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1、 专业资料 临沂大学理学院 毕业论文 设计 D 类类功率放大器 姓 名 胡锦锦涛涛 学 号 200000000000 年 级 2008 专 业 电电子信息工程 系 院 理学学院 指导教师 奥奥巴马马 专业资料 2012 年 5 月 15 专业资料 摘 要 本文介绍了大功率 D 类音频放大电路的设计 比较了他们各自的优缺点 重点分析了音频放大器的原理 D 类音频放大器采用脉宽调制 PMW 信号而 不是 AB 放大器通常采用的线性信号 D 类放大器比 AB 类放大器效率高的多 利用上述技术原理 输出级的损率变得极低 本文中的 D 类音频功率放大器的功 率器件受一高频脉宽调制信号的控制 使其工作在开
2、关状态 理论上效率可达 100 但其不足之处在于会产生高频干扰及噪声 本文具体论述了一种基于晶 体管的 D 类音频功率放大器的设计组成 关键词 PWM 调制 功率放大 电压开关型驱动电路 专业资料 ABSTRACT In this paper the design and application of the class D audio amplifier are described the theory of all kinks of audio power amplifiers is introduced emphatically The Pulse Width Modulation PW
3、M signal is adopted in audio Class D amplifier which is a Switch Mode amplifier and the linear signal is adopted in audio Class AB amplifier The main advantage of class D amplifier is their efficiency which higher than that of class AB amplifiers In D in the article audio frequency power advice powe
4、r of amplifier modulate the control of the signal by one high frequency pulse width originally make it work switch state its efficiency in theory can up to 100 but in a insufficient one it is it can produce high frequency interfere and noise to lie in to appear Key words PWM modulation D power ampli
5、fier the voltage switching drive circuit 专业资料 目 录 1 引言 1 2 D 类类功放的简简介 1 2 1 D 类功放的简介 1 2 2 D 类功放的发展历程 1 2 3 功率放大器的基本结构 1 2 4 对功率放大器的基本要求 3 3 D 类类功放的特点与与电电路组组成 3 3 1 功放的分类及特点 3 3 2 传统功放与 D 类功放的比较 5 3 3 D 类功放基本结构 6 3 4 D 类功放的特点 7 3 5 D 类功放的要求 8 4 结论结论 10 参参 考 文 献献 11 专业资料 致 谢谢 12 专业资料 1 引言 D 类音频功率放大器
6、它是近年来刚发展起来的一种音频放大器 通常叫 做 D 类功率放大器 它的工作电压在 12 5V 30V 之间 工作效率在理想状态下 为 100 它具有功率大 效率高 失真小的特点 在高保真音响设备中 功率放大器用来对各种音源输出的音频信号进行加 工处理和不失真地放大 使之达到一定的功率去推动扬声器发声 其中 如何对 音频信号进行功率放大 使之达到功率大 效率高 失真小 是功率放大器所 要解决的最主要问题 2 D 类功放的简介 2 1 D 类功放的简介 D 类功放指的是 D 类音频功率放大器 有时也称为数字功放 通过控制开 关单元的 ON OFF 驱动扬声器的放大器称 D 类放大器 D 类放大器
7、首次提出于 1958 年 近些年已逐渐流行起来 已经问世多年 与一般的线性 AB 类功放电路 相比 D 类功放有效率高 体积小等特点 2 2 D 类功放的发展历程 传统的音频功率放大器有 A 类 B 类 AB 类等几种 几十年在音频领域中 它们一直占据统治地位 音频功率放大器发展经历了这样的几个过程 所有器件 从电子管 晶体管到集成电路的过程 电路组成从单管到推挽的过程 电路形 成从变压器输出到 OTL OCL BTL 的形式过程 其基本类型是模拟音频功率放 大器 它的最大缺点是效率太低 全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视 频设备的环保要求 迫使人们开发 高效 节能 环保 数字化的音频功
8、率放大 器 它应该具有工作效率高 便于与其它数字化设备相连接的特点 D 类功率放 大器就是 PWM 型功率放大器 它基本符合上面的要求 近几年来 国际上对 D 类 功放的研究与开发已经有了很大的发展 几家著名的研究机构与公司已经成功的 研制出好几种此类的音频功率放大器 这一技术显示了它高效 节能 环保 数 字化的特点 现在这一技术正在迅猛发展 前景一片光明 2 3 功率放大器的基本结构 在高保真音响电路中 功放电路通常由两个或两个以上的音频声道所组成 每个声道分为两个主要的部分 即前置放大器和功率放大器 两部分电路可分设 在两个机箱内 也可组装在同一个机箱内 后者称为综合放大器 由于左 右声
9、道完全相同 所以在双声道电路中只介绍其中一路 电路组成框图如图 1 所示 图中左侧为前置放大器 右侧为功率放大器 3 4 专业资料 图 1 功率放大器电路组成框图 1 前置放大器的组成 前置放大器具有双重功能 它要选择所需要的音 源信号 并放大到额定电平 还要进行各种音质控制 以美化声音 这些功能由 均衡放大 音源选择 输入放大和音质控制等电路来完成 音源选择 音源选择电路的功能是选择所需的音源信号送入后级 同时关 1 闭其他音源通道 各种音源的输出是各不相同的 通常分为高电平与低电平两类 调谐器 录音座 CD 唱机 VCD DVD 影碟机等音源的输出信号电平达 50 500mV 称为高电平音
