D类功率放大器设计与制作

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1、如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载! 完成日期 2011.12.12 任务书一、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、显示装置。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），负载为8电阻。二、指导老师：张文初、汤俊秀三、要求 1 基本要求 （1）功率放大器a3dB通频带为300Hz3400Hz，输出正弦信号无明显失真。b最大不失真输出功率1W。c输入阻抗10k，电压放大倍数120连续可调。d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%。

2、（2）具有输出短路保护功能。 （3）设计并制作一个测量放大器输出功率的装置，要求具有3位数字显示，精度优于5%。 2、设计内容与要求 绘制系统组成框图，确定设计方案； 了解电路所需集成芯片的功能，参数和工作原理； 绘制整机电路图； 制作实物并完成软、硬件调试；如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载! 提交毕业设计论文。四、设计参考书模拟电子技术、高频电子技术、电子设计自动化技术、数字电路设计方法、电子装置的设计、单片机原理及应用五、设计说明书要求1. 封面：包括设计题目，班级，姓名，指导老师，完成时间2. 目录：根据说明书的内容决定，一般采用2 至3级。3. 设计任务书：包括课题名称、目的、

3、用途、主要技术性能指标(参照教材目录编排)。4. 中文题目、摘要、关键词；英文题目、摘要、关键词。5. 正文：设计方案框图及电路工作原理：包括系统方框图，电气原理图，各单元电路的设计，简述主要部件（包括主要集成电路）的工作原理、工作条件、给定参数、理论公式及详细的计算步骤、计算结果。这是说明书的主要部分。6. 元件参数表：包括所选用的元器件名称、参数、型号。7. 调试方案：包括调试的条件、方法、使用仪器设备的型号，并对测试数据进行分析。8. 设计心得：包括对本课程设计的客观评价、设计特点、存在的问题以及改进意见等。9. 参考文献：包括作者、署名、出版地、出版年等六、设计进程安排第1周： 资料准

4、备与借阅，了解课题思路。第2-3周：设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。第4-6周：进行毕业设计，完成说明书初稿。第7周： 第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。第8周： 毕业答辩与综合成绩评定。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!七、毕业设计答辩及论文要求1.毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理

5、论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2毕业设计论文要求文字要求：说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求：按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!摘 要本系统以高效率音频功率放大器为核心，输出开关管采用高速VMOSFET管,连接成互补对称H桥式结构,最大不失真输出功率大于1W，平均效

6、率可达到70%左右,兼有输出1:1双变单电路, 单片机实现功率测量显示电路。此外还有输出短路保护辅助功能, 比较理想地实现了设计指标的要求。音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,从最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是最基本的一种。为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。因为,功率越大,效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高挡的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中,往往需要几

7、十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。D类放大器在这些设备中也扮演了极重要的角色。关键词： 高效率；音频；功率放大；LM311；74LS0；555芯片如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!ABSTRACTThis system with high efficiency audio power amplifier as the core, output switch tube with a high VMOSFET tube, connected into complementary symmetry H bridge type structure,

8、 maximum output power greater than 1 not distortion W, average efficiency can reach 70%, with output 1:1 double change single circuit, single chip microcomputer power measurement show circuit. In addition to the output short circuit protection auxiliary function, an ideal way to realize the requirem

9、ent of design index. Audio amplifier has is a century of history, from the earliest tube amplifiers first application is audio amplifier. However, up to now, it will continue to update, development and progress. Mainly because of the human auditory is all sorts of feeling of quite important, also is

10、 the most basic one. In order to meet the need of it, the audio amplifier will be constantly improved. High efficiency of the audio amplifier not just in portable equipment need, in high power electronic equipment also need. Because, the greater the power, efficiency and also more important. But alo

11、ng with the improvement of peoples living conditions, high fidelity audio equipment and higher to block of home theater gradually began to rise. In these devices, often need dozens of tile or even hundreds of watts of audio power. At this time, low distortion, high efficiency of the audio amplifier

12、will become one of the key components. D class in these devices amplifier also play an extremely important role. Keywords: high efficiency; Audio; Power amplifier; LM311; 74 LS08; 555 chip 如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!目 录摘要.IABSTRACTII第1章 绪论11.1课题概述11.1.1 D类功率放大器简介11.2研究背景31.3论文研究目标和意义3第2章 方案论证与设计42.1 总体设计分

