計框圖</p><p>　　我們需要設(shè)計的有以下模塊（如圖2-1）：</p><p>　　三角波產(chǎn)生電路、音頻前置放大電路、脈寬調(diào)制電路、脈沖功率放大電路（包含驅(qū)動電路和開關(guān)電路）和低通濾波器。</p><p&

37、gt;　　圖2-1 D類功率放大器設(shè)計框圖</p><p><b>　　各模塊介紹如下：</b></p><p>　　音頻前置放大電路：因為輸入的音頻信號幅度比較小，所以要先前置放大再與三角波進行比較。通過調(diào)節(jié)反饋電阻的大小就可以實現(xiàn)增益0到20倍可調(diào)。</p><p>　　鋸齒波發(fā)生器：產(chǎn)生三角波，與輸入音頻信號比較。由于音頻信號頻率是從2

38、0Hz到20kHz，為了達到較好的還原效果，三角波頻率應(yīng)該遠大于音頻，在這里三角波的頻率選取150k。</p><p>　　脈寬調(diào)制電路：利用高精度的比較器LM311對輸入信號和三角波進行比較，通過調(diào)節(jié)同相端的電位器可以調(diào)節(jié)輸入信號的直流電平，獲得脈寬與輸入信號幅度成正比的調(diào)制信號。</p><p>　　脈沖功率放大電路：任務(wù)是把信號中的調(diào)制信號解調(diào)出來，進行放大。采用四只場效應(yīng)管為核心，

39、組成對稱橋式輸出電路，其驅(qū)動電路采用單邊驅(qū)動，共射互補方式。</p><p>　　低通濾波：作用是濾除載波，使輸入的音頻信號完全通過。采用四階巴特洛斯低通濾波器，它具有高頻衰減快的優(yōu)點。對低通濾波器的要求是上限頻率大于20kHz,在通頻帶內(nèi)特性平坦。</p><p>　　2.2.2 高效率原理分析</p><p>　　D類功放采用脈寬調(diào)制（PWM）原理設(shè)計，其功放管

40、工作在開關(guān)狀態(tài)。在理想情況下，功放管導(dǎo)通時內(nèi)阻為零，兩端沒有電壓，因此沒有功率損耗；而截止時，內(nèi)阻無窮大，電流又為零，也沒有功率損耗。它在實際的工作中的功率消耗主要由兩部分構(gòu)成：轉(zhuǎn)換損耗和I2R損耗。轉(zhuǎn)換損耗如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 轉(zhuǎn)換損耗的產(chǎn)生</p><p>　　當(dāng)開關(guān)式放大器輸出在接通和斷開之間切換，或斷開和接通之間切換時通過線性區(qū)域而消耗功率。在D類功放中

41、開關(guān)管如果采用的是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET管），它的開關(guān)導(dǎo)通電阻較小一般遠遠小于1Ω，所以損耗相對來說還是很小的。當(dāng)達到最大額定功率時，D類放大器的效率在80％到90％的范圍內(nèi)。在典型的聽音條件下，效率也可達到65％到80％左右，約為AB類放大器的兩倍以上。提高效率，就是要減少功率器件自身的功率損耗。器件的功率損耗為PT=UI。如果加電壓U時把電流I減至最小，或者通電流I時將電壓U降至最低，則PT就可以降低。</

42、p><p>　　2.2.3 PWM調(diào)制分析</p><p>　?。?）從能量的角度來看，在每個時間內(nèi)，正弦波與所對應(yīng)的脈寬波所包含的能量等，這樣調(diào)制后得到的脈寬調(diào)制波作用在一個慣性系統(tǒng)（RLC）后，其效果與響應(yīng)的正弦波相同。</p><p>　?。?）從頻域角度分析，三角波經(jīng)過調(diào)制得到典型的正弦脈寬調(diào)制波形（如下圖2-5）：</p><p>　　

43、圖2-4 PWM波形</p><p>　　這種周期信號的頻譜對應(yīng)離散譜，對于信號頻率為，載頻頻率為的調(diào)制信號，其頻譜主要分布在譜線上。當(dāng)時，調(diào)制信號通過低通濾波器后，載頻衰減極大，容易分離出語音信號。</p><p><b>　　3 仿真軟件</b></p><p>　　本設(shè)計是基于PSPICE仿真來測試電路結(jié)果的，使用的軟件是ORCAD。

