电工电子技术课程设计.doc

1、课题名称：音响放大器的设计 班 级：09 材料化学(2)班 学 号：200910230202 姓 名： 谢益龙 指导老师： 江虹 时 间：2011 年 6 月 15 号 景德镇陶瓷学院电工电子技术课程设计任务书姓名_谢益龙_ 班级 09 材料化学(2)班 指导老师 江虹 设计课题： 设计任务与要求查找一个感兴趣的电工电子技术应用电路，要求电子元件超过 3050 个或以上，根据应用电路的功能，确定封面上的题目，然后完成以下任务：1、 分析电路由几个部分组成，并用方框图对它进行整体描述；2、 对电路的每个部分分别进行单独说明，画出对应的单元电路，分析电路原理、元件参数、所起的作用、以及与其他部分电

2、路的关系等等；3、 用简单的电路图绘图软件绘出整体电路图，在电路图中加上自己的班级名称、学号、姓名等信息；4、 对整体电路原理进行完整功能描述；5、 列出标准的元件清单；设计步骤1、 查阅相关资料，开始撰写设计说明书；2、 先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；3、 依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；4、 列出标准的元件清单；5、 总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。设计说明书字数不得少于 3000 字。参考文献1谈文心. 高频电子线路M. 西安: 西安交通大学出版社2谢自美. 电子

3、线路设计实验测试(第二版)M. 武昌:华中科技大学出版社，20003毛哲，张双德电路计算机设计仿真与测试 M武汉：华中科技大学出版社，20034朱力恒电子技术仿真实验教程M 北京：电子工业出版社，20035王远. 模拟电子技术(第二版)M. 北京: 机械工业出版社，20006电子制作合订本2006 下 电子制作杂志社电子报合订本 1991 年7崔玮 等. Protel99SE 电路原理图与电路板设计M北京：海洋出版社，20058杨帮文.新型集成器件实用电路（修订版）M北京：电子工业出版社，2006目录1. 总体方案与原理说明12. 三角波产生的电路23. 比较器电路34. 桥式输出级电路45.

4、基准电压源电路56.总体电路原理相关说明67.总体电路原理图78.元件清单；89.参考文献910.设计心得体会101、总体方案与原理说明模拟音频功率放大器经过数十年的发展，在技术和性能上目前已经达到了一个巅峰，很难出现突破性的进展。效率成为制约模拟音频功率放大器发展的主要因素。模拟音频功率放大器是线性放大器，可以根据偏置点的不同将模拟音频功率放大器分为 A 类，B 类，AB 类，各类功率放大器的理论效率在 50%78.5%之间。模拟音频功率放大器的最大效率是在输出最大输出功率时得到的，但是为了保证信号保真度这一性能指标，放大器往往不能工作在最大输出功率状态，因此模拟音频功率放大器在实际系统中正

5、常工作的效率一般不高，对于 A 类音频功率放大器，实际的工作效率一般在 25%左右。尽管人们曾经采用多种方式试图提高效率，但是由于理论极限值的限制，模拟音频放大器的效无法得到本质上的改善，数字功率放大器就是在这种情况下被广泛关注的。数字功率放大器是一项意义深远的创新技术，具有广阔的发展前景，并对消费电子产生巨大的冲击作用，在音频和非音频领域都具有广泛的应用，如DVD 接受机，AV 接收机，助听器，手机，等离子显示器，汽车音响，收录机以及专业音频设备等。与模拟功率放大器相比，数字功率放大器在获得更高效率的同时可以降低芯片尺寸，所以在便携式音频设备中有着重要的地位。统计表明，数字功率放大器目前以每

6、年超过 50%的速度在迅猛增长。数字功率放大器的应用领域极其广泛，我国拥有巨大的消费电子市场。目前国内使用手机的用户很多，而每一部手机都可以使用一个数字功率放大器；在时尚潮流方面，MP3,MP4 等便携式媒体播放器深受消费者的喜爱，在消费电子领域占有巨大的份额，而数字功率放大器常常作为耳机驱动器用于此类播放器中：在汽车电子领域，数字功率放大器以其高效率，低散热和更紧凑的封装形式，将逐步取代传统的模拟音频功率放大器成为汽车音响的首选和主流。数字功率放大器根据调制方式的不同，可以分为脉冲宽度调制（PWM）型数字功率放大器和 Sigma-Delta 调制型数字功率放大器。采用脉冲宽度调制（PWM）型

