目录1概述.11.1课题研究的意.21.2课题的任务与技术要求.21.3课题研究的内容.22 设及方案的论证32.1功率放大器的种类.32.1.1A类功率放大器52.1.2B类功率放大器.72.1.3AB类功率放大器.92.1.4D类功率放大器.103信号脉宽调制.123.1正弦脉宽调制133.2音频信号宽度调制163.2.1语音信号的时域分析.173.2.2语音信号的谱和能量分布.193.2.3语音和乐音信号的脉宽调制.214单元电路设计与仿真.244.4.1 H桥功率输出器件的选取.254.4.2设计低通滤波器的必要性.264.4.3低通滤波器的设计方案.274.4.4 H桥式功率输出和低通滤波器的设计与仿真.285实物的安装焊接与调试.286结束语.29参考文献.30 附录.31D类功率放大器的设计与仿真1概述1.1课题研究的意义随着全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求,迫使人们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。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类音频功率放大器是PWM型功率放大器即为模拟开关式音频功率放大器，它符合上述要求。近几年，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，几家著名研究机构及公司已试验性地向市场提供了D类音频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、教学、电子工业、商业界的特别关注。不久的将来，D类音频功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占据“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；电路形式从变压器输出到OTL、OCL、BTL形式过程。其基本类型是模拟音频功率放大器，它们的最大缺点是工作效率太低，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类音频功率放大器的工作效率介于二者之间。无论?A类、B类、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，效率就更低，播放动态的语言、音乐时的平均工作效率只有30%左右。此外，传统模拟功率放大器还存在以下的一些缺点：a.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。b.输出功率不可能做的很大。模拟开关式功率放大器又称为数字功放或D类功放，工作于开关状态，理论效率可达100%，实际的运用也可达80%以上。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。功率MOS有自我保护电路，可以大大简化保护电路，而且不会引入非线形失真。所以，采用这种模拟开关式音频功率放大器作为本毕业设计所要研究的内容，具有较大的研究意义。 1.2课题的任务与技术要求D类功率放大器是功率放大器中的一种，它的功率管工作在开关状态，因而管耗很低，整机效率很高。本设计中，要求运用学过的知识，设计一台分立元件的D类功率放大器。要求给出电路的原理图、PCB图以及关键部分的仿真结果图，撰写一篇符合学校要求的毕业设计说明书。原始数据以及技术参数要求a) 输出平均功率 10W（8负载）；b) 放大器的输入灵敏度0dB；c) 放大器的效率不低于80%，总失真度小于1%；（5W）d) 设计放大器的电源，要求纹波因素底、功率余量0.5；e) 要求整机电路体积小、可靠性高；f) 考虑脉冲信号对电网的污染的影响；整机设计符合国家安全标准1.3课题的主要内容掌握模拟电子技术中功率放大器作用和种类，研究其工作原理和性能特点；查找相关资料，了解语音信号的波形特点；掌握脉宽调制的原理以及电路的实现；设计工作与脉宽调制方式下的功率输出电路，并对这个电路的性能进行研究；最后可以采用?PROTEL?对音频功率放大器的部分电路进行仿真；制作实物并对实物性能进行测试。2设计方案论证2.1功率放大器的分类从晶体管的工作状态来看，功率放大器可分为A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类）三类。甲类功率放大器的静态工作点Q是选在晶体管的放大区内，且信号的作用范围也限在放大区，此时若输入信号为正弦波，则输出信号也为正弦波，非线性失真很小。如图21（a）所示。但在甲类功率放大电路中，由于电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时，这些功率全部消耗在管子（和电阻）上，并转化成热量的形式耗散出去。