44、</p><p>　　現(xiàn)代電路的設(shè)計離不開CAD（計算機輔助設(shè)計）技術(shù)的應(yīng)用。電路設(shè)計人員應(yīng)用CAD技術(shù)進行電路設(shè)計時，借助于計算機的存儲和計算能力，可以采用精確的模型，在計算機上生成電路或系統(tǒng)，并可對生成的電路系統(tǒng)進行分析和計算、直接模擬電路的各種功能。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，電子線路CAD技術(shù)目前也正迅速地普及并朝著EDA（電子設(shè)計自動化）方向發(fā)展。EDA技術(shù)可更好地把計算機的快速、高精度、大存儲容量、嚴格的邏

45、輯判斷能力以及強大的數(shù)據(jù)處理能力與人的創(chuàng)造性思維能力結(jié)合起來，與傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法相比具有顯著的優(yōu)越性。</p><p>　　ORCAD軟件是由美國Cadence公司開發(fā)的微機級EDA(電子設(shè)計自動化)軟件系統(tǒng)，ORCAD的EDA軟件系統(tǒng)由四部分組件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 ORCAD結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　ORCAD/Cap

46、ture是其它幾個組件的前端模塊，它是一個功能強大的電路原理圖設(shè)計軟件,，此外還承擔(dān)設(shè)計項目的統(tǒng)一管理功能。</p><p>　　ORCAD/PSPICE是一個電路模擬分析軟件，它可以對模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)/?；旌想娐愤M行模擬分析，此外還具有優(yōu)化設(shè)計的功能。</p><p>　　ORCAD/Express是一個可編程邏輯設(shè)計軟件。</p><p>　　ORCAD/

47、Layout是一個印刷電路板設(shè)計軟件。</p><p>　　ORCAD軟件包中電路模擬分析的核心軟件是PSPICE A/D。利用PSPICE A/D可以對電路進行直流特性分析、交流特性分析、瞬態(tài)特性分析、參數(shù)掃描、統(tǒng)計分析和邏輯模擬。</p><p>　　ORCAD/PSPICE對電路進行模擬分析一般需分9個步驟（圖3-2）：</p><p>　　新建設(shè)計項目 Pr

48、oject Manager</p><p>　　繪制電路圖ORCAD/Capture</p><p>　　編輯修改電路圖ORCAD/Capture</p><p>　　仿真分析要求設(shè)置Simulation Profile</p><p>　　電路模擬PSPICE A/D </p><p>　　模擬結(jié)果分析Probe

49、</p><p>　　優(yōu)化設(shè)計PSPICE/Optimizer</p><p>　　否 相關(guān)的電路特性都已模</p><p>　　擬分析且滿足設(shè)計要求？</p><p><b>　　是</b></p><p><b>　　設(shè)計結(jié)果輸出</b><

50、;/p><p>　　圖3-2 電路仿真分析和設(shè)計的一般過程</p><p>　　新建設(shè)計項目是在ORCAD/Capture中調(diào)用設(shè)計項目管理器（Project Manager）進行的。</p><p>　　電路圖繪制和元器件參數(shù)的編輯修改都是在ORCAD/Capture環(huán)境下進行。</p><p>　　電路特性分析要求設(shè)置是通過建立Simula

51、tion Profile文件完成的。</p><p>　　電路的模擬是通過調(diào)用PSPICE A/D進行的, 模擬分析的結(jié)果存入以out為擴展名的文本文件和以dat為擴展名的波形數(shù)據(jù)文件中。</p><p>　　模擬結(jié)果可以在PSPICE A/D窗口顯示。</p><p>　　4. 總體設(shè)計與仿真</p><p>　　一般的脈寬調(diào)制D類功放的

52、設(shè)計框圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 D類功放設(shè)計方框圖</p><p>　　圖4-2為其各點工作波形示意圖</p><p>　　圖4-2 各點波形</p><p>　　其中（a）為經(jīng)放大的輸入信號；（b）為三角波與輸入信號進行比較的波形；（c）為調(diào)制器輸出的脈沖（脈寬波形）；（d）為功率放大器放大后的脈寬脈沖；（e）為

53、低通濾波后的放大信號。</p><p>　　4.1 三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　三角波是對輸入音頻信號進行抽樣的載波，因為音頻信號頻率是從20Hz到20kHz，為了達到較好的還原效果，三角波頻率應(yīng)該遠大于音頻。</p><p>　　綜合考慮保真度及整機復(fù)雜度，載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路實現(xiàn)，選擇150kHz的載波，使用四階Butterwor