13、析42.2 方案的选择与设计42.2.1高效率功率放大器42.2.2信号变换电路72.2.3功率测量电路72.3方案确定7第3章 硬件电路设计93.1 原理分析93.1.1脉宽调制器93.1.2前置放大电路113.1.3驱动电路123.1.4 H桥互补对称输出及低通滤波电路123.1.5信号变换电路133.1.6功率测量133.1.7保护电路14第4章 电路调试154.1调试的设备154.2调试步骤154.2.1电路调试16第5章 使用说明195.1 使用方法195.1.1 D类功放的安装195.1.2 D类功放的调节19如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!5.2故障分析195.2.1三

14、角波电路故障分析195.2.2输出功率和效率不高19结论21参考文献22致谢23附录一 原理图24附录二 PCB图25附录三 元件清单26如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载! 第1章 绪论1.1课题概述近几十年来在音频领域中，A类，B类，AB类音频功率放大器（额定输出功率）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；电路形式从变压器到OTL，OCL，BTL形式过程。其最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。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

15、频功率放大器的工作效率则介于两者之间。但是无论A类，B类还是AB类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言和音乐时平均工作效率只有30%左右。音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。因此A类，B类，AB类音频功率放大器效率低，体积大，并不是人们理想中的音频功率放大器。在本文中的D类音频功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号（PEM）的控制，使其工作在开关状态，理论上其效率可以达到100%，但其不足之出在于会产生高频干扰及噪声，但是若精心设计低通滤波器及合理的选择元器件参数，

16、其音质噪声完全能够满足人们的需求。本文中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与实现方法。1.1.1 D类功率放大器简介传统的音频功率放大器工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁，功率输出受到限制。此外，模拟功率放大器还存在以下的缺点：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、效率低，输出功率不可能做的很大。进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机

17、，到作为娱乐设备的如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的。都希望够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。

18、在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。国外对数字音频功率放大器领域进行了二三十年的研究。在20世纪60年代中期，日本研制出8bit的数字音频功率放大器；1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构。但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，若要实现16bit、44.1KHz采样的功率放大器。随着数字信号处理(DSP)和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。 简单地说，历史上出现过三代D类放大器设计：第一代的范例是由托卡塔设计的TacTMillenn

19、ium，证实了D类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器，从而获得了一定的应用。第三代是最近一段时间，现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善，他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助

20、精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。最后还不能忽视新的架构技术。国内外一些从事数字信号处理的技术人员，专门研究音频数字编码技术，在不损伤音频信号质量的情况下，尽量压缩数据库。经过多次实验，终于将末级功放开关频率由没有压缩数据时的约2.8GHz减至小于1MHz，从而降低了对开关功放管的要求。同时在开关功率放大部分，采用了驱动缓冲器和平衡电桥技术，实现了在不提高工作电压的情况下能够输出较大的功率，并且设计了完善的防止开关管击穿的保护电路。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载

21、!1.2研究背景学习模电数电以来，设计过模拟功放，只了解了一些理论上的概念及分析方法，加上模电部分的不确定性，所以通过此次D类功率放大电路的设计，复习模电和数电，去应用理论并加深理解，学会分析问题，解决问题，并从中学些解决问题的经验。我们此次毕业设计以小组进行的，所以通过各组员的相互配合，相互指出不足，相互学习，培养我的交际能力和团队合作精神。1.3论文研究目标和意义功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。功率放大器发展至今，有许多种类和应用，在工业方面，有在电力电子控制技术种的应用，有数控机床的电机驱动，也有应用于新型磁轴承开关。在通讯方面，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机

22、、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。而它的设计包含了电子电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。实现兴趣与理论实践相结合，使整个设计过程不枯燥无味，从而既实现了对功率放大器的理论学习，又进行一次高性能智能型产品设计。同时，通过实际设计与制作，进一步发挥和巩固三年来所学的知识，在实践中锻炼自己的专业水平。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!第2章 方案论证与设计2.1 总体设计分析根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图2-1所示。下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。 图2-1 系统方框

23、图2.2 方案的选择与设计2.2.1高效率功率放大器（1）高效率功放类型的选择方案一：采用A类放大器。 A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，且有较大的非线性失真。 由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。方案二：采用B类放大器。 B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截

24、止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示)，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是交越失真较大。即当信号在-0.6V至 0.6V之间时， Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。 如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!方案三：、采用AB类放大器。 AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率相对提高，晶体管功耗也较小。 方案四：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

