1、基于高速MOS管的音频功率放大器未实现摘要.1第一章 引 言 21.1 音频功率放大器的种类及主要发展史 21.2 四种常见的音频功率放大器 21.3 本次放大器的设计指标 3第二章 音频功率放大器的比较 42.1 音频功率放大器的效率 42.2 各音频放大器的对比 5第三章 D类功率放大器的工作原理 73.1 模拟电路组成的脉宽调制器 7第四章 D类音频功率放大器的设计 84.1 D类音频功率放大器的整机结构框图 84.2 电路解析 84.3 系统调试.12第五章 总 结 15致谢语 19参考文献 16附录 20采用高速MOS管输出的高效音频功率放大器的实现摘 要音频功率放大器是一种不显眼却
2、非常有实用性的设备，他可以带动扬声器，使声音信号得以放大。在实际应用中，凡有有设备需要发出声音信号的电子产品中都需要音频功率放大器。不仅仅是小型的电子便携式产品如手机，MP3等设备中需要用到音频功率放大器，在许多大型的电子设备中，也经常可以看见该类放大器。应用中不难发现，对于功率越大的设备，其效率也更加重要。于是，本设计中主要研究失真度较低，音频放大效率较高的功率放大器。关键字：功率放大器、PWM功率放大、PWM调制。第一章 引 言1.1 音频功率放大器的种类及主要发展史近年来，音频功率放大器的技术已经越发发展成熟，各项指标也越来越完善。在应用领域中，人们主要将放大器划分为以下几类：A类功放、
3、B类功放、AB类功放、D类功放。发展主要经历以下过程：1. 音频功率放大器由简单的晶体管到较为复杂的集成电路1；2. 集成电路的组成由单管输出转向为推挽输出；3.变压器输出方式被其他形式的输出所取代。1.2四种常见的音频功率放大器 1.2.1 A类放大器第一种比较常见的功率放大器为A类功率放大器，也常被称作为甲类功率放大器。该类放大器是基于线性模式工作，处在工作状态中的晶体管，无论信号有没有输入，晶体管都呈现导通状态。这也就决定了该放大器不管有或没有音频功率输出，都具有一定的功率消耗。并且没有音频功率输出的这一部分功率消耗，都转变为热量。因而，效率是比较低的。A类功率放大器为保证它的波形不至于
4、失真，一般它的工作点电流要大于音频电流的幅度值。这就决定了它的效率非常得低。1.2.2 B类放大器还有一类线性功率放大器是B类音频功率放大器，也常常被称作 乙类功率放大器。在工作时，它和甲类功率放大器具有完全相反的模式和状态。该放大器在静态工作时，晶体管呈现关闭（不导通）的状态。当信号从正半周输入时，仅仅正向通道进行工作。反之，信号从负半周输入时，只有负向通道工作。简而言之，晶体管的两个通道不可能同时工作。可知，在信号没有输入的情况下，不存在输入功率，也就没有损耗。然而，在正负通道关闭的前提下，将伴随着严重的失真，特别是在电平较低的情况下。所谓，人们在选择高保真功放的时候往往不考虑类功率放大器
5、。1.2.3 AB类放大器类功率放大器集合了类和类功率放大器的优势，也叫做甲乙类功率放大器。在给放大器输入较低信号时，类放大器不会像类功率放大器一样呈现常开状态，该状态下，输入功率有所损耗，可是远远小于类功率放大器。信号从正相通道中输入的情况下，反相通道随着输入信号逐渐加强而开，逐渐减弱而闭合。反之，从负向通道输入信号时，正相通道随着信号加强而断开，信号减弱而闭合。上述分析可得，类功率放大器无论从失真小的角度还是效率高的角度，都明显优于类和类功率放大器。1.2.4 D类放大器从工作原理上分析，类功率放大器又有别于上述三类放大器。D类功率放大器的晶体管是工作于开关状态。基于两个开关晶体管，在工作
6、的时间内，这两个器件不会同时导通，也不会同时截止。因此，D类功率放大器产生的热量很小2。在理想情况下，类功率放大器的效率能达到百分之百，而类功率放大器的效率仅为78.5%。美中不足的是，晶体管开关在工作下会导致输出信号的部分失真，不过，这在能接受的范围内。1.3 本次放大器的设计指标1、研究比较上述四类音频功率放大器以及各项指标。在四类放大器中，挑选出失真度小、效率高的方案。2、分析该功率放大器的组成。实物最大不失真输出功率3W 3、在放大器中，需要添加一个滤波的器件，讨论滤波器的工作原理以及选择合适的滤波器。4、其他第二章 音频功率放大器的比较不同器件和原理组成了各种各样的音频功率放大器。实
7、际应用中，这些放大器的工作实现原理基本相同。都是在外界导入信号的情况中，将外加电源的功率成功转换成输出端的信号功率。在不同电子产品设备中，所需要的放大器是不一样的，对其性能指标和工作特性都有特定的要求。接下来，主要研究一下不同放大器的性能。2.1音频功率放大器的效率音频功率放大器在实际的应用中，人们往往比较关注的有高效率、使用安全，以及在控制范围内的失真程度。要优化上述指标内容，最关键的是选择一个合适的功率管。有了一个合适的功率管，放大器就能在输入较大信号的状态下工作，并且能通过的电信号都是较大的。在音频功率放大器的实际使用和运作过程中，我们可以知道系统输出的信号功率越大，则意味着着动态电压和