54、th LC濾波器，輸出端對載頻的衰減大于60dB，能夠滿足題目的要求，所以我們選擇載波頻率為150kHz。</p><p>　　利用雙運放TL082來完成三角波產(chǎn)生電路。前一級運放構(gòu)成施密特觸發(fā)器，輸出為高電平是低電平是零的方波。后一級運放與C構(gòu)成積分器，當(dāng)前一級產(chǎn)生的方波占空比為50％時，輸出為上升下降時間相等的三角波。因為PWM調(diào)制時，要求三角波與輸入信號的直流電平一致，所以這里用電位器來調(diào)節(jié)其直流電平。電路

55、圖如圖4-2所示。</p><p>　　電路參數(shù)的計算：在5V單電源供電下，我們將運放2腳和比較器5腳的電位用R6、R7調(diào)整為2.5V，由仿真結(jié)果已知三角波幅值為0.8V，方波幅值為2v，</p><p>　　而 （4-1）</p><p>　　取R10=20KΩ，則R17=50KΩ。</p><p>　　已知三角波頻率f為15

56、0KHZ，若選定C7為220pf，則</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　圖4-2 三角波產(chǎn)生電路</p><p><b>　　仿真分析：</b></p><p>　　如圖4-3所示，綠色波OUT1形表示方波，紅色波形OUT2表示三角波信號，頻率f為150KHZ，周

57、期T為6us，三角波幅值為0.8v；方波幅值為2v。</p><p>　　圖4-3 三角波發(fā)生電路</p><p>　　4.2 音頻前置放大電路</p><p>　　設(shè)置前置放大器，可使整個功放的增益從1～20連續(xù)可調(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，其8Ω上的電壓=8V，此時送給比較器音頻信號的值應(yīng)為2V，則功放的最大增益約為4

58、（實際上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其電壓增益要略大于4）。因此必須對輸入的音頻信號進行前置放大，其增益應(yīng)大于5。</p><p>　　前放采用LM324，其頻帶較寬、轉(zhuǎn)換速率（擺率）較快，適合用于對音頻信號的放大，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。電路圖如圖4-4所示。選擇同相放大器的目的是容易實現(xiàn)輸入電阻≥10kΩ的要求。同時，采用滿幅運放可在降低電源電壓時仍能正常放大，取，要求輸入電阻大于10kΩ，故取

59、R1=R2=51kΩ，則=51/2=25.5kΩ，反饋電阻采用電位器R4，取R4=20kΩ，反相端電阻R3取2.4kΩ，則前置放大器的最大增益Av為：</p><p><b>　　（4-3）</b></p><p>　　調(diào)整R15使增益約為8 ，則整個功放的電壓增益從0～32可調(diào)。</p><p>　　考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值

60、<0.75V，取=0.75V，則要求輸入的音頻最大幅度=0.75/8=0.093mV。超過此幅度則輸出會產(chǎn)生削波失真。</p><p>　　如圖4-4所示，輸入幅度為0.05V、頻率為1KHZ的正弦波信號。</p><p>　　圖4-4 音頻前置放大電路</p><p><b>　　仿真分析：</b></p><p&

61、gt;　　如圖4-5所示，紅色波形IN表示輸入信號，綠色波形OUT3表示輸出信號，幅度放大倍數(shù)為5。</p><p>　　圖4-5 音頻前置放大電路</p><p>　　4.3 脈寬調(diào)制電路</p><p>　　利用高精度的比較器LM311對輸入信號和三角波進行比較，通過調(diào)節(jié)同相端的電位器可以調(diào)節(jié)輸入信號的直流電平，必須保證輸入信號與三角波的直流電平相等，才能使最

62、終經(jīng)濾波后得到的波形不失真。因為LM311的輸出端是集電極開路結(jié)構(gòu)，所以必須加上拉電阻。LM311是精密、高速的比較器。電路圖如圖4-6所示。</p><p>　　2端輸入音頻放大信號，3端輸入三角波信號。</p><p>　　圖4-6 脈寬調(diào)制電路</p><p><b>　　仿真分析：</b></p><p>　　

