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D类功率放大器的研究与设计(姓名)XXX 摘 要 本文设计了一种以高效率功率放大器为核心的D类功率放大器，它改进了PWM方案，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，平均效率可达到70%左右，兼有输出1：1双变单电路，噪声和干扰的屏蔽方法，此外还有输出短路保护；其工作原理为：输入信号与三角波信号在通过比较器比较之后，产生一个脉冲信号，送至前置放大电路，再经过低通滤波器滤波，以保证输出信号在一定的带宽内。关键词：D类功率放大；脉宽调制；短路保护；干扰屏蔽 Research and Design of D-class Power Amplification(Name)xxx Abstract The thesis designed a kind of D-type power-amplifier and it based on the high efficient power-amplifier. It used the D-type circuit, it make the function of PWM. The output switch devices are adopted of the high-speed VMOSFET and Form the complementary symmetry H-bridge structure. The maximum output power distortion is more than 1 watt. The mean efficiency can reach about 70 percent. The device also has the duplex-to-single circuit and the voltage ratio of the output to the input is one to one. It also has the additional functions, such as the output short-circuit protection, its corresponding displaying part, and introduced noise and interference shielding methods; The working principal of the machine is after the compare of input signal and wave-in-triangle signal in the comparator, there comes into being a pulse signal sent to the front amplified circuit, and then the wave is filtered by the low flow wave filter in order to guarantee the output signal in a certain range.Key Words: D-class power amplification；pulse-width modulation；current overload protection；interference screen 目 录第一章 绪 论1 1.1引言1 1.2 D类功率放大器目前水平1第二章 D类放大器的放大电路设计3 2.1 D类放大器的基本结构3 2.2 D类功率放大器的设计思路3 2.2.1 基本设计方案3 2.3 D类放大器的工作原理5第三章 其他辅助电路设计10 3.1 短路保护电路10 3.2 噪声和干扰屏蔽设计10 3.2.1 噪声和干扰11 3.2.2 屏蔽的基本原理11第四章 进一步改进措施13 4.1 尽量减小静态功耗13 4.2 尽量减小动态功耗13第五章 结束语14参考文献15附录17第一章 绪 论1.1引言 在过去的两三年中，各种电子终端设备增强了多种新功能，其中之一就是加强了音频功能。这一潮流影响了许多消费类产品，如平板显示器、PDA（Personal Digital Assistant：个人数位助理器），以及移动电话等。对音频性能要求的不断提高，需要音频放大器具有更多功能，其基本要求就是在更低的负载阻抗和更高输出功率下实现更好的音质。一般而言，AB类放大器能够应付这些终端设备早期的性能与成本要求，但线形放大器的特点是已不能适应如今消费者的要求。