8、电流也会越大，相应地，会引起更大失真。在制作音频功率放大器时，不仅要尽可能地减小失真度，还要控制输出的功率大小。当给系统输入一个工作信号时，电源的功率PD一部分转换为输出的功率，另一部分则被系统损耗，称为损耗功率PC3。在判断功率放大器的指标时，常用效率C来表示，下面给出计算效率的公式。C = 2.1由该计算公式可得，要想获得高的效率，在输入功率稳定的情况下则要减小PD，相应的也就是减小的值。要想较小可以通过选择一款脉冲调制较小的功率管，同时这也能大大较小制作成本。在放大器的研究过程中，人们始终把提高工作效率C作为一个重要指标。提高功放效率固然重要，然而，音频放大器的安全使用、失真程度控制在一
9、定的范围内，这二者也不容忽视。2.2 各音频放大器的对比A类音频功放见图2.2.1左边为晶体管输入特性，固定偏置所构成的工作点在Q点，当正弦音频信号输入时，其幅度未超过线性限度，集电极工作状态则在截至区和饱和点之间，集电极电流的信号为完整的全周导通的正弦波，此时导通角为1804。我们知道这种放大状态下失真较小，其他原因造成的失真情况较小，受元器件特性影响的失真情况较大。如果元器件线性特性好那么失真较小。由于本设计的输入电源是直流，又因为A音频类功率放大器再输入的电源不是交流的情况下，失真比较大，功率较低， 所以本次设计中不采用A类音频功放设计。B类音频功放静态偏置为Q点，刚好在截止点上。故音频
10、信号输入后，波形会有90导通角的导通。而电极输出半个周期的正弦波，这种情况下的失真率较大，所以通常来说B类功率放大器比较多的是用双管来做，单个管工作是以半个周期用来构成完整的正弦波以达到减小失真的目的5。 B类功率放大器有个最为突出的优点是在没有信号输入时，理论上不会有电流通过，这说明在没有信号输入的情况下没有直流功率损耗，因而效率超过50，但是也有一个比较大的缺点，由于起始段的非线性的缘故，B类功放大器的效率没办法达到一个令人比较满意的高度，只有6070，工作介于AB之间，故又称甲乙类功放4。如下图所示：由于本次设计使用电源为直流电源，所以除去B类和AB类功放器的设计。我们再看D类放大器。理
11、想状态下，基于两个晶体管开关的类功率放大器，在没有信号通过的情况下也不存在电流，单有信号通过时，开关导通，此次也没有损耗。但是，在实际应用中，关断器件时会有较小的电流露出。当有信号通过，晶体管导通时，器件不可能完全短路，电压也会下降一些，损耗就随之产生6。所以，即便是D类功率放大器，其效率也无法达到百分之百。但是能控制在8090，相比另一三类放大器已经很高。将其应用在大型设备中时，即便有几百瓦的输出，损耗也仅仅为十几瓦。损耗值较小，在没有必要的情况下，甚至可以不安装散热器。因而，本设计所用的为D类音频功率放大器。第三章 D类功率放大器的工作原理在D类功率放大器的工作过程中，在输入段输入要放大的
12、信号，将该信号转换成脉宽调制信号，再推动晶体开关管导通，经过一个低频信号通过的滤波器，最后成功实现将信号功率放大的功能。在第一步所得的经过调制的脉宽信号，有多个等级的电压，这时就可以用普通的开关输出。在晶体管开关工作的过程中，元器件都处在截止或者饱和的状态，（截止时，有电压没有电流。饱和时，有电流没有电压）损耗是微乎其微的。但当开关从导通到断开或者从断开到导通的过程中，晶体管既有电压又有电流，此时，在元器件上存在小部分的损耗。因而，D类功率放大器的频率较其他放大器更高7。与如甲类功率放大器的线性放大器相比，D类功率放大器又一个明显的弱点，就是在输出的波形有较大的失真，其波形畸变率较大。下图所示
13、直观地反映了D类功率放大器的原理：如上图所示，信号从输入端进入后，利用PWM技术产生脉宽调制信号，再经过晶体开关管等一些列器件，将信号放大，并且输出。3.1 模拟电路组成的脉宽调制器下图展现了PWM的调制原理，该调制原理基于自然采样定理，用模拟数字信号的方案组成的PWM调制器通常都是根据自然采样的方法（即次此时输入的音频信号是模拟的信号），用三角波和输入的音频信号进行调制比较产生PWM信号，并且由其交点来判断脉冲序列来控制开关管的PWM序列8。要做一个完整的音频功率放大电路，其中需要设计一个三角波产生电路、前置的信号处理电路，PWM信号调制电路和PWM功率放大电路,一般的音频功率放大器都是由这四个模块组成。另外也可以用模拟信号来构成这样一个系统。在科学不断发展的今天，随着集成技术的的不断进步，越来越多的PWM专用集成芯片不断的出现，如SG3524,TL5001等9。但是本此设计使用的分立元件。第四章 D类音频功率放大器的设计4.1 D类音频功率放大器的整机结构框图图41D类音频放大器的整体结构框图如图41，它由前置电路（信号输入电路、取绝对值电路、电频匹配电路）、PWM调制电路、三角波产生电路、PWM功率放大电路、低通滤波器和外接负载组成。下面会一一解析电路各个细节。
