D类功率放大器设计与制作

/完成日期任务书一、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8Ω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a．3dB通频带为300Hz～3400Hz，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1～20连续可调。d．低频噪声电压（20kHz以下）≤10mv，在电压放大倍数为10，输入端对地沟通短路时测量。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）具有输出短路爱护功能。（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、设计内容和要求=1\*GB2⑴绘制系统组成框图，确定设计方案；=2\*GB2⑵了解电路所需集成芯片的功能，参数和工作原理；=3\*GB2⑶绘制整机电路图；=4\*GB2⑷制作实物并完成软、硬件调试；=5\*GB2⑸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、设计说明书要求封面：包括设计题目，班级，姓名，指导老师，完成时间书目：依据说明书的内容确定，一般采纳2至3级。设计任务书：包括课题名称、目的、用途、主要技术性能指标(参照教材书目编排)。中文题目、摘要、关键词；英文题目、摘要、关键词。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、理论公式及具体的计算步骤、计算结果。这是说明书的主要部分。元件参数表：包括所选用的元器件名称、参数、型号。调试方案：包括调试的条件、方法、运用仪器设备的型号，并对测试数据进行分析。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看法等。参考文献：包括作者、署名、出版地、出版年等六、设计进程支配第1周：资料打算和借阅，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：其次次检查设计完成状况，并作好毕业答辩打算。第8周：毕业答辩和综合成果评定。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老师批阅，由指导老师写出批阅看法。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，所采纳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，质询和课题亲密相关的基本理论、学问、设计和计算方法试验方法、测试方法，鉴别学生独立工作实力、创新实力。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，图面整齐，布局合理，线条粗细匀称，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必需运用工程字书写。曲线图表要求：全部曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必需按国家规定的标准或工程要求绘制。摘要本系统以高效率音频功率放大器为核心，输出开关管采纳高速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,单片机实现功率测量显示电路。此外还有输出短路爱护协助功能,比较志向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。为了满意它的须要,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须要,在大功率的电子设备中也须要。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渐渐起先兴起。在这些设备中,往往须要几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ABSTRACTThissystemwithhighefficiencyaudiopoweramplifierasthecore,outputswitchtubewithahighVMOSFETtube,connectedintocomplementarysymmetryHbridgetypestructure,maximumoutputpowergreaterthan1notdistortionW,averageefficiencycanreach70%,withoutput1:1doublechangesinglecircuit,singlechipmicrocomputerpowermeasurementshowcircuit.Inadditiontotheoutputshortcircuitprotectionauxiliaryfunction,anidealwaytorealizetherequirementofdesignindex.Audioamplifierhasisacenturyofhistory,fromtheearliesttubeamplifiersfirstapplicationisaudioamplifier.However,uptonow,itwillcontinuetoupdate,developmentandprogress.Mainlybecauseofthehumanauditoryisallsortsoffeelingofquiteimportant,alsoisthemostbasicone.Inordertomeettheneedofit,theaudioamplifierwillbeconstantlyimproved.Highefficiencyoftheaudioamplifiernotjustinportableequipmentneed,inhighpowerelectronicequipmentalsoneed.Because,thegreaterthepower,efficiencyandalsomoreimportant.Butalongwiththeimprovementofpeople'slivingconditions,highfidelityaudioequipmentandhighertoblockofhometheatergraduallybegantorise.Inthesedevices,oftenneeddozensoftileorevenhundredsofwattsofaudiopower.Atthistime,lowdistortion,highefficiencyoftheaudioamplifierwillbecomeoneofthekeycomponents.Dclassinthesedevicesamplifieralsoplayanextremelyimportantrole.Keywords:highefficiency;Audio;Poweramplifier;LM311;74LS08;555chip目录摘要. IABSTRACT II第1章绪论 11.1课题概述 1D类功率放大器简介 11.2探讨背景 31.3论文探讨目标和意义 3第2章方案论证和设计 42.1总体设计分析 42.2方案的选择和设计 4高效率功率放大器 4信号变换电路 7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 9脉宽调制器 9前置放大电路 113.1.3驱动电路 12H桥互补对称输出及低通滤波电路 12信号变换电路 13功率测量 13爱护电路 14第4章电路调试 154.1调试的设备 154.2调试步骤 15电路调试 16第5章运用说明 195.1运用方法 195.1.1D类功放的安装 195.1.2D类功放的调整 195.2故障分析 19三角波电路故障分析 19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）始终占据“统治”地位，其发展经验了这样几个过程：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，并不是人们志向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）的限制，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，但是若细心设计低通滤波器及合理的选择元器件参数，其音质噪声完全能够满意人们的需求。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和实现方法。D类功率放大器简介传统的音频功率放大器工作时，干脆对模拟信号进行放大，工作期间必需工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采纳推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率状况下，仍旧对功率器件构成极大威逼，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：电路困难，成本高。经常须要设计困难的补偿电路和过流，过压，过热等爱护电路，体积较大，电路困难、效率低，输出功率不行能做的很大。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，到作为消遣设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。接连将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。全部这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都须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。都希望够有较长的运用寿命。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状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须要，在大功率的电子设备中也须要。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渐渐起先兴起。在这些设备中，往往须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探讨。在20世纪60年头中期，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，使开发好用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。