数字功放的设计

本科生毕业论文（设计）题目:数字功放的设计姓名:江丹学院:专业:班级:学号:指导教师:2014年5月25日第1页目录引言................................................................21功放简介与发展现状................................................31.1功放的种类..................................................31.1.1A类功率放大器.........................................31.1.2B类功率放大器.........................................31.1.3AB类功率放大器........................................31.1.4D类功率放大器.........................................41.2数字功放的发展现状...........................................42数字功放的基本原理及电路组成......................................52.1数字功放的工作原理..........................................52.2数字功放的电路组成..........................................63各模块电路设计....................................................73.1前置放大电路................................................73.2三角波产生电路..............................................83.3比较器电路..................................................93.4驱动电路...................................................103.5功放与低通滤波电路.........................................113.6直流稳压电源...............................................134功能仿真与数据分析...............................................124.1各电路仿真结果..............................................124.1.1前置放大信号..........................................124.1.2三角波信号............................................134.1.3PWM码................................................134.1.4经过功放管的PWM码....................................134.4.5还原出的音频信号......................................144.2数据计算与分析.............................................144.2.1电压放大倍数..........................................144.2.2效率................................................144.2.3通频带宽度............................................155数字功放干扰抑制.................................................156D类功放的发展与技术展望.........................................166.1D类功放的不足..............................................166.2D类功放的最新发展——T类功率放大器........................16结论..............................................................17致谢..............................................................18参考文献...........................................................18附录...............................................................19第2页数字功放的设计电子信息工程专业学生摘要：在日常生活中，我们已经感受到了电子技术给我们带来的便捷。在我们使用的各类电子设备中，数字功放正发挥着其不可替代的作用。所以设计出功能优异的数字功放已经是各大电子器件制造商的迫切任务。本文从数字功放的基本原理出发，着重介绍了它的各个电路组成部分。利用Multisim软件对所设计的电路进行功能仿真，并且达到了预期的效果。在实际电路中，针对其产生的电磁干扰提出了一些抑制方法。最后数字功放的发展趋势进行了简要描述。关键词：PWM码门驱动电路滤波电路电磁干扰引言随着科学技术的不断发展，各种各样的电子产品层出不穷，例如笔记本电脑、移动通信终端、音箱等。这些事物的出现极大的丰富了我的日常生活，给我们的工作带来了很多便捷。