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高保真功率放大器的设计.rar

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    高保真 功率放大器 设计
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    科技学院 2011 届本科毕业论文高保真功率放大器的设计专 业: 电子信息科学与技术 指导教师: 李良荣 学生姓名: 黄凤龙 学生学号: 062004100380 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页目 录摘 要 ..................................................................IIIAbstract .................................................................IV第一章 绪论 ..............................................................1第二章 高保真功率放大器概述 ..............................................22.1 高保真功率放大器的基本要求 ..........................................22.2 高保真功率放大器的分类 ..............................................22.2.1 以晶体管的静态工作点位置分类 ....................................22.2.2 以功率放大器输出端特点分类 ......................................42.2.3 功率管的安全使用知识 ............................................42.3 功率放大电路的主要特点 ..............................................4第三章 高保真功率放大器的设计 ............................................63.1 设计框架的形式 ......................................................6第四章 各部分电路的选择设计 ..............................................94.1 输入级的设计 ........................................................94.2 前置放大级的设计 ...................................................124.2.1 电路参数的计算 .................................................134.3 音调控制级的设计 ...................................................154.3.1 反馈式高低音调节电路的设计和电路工作原理 .......................154.3.2 电路的幅频特性 .................................................194.3.3 设计方法 .......................................................274.4 末级功率放大级的设计 ...............................................304.4.1 基本要求 .......................................................304.4.2 电路形式的选择 ..................................................314.4.3 末级功放参数计算 ...............................................324.5 供电电源与接地 .....................................................344.6 总体电路 ...........................................................35贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页第五章 总 结 .........................................................37参考文献 .................................................................38致 谢 ....................................................................39贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III页高保真功率放大器的设计摘 要高保真功率放大器简称功放,可以说是各类音响器材中最大的一个家族了。高保真功率放大器的设计是很有意义的:它可将音源器材输入的较微弱信号进行放大,产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。目前高保真功率放大由分立元件组成,或集电极输出完成,由分立元件组成的功放,电路结构简单,由集电极输出的功放,可减少信号失真。在放大通道的正弦信号输入电压幅度为 5~700mV 在等效负载电阻 RL为 8 欧姆的情况下,其放大通道的额定功率应大于或等于 10W ,通道带宽大于或等于50~10000Hz 在额定功率条件下通带内的非线性失真系数小于或等于 3%。由于 D 类音频功率放大器与传统的模拟功放相比,具有体积小,效率高,低失真,大功率的特点所以具有广阔的发展前景。D 类音频功率放大器,由脉宽调制电路、驱动电路、功率输出电路、滤波电路四部分构成。在本文里,对放大器的各个模块(包括放大电路、比较器电路、三角波产生电路、驱动电路、功率输出级电路、过流保护电路、过温保护电路、欠压保护电路、检测和关断模式控制电路、接口电路等)进行了设计。 本文首先介绍了声音的基本特性、音响放大器的技术指标、放大器分类和 D 类放大器的工作原理,接着对 D 类音频放大器电路的各个模块进行了电路设计及测试,并完成了数字音频功放的仿真测试工作。关键词: 高保真功率放大器;分立元件;集电极输出贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页Hi-Fi power amplifier designAbstractHi-Fi power amplifier can be said that the various types of audio equipment in one of the biggest of the family. Practical low-frequency power amplifier design is a lot of significance: it can be imported audio equipment for a weak signal amplification, to generate enough current to drive the speakers to voice playback. At present power amplification by discrete components, or complete collector output from the amplifier composed of discrete components, circuit structure is simple, from the collector output amplifier can reduce the signal distortion. In amplificatory channel sinusoidal signal input voltage degree of amplitude for 5~700mV is equivalent load resistance in 8 ohms RL for the circumstances,In amplificatory channel of the rating power should be greater than or equal to 