因而在具有增强音频功能的消费类产品领域，D类放大器正在向AB类放大器（线形放大器）发起挑战。D类音频功率放大器的效率比B类、AB类高得多，可达85以上，现已开发出无需输出滤波器的器件，使电路更为简单，这些特点使之更适用于由电池供电的便携式应用。如今的LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）电视机、等离子电视机及新型PC等许多终端设备均要求提供更高的输出功率，而不是增强成本，同时还要保持甚至减小产品体积，这种原用于大功率的D类放大器逐步应用到小功率的便携式产品中，它们的特点是工作电压低、输出功率小、功耗小、器件封装小。这种趋势加大了对更多D类器件的要求，并进入了许多原来由传统线形放大器控制的市场。消费类产品采用D类放大器的主要原因在于其极高的效率，而它产生的热量仅为线形放大器的一半。而且D类放大器可以迅速达到85%的效率，之所以能实现这样的效率，是因为它与开关模式电源的工作方式相似，其中输出MOSFET要么是完全启动（饱和），要么是完全关闭（切断）的；因而可以减小晶体管的功率损耗，增加放大器的效率，但是在开关时间和非开关时间中总会有一定的功率损失（开关损耗和传导损耗），正是该类器件的开关特性，使放大器实现了高得多的效率。但总体而言，D类放大器的功率损失是最小的，本文简单介绍了近年来D类放大器的发展，采用电压开关式设计方式得到了这一D类功率放大器。1.2 D类功率放大器目前水平 全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频设备节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、数字化的D类功率放大器。它应该具有工作效率高，便于与其他数字设备相连接的特点，D类功率放大器是PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）型功率放大器，它符合上述要求，近几年，国际上加紧了对D类功率放弃的研究与开发，并取得了一定进展，几家著名研究机构及已实验性地向市场提供D类功率放大器评估模块及技术。这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、数学、电子工业、商业界的特别关注。不久的将来，D类功率放大器必然取代传统的模拟功率放大器。为了提高功率放大器的效率，科学技术人员做了大量的研究实验工作，早些时候人们已经论证了D类功率放大器的存在。高频功率放大器的主要问题是如何尽可能提高它的输出功率与效率，只要将效率稍微提高一点，就能在同样的器件耗散功率条件下，大大提高输出功率，甲、乙、丙类放大器就是沿着不断减小电流通角c的途径，实现不断提高放大器效率的，但是，c的减小是有一定限度的，因为c太小是，效率虽然很高，但因Icm1下降太多，输出功率反而下降，而D类放大器就是采用固定c值为90o,尽量降低管子的耗散功率的办法，来提高功率放大器的效率，它的晶体管工作于开关状态，导通时，管子进入饱和区，器件内阻接近于零；截止时，电流为零，器件内阻接近于无穷大，这样，就使集电极功耗大为减小，效率大大提高，从理论上讲，在理想情况下，D类放大器的效率可达100%。 第二章 D类放大器的放大电路设计2.1 D类放大器的基本结构 晶体管D类放大器都是由两个晶体管组成，它们轮流导电，来完成功率放大任务，控制晶体管工作于开关状态的激励源电压波形可以是正弦波，也可以是方波等其他脉冲波形，但都必须足够大，使晶体管迅速进入饱和状态。晶体管D类放大器有两种类型的电路：一种是电流开关型，另一种是电压开关型，这里用的是电压开关型，3如图2.1.1： （a）电流开关型 （b） 电压开关型 图2.1.1 晶体管D类放大器原理图在电路中，两个晶体管是与电源电压Vcc串联的，当上面的晶体管导通（饱和）时，下面的晶体管截止，A点的电压接近于Vcc；当上面的晶体管截止时，下面的晶体管饱和导通，A点的电压接近于零。因而A点电压波形为矩形波8。D类功率放大器不同于模拟功率放大器，它是全新的结构方式，是PWM 开关脉冲功率放大器，主要由五部分组成：1）PWM调制器2）PCM（Pulse Code Modulation, 脉冲编码调制）PWM 转换器3）脉冲推动器4）脉冲功率放大器5）功率低通滤波器2.2 D类功率放大器的设计思路2.2.1 基本设计方案1.