25、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8095，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，这是关键。 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，不利于本题发挥部分的实现。方案二：采用图2-2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

26、选用此方案。、图2-2 脉宽调制器电路 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2-3所示)。电路输出载波峰-峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载! 图2-3 高速开关电路 方案二：选用H桥型输出方式(电路如图2-4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10 V，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2-4高速开关电路b. 开关管的选择。为提高功率放大器的效率和输出功率，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

27、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VMMOSFET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。 滤波器的选择方案一：采用两个相同的二阶巴特沃兹低通滤波器。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巴特沃兹低通滤波器，在保证20kHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!2.2.2信号变换电路由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有

28、双端变单端的功能，且增益为1。方案一：采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。方案二：由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。2.2.3功率测量电路方案一：直接用A/D转换器采样音频输出的电压瞬时值，用单片机计算有效值和平均功率，原理框图如图2-5所示，但算法复杂，软件工作量大。图2-5功率测量电路方案二：由于功放输出信号不是单一频率，而是20KHz频带内的任意波形，故必须采用真有效值变换电路。此方案采用真有效值转换专用芯片，先得到音频信号电压的真有效值。再用A/D转换器采样该有效值，直接用单片机计算平均功率(原理框图

29、如图2-6所示)，软件工作量小，精度高，速度快。图2-6功率测量电路2.3方案确定D类放大器的架构有对称与非对称两大类，在此讨论的D类功放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。通过以上各方案论证D类放大器由PWM电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!2-7所示。 它采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输

30、出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。其输出电压是叠加变大的，经过低通滤波器后，仍存在较大的负载电流，特别当滤波器设计不好时，流过负载的电流就会更大，从而导致负载损耗大，降低放大器效率。音频输入电压放大器三角波发生器比较器驱动电路驱动电路开关放大电路滤波电路滤波电路开关放大电路外接测量电路图2-7系统组成框图如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!第3章 硬件电路设计3.1 原理分析D类功率放大器

31、的工作过程是：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器发声。当输入PCM数字信号时，数字信号经PCM-PWM转换器，转变成为PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经低通功率滤波器带动扬声器工作。3.1.1脉宽调制器三角波产生电路。该电路我们用555芯片构成三角波产生电路，如图3-1所示。本设计利用555组成多谐振荡器的电容C41充放电特性加以改进，实现对电容C41的线性充放电获得三角波。利用QN9、QN10和R22构成恒流源对C41实现线性充电，利用QN

32、7、QN8和R23构成的恒流源实现对C41的放电。 电容C41上的三角波经QN6射极跟随器输出。电路中电容C41选用漏电流很低的聚苯乙烯电容。该振荡器振荡频率:2/3Vcc=1/3Vcc+I*T1/C;1/3Vcc=2/3Vcc-I*T2/C; F=1/(T1+T2)=3I/2Vcc*C。我们要得到一个线性很好、频率约100KHZ、峰峰值为2.18V的三角波，将其输入到脉宽调制比较器的一个输入端。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!图3-1 三角波产生电路电路工作原理如下：接通电源瞬间，555芯片的3脚输出高电平，二极管D3截止，D4 导通，从而 D2 也截止，D1 导通，电源 Vcc

33、通过 QN9，QN10，R22，D1 对电容C41恒流充电，当C41上电压达到2/3Vcc时，555 芯片的输出发生翻转，即 3脚输出低电平，D3导通，D4截止，从而D1也截止，D2导通，电容C41通过D2，QN7，QN8，R23恒流放电，直到C41电压等于1/3Vcc，电容又开始充电，如此循环，则C41上可以得到线性度良好的三角波，输出加一级电压跟随器，以提高带负载能力，其仿真波形如图3-2所示。 图3-2 三角波波形图比较器 常规PWM调制电路如图3-3所示，电路以音频信号为调制波，频率为150kHz的三角波为载波，两路信号均加上2.5V的直流偏置电压，通过比较器进行比较， 得到幅值相同，

34、 占空比随音频幅度变化的脉冲信号。 比较电路采用高速、精密的比较器芯片LM311。由于比较器芯片LM311的输出级是集电极开路结构，输出端须加上拉电阻，上拉电阻的阻值采用芯片资料上的推荐阻值1k。其仿真波形如图3-4所示。图3-3 比较器电路如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!输入输出三角波信号PWM信号PWM信号输入信号三角波输入图3-4脉宽调制波形 3.1.2前置放大电路前置放大电路如图3-5所示。设计要求整个功率放大电路的增益从120连续可调，考虑到设计要求功率放大单元的电源为单电源+5V，故取载波（三角波）的峰峰值为2.18V。当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8负载上等效正