当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功率，信号越大，输送给负载的功率越多。因此，即使在理想情况下，甲类放大器的效率最高也只能达到50%。甲乙类功率放大器的静态工作点Q的位置略高于乙类，但低于甲类，处在放大区内。此时若输入正弦波，则输出将为单边失真的正弦波，如图21（b）所示。乙类功率放大器的静态工作点Q是选在晶体管放大区和截止区的交界处，信号的作用范围一半在放大区，另一半在截止区。此时若输入信号为正弦波，则输出信号为正弦波的一半，如图21（c）所示。甲乙类和乙类放大主要用于功率放大器中。甲乙类和乙类放大，虽然减小了静态功耗，提高了效率，但都出现了严重的波形失真 图2-1静态工作点Q下移对放大器工作状态的影响（a）甲类放大（b）甲乙类放大（c）乙类放大而功率放大器按照信号导通角可分为A类(甲类)、B类（乙类）、AB类（甲乙类）、D类（模拟开关式）。下面我们对这四种功率放大器进行介绍。2.1.1 A类(甲类)功率放大器图2-2是甲类单管功率放大器的典型电路。其中，Tr1为输入变压器，它同输出变压器Tr2一样也是作为阻抗变换用的，即使前一级能得到合适的负载，本级能获得最大的功率输入。电阻RB1、RB2和RE构成了偏置电路，保证晶体管工作于甲类及工作点稳定。CB、CE?是RB（RB1RB2）及RE?的旁路电容，避免输入信号通过它们时产生损耗，使放大倍数下降。在甲类功率放大电路中，电源供给的功率是由端电压和输出电流决定的。由于电源内阻r很小，所以尽管输出电流有较大的波动，但其端电压仍能保持恒定。而输出电流的大小，主要取决于晶体管的集电极电流ic的大小。在无信号时，ic等于IcQ。有信号时，ic的正负幅度相同，其平均值依然为IcQ，如图2-3所示。因此得出即甲类功率放大器从直流电源吸收的功率总是等于Ec和IcQ的乘积。并不随输入信号的有无或强弱而有所变动。这是甲类功率放大器的一个特点。图2-3 电源在不同情况下供给的电流波形根据以上分析，不难求出晶体管集电极输出的最高效率为可见，晶体管的输出功率仅为电源供给的功率的一半，效率很低，这是甲类功率放大器的最大缺点。实际上，若考虑到Vces和IcEo，则晶体管的最高效率仅为4050%左右。此外变压器本身也有一定的功率损耗，可求出放大器的总效率为它等于晶体管的转换效率和变压器效率的乘积。因此，甲类功率放大器的效率较低，总效率一般为3035%左右。2.1.2 B类(乙类)功率放大器乙类推挽功率放大器如图?2-4?所示，它是由特性相同的两个晶体管V1、V2组成的对称电路。Tr1、Tr2?为有中心抽头的输入、输出变压器。由于没有加偏置电压，所以两个晶体管的静态工作点在?IB=0?处，在没有信号的输入时，两个管子都处于截至状态。此时电源供给的功率及管耗都等于零，从而实现了乙类工作状态。在有信号输入时，两管交替工作。当正弦信号Ui送到输图2-4 乙类推勉功率放大器入变压器Tr1的初级时，在Tr1的次级则产生大小相等，相位相反的两个交流电压，分别加在V1和V2的输入端，这个过程叫倒相。在输入信号为正半周时，电路的工作情况如图2-4（a）所示。图中用符号+、-代表各电压的瞬时极性。由图可见，此时?Vbe10，V1?导通。集电极电流?ic1?的方向如图所示，为逆时针方向。与此同时，由于?V1?的反射结处于反向偏置，即Vbe20，V2导通，集电极电流?ic2?的方向如图所示，为顺时针方向。同时由于Vbe10,所以V1处于截止状态，ic1=0。这样就实现了两管在正负半周交替工作的目的。由2-4（a）可以看出，输入信号为正半周时，集电极电流ic1流经Tr2初级线圈的上班部分产生的压降，其极性应为上-下+，即同名端处为-，则ic1在Tr2初级的下半部分和次级绕组中所产生的感生电压极性，也应在同名端处为-，所以流过次级负载RL的电流ic2应为顺时针方向，如图2-4（a）所示。当输入信号为负半周时，由图2-4（b）可以看出，集电极电流ic2了流经Tr2初级线圈的下半部分产生压降，其极性应为上+下-，即在同名端处为+，则ic2在Tr2初级的上半部分和次级绕组所产生的感生电压极性，也应在同名端处为+，所以流经次级负载RL的电流io，应为逆时针方向，如图2-4（b）所示。当输入正弦信号变化一周时，经V1和V2轮换放大后，在Tr2次级负载上就可获得一个完整的正弦信号了。所以这种放大器虽然在工作时ib1、ib2及ic1、ic2都是半波，但输入信号Ui及输出信号电流io和电压却都是完整的正弦波。图2-4（a）正半周图2-4 负半周 晶体管的转换效率等于晶体管的输出功率P1?与电源供给功率PE?的比值，即可见，输入信号越强，Vcem越大，则效率也越高。在不失真情况下，晶体管最大输出功率时，由于Vcem=Ec,这时的转换效率也为最高可见，如果把变压器Tr2的损耗也考虑进去，则总的效率还要低一些，一般为60%。由于乙类放大器的输出波形是由两个半波复合而成，所以乙类放大器的交越失真比较严重。2.1.3 AB类(甲乙类)功率放大器图2-5是采用一个电源的甲乙类互补对称