对于图2.1.1（b）中所示的电压开关型电路，可以将它简化为图2.2.1中（a）所示电路，图中Rs1与Rs2分别代表两个晶体管导通时的内阻，R为电感L的内阻，设置Rs1= Rs2=Rs，并将R并入RL，则再进一步简化电路如图2.2.1中（b）所示，假设LC回路对开关频率谐振，则由于电压方波的振幅为Vcc，它的基波分量振幅等于（2/）Vcc，因而负载RL（RL+R）上的输出电压为： （a） （b） 图2.2.1 晶体管D类放大器简化电路图 （2.1）输出电压峰值为 （2.2）电源供给的电流为半波正弦振幅为/，因此集电极平均电流为： （2.3）输出到谐振回路的交流功率为 （2.4）直流输入功率为 （2.5）因此集电极功率为 （2.6）集电极功率耗散为： （2.7）将式（2.3）的关系代入式（2.7），式（2.7）可简化为 （2.8）由式（2.7）和式（2.8）显然可以看出，晶体管饱和内阻Rs越小（即饱和压降越小），则c越高，Pc越小；当Rs0时，c100%，Pc0。42.设计方法和电路中元件参数与计算。如图2.2.1（b）电路中所示，工作的频率在100kHz，基本参数为RL=50，且在RL上有12V（有效值）的输出电压，回路有载值Q（品质因数）值为14，无载Q值为100，电感L为1.5mH，电容C为为2uF，设XL=wL，则：有载Q值为： QL=XL/(R+RL) ，无载Q值为： QO=XL/R输出的电压峰值为： 因此，输出电流峰值为 由（2）式可知，略去晶体管饱和电阻Rs，且在图2.2.1（b）中RL=RL+R，且 可得： 而考虑到晶体管实际上是存在饱和电阻Rs，Vcc可以供电选取32V，因此，直流输入功率： 交流输出功率： 回路损耗功率： 集电极耗散功率： 集电极效率 总效率 2.3 D类放大器的工作原理1.脉宽调制D类功放一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如图2.3.1所示，输入信号与三角波发生器送来的信号在比较器进行比较，产生一个脉冲信号，送给开关放大电路进行放大，再通过低通滤波得到最终的放大信号。 三角波产生器比较器开关放大电路低通滤 波 V1 V2 V3 V0 输出 信号输入 Vi图2.3.1 脉宽调制D类功放原理图2.脉宽调制电路 三角波产生电路。该电路这里采用满幅运放TLC4502及高速精度电压比较器LM331来实现的电路如图2.3.2，TLC4502不仅具有较宽的频带，而且可以在较低的电压下满幅输出，既保证产生线形良好的三角波，而且可以满足在低电压下正常工作。考虑到抽样定理和电路的实现，我们选定100kHz的载波频率，使用4阶Butterworth LC（little chance）滤波器，输出端对载频的衰减大于60dB。图2.3.2 三角波原理图电路参数的计算：在5V单电源供电下，我们将运放5脚和比较器3脚的电位用R8调整为2.5V，同时设定输出的对称三角波幅度为1V，选定R10为100k，并忽略比较器在高电平时R11上的压降，则R9应该为40k计算过程为： ， 选定工作频率为f=100kHz，并取R7+R6=20k，则电容C3的计算过程如下：对电容的恒流充电或放电电流为 则电容两端最大电压值为 其中T1为半周期，T1=T/2=1/2fo V的最大值为2 V，则 取C4=220pF，R7=10k，R6采用20k可调电位器。使振荡频率f在100kHz左右有较大的调整范围。 比较器。选用LM311精密、高速比较器，电路如图2.3.3，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=R14，4个电阻均取10k。由于三角波Vp-p=2V，所以要求输入信号的Vp-p不能大于2V，否则会使功放产生失真。6图2.3.3 比较器基本电路3.前置放大电路 设置前置放大器。可使前置放大器，可使整个功放的增益从120连续可调，而且也保证了比较器的比较精度，电路图如图2.3.4所示，当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8上的电压Vp-p=8V，此时送给比较器信号的Vp-p值应为2V，则功放的最大增益约为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）。