35、弦波的电压峰峰值为Vp-p=8V，此时送给比较器音频信号的最大峰峰值为Vp-pmax=2V ，则对应的调制放大增益为4（实际上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于4），由于设计要求电压放大倍数120连续可调，因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。电路中运算放大器通过低噪声、高速运放OP-37为核心，加上相关元件构成反相比例放大器。选择反相放大器是为了容易实现输入电阻Ri10k的要求，取V+=VPP/2=2.5V要求输入阻抗Ri大于10K,反馈电阻采用R3=51K,反相端电阻R1=10K,则前置放大器的最大增益Av为Av=R3/R1=51/10=5.1调整R3使

36、其Av增益约为8，则整个功放的电压增益从120可调。图3-5 前置放大电路 如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!3.1.3驱动电路如图3-6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8050和8550对管。 图3-6驱动电路3.1.4 H桥互补对称输出及低通滤波电路H桥互补对称输出电路对VMOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。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

37、动的对管，IRF120和IRF9120 VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。实际电路如图3-7所示。互补PWM开关驱动信号交替开启Q5和Q8或Q6和Q7，分别经两个4阶巴特沃兹滤波器滤波后推动喇叭工作。 图3-7 H桥互补对称输出及低通滤波电路如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!低通滤波器采用四阶巴特沃兹LC滤波电路，如图3-7所示。对滤波器的要求是上限频率20 kHz，在通频带内特性基本平坦。通过实验，从而得到了一组较佳的参数：L1=22H，L247H，L3=22H，L4=47H。19.95 kHz处下降2.464 dB，可保证20 kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；1

38、00 kHz、150 kHz处分别下降48 dB、62 dB，完全达到要求。3.1.5信号变换电路 由于负载两端的电压是浮动的，须将此双极性信号变为单极性信号，然后才能通过 A/D 和单片机作采样处理。由于对这部分电路的电源电压不加限制，可不必采用价格较贵的满幅运放,故信号变换电路采用低噪声、高速运算放大器芯片NE5532。题目要求电路增益为1，选取R1R2R3R420 k ，电路如图3-8所示。 图3-8信号变换电路3.1.6功率测量信号分压后先经过真有效值转换芯片 AD637，AD637 输出信号的有效值模拟电平，然后通过A/D采集送到单片机，直接计算功率放大器的输出功率、效率，然后把计算

39、结果送显示单元显示即可。 真有效值变换电路如图3-9所示， 采用美国模拟器件公司(Analog Devices)髙精度真有效值变换芯片AD637，所需外围元件少，频带宽，测量误差(0.2读数0.5mV)，能计算任何复杂波形的真有效值、平均值、均方根值、绝对值，当输入信号大于1V时测量信号的频率上限高达8MHz。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!图3-9真有效值变换电路3.1.7保护电路 保护电路的原理如图 3-10所示, 0.1过流取样电阻与 8负载串联连接，对 0.1电阻上的取样电压进行放大(并完成双变单变换)。电路由U1B组成的减法放大器完成，选用的运放是NE5532。R6与R7调

40、整为 11 k，则该放大器的电压放大倍数为Av=R0/R751。经放大后的音频信号再通过由D1、C2、R10组成的峰值检波电路，检出幅度电平，送给由LM393 组成的电压比较器“+”端 ,比较器的“-”端设置为 5.1V，由R12和稳压管D6 组成，比较器接成迟滞比较方式，一旦过载，即可锁定状态。 正常工作时，通过0.1上的最大电流幅度Im=5/(8+0.1)=0.62A，0.1上的最大压降为62mV。经放大后输出的电压幅值为VimAv=62513.2V，检波后的直流电压稍小于此值，此时比较器输出低电平，Q1截止，继电器不吸合，处于常闭状态，5V电源通过常闭触点送给功放。一旦 8负载端短路或输