63、如圖4-7（1）、（2）所示，由三角波與音頻信號比較得到。</p><p>　　圖4-7（1） PWM波形</p><p>　　圖4-7（2） PWM波形</p><p>　　4.4 脈沖功率放大電路</p><p>　　脈沖功率放大電路包含驅(qū)動電路和H橋開關(guān)功放電路。</p><p>　　4.4.1 驅(qū)動電路&l

64、t;/p><p>　　從PWM調(diào)制器出來的PWM波形的上升下降時間有點大，所以要通過非門來整形。如果直接將非門輸出的信號接到場效應(yīng)管的柵極，電壓會被拉低，所以要加三極管來驅(qū)動。通過非門并聯(lián)的方式來增加電流來驅(qū)動三極管的基極，三極管的射極輸出再來驅(qū)動場效應(yīng)管。電路如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 驅(qū)動電路</p><p><b>　　仿真分析：&

65、lt;/b></p><p>　　如圖4-9所示，有輸出波形可以看出，兩輸出端輸出高低電平正好相反，這樣使后面的H橋電路起到開關(guān)的作用，即四個場效應(yīng)管，相對的兩組管子相互導(dǎo)通，這樣就降低了功耗，并且不需要給場效應(yīng)管加散熱片，給電路設(shè)計帶來了方便，還提高了功放的效率。</p><p>　　圖4-9 驅(qū)動信號</p><p>　　4.4.2 H橋開關(guān)功放電路&l

66、t;/p><p>　　采用四只場效應(yīng)管為核心，組成對稱橋式輸出電路。四個場效應(yīng)管驅(qū)動一大電流進入低阻抗感性負載，場效應(yīng)管輪流成對導(dǎo)通，當(dāng)一對導(dǎo)通時另一對就截止；為了避免兩對場效應(yīng)管同時處于導(dǎo)通或截止狀態(tài)，電路應(yīng)該保證一對場效應(yīng)管導(dǎo)通和另一對場效應(yīng)管截止不會重疊，這就要求從前面的驅(qū)動電路出來的信號上升下降時間很短。受調(diào)制的方波總是使功率開關(guān)管盡可能快的改變狀態(tài)，縮短了場效應(yīng)管工作在線性工作區(qū)的時間，使效率大大提高。H橋

67、電路圖如圖4-10所示。</p><p>　　對VMOS場效應(yīng)管的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓因輸出功率稍大于1W，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動的對管，IRFD120和IRFD9120VMOS對管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之?；パaPWM開關(guān)驅(qū)動信號交替開啟Q5和Q8或Q6和Q7，分別經(jīng)兩個4階Butterworth濾波器濾波后工作。</p><p&

68、gt;　　圖4-10 脈沖功率放大電路</p><p><b>　　仿真分析：</b></p><p>　　如圖4-11所示，從經(jīng)H橋后輸出的波形可以看出，波形放大了2倍左右，并且在原來方波的基礎(chǔ)上疊加了量化后的數(shù)字波形。</p><p>　　圖4-11 H橋信號</p><p><b>　　4.5 低通濾

69、波器</b></p><p>　　濾波器的作用是濾除載波，使輸入的音頻信號完全通過。所以設(shè)計濾波器要使20到20kHz的通頻帶盡可能平坦，150k的載波要衰減盡可能大。在這里使用的是四階巴特洛斯濾波器，它具有高頻衰減快的優(yōu)點，通過PSPICE軟件模擬后，最后確定C1＝1uF，C2＝0.68uF，L1＝22uH，L2＝47uH。電路圖如圖4-12所示。</p><p>　　圖4-

70、12 低通濾波器</p><p>　　如圖4-13所示，紅色波OUT3形表示輸入音頻信號，綠色波形OUT9和紫色波形OUT10表示輸出信號，兩波形正負相反。經(jīng)輸入和輸出波形的比較，發(fā)現(xiàn)輸出波形比輸入波形的幅度大了幾倍，頻率不變。</p><p>　　負載RL的最大電壓為</p><p>　　圖4-13 濾波后的信號</p><p>　　由圖

71、4-14的功率圖可得：</p><p>　　電路輸出功率：=2.249W</p><p>　　電源供給的功率：=2.701W</p><p><b>　　功放的效率η為：</b></p><p>　　圖4-14 功率圖</p><p><b>　　4.6 總電路圖</b>&