因此必须对输入的信号进行前置放大，其增益应大于5，前放仍采用宽频带、低漂移、满幅运放TLC4502，组成增益可调的同相宽带放大器，选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻Ri10k的要求，同时，采用满幅运放可在降低电源电压时仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V,要求输入电阻Ri大于10k，故取R1=R2=51K，则Ri=51/2=25.5k，反馈电阻采用电位器R4，取R4=20k，反相端电阻R3取2.4k，则前置放大器的最大增益AV为 调整R4使其增益约为8，则整个功放的电压增益从032可调。考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值Vom<2.5V,取Vom=2.0V，则要求输入的最大幅度Vim（Vom/Av）=2/8=250，如果超过此幅度则输出会产生削波失真。 信号变换电路。电路要求增益为1，将双端变为单端输出，运放选用带宽运放NE5532，电路如图2.3.5所示，这部分电路的电压不加限制，可以不采用满幅运放，且由于功放的带负载能力很强，所以对变换电路的输入阻抗要求不高，选R1=R2=R3=R4=20k。其增益为AV=R3/R1=20/20=1，其上限频率远超过20kHz。图2.3.4 前置放大器电路 图2.3.5 信号变换电路4.H桥式互补对称输出电路、低通滤波器要求VMOSFET的导通电阻小，开关速度快，开启电压小，因为输出功率稍大于1W，属于小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRFD120和IRFD9120 VMOS对管的参数能够满足要求，实际电路如图2.3.6，互补PWM开关驱动信号交替开启Q5和Q8或Q6和Q7，分别经过两个4阶Butterworth滤波器滤波后推动喇叭工作，要求4阶的Butterworth低通滤波器的上限频率大于或者等于20kHz，在通频带内特性基本平坦元件的基本参数如图2.3.6中所示：L1=22uH，L2=47uH，C1=1.68uF，C2=1Uf。20kHz处的下降为2.5dB，因此可以保证20kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦。而在100kHz可以下降到48dB。5.驱动电路电路如图2.3.7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2.3.6 H桥互补对称输出电路图2.3.7 驱动电路 第三章 其他辅助电路设计3.1 短路保护电路短路（或过流）保护电路的原理电路如图3.1.1。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和R7调整为11k，则该放大器的电压倍数为 经过放大后的信号再经过由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“”端电平设置为5.1V，由R12和稳压管R6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上的最大电压降为62mV，经放大后输出的电压幅值为Vim×Av=62×513.2V，检波后的直流电压稍小于这个值，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负载短路或输出过流，0.1上电流、电压增大，经电压放大、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，继电器不吸合，切断功放5V电源，使功放得到保护，要接触保护状态，需关断保护电路电源。10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。 图3.1.1 短路保护电路3.2 噪声和干扰屏蔽设计在电磁环境复杂的今天，各种电子设备对接受信号的灵敏度要求越来越高，尤其是低频系统问题更加突出。 因此，研制低噪声的前级电压放大器是十分必要的，另外，在实际应用中，还必须考虑如何保证放大器工作的可靠有效和测量的真实精确。合理的屏蔽结构设计是解决上述问题的有效手段之一。13.2.1 噪声和干扰在电子技术中，由系统内部产生的无关信号称为噪声。放大器的噪声主要包括热噪声、过剩噪声、散弹噪声和分配噪声等，它们是放大器固有的，与放大器的选材和制作工艺有关。放大器噪声直接决定了放大器的噪声性能，设计高性能的低频低噪声放大器，就要在消除或减弱噪声上下功夫， 一切来自设备或系统外部的无关信号称为干扰。在放大器的性能测试和实际使用时，要尽量克服外部干扰的影响。形成干扰必须具备干扰源、干扰接受器和干扰通道3个条件。从接受器的角度看，干扰能量传递的方式主要有传导耦合和辐射耦合两种。