41、出过流，0.1上电流、电压增大，经过电压放大、峰值检波后，大于比较器反相端电压(5.1V)，则比较器翻转为高电平并自锁，Q1导通，继电器吸合，切断功放 5V电源，使功放得到保护。要解除保护状态，需关断保护电路电源。 为了防止开机瞬间比较器自锁，增加了开机延时电路，由R11、C3、D2、D3组成。D2的作用是保证关机后C3上的电压能快速放掉，以保证再开机时C3的起始电压为零。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!图3-10短路保护电路第4章 电路调试正确的调试系统才能使各模块电路正常工作，实现高稳定性的显示。4.1调试的设备为了方便调试，找出电路相关电路故障及测量相关数据，我们使用了很多专业

42、调试设备，如表4-1所示。表4-1 调试设备DC电源XG17232L一台示波器DS5022M一台电烙铁30W一套信号发生器SFG-1003一台万用表UT39B一块4.2调试步骤(1) 通频带的测量：在放大器电压放大倍数为 10，输出电压幅值最大值为1V，实测 3dB 通带的上、下边界频率值。通频带测试时应去掉测试用的 RC 滤波器。 (2) 最大不失真输出功率：放大倍数为 10，输入 1000Hz 正弦信号，用毫伏表测量放大器输出电压有效值，计算最大输出功率 Po-max。 (3) 输入阻抗：在输入回路中串入 10K 电阻，放大器输入端电压下降应小于50。 (4) 噪声电压：在测试用 RC 滤

43、波器输出端，用毫伏表替代测试噪声电压，记录实测值。(5) 效率测量：输入 1000Hz 正弦波，放大倍数为 10 时，使输出功率达到500mW，测量功率放大器的电源电流I （不包括测试用变换电路和显示部分的电流）。要求电源电压V 的范围为5如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!(1+1%)V。效率为：500mW% VI。4.2.1 电路调试一：模拟电路调试方法1.不通电检查 检查连线电路安装完毕后，不急于通电，先认真检查接线是否正确，包括错线（连线一端正确，另一端错误）、少线（安装时漏掉的线）和多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）。多线一般是因接线时看错引脚，或者改接线时忘记去掉原来的

44、旧线造成的，在实验中时常发生，而查线时又不易发现，调试时往往会给人造成错觉，以为问题是由元器件造成的。 2.通电观察 把经过准确测量的电源电压加入电路，电源接通之后不要急于测量数据和观察结果，首先要观察有无异常现象，包括有无冒烟，是否闻到异常气味，手摸元件是否发烫，电源是否有短路现象。如果出现异常，应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。然后再测量各元件引脚的电压，而不是只测量各路总电源电压，以保证元器件正常工作。 3分块调试 把电路按功能分成不同的部分，把每个部分看作一个模块进行调试。比较理想的调试程序是按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号，作为后一级的输人信号，为最后的联调创

45、造条件。（1）前置放大电路 由于输入信号为毫伏级，在前置放大电路的放大倍数较低时，如果电路设计的不合理，则前置放大电路的输出波形中“毛刺”较多，这必将影响到后级电路，可以通过电源去耦滤波减少毛刺。（2）比较部分 比较部分原理较简单， 关键之处在于比较的正弦波和三角波的直流电平应严格相等，故在两路信号的比较点，应该使两路波形中的一路直流电平可微调，以保证两者严格相等，等于1/2Vcc。如此，可以最大限度的提高输出功率，否则，若两者的直流电平不相等，在输入信号较大的时候，失真度大，不利于功率的提高。（3）驱动部分 主要是 TTL 系列和 CMOS 系列的比较与选择，经验表明在该电路中选用COMS系

46、列的比较合适。第一，COMS管的功耗低，有利于效率的提高。第二，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!COMS 系列虽然驱动能力不如 TTL，但由于驱动部分的电压跟随不可少，实验中发现，CMOS输出高电平几乎等于Vcc，而TTL却只有4.6V左右，经过射随器后只有3.96V，不利于功率开关器件的开通和关断。第三，TTL对电源要求较严格， 而COMS电源却可以低至3V， 有利于发挥部分尽量降低电源电压的要求。（4）开关部分 要求是 VMOS 管的功耗尽可能低，两边管子必须对称匹配，以减小静态损耗。（5）滤波部分 最好选用参数特性基本一致的电感电容，其中，电感可适当取小些，电容相应匹配电感，以