72、lt;/p><p><b>　　如下圖所示：</b></p><p>　　圖4-14 總電路圖</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計方案以高效率D類功率放大器為核心，利用PWM信號控制MOSFET構(gòu)成的H橋電路進行功率放大，實現(xiàn)了全部設(shè)計指標要求。</p&g

73、t;<p>　　設(shè)計和調(diào)試過程中遇到了許多困難和問題，通過認真分析和實踐驗證獲得較為理想的效果，這也讓我深刻體會到了實驗調(diào)試的重要性，提高了解決實際問題的能力。</p><p>　　近年來,由于便攜式音頻設(shè)備、計算機多媒體設(shè)備以及汽車音響的迅速發(fā)展,對功率放大器的效率和體積提出了非常高的要求。Ｄ類放大器由于工作在開關(guān)狀態(tài),效率可高出線性放大器2~3倍，因此能極大地降低能源損耗,減小放大器體積，在體積

74、、效率和功耗要求較高的場合具有很大的優(yōu)勢。</p><p>　　D類功放具有效率高、體積小、重量輕、輸出功率大等優(yōu)點。隨著半導(dǎo)體及微電子制造技術(shù)的不斷發(fā)展，高速、大功率器件已越來越多，人們對音頻功率放大器的要求更加趨向高效、節(jié)能和小型化，所以D類音頻功率放大器越來越受到人們的重視。D類放大器是目前音頻播放器的非常有前途的發(fā)展方向，他更好地適應(yīng)了便攜式電子音頻設(shè)備對功率放大器的高效率，低失真的的發(fā)展要求。</

75、p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本人在做設(shè)計期間，得到了周老師的精心指導(dǎo)。不管是軟件使用，元件的參數(shù)設(shè)置，原理分析，還是論文的書寫，都得到了老師的細心指導(dǎo)，在此表示由衷的感謝。</p><p>　　一轉(zhuǎn)眼，在電子信息學(xué)院四年的校園生活就要結(jié)束了，雖然說是順利的完成了所有的學(xué)業(yè)，但是即將離開學(xué)校卻還是覺得十分的不舍。在學(xué)

76、院四年里，讓我感觸很深。在學(xué)習(xí)上，自己應(yīng)該要有求新的意識和學(xué)習(xí)新知識的能力。在工作上，我在學(xué)生會得到了很多鍛煉自己的機會。在這里我要特別感謝老師對我的照顧，他們在學(xué)習(xí)過程當(dāng)中給予我指導(dǎo)、鼓勵、幫助，最重要的是教導(dǎo)我們?nèi)绾螢槿颂幨隆＿@讓我不僅在學(xué)業(yè)方面收益頗多，在待人處事方面也受益非淺。</p><p>　　首先衷心感謝周導(dǎo)師！從論文的選題、可行性分析、文獻的收集、到課題研究的開展，特別是論文的撰寫，導(dǎo)師都給予了無

77、微不至的關(guān)懷，提出了許多建設(shè)性的意見。導(dǎo)師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識，保證了畢業(yè)設(shè)計和論文的順利完成；工作上不辭辛勞、踏實敬業(yè)的高尚精神，生活中質(zhì)樸謙和、誨人不倦的師者風(fēng)范，給我留下了深深的印象，是我學(xué)習(xí)的楷模，鞭策著我不斷進步。導(dǎo)師不僅傳授了我寶貴的知識，還在思想上給予我深刻的教誨，在生活上給予我無微不至的關(guān)懷。由于自己一直在外實習(xí)工作沒時間做畢業(yè)設(shè)計,但是老師并沒有放棄我，而是不時的督促我，指導(dǎo)我，通過電話，短信，QQ全方面的給我輔

78、導(dǎo)，花費了不少的精力。在此，我向她表示最衷心的感謝！由衷的說句“老師您辛苦啦！”</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 倪磊.D類音頻功率放大器的分析和設(shè)計要素[J].電子與封裝，2008，6，第8卷第6期.</p><p>　　[2] Sean Davis.D類放大器的發(fā)展趨勢[J].今日電子，2005，9

79、.</p><p>　　[3] 中國企業(yè)庫網(wǎng).</p><p>　　[4] 功率放大器：百度百科.</p><p>　　[7] 林云.D類功率放大器的原理與應(yīng)用[J].電子制作，2007，11.</p><p>　　[9] 鄭友均.D類功率放大器的設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品.2010年04期.</p><p>　　[

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