传导耦合是指电磁能量以电压或电流的形式通过金属导线或集总元件耦合到接受器；辐射耦合是指电磁干扰能量通过空间以及电磁场形式耦合到接受器。对于辐射耦合干扰，主要通过屏蔽设计来解决。3.2.2 屏蔽的基本原理 屏蔽是指将需要隔离的电路放入利用磁性或低阻材料制成的容器内，使得容器外的电磁干扰不会影响容器内的电路。屏蔽按电磁场的性质，可分为电场屏蔽（即屏蔽电容干扰）和磁场屏蔽（即屏蔽电感性干扰），这里采用电场屏蔽。1. 电场屏蔽 电场屏蔽的目的是消除两个电路之间由于分布电容耦合所产生的电场干扰。如图3.2.1所示的等效电路来分析电场屏蔽的基本原理。在图3.2.1（a）中，干扰源A对地电位为UA，接受器上电压为UB，空间耦合电容为CAB和CBC，则： 2 CAB A B UA UB UA CAB UB A M B CBG CAM CMB CMG CBG G G （a） 屏蔽前 （b） 屏蔽后 图3.2.1 电场屏蔽基本原理示意图在A、B间插入一金属板M，如图3.2.1（b）所示。假设忽略电容CAB，则： （3.1）若将金属板接地，则CMGCAM，此时干扰电压UB趋近于0，干扰很小；如不忽略电容CAB的影响，则如式（3.2）所示，干扰电压UB依然存在；若将屏蔽板换成屏蔽盒，将带电体或受扰提包围起来，则漏电容就很小了，干扰基本消除。 2 （3.2） 第四章 进一步改进措施4.1 尽量减小静态功耗 尽量减小运放和比较器的静态功耗。实测两个比较器（LM311）的静态电流约为15mA，这部分损耗就占了静态损耗的一半功率。这是由于在选择器件时几个方面不能完全都顾虑到，如果选择同时满足几方面要求的器件，这部分的功耗是完全可以大幅度降低的。 选用的VMOSFET管的导通电阻还不是很小，如果能用导通电阻更小的VMOSFET管，则整个功放的效率和最大不失真输出功率还可进一步提高。 低通滤波器电感的直流内阻需进一步减小。 4.2 尽量减小动态功耗 选用的VMOSFET管的导通电阻还不是很小，如果能用导通电阻更小的VMOSFET管，则整个功放的效率和最大不失真输出功率还可进一步提高。 低通滤波器电感的直流内阻需进一步减小。第五章 结束语D类功率放大器是基于脉冲宽度调制技术的开关放大器，这种类型的功放已经展示出很好的性能，实用性比较强，而且有越来越多的此类放大器被应用到电子产品中，人们在日常生活中经常从它那里得到利益。在论文中简单介绍了它的应用领域和当代应用水平，根据它的一些基本知识，按照自己的想法设计了一类电压开关型放大器，具体包括了设计思路和方案以及相关参数的选取和计算，根据工作基本原理加入了一些相关的辅助电路。有些指标还有待于进一步提高。例如，在功放效率、最大不失真输出功率等方面还有较大的潜力可挖掘，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来进一步完善。而且由于本人所学知识有限，很多知识点的学习不够深刻，我会在以后的学习中更加努力，更加塌实，认真的学好各个知识点。参考文献1 赖祖武. 电磁干扰防护与电磁兼容M. 北京：原子能出版社.1993，5682.2 诸邦天. 电子电路实用抗干扰技术M. 北京：人民邮电出版社.1996，281288.3 张卫平，张英儒. 现代电子电路原理与设计M. 北京：原子能出版社.1997，1211424 张肃文，陆兆熊. 高频电子线路M. 高等教育出版社.1993，271360.5 张 缨， 李耀华. 采用双环控制的多电平D类功率放大器J. 电工技术学报. 2005.11，4246.6 丁 明. 实作D类功率放大器J. 无线电与电视. 2002.2，2328.7 毛兴武. D类功率放大器及其第三代调制技术J. 电子元器件应用.2004.7，2832.8 高吉祥. 高频电子线路M. 电子工业出版社. 2005，1181229 曾兴霞，刘乃安. 高频电子线路M. 高等教育出版社. 2003，9710210 李瀚荪.电路分析基础M. 高等教育出版社. 2001，7886.致 谢本文的研究工作是在XXX老师指导、帮助和督促下完成的。XXX老师在该领域有敏锐的感知力以及对其应用价值的洞察力给我留下了深刻的印象。在攻读学士学位四年的学习期间，导师勇于探索、敢于创新的科研精神成为激励我不断努力进取，为我今后的人生旅途上取得了宝贵精神财富。同时，在学习期间导师为我提供了良好的研究环境和实践条件，并对一些创新性的工作给予了大量的指导与支持。在本文完成之际，谨向为我倾注了大量心血的导师及帮助过我的老师和同学表示最诚挚的感谢和深深的敬意！附 录D类放大器原理总图