10w, The channel bandwidth is greater than or equal to 50 ~ 10000Hz,In the rating power conditions channel to bring in terms of nonlinear distortion of less than or equal to 3%.Compared with the analog power amplifier, Class D audio power amplifier has a small size, high efficiency, low distortion and high-power. Therefore, it has broad prospects for development. Class-D Audio Power Amplifier is made up of the PWM circuit, driving circuit, power output circuit and the filter circuit. This paper designs each modules for the amplifier, which include amplifier circuit, compare circuit, the circuit for generating triangular wave, driving circuit, power output circuit, over-current protection circuit, over-temperature protection circuit, under-voltage protection circuit, testing and turn-off mode control circuit, interface circuit and so on. At first, this paper introduces the basic characteristics of the voice, the technology indicators for the audio amplifier, amplifiers classification and the principle for the Class-D amplifiers. Then accomplish the circuit design and test for each module of the Class-D audio amplifier. And complete simulation testing for Digital Audio Power Amplifier.Key words: Hi-Fi power amplifier ,discrete components ,collector outp贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页第一章 绪论在模拟电子线路中信号经过放大后,我们往往要去推动执行机构完成人们所预期的功能,例如推动喇叭发出声音,推动继电器实现控制等等。这些执行机构是把电能转换成其他形式能量的器件,它们正常工作需要从电路中获取较大的能量。所以放大电路的末级多有功率放大器组成,以便为负载提供足够的信号功率。本次课程设计就是简易高保真功率放大器。随着现代社会电子科技的迅速发展,要求我们要理论联系实际,电子技术课程设计的进行使我们有了这个非常宝贵的机会,通过这种综合性训练,要求我们达到以下目的和要求:1、结合课程中所学到的理论知识,独立设计方案。2、学会查阅相关手册与资料,通过查阅手册和文献资料,进一步熟悉常用电子器件类型和特性,并掌握合理选用的原则,培养独立分析和解决问题的能力。这次课程设计是对我们所学习的电子技术的一次实际应用,也是对我们所学知识的一次练习和提高。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页第二章 高保真功率放大器概述2.1 高保真功率放大器的基本要求功率放大器和电压放大器是有区别的,电压放大器的主要任务是把微弱的信号电压进行放大,一般输入及输出的电压的电流都比较小,是小信号放大器。它消耗能量少,信号失真小,输出信号的功率小。功率放大器的主要任务是输出大的信号功率,它的输入、输出电压和电流都较大,是大信号放大器。它消耗能量多,信号容易失真,输出信号的功率大。这就决定了一个性能良好的功率放大器应满足下列几点基本要求:1.为了得到足够大的输出功率,三极管工作时的电压和电流应尽可能接近极限参数。2.功率放大器是利用晶体管的电流控制作用,把电源的直流功率转换成交流信号功率输出,由于晶体管有一定的内阻,所以它会有一定的功率损耗。我们把负载获得的功率 Po与电源提供的功率 PE之比定义为功率放大电路的转换效率 η,用公式表示为:η= ×100%PoPE显然,功率放大电路的转换效率越高越好。3.功率大、动态范围大,由晶体管的非线性引起的失真也大。因此提高输出功率与减少非线性失真是有矛盾的,但是依然要设法尽可能减小非线性失真。4.散热性能要好 [1]。2.2 高保真功率放大器的分类2.2.1 以晶体管的静态工作点位置分类常见的功率放大器按晶体管静态工作点 Q 在交流负载线上的位置不同,可分为甲类、乙类和甲乙类 3 种,如图 2.2.1 所示。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页(a) 3 种工作状态下对应的工作点位置(b) 甲类功放的输出波形 (c) 乙类功放的输出波形 (d) 甲乙类功放的输出波形图 2.2.1 功率放大器的 3 种工作状态1.甲类功率放大器工作在甲类工作状态的晶体管,静态工作 Q 选在交流负载线的中点附近,如图2.2.1(a)所示。在输入信号的整个周期内,晶体管都处于放大区内,输出的是没有削波失真的完整信号,如图 2.2.1(b)所示它允许输入信号的动态范围较大,但其静态电流大、损耗大、效率低。2.乙类功率放大器工作在乙类工作状态的晶体管,静态工作 Q 选在晶体管放大区和截止区的交界处,即交流负载线和 IB=0 的交点处,如图 2.2.1(a)所示。在输入信号的整个周期内,三极管半个周期工作在放大区,半个周期工作在截止区,放大器只有半波输出,如图2.2.1(c)所示。乙类工作状态的静态电流为零,故损耗小、效率高,但非线性失真太大。如果采用两个不同类型的晶体管组合起来交替工作,则可以放大输出完整的不失真的全波信号。3.甲乙类功率放大器工作在甲乙类工作状态的晶体管,静态工作点 Q 选在甲类和乙类之间,如图2.2.1(a)所示。在输入信号的一个周期内,晶体管有时工作在放大区,有时工作在截止区,其输出为单边失真的信号,如图 2.2.1(d)所示。甲乙类工作状态的电流较小,贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页效率也比较高。2.2.2 以功率放大器输出端特点分类1 有输出变压器功放电路。2 无输出变压器功放电路(又称 OTL 功放电路)。3 无输出电容器功放电路(又称 OCL 功放电路)。4 桥接无输出变压器功放电路(又称 BTL 功放电路)。2.2.3 功率管的安全使用知识就功率管而言,为了保证其安全运用,必须做到以下几个方面:(1)避免发生集电结的击穿。(2)避免集电结过热,集电极的功率损耗应低于最大容许值 PCm。晶体管的集电极容许损耗 PCM不是一个固定不变的值,它和器件的散热情况有关,根据环境温度和器件的散热装置 [2]不同而有所不同。(3)功率管在工作时不能进入二次击穿区。2.3 功率放大电路的主要特点基于输出较大功率的基本任务,对功率放大电路的讨论主要针对以下几个方面: (1)大信号工作状态为输出足够大的功率,功率放大电路的输出电压、电流幅度都比较大,因此,功率放大管的动态工作范围很大,功放管中的电压、电流信号都是大信号状态,一般以不超过晶体管的极限参数为限度。 (2)非线性失真问题由于功放管的非线性,功率放大电路又工作在大信号工作状态,必然导致工作过程中会产生较大的非线性失真。输出功率越大,电压和电流的幅度就越大,信号的非线性失真就越严重。因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。 (3)提高功率放大电路的效率、降低功放管的管耗从能量转换的观点来看,功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的。任何电路都只能将直流电能的一部分转换成交流能量输出,其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的功放管和电阻上,并且主要是功放管的损耗。对于同样功率的直流电能,转换成的交流
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