7、数字功率放大器，其功率晶体管工作在开关状态，其效率理论上可以达到 100，电路实现较为简单，但是要特别注意电磁干扰（EMI）和噪声；采用 Sigma-Delta 调制方法来设计数字功率放大器，该调制方法相对于 PWM 调制方法来说能够进一步提高数字功率放大器的总谐波失真（THD） ，得到更好的线性度，但其系统实现也会更为复杂。第二级共模反馈电路由 MOS 管 MF1MF8 组成。MF1、MF2 和MF3、 MF4 构成两个输入差分对结构，检测第二级放大电路的输出共模电压；MF5 和 MF6 为共模反馈电路供偏置电流；MF7 产生第二级共模输出信号，通过控制流过 M10 和 M12 的电流，调整

8、第二级放大电路的输出共模电压。假设输出电压 Vo+和 Vo-超过了 Vcm，MF3 和 MF4 管的漏端电流开始下降，这使得流过 MF7 的电流减小，导致第二级共模反馈信号向 VDD 方向增加，流过M10 和 M12 管的电流减少，由于通过 M11 和 M13 管的电流是一个定值，这将导致输出电压 Vo+和 Vo-下降，最终，输出电压的平均值将稳定于 Vcm。与输入级运算放大器不同的是,积分器的运算放大器具有一个较大的负载电容，而且这个运算放大器中的右半平面零点降低这个系统的稳定性，所以需要对这个积分器的运算放大器的进行零点补偿。零点补偿技术把零点移到了左半平面，它消除了第一个非主极点，提高了

9、单位增益带宽，并且这个零点补偿方法并不会因为电源电压的变化，温度的变化和工艺偏差而出现补偿不准的现象。两级运放中的右半平面的零点是一个严重的问题，我们可以通过把零点移到左半平面，以便消除第一个非主极点，以提高这个运算放大器的单位增益频率。2.三角波产生的电路本文设计的三角波产生电路由偏置电路、控制电路以及恒流源充放电电路三部分组成。MOS 管 MF1MF9 以及电阻 R4 构成三角波产生电路的偏置级。MF5、MF6 构成电流镜恒流源；MF7、MF8 分别和 MF1、MF3 亦构成电流镜恒流源。MF1、MF2、MF3、MF 互相组成电流镜，确保 I3 和 I4 恒定，以提高其稳定程度，使得 MF

10、5 和 MF6 在相等的源漏电压下工作，以减少 I5 和 I6 的差别，即使由于某种原因使得电流源输出电压发生变化，电流源本身的负反馈起到的内部自我调节作用,从而达到恒流的效果。MF9 栅极和漏极连接，电压相等，管子工作在饱和区，输出特性曲线区域平坦。改变电阻 R4 的值可以调整输出偏置电压大小。3.比较器电路由于 NMOS 管输入级和 PMOS 管输入级电路原理一样，以下只分析 NMOS 管差分输入电路。M1 和 M2 为输入级的差分输入管；M3、M4、M6、M7 耦合相接，组成电流镜作为输入级的负载管，这种结构具有稳定输出共模电平及提高输入级增益的优点；M5 是恒流源管，为比较器提供偏置电

11、流。输入级电路共有两条反馈通路：第一条是通过晶体管 M1 和 M2 共源节点的串联电流负反馈；第二条是连接晶体管 M6 和 M7 源-漏极的并联电压正反馈。当正反馈系数小于负反馈系数时，整个电路在共模输入电压很高时为负反馈，电路没有迟滞效应；当正反馈系数大于负反馈系数时，整个电路表现为正反馈，同时在电压传输曲线中表现为迟滞效应。4.桥式输出级电路桥式输出电路数字功率放大器的输出级采用桥接负载差分驱动结构。理论上，由于数字功率放大器的开关工作模式，在开关理想的情况下，其功率效率为 100%。但实际上，由于由 MOS 现的开关导通电阻不可能为零，并且其导通和关闭需要一个过程，所以数字功率放大器的效