47、降低滤波电路产生的压降，但 H 桥两边参数必须严格对称，否则，对输出功率的提高极为不利。实验中发现：因为缺一个22uH的电感，就用了两个47uH的并联，理论上觉得相差无几，但实际结果是根本无法实现输出功率的要求，后来换上22uH的电感，功率就有了较大的提高。4.整机联调在分块调试的过程中，由于是逐步扩大调试范围，故实际上已经完成了某些局部联调工作。下面只要做好各功能块之间接口电路的调试工作，再把全部电路接通，就可以实现整机联调。整机联调只需要观察动态结果，即把各种测量仪器及系统本身显示部分提供的信息与设计指标逐一对比，找出问题，然后进一步修改电路参数，直到完全符合设计要求为止。 5.主要调试数

48、据 表4-1误差放大（静态）测试点电源端接地端同相端反向端输出端测试值4.98V0V2.48V2.48V2.48V理论值5V0V2.5V2.5V2.5V如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!表4-2误差放大（动态）名称输入频率输入幅度输出幅度放大倍数测试值100HZ0.680V3.28V4.8测试值1KHZ0.680V3.24V4.76测试值5KHZ0.680V3.08V4.53表4-4脉宽调制（动态）测试点输出波形输出频率输出幅度测试值不规则的矩形方波110KHZ5.5V表4-5最大不失真功率测试数据频率50HZ100HZ500HZ1KHZ5KHZ输出Vop-p9.28V8.96V8.4

49、0V8.32V8VUo3.3V2.91V2.76V2.7V2.5VPmax1.089W0.85W0.76W0.729W0.625W表4-6效率测试测试点UiIiPiUoIoPo测试值5V0.4A2W3.5V0.35A1.225W61%如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!第5章 使用说明5.1 使用方法5.1.1 D类功放的安装 1. 在通入电源之前，先检查电路是否正常，确认无误后接通电源，注意电源的大小和方向，接入5V左右的直流电源，避免由于电源极性接错导致芯片烧坏。 2接通电源后，输入音频信号，注意音频信号的频率应在200Hz5000Hz，当频率过高后会产生失真。根据插口的大小选择音源

50、，因此一般的手机、MP3、MP4都能够作为音源输入。5.1.2 D类功放的调节 1.如果音响不出声，则回到开始检查。线路是否接对或元器件是否烧坏，烧坏的话，及时的更换相同的元器件。 2.如果音响正常工作，但音量不大或有较多的杂音，则可以调节前置放大的可调电位器，至你想要的效果，还可以通过调整滤波电容和电感来减小杂音输出。5.2故障分析5.2.1三角波电路故障分析用过示波器检测三角波输出波形紊乱，仔细检查确定电路没有问题也没有焊错。经过细致的分析认为是电路元器件不适合，于是把4007的二极管换成4148的二极管。再用示波器检测波形，输出的三角波波形良好，能满足电路要求。5.2.2输出功率和效率不

51、高功放的效率和最大不失真输出功率与理论值还有一定的区别，主要原因有以下几个方面：如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!a功放部分电路存在的静态损耗，包括 PWM 调制器、音频前置放大电路、输出驱动H桥输出电路。这些电路在静态时均具有一定的功率损耗，实测结果其 5V电源的静态总电流约为几十mA， 即静态功耗P损耗为mW。那么这部分的损耗对总的效率影响很大，特别对小功率输出时影响更大，这是影响效率提高的一个很重要的方面。b功放输出电路的损耗，这部分的损耗对效率和最大不失真输出功率均有影响。此外，H桥的互补激励脉冲达不到理想同步，也会产生功率损耗。c滤波器的功率损耗，这部分的损耗主要是由4个电感

52、的直流电阻引起的。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!结 论高保真响已为人们所熟悉，正是由于高保真音响的基本组成系统 音源器材、功率放大器、音箱的对音乐的重放， 给许多的音响爱好者和家庭带来了欢乐与享受，使人们了解了音乐的内涵；陶冶了自己的情操；抒发了心灵的情感，正如著名的音乐家冼星海所说的那样“音乐，是人生最大的快乐；音乐，是生活中的一股清泉；音乐，是陶冶性情的熔炉”。其中功率放大器是最为重要的一部分，其电路越是简洁，电信号在传输过程中的损失就越小，电路对电信号的影响也就越小，失真也就越小，重放的音质也就越好。在此次的毕业设计中，加深了我对专业知识的理解，更加的拓宽了知识面，作品完成的