简洁地说，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TacTMillennium，证明了D类放大器的概念，但是该技术还不能供应足够的性能，这使第一代D类放大器向着好用性的方向发展。其次代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。这些放大器须要源选择，音量，平衡和音调限制等困难的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的困难性。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，从而获得了确定的应用。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，输入晶体管须要在动态范围的两端都能同样精彩地工作，以帮助精确地实现精确的功率安排。通过采纳一个简洁但功能强大的内部限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限制。最终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，特地探讨音频数字编码技术，在不损伤音频信号质量的状况下，尽量压缩数据库。经过多次试验，最终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，采纳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状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爱护电路。1.2探讨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阅历。我们此次毕业设计以小组进行的，所以通过各组员的相互协作，相互指出不足，相互学习，培育我的交际实力和团队合作精神。1.3论文探讨目标和意义功率放大器是机电一体化产品中不行缺少的部分，也是其最基本的部分。功率放大器发展至今，有很多种类和应用，在工业方面，有在电力电子限制技术种的应用，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放射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号放射机。而它的设计包含了电子电路技术、模拟限制理论、测试技术以及实现智能化的单片机限制技术等。因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。实现爱好和理论实践相结合，使整个设计过程不味同嚼蜡，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，通过实际设计和制作，进一步发挥和巩固三年来所学的学问，在实践中熬炼自己的专业水平。第2章方案论证和设计2.1总体设计分析依据设计任务的要求，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和比较。图2-1系统方框图2.2方案的选择和设计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：采纳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旁边,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。电路简洁，调试便利。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运用。方案二：采纳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)，所以必需用两管推挽工作。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，Q1Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也渐渐被设计师摒弃。方案三：、采纳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，必需用两管推挽工作。可以避开交越失真。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：采纳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％，所以我们确定采纳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，采纳何种电路形式以达到题目要求的性能指标，这是关键。①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：采纳图2-2所示方式来实现。三角波产生器及比较器分别采纳通用集成电路，各部分的功能清晰，实现敏捷，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，故选用此方案。、图2-2脉宽调制器电路②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-峰值不行能超过5V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。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10V，有效地提高了输出功率，且能达到题目全部指标要求，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，开关管的选择特别重要，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。晶体三极管须要较大的驱动电流，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。③滤波器的选择方案一：采纳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：采纳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。2.2.2信号变换电路由于采纳浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为1。方案一：采纳集成数据放大器，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实力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简洁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：干脆用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，但算法困难，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频带内的随意波形，故必需采纳真有效值变换电路。此方案采纳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，干脆用单片机计算平均功率(原理框图如图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和非对称两大类，在此探讨的D类功放针对的是对功率、体积都特别敏感的便携式应用，因此采纳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2-7所示。它采纳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改变的方波，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，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。采纳全桥的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，并可削减干扰。全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采纳单电源供电。实现时，通常实行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，特殊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系统组成框图第3章硬件电路设计3.1原理分析D类功率放大器的工作过程是：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成和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①三角波产生电路。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QN7、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。 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芯片的输动身生翻转，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，电容又起先充电，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，以提高带负载实力，其仿真波形如图3-2所示。图3-2三角波波形图②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，占空比随音频幅度改变的脉冲信号。比较电路采纳高速、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，上拉电阻的阻值采纳芯片资料上的举荐阻值1k。其仿真波形如图3-4所示。