课程设计D类功放报告书.doc

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1、广西交通职业技术学院信息工程系期考作品报告书题 目： D类功放 课 程 课程设计 班 级 电信06 学 号 姓 名 韦宏婉 卢灿宁 韦 欢 任课教师 成世龙 二OO 九 年 一 月摘要：在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地。认为A类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。但是，A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。B类功放虽然效率提高很多，但实际效率仅为50%左右，在小型便携式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合，仍感效率偏低不能令人满意。所以，效率极高的D类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视。由于集成电路技术的发展，原来用分立元件制作的很复

2、杂的调制电路，现在无论在技术上还是在价格上均已不成问题。而且近年来数字音响技术的发展，人们发现D类功放与数字音响有很多相通之处，进一步显示出D类功放的发展优势。D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下，D类功放的效率为100%，B类功放的效率为78.5%，A类功放的效率才50%或2

3、5%（按负载方式而定）。D类功放实际上只具有开关功能，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。然而，开关功能（也就是产生数字信号的功能）随着数字音频技术研究的不断深入，用与Hi-Fi音频放大的道路却日益畅通。20世纪60年代，设计人员开始研究D类功放用于音频的放大技术，70年代Bose公司就开始生产D类汽车功放。一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效率，另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功放，两者都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。其中关键的一步就是对音频信号的调制。目录一、设计任务与要求31.1 任务31.2 基本要求3二、期考作品设计方案论证与比较32.1 高效率功率放大

4、器32.2 脉宽调制器（PWM）42.3 高速开关电路42.4 开关管的选择5三、主要电路工作原理分析与计算63.1 D类放大器的工作原理63.2 D类功放各部分电路分析与计算73.2.1 脉宽调制器73.2.2 显置放大器电路如图：1193.2.3 比较器93.2.4 驱动电路103.2.5 H桥互补对称输出电路如图：1311四 、期考作品设计制作总结114.1 硬件调试的总结114.2 作品总结12五、致谢词12六、参考资料13附录：电路元件清单14一、设计任务与要求1.1 任务设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量。功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负

5、载为8电阻。1.2 基本要求功率放大器a3dB通频带为3003400Hz，输出正弦信号无明显失真b. 最大不失真输出功率1Wc输入阻抗10kd低频噪声电压(20KHz以下)10mV,在电压放大倍数为10、输入端对地交流短路时测量e在输出功率500mW时测量的功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）50%发挥部分a.3dB通频带扩展至30020KHzb.输出功率保持为200mW,尽量提高放大器效率c.输出功率保持为200mW，尽量降低放大器电源电压二、期考作品设计方案论证与比较根据设计任务的要求，本系统的组成如图3所示。下面对每个方框内电路的设计方案分别进行论证与比较。2.1 高效率功率放大器(

6、1) 高效率功放类型的选择方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这三类功放的效率均达不到题目的要求。方案二：采用D类功率放大器。D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。理论上为100%，实际电路也可达到80%95%，所以我们决定采用D类功率放大器。(2) 高效D类功率放大器实现电路的选择 本题目的核心就是功率放大器部分，采用何种电路形式以达到题目要求的性能指标，是我们成功的关键。2.2 脉宽调制器（PWM）方案一：可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制，

7、不利于本题发挥部分的实现。方案二：采用图3所示方式来实现。三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作，故选择此方案。2.3 高速开关电路A输出方式方案一： 选用推挽单端输出方式（电路如图4所示）。电路输出载波峰-峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率远过不到题目的基本要求。 方案二：选用H桥型输出方式（电路如图5所示）。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰-峰值可达10V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。 图5高速开关电路2.4 开关管的选择为提高功率放大器的效率

8、和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速，低导通电阻、低损耗。方案一：选用晶体三极管、IGBT管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大；IGBT管的最大缺点是导通压降太大。方案二：选用VMOSFET管。VMOSFET管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用高速VMOSFET管。25滤波器的选择方案一：采用两个相同的二阶BUTTERWORTH低通滤波器。缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。方案二：采用两个相同的四阶BUTTERWORTH低通滤波器，在保证20KHz频带的前提下使负载上的高频载波电压