12、率不可能真正达到 100%，而是有一个上限。本文设计的全桥式输出结构如图 4-14 所示。PWM 信号经过死区时间调整电路后再经过功率驱动电路驱动功率晶体管。全桥式结构（BTL）数字功率放大器除具有与 AB 类 BTL 音频功率放大器相同的优点外，还具有高效率特性33。BTL 放大器的第一个优点是采用单电源供电时输出端不需要隔直电容，半桥式放大器则不然，因为它的输出会在 VDD 和地之间摆动，这意味着它的输出具有 VDD/2 的直流偏移，全桥式放大器中，这个偏移会出现在负载的两侧，输出端的直流电流为零。它们具有的第二个优点是在相同的电源电压下 BTL 结构的放大器输出信号摆幅是半桥式放大器的

13、2 倍，因为负载是差分驱动的，在相同的电源电压下，理论上它可提供最大输出功率是半桥式放大器的 4 倍。全桥式数字功率放大器所需要的 MOSFET 的开关个数是半桥式结构的两倍。一些人会认为这是它的缺点，因为更多开关就意味着会产生更多的导通和开关损耗和占用更大的面积，然而这仅对于大功率输出的放大器（10W）是正确的，因为它们需要更高的输出电流和电源电压，因此，半桥式放大器往往凭借其在效率上的微弱优势而被大功率设备所采用。大多数的全桥式放大器在驱动 8?负载时，效率在 80%90%之间。5.基准电压源电路本文设计的数字功率放大器电路一共使用了 5 种偏置电压，分别为Vb13.455V、Vb22 V

14、、Vb31.7V、Vb1.255V 、Vcm2.5V。这五种偏置电压的精确性对整个数字功率放大器的精度有着直接影响。基准源应当不随温度、电压、工艺参数的变化而变化，具有较低的温度系数和较高的电源抑制比。在众多类型的基准电压源中，只有 CMOS 带隙基准源既可以综合满足上述指标，又兼顾制造成本。带隙基准的一般原理如图 4-17所示。带隙基准源的主要工作原理是利用工艺参数随温度变化的特性，产生正负两种温度系数来达到零温度系数的目的，以此对电路的温度特性进行补偿。图 2-5 为传统的带隙基准源电路。Q1、Q2、Q3 发射区的面积之比为 1：N：N。传统的带隙基准源电路分析过程中有两个缺点:一是输出电

15、压约为1.25V,不能进行调节;二是只考虑了一阶温度系数,如果仿真此电路并画一条 V的曲线，会发现它呈现有限的曲率，温度系数在一定的温度范围内为零,而在其他的温度范围内或为正或为负。产生曲率的主要原因是温度随晶体管发射极电压、集电极电流的变化而变化。输出滤波器电路 PWM 信号的频率为几百 KHz，比音频信号带宽 20Hz20KHz 大得多，为了从 PWM 开关信号中恢复出音频信号，通常采用低通滤波器（LPF） 。6.总体电路原理相关说明6.1 数字功率放大器的典型系统结构典型的数字功率放大器结构简单，功耗较低，并可以通过设计高性能的滤波器，把 THD+N 限制在一个合理的范围内，因此这种结构

16、常被应用于对讲机等对于主板空间和音质的要求不是很高的领域。数字功率放大器典型的拓扑结构如图所示，它包括一个 PWM 调制器，由两个输出功率晶体管组成的半桥式输出级和一个低通 LC 滤波电路。图 2-1 典型数字功率放大器拓扑结构典型的 PWM 调制器包括一个比较器和一个三角波产生电路。三角波产生电路产生一个频率范围在 200kHz300kHz 之间的三角波信号，音频输入信号通过比较器与三角波信号进行比较，在比较器的输出端，得到脉冲宽度随音频输入信号幅度变化的脉冲信号，即 PWM 信号。PWM 信号控制半桥式输出功率管的开关状态，当 PWM 信号为低电平时，PMOS 管导通，NMOS 管截止，电

17、流通过 PMOS 管由电源流入滤波器和负载，当 PWM 信号为高电平时，NMOS 管导通，PMOS 管截止，电流通过 NMOS 管由滤波器和负载流入到地，从而达到控制流入滤波器和负载上的电流的方向的目的。低通滤波器起到解调器的作用，PWM 信号通过滤波器后，高频载波信号以及高频信号的谐波分量被滤除，放大了的音频信号驱动扬声器负载发声，最终实现了功率放大。典型的数字功放输入输出波形如图 3-2 所示。后级低通滤波器选用单端两极点 LC 积分电路，即一种最简单的数模转换器，可将放大的 PWM 信号解调，当脉冲宽度大时，电容上的电压就积累得高,反之电压就低。这样既可滤掉高频开关噪声，又得到放大的音频