然而，要使这些产品正常工作，数字功放是不可或缺的。数字功放其功放管的工作在导通和截止状态，如果输入信号使功放管处在导通状态，此时在理想状态下晶体管的内阻近似为零，所以管子两端没有压降，自然就不会产生功率消耗；如果输入信号使晶体管处在截止状态，那么晶体管的内阻就为无穷大，流经管子的电流就为零，也没有功率消耗。所以，晶体管在控制电路工作时是不会消耗功率的，这正是功放管能够达到比较高的效率的原因之一。正是由于数字功放的优越性能，所以它被广泛应用于电子设备中。因此，设计出符合要求的数字功放就显得格外重要。1功放简介与发展现状1.1功放的种类1.1.1A类功率放大器A类功放又称为甲类功放，如图1.1（a），对于此放大器的功率输出管，必须将其Q值设置在直流负载线的中点部分，因为这部分的线性最佳。这样输人信号在正负两个半周期内都能够使放大管在线性放大状态下工作，这时其导通角为360°。随之带来的问题就是能量转换效率很低，电路的最高效率也只有25%，并且需要两种晶体管交替互补才能使整个周期都处在放大状态，也不可避免地产第3页生交越失真。在没有输入信号时，对于A类功放电路任然需要消耗能量，所以此时能量转换效率为零。正是因为一个A类放大器的能量转换效率低，因此它主要用于电压放大，在功率放大器电路中少用。1.1.2B类功率放大器B类功率放大器又叫乙类功放如图1.1（b）。将其静态工作点Q设置在电压最大和电流为零的截止点上，这样它的导通角就为180°。工作的方式为，当输人信号时，输入信号的正半周处在管子的导通区从而被放大，而负半周就被截止了。也就是说，B类功放只能将的输入信号的正半周期进行功率放大，由于此电路的导通角只有一个输入信号周期的一半，只有用两只管子组成互补推挽级电路才能完成放大，只用一只管子是很难对音频信号进行放大的。在工作时，其中一只管子将正半周信号进行放大输出，另一只管子则将负半周信号放大输出，这样组成一个完整的信号输出。但是问题出现了，两个半周信号在正负周期的临界点处由于衔接得不是太好就易出现信号失真。由于这种失真发生在一个信号的零电平处，它被称为过零失真。在放大音频信号时，播放器就会产生开关噪声。静止时工作电流为零，并且必须采用推挽工作方式是B类放大器的重要特征。值得注意的是，它的效率可以达到70％-80％,这在功放电路中是很高的，B类功放的设计思路可以运用于其它功放的改进电路当中。1.1.3AB类功率放大器此类功放在设计时将工作点Q设置在A类和B类之间并且相对靠近B类处，如图1.1(c),这样其导通角就为200°左右，像B类功放一样，由于单管不能完整地对输入信号进行放大，所以也就必须采用互补推挽工作模式。正是由于互补的两只管子它们的导通角均大于180°，从而把输出信号合并在一起就会产生一个重叠区。两只管子工作的切换点正好就处在这个重叠区中，所以就不担心因衔接不好而产生的开关噪声。导通角大于180°，采用互补推挽工作是该类功放的显著特征。需要提及的是，在输人信号很小，以至于小到在多余的20°内放大都不失真时，管子的工作状态就与A类相同了。此时AB类功放就成为A类放大器了。所以AB类放大器非常适合对小信号进行放大。它的工作条件是必须将两只管子配对使用，来抑制过零失真。第4页1.1.4D类功率放大器D类功率放大器是基于离散时间放大器设计思想的，人们对它研究近一个半世纪的时间，直到1970个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS）后，实现了开关器件的高性能，开发了一个D类功率放大器频带宽，这才研发出宽频带的D类功率放大器。PWM调制方式非常直观，信号幅度越高时，脉冲宽度就越宽。同时低通滤波器对信号具有积分作用，正脉冲幅度宽，积分的时间长，输出的电压就相应增高。这样，采用一个LC积分电路，就能将放大的PWM信号转化成模拟信号，实现音频信号的数模转换。因为这些数字信号变换于集成电路中进行，无需外部设备的帮助，且它不需要一个统一的格式，所以各厂家可以用最好的方法来开发，使用者只需将模拟信号输入然后在开关管恢复输出信号。（a）A类（b）B类（c）AB类图1.1功放输入输出特性1.2数字功放的发展现状功放的研制已经具有一个世纪的历史，伴随着大规模集成电路的不断发展，各大集成电路制造商正研制出一些性能优越的数字功放。它还为消费电器、音响和通讯厂家提供OEM技术，这些产商在其官方网站上提供全面而详细的技术说明文件、产品说明、图片等。索尼、夏普、东芝、苹果、爱立信等都在自己的高级产品中运用数字功放，如苹果电脑的哈曼·卡顿音箱的放大器就采用了T类放大芯片。第一代D类功放的出现证实了功放的概念与优越性能，但距离市场化却经历了很长的时间。1999年底，丹麦和美国合资的TaeTAudio公司推出的高保真数字功率放大器的创新，这是D类功率放大器市场化的象征。第二代D类功放由于经过体积改造，功耗特别低，价格也十分合理而受到广大消费者的青睐。第二代D类功放制造商生产出了一系列产品，并在第一代D类功放的基础上将相对简单的PWM和外置滤波器以及集成的输出级组合在一起。输出信号输出信号输出信号输入信号输入信号输入信号第5页第三代D类功放其特点是更小和更简单，这是OEM生产者与D类芯片设计者之间共识。OEM生产商对市场的深入了解，反馈的芯片制造商，解决在过去设计的重要缺陷，这也使得新一代的产品与市场需求一致，更容易被消费者所接受。2数字功放的基本原理及电路组成2.1数字功放的工作原理D类功率放大器的工作方式主要是根据输入信号幅度的变化在时间轴上进行量化，从而将输入信号变换为数字信号，这种模数变换通常可以采用脉冲宽度调制和△Σ调制等方式，其优点是能改善嗓声特性和实现宽带化。首先要将输入的模拟信号通过变换转化成脉冲宽度调制码PWM或脉冲密度调制码PDM。要得到PWM码只需要将原输入信号与用一个高频三角波进行电压比较即可。当输入的模拟信号大于三角波的幅度时，比较器输出高电平，当三角波电压上升到大于输入的模拟信号时，比较器就