D类功率放大器的研究与设计.doc
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1、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 Amplifica
2、tion(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 struct
3、ure. 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 protec
4、tion, 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 th
5、en 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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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Icm
11、1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
12、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
13、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
14、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.
15、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
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- 功率放大器 研究 设计
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