18、信号,驱动扬声器发声。同时由于功率管处于开关状态，功耗很低，因而可以获得很高的效率，理论上可以获得接近 100%的效率。对调制波信号进行傅立叶分解，其频谱可以用二维傅立叶级数表示。6.2 数字功率放大器的系统框架图 2-2 为数字功率放大器的系统框架，包括前置放大器电路、积分器电路、调制器电路、全桥式输出级电路、基准电路、过温保护电路以及过流保护电路。这个数字功率放大器利用反馈环路来抑制电源电压波动、开关功率级的输出及谐波失真（THD） ，电阻 R1、R2、R3 以及 Rf 必须具有良好的线性度和匹配，以获得良好的闭环性能。这个音频功率放大器的 PWM 调制方法是基于双边自然采样技术。PWM

19、信号是直接通过比较音频信号和三角波信号得到，PWM 频谱中并不直接的包含调制信号的谐波，也就是说，从谐波失真的角度上考虑，它是非常理想的。输入音频信号经过前置放大器电路，获得并稳定输入音频信号，并确保差动信号；输入音频信号和反馈信号经过积分器输出，然后分别与三角波进行比较，产生独立的 PWM 信号，通过死区控制电路和功率驱动电路后，分别作用到两个半桥上，完成音频的放大。保护模块主要包括过流保护和过温保护模块，是为了保证数字功率放大器正常工作，防止因为电流过大或温度过高造成放大器性能上的影响甚至烧坏放大器或负载扬声器。图 2-2 所示的系统环路中包含一个极点，环路的稳定性标准是在增益为0dB 时

20、，电路的相位裕度大于 60。也可以在这个环路系统中引入一个 LPH 零点来创建一个二阶环路，与一阶环路系统相比，二阶环路系统在音频带宽内具有更高的增益，因此将会在音频范围内具有更好的 THD 性能和 PSRR 性能。7.总体电路原理图8.元件清单序号 名称 备注 数量1 电阻 10k 42 电阻 30k 33 电阻 220 64 电位器 470k 25 电位器 0.01uf 16 电位器 470pf 17 电解电容 470uf 18 电解电容 1000uf 19 集成功放 LM386 19.参考文献1谈文心. 高频电子线路M. 西安: 西安交通大学出版社2谢自美. 电子线路设计实验测试(第二版

21、)M. 武昌:华中科技大学出版社，20003毛哲，张双德电路计算机设计仿真与测试 M武汉：华中科技大学出版社，20034朱力恒电子技术仿真实验教程M 北京：电子工业出版社，20035王远. 模拟电子技术(第二版)M. 北京: 机械工业出版社，20006电子制作合订本2006 下 电子制作杂志社电子报合订本 1991 年7崔玮 等. Protel99SE 电路原理图与电路板设计M北京：海洋出版社，20058杨帮文.新型集成器件实用电路（修订版）M北京：电子工业出版社，200610.设计心得体会刚学习，并不是很清楚各个元件在电路中的作用。没办法，我必须要全面的去了解才能设计出好的电路。开始查阅各种

22、的电子书籍，同时上网找资料。逐渐脑海里有了点思路，感觉设计一个光控，声控开关很有意义。以为这样既可以节约电，也方便了人们的生活。我经过多次的修改终于把电路设计出来了。在试验中我要考虑的是好多电子元件的综合作用。从以前看不懂那些电子元件到了解了各种电子元件的作用。小小电子元件各有各的角色，在整个电路中缺一不可。通过此次电工电子的课程设计锻炼了我的思考能力，把平时学的理论运用到了实践中去。用所学知识设计生活中实用的电子产品，加深了对模拟电路和数字电路的了解和利用。并对各电子器件有一个全面的认识。同时也把我从理论带入了实践中去了。也把我从学习枯燥无味的电子元件带入了有去了解其的欲望。感觉哪些小小的电子元件太神奇了，经过设计合理的组合后竟然那么的神奇。使我更想去了解更多的电器的工作原理了。这次设计是我们根据所学的东西在联系实际，是理论联系实践的结果。这样对于我自主思考的能力有很大的提高。能根据所学的解决生活中的问题，与生活有了更紧密的联系，激发了我学习的热情。