9、进一步得到衰减。三、主要电路工作原理分析与计算3.1 D类放大器的工作原理一般的脉宽调制D类功放的原理方框如图3所示。图9为工作波形示意，其中（a）为输入信号；（b）为锯齿波与输入信号进行比较的波形；（e）为调制器输出的脉冲（调宽脉冲）；（d）为功率放大器放大后的调宽脉冲；（e）为低通滤波后的放大信号。3.2 D类功放各部分电路分析与计算3.2.1 脉宽调制器该电路采用555时基芯片及高速精密电压较器LM311来实现（电路如图10及11所示）。 图10电路的工作原里： 电路电源电压为12V，当上电时2、6引脚为低电平并小于12/3=4V则第三引脚输出低电平，这样Q2三极管截止，Q1经电容C1接

10、地，并导通使电容进行冲电，当电容充到12*2/3=8V时，第三引脚输出高电平，这时Q2导通，Q1截止，电容C1放电，当放电使电容C1上的电压低于4V时，第三引脚电压反转输出低电平，继而又给电容充电从而反复的充放电使电路产生所需Vp-p为4VR的三角波，R4调节三角波的输出频率。 3.2.2 显置放大器电路如图：11 图11显置放大工作原理： 音频信号从IN端进入经0P07进行放大并可以放大到25倍，RV2为电位器OUT为放大的音频信号输出。3.2.3 比较器选用LM311精密、高速比较器，电路如图11所示，因供电为5V单电源，为给V+=V-提供2.5V的静态电位，取R12=R15，R13=R1

11、4，4个电阻均取10K。由于三角波Vp-p=4V，所以要求音频信号的Vp-p不能大于4V，否则会使功放产生失真。 图113.2.4 驱动电路电路如图12所示。将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用CD40106施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，送给由晶体三极管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保证了快速驱动。驱动电路晶体三极管选用2SC8050和2SA8550对管。 图123.2.5 H桥互补对称输出电路如图：13对VMOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开户电压小。因输出功率稍大于1W，属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRFD

12、120和IRFD120 VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。 图13 H桥互补对称输出电路工作过程：IRFD120和IRFD120 VMOS对管在PWM波的驱动下轮流导通，再经过两个4阶滤波器滤波后推动喇叭工作。四 、期考作品设计制作总结4.1 硬件调试的总结在刚开始设计电路时，参考了很多D类功放的材料，最终选用了历届全国电子设计竞赛获奖作汇编作为参考，但在调试三角波时由天找不到DLC4502所以才用了555来产生三角波是，其线性并不是很理想，但经过反复的调试使其幅度与波形达到能用，之后在测试比较器、前置放大、动电路及后面的功率放大都没有问题，在把整体电路连接时，由天三角波频率较大即

13、150KHZ，使得输入级的音频信号受到一定的干扰，不过并没有严重的影响到功率的输出。4.2 作品总结通过这次期末作品，让我学到了很多东西。对自己的焊接技术和布局上都有了一定的提高，在调试的过程中也学会了怎么分析问题，寻找根源的解决问题。虽然在调试的时候我们遇到了很多的困难，但我们始终是迎刃而上，没有被困难所击倒。感谢老师给了我们这次锻炼的机会，让我们又增进了见识。在焊接电路时，所焊的点必须要圆滑，光亮。这样做是为了避免焊点的尖端引起的高频干扰，这样电路看起来也比较好看。所拉的导线和排线也要拉得紧些，排线的线头也不要裸露出来，这样不仅很容易就会断掉也会与其它的焊点相接造成短路，在焊接时就应该小心

14、，细心，专心，不能三心二意，否则会很容易焊错电路的，检查电路就没那么容易了。在实训中最重要的是团结一致，互助精神。只要在组员中有一名存有私心就会对整个实训造成影响，不能按时完成任务。这次的期末作品真的给了我一个很好锻炼自己的机会，让我学到了更多的知识也复习了之前所学的内容，对以前的内容进一步的加深，从而也认识到自己的不足之处。五、致谢词感谢老师给了我们一个展现自己才能的平台，在这个平台上让我们尽情的发挥自己的水平。虽然在这次的作品中遇到了种种问题，可是经过老师的指导、与同学们讨论都得到了解决。在做作品的过程，所学到的不仅仅是自己组所设计的内容，也对其它组的作品有了一定的了解。六、参考资料历届全国电子设计竞赛获奖作汇编 1997 第三届全国大学生电子设计竞赛组委会 编模拟电子技术 全国高职高专规划教材附录：电路元件清单序号元件名称规格型号数量备注1电阻1K215k14k15K210K52滑动变阻器100K3微调5K1电位器电感47H222H23电容10F/16V1极性电容0.01F110211F40.68F24芯片0p0718脚的芯片LM31118脚的芯片CD4046116脚的芯片74LS0815功放管IRFD91202IRFD11026三极管855018050190132