53、一致性和完整性，是一次非常好的学习机会。本设计详细讨论D类功放的工作原理，优越性以及其局限性，对于本系统设计，有些指标还有待于进一步提高。例如：在功放效率，最大不失真功率等方面还有较大的潜力可挖，这些都有待于我们通过对电路的改进和对元器件的最佳选择进一步完善。在这次毕业设计中，我们走了许多弯路，但这同时使我们从中积累了许多经验教训，正是这些经验教训使我们对D类放大器的工作原理有了更深刻的认识，对集成电路的设计有了更深刻的理解，进一步巩固了自己所学的专业知识，无论理论还是实践方面都有了较大的提高，与此同时这也是对我们三年来所学的东西的一次肯定。但由于时间短、动手能力不是很强以及设备和资料缺乏，所

54、以本次的设计自己各方面还存在着很多不足的地方，要学习的东西还很多。通过这次毕业设计，我同时也懂得了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高知识和综合素质。总之，不管学会的还是学不会的，都觉得收获是最重要的。最后终于做完了，自己有种如释重负的感觉。为此我得出了一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了着手的能力，使我充分体会到了

55、在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!参考文献1曾广兴.现代音响技术应用,广东科技出版社,1997年3月.2张 平.关于D类音频功率放大器的应用，安阳大学学报，2002年02期.3吴振平.实用声电技术，中国铁道出版社,1984年11月.4龚 伟.D类音频放大器控制方式综述,重庆大学报,2003年02期.5黎 明.电子质量,2002年02期.6华成英.模拟电子技术基础,北京高等教育出版社,2001. 7姚福安.D类音频功率放大器设计,山东大学学报,2003年06期. 8牟小令.高效率音频功率放大器,西南师范大学学报,2003年01期. 9马建国.电子系统

56、设计,高等教育出版社. 10曲 荣.收音机电平指示电路锦集.11方佩敏.D类音频功率放大器,电子世界,2003年08期.如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!致 谢经过半个学期的忙碌和学习，本次的毕业设计已接近尾声，作为一个大学生的毕业设计，由于经验匮乏，难免有许多考虑不周的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起奋斗的同学的支持，想要完成这个项目难以想象的。记得毕业设计刚开始的时候我们组不知从何下手，为此每天都去网上找了许多资料，请教同学和老师。尽管手上已经有许多的设计方案，可是总感觉自己还是有很多的东西弄不太清楚，通过小组成员对音频功率放大器的相关资料的不懈研究，功夫不负有心人，渐渐小组

57、有了一个大体的构思。紧接着我们进行了小组项目分配，一个人负责一个模块的焊接与调试。最后在大家的团结协作下，我们小组最终将电路焊接调试成功，尽管其中经历了不少的艰辛，但给我们身心备受鼓舞，本次课程设计不仅让我们积累了更多的专业知识，而且也提高了我们同学之间相互团结协作的默契和友谊。 在这里我要感谢所有在本次课程设计中帮助过我的老师和同学，没有你们的无私帮助，我们可能就不能完成这次艰巨的任务，谢谢你们！虽然我们小组的项目设计在整个项目组里可能不算最成功，但我觉得在本次设计过程中所学到的东西一定会成为我人生中一笔宝贵的财富，并使我终身受益，最后也祝我们的母校越办越好！如果您需要使用本文档，请点击下载

58、按钮下载!附录一 总原理图如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!附录二 PCB图如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!附录三 元件清单名称参数、型号编号封装名称参数、型号编号封装电容0.01uFC10CC5.0电解电容47uFL3INDUCTOR电容0.01uFC2CC5.0电阻51KR12AXIAL0.3电容0.68uFC9CC5.0芯片74LS00IC4DIP14电容0.68uFC8CC5.0电容200pC4CC5.0二极管1N4148D1DIODE0.3电阻300R3AXIAL0.3二极管1N4148D2DIODE0.3电阻300R2AXIAL0.3二极管1N4148D4DIOD

59、E0.3芯片555IC1DIP8二极管1N4148D3DIODE0.3电阻796R19AXIAL0.3二极管1N4148D6DIODE0.3电容4700pFC1CC5.0二极管1N4148D5DIODE0.3三极管8050Q78050二极管1N4148D8DIODE0.3三极管8050Q68050二极管1N4148D7DIODE0.3三极管8550Q88550电解电容1uFC6CC5.0三极管8550Q98550电解电容1uFC7CC5.0芯片40106IC6DIP14电解电容1uFC12EC100/50芯片40106IC5DIP14电解电容4.7 uFC11EC100/50场效应管IRF540M4M34电解电容2.2uC5EC100/50场效应管IRF540M3M34电解电容2.2uFC3EC100/50