图3-3比较器电路输入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1～20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8Ω负载上等效正弦波的电压峰峰值为V′p-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（事实上，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1～20连续可调，因此必需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简洁实现输入电阻Ri≥10kΩ的要求，取V+=VPP/2=2.5V要求输入阻抗Ri大于10KΩ,反馈电阻采纳R3=51KΩ,反相端电阻R1=10KΩ,则前置放大器的最大增益Av为Av=R3/R1=51/10=5.1调整R3使其Av增益约为8，则整个功放的电压增益从1～20可调。图3-5前置放大电路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3.1.4H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、简洁快速驱动的对管，IRF120和IRF9120VMOS对管的参数能够满意上述要求，故采纳之。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3-7H桥互补对称输出及低通滤波电路低通滤波器采纳四阶巴特沃兹LC滤波电路，如图3-7所示。对滤波器的要求是上限频率≥20kHz，在通频带内特性基本平坦。通过试验，从而得到了一组较佳的参数：L1=22μH，L2＝47μH，L3=22μH，L4=47H。19.95kHz处下降2.464dB，可保证20kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；100kHz、150kHz处分别下降48dB、62dB，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，可不必采纳价格较贵的满幅运放,故信号变换电路采纳低噪声、高速运算放大器芯片NE5532。题目要求电路增益为1，选取R1＝R2＝R3＝R4＝20kΩ，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，干脆计算功率放大器的输出功率、效率，然后把计算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，采纳美国模拟器件公司(AnalogDevices)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)，能计算任何困难波形的真有效值、平均值、均方根值、确定值，当输入信号大于1V时测量信号的频率上限高达8MHz。图3-9真有效值变换电路3.1.7爱护电路爱护电路的原理如图3-10所示,0.1Ω过流取样电阻和8Ω负载串联连接，对0.1Ω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11kΩ，则该放大器的电压放大倍数为Av=R0/R7≈51。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0.1Ω上的最大电流幅度Im=5/(8+0.1)=0.62A，0.1Ω上的最大压降为62mV。经放大后输出的电压幅值为Vim×Av=62×51≈3.2V，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8Ω负载端短路或输出过流，0.1Ω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，使功放得到爱护。要解除爱护状态，需关断爱护电路电源。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。图3-10短路爱护电路第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调试的设备为了便利调试，找出电路相关电路故障及测量相关数据，我们运用了很多专业调试设备，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10KΩ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×(1+1%)V。效率为：500mW%V×I。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，先细致检查接线是否正确，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，或者改接线时遗忘去掉原来的旧线造成的，在试验中时常发生，而查线时又不易发觉，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.通电视察把经过精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视察结果，首先要视察有无异样现象，包括有无冒烟，是否闻到异样气味，手摸元件是否发烫，电源是否有短路现象。假如出现异样，应马上关断电源，待解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。比较志向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，为最终的联调创建条件。（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，假如电路设计的不合理，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削减毛刺。（2）比较部分比较部分原理较简洁，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，应当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系列的比较和选择，阅历表明在该电路中选用COMS系列的比较合适。第一，COMS管的功耗低，有利于效率的提高。其次，COMS系列虽然驱动实力不如TTL，但由于驱动部分的电压跟随不行少，试验中发觉，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，两边管子必需对称匹配，以减小静态损耗。（5）滤波部分最好选用参数特性基本一样的电感电容，其中，电感可适当取小些，电容相应匹配电感，以降低滤波电路产生的压降，但H桥两边参数必需严格对称，否则，对输出功率的提高极为不利。试验中发觉：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，故事实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。整机联调只须要视察动态结果，即把各种测量仪器及系统本身显示部分供应的信息和设计指标逐一对比，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-p9.28V8.96V8.40V8.32V8VUo3.3V2.91V2.76V2.7V2.5VPmax1.089W0.85W0.76W0.729W0.625W表4-6效率测试测试点UiIiPiUoIoPoȠ测试值5V0.4A2W3.5V0.35A1.225W61%第5章运用说明5.1运用方法5.1.1D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，留意电源的大小和方向，接入5V左右的直流电源，避开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，留意音频信号的频率应在200Hz～5000Hz，当频率过高后会产生失真。依据插口的大小选择音源，因此一般的手机、MP3、MP4都能够作为音源输入。D类功放的调整1.假如音响不出声，则回到起先检查。线路是否接对或元器件是否烧坏，烧坏的话，刚好的更换相同的元器件。2.假如音响正常工作，但音量不大或有较多的杂音，则可以调整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，细致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，能满意电路要求。5.2.2输出功率和效率不高功放的效率和最大不失真输出功率和理论值还有确定的区分，主要缘由有以下几个方面：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确定的功率损耗，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，特殊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志向同步，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个电感的直流电阻引起的。结论高保真响已为人们所熟识，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，给很多的音响爱好者和家庭带来了快乐和享受，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，正如闻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，加深了我对专业学问的理解，更加的拓宽了学问面，作品完成的一样性和完整性，是一次特别好的学习机会。本设计具体探讨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，我们走了很多弯路，但这同时使我们从中积累了很多阅历教训，正是这些阅历教训使我们对D类放大器的工作原理有了更深刻的相识，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学问，无论理论还是实践方面都有了较大的提高，和此同时这也是对我们三年来所学的东西的一次确定。但由于时间短、动手实力不是很强以及设备和资料缺乏，所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、生活中都应当不断的学习，努力提高学问和综合素养。总之，不管学会的还是学不会的，都觉得收获是最重要的。最终最终做完了，自己有种如释重负的感觉。为此我得出了一个结论：学问必需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觉是两回事，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很多东西，也培育了我独立工作的实力，树立了对自己工作实力的信念，信任会对今后的学习工作生活有特别重要的影响。而且大大提高了着手的实力，使我充分体会到了在创建过程中探究的艰难和胜利时的喜悦。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