10、源 可直接送入音源选择电路 而动圈式和动磁式 电唱机的输出电平仅为 0 5 5mV 称为低电平音源 须经均衡放大后才能送 入音源选择电路 线路输入端又称为辅助输入端 可增加前置放大器的用途和灵 活性 供连接电视信号和其他高电平音源之用 输入放大 输入放大器的作用是将音源信号放大到额定电平 通常是 1V 2 左右 输入放大器可设计为独立的放大器 也可在音质控制电路中完成所需要的 放大 音质控制 音质控制的目的是使音响系统的频率特性可以控制 以达到高 3 保真的音质 或者根据聆听者的爱好 修饰与美化声音 有时还可以插入独立的 均衡器 以进一步美化声音 音质控制包括音量控制 响度控制 音调控制 左
11、右声道平衡控制 低频噪声和高频噪声抑制等 2 功率放大器的组成 虽然功率放大器的电路类型很多 但基本上都由 激励级 输出级和保护电路所组成 激励级 激励级又可分为输入激励级和推动激励级 前者主要提供足够的 1 电压增益 后者还需提供足够的功率增益 以便能激励功放输出级 输出级 输出级的作用是产生足够的不失真输出功率 为了获得满意的频率 2 特性 谐波失真和信噪比等性能指标 可在输出级与激励级之间引入负反馈 保护电路 保护电路用来保护输出级功率管和扬声器 以防过载损坏 此外 3 一个完备的高保真功率放大器 还必须设置直流稳压电源及电平显示电路等 专业资料 2 4 对功率放大器的基本要求 1 输出
12、功率要大 为了得到足够大的输出功率 功放管的工作电压和电 流接近极限参数 功放管集电极的最大允许耗散功率与功放管的散热条件有关 改善功放管的散热条件可以提高它的最大允许耗散功率 在实际使用中 功放管 都要按规定安装散热片 2 效率要高 扬声器获得的功率与电源提供的功率之比称为功率放大器 的效率 功率放大器的输出功率是由直流电源提供的 由于功放管具有一定的内 阻 所以它会有一定的功率损耗 功率放大器的效率越高越好 3 非线性失真要小 由于功率放大器中信号的动态范围很大 功放管工 作在接近截止和饱和状态 超出了特性曲线的线性范围 必须设法减小非线性 失真 3 D 类功放的特点与电路组成 3 1 功
13、放的分类及特点 传统的功率放大器主要有 A 类 甲类 B 类 乙类 AB 类 甲乙类 除此之外 还有工作在开关状态下的 D 类 丁类 功放 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功率放大器 其晶 体管总是工作在放大区 并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性 放大区域 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小 效 率低 理想情况下的效率为 50 考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损 耗 A 类功率放大器的效率仅为 20 左右 1 2 如图 2 图 2 A 类功放工作曲线 专业资料 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 因为 其
14、晶体管只有在输入信号的正半周期工作在放大区 在输入信号的负半周是截 止的 它的优点是在理想的情况下其效率为 78 5 比 A 类提高了很多 其缺点是 非性失真比 A 类功放大 而且会产生交越失真 增加噪声 如图 3 图 3 B 类功放工作曲线 AB 类功率放大器是以两类的结合 是每个功率放大器的导通时间在 50 100 此类功率放大器流行过一段时间 它兼顾了失真与效率两方面的 性能指标 在设计该功率放大器是要设置晶体管的静态偏置电路 使其工作在甲乙 类状态 这类放大器的失真要比乙类的小 但其效率比乙类功放要低一些 如图 4 专业资料 图 4 AB 类功放工作曲线 3 2 传统功放与 D 类功放
15、的比较 功率消耗在所有线性输出级 因为产生输出电压 vout 的过程中不可避免地 会在至少一个输出晶体管内造成非零的 ids 和 vds 功耗大小主要取决于对输出 晶体管的偏置方法 A 类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流 dc 电流源 能够提供扬 声器需要的最大音频电流 A 类放大器输出级可以提供优良的音质 但功耗非常 大 因为通常有很大的 dc 偏置电流流过输出级晶体管 这是我们不期望的 而没有提供给扬声器 这是我们期望的 B 类放大器拓扑结构没有 dc 偏置电流 所以功耗大大减少 其输出晶体 管是以推拉方式独立控制 从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流 而低端 晶体管吸收负电流 由于只
16、有信号电流流过晶体管 因而减少了输出级功耗 但是 B 类放大器电路的音质较差 因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间 切换时会造成线性误差 交越失真 A B 类放大器是 A 类放大器和 B 类放大器的组合折衷 它也使用 dc 偏 置电流 但它远小于单纯的 A 类放大器 小的 dc 偏置电流足以防止交越失真 从而能提供良好的音质 其功耗介于 A 类放大器和 B 类放大器之间 但通常更接 近于 B 类放大器 与 B 类放大器电路类似 A B 类放大器也需要一些控制电路以 使其提供或吸收大的输出电流 不幸的是 即使是精心设计 A B 类放大器也有很大的功耗 因为其中 等范围的输出电压通常远离正电源或负电源 由于漏源极之间的电压降很大 所 以会产生很大的瞬时功耗 ids vds D 类放大器由于具有不同的拓扑结构 其功 耗远小于上面任何一类放大器 D 类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换 从而产生一串电压脉冲 这种波形有利于降低功耗 因为当输出晶体管在不导通 时具有零电流 并且在导通时具有很低的 vds 因而产生较小的功耗 ids vds 3 3 D 类功放基本结构 D 类功放的电路组
