1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。D類功放設計論文-長沙航空職業技術學院畢業論文D類功放的設計與分析姓名：陳劍專業：電子聲像指導老師：戴鼎鵬2010-12-5、摘要:本論文首先分析了各類音頻功率放大器的工作原理及自然特點，重點闡述了D類功率放大器的工作原理及和脈寬調制方案。D類功放采用脈寬調制技術來提高功放的效率，利用占空因數，建立了分析功放效率的數學模型；詳細描述了D類功放的三角波發生器、比較器、H橋的電路設計；列出了在設計中的注意事項。不僅保證了功放的高效性，而且具有良好的音質效果。關鍵詞：功放；脈寬調制；高效；音質Abstract

2、:OnthebasisoftheanalysisofoperatingprinciplesandperformancecharacteristicsofvariousPAsdescriptionofPWMandoperatingprincipleofclass-DaudioPas.InClassDPowerAmplifier,pulsewidthmodulationtechnologyisusedtoenhanceitsefficiency.Theadvantageofdutycycleisusedtobuildthemathematicalmodelforanalyzingefficienc

3、y.ThreecircuitsofClassDPowerAmplifier:trianglewaveoscillator,comparator,H-bridgearepresented.Someimportantmethodsaregiven.Thetechnologyimprovedthesoundqualityatthesametime.Keywords:poweramplification;pulsewidthmodulation;highefficiency;soundquality第一章音頻放大器的概述1.1音頻放大電路的回顧和展望隨著晶體管制造技術的不斷提高和新技術的應用，各項實用

4、性指標和可靠性指標都有很大改善，并不斷在向更大的輸出功率，更小的體積，更輕的重量，更多的功能和智能化方向發展，如美國CROWN公司的MA-5000VZA功放，其最大輸出功率可達4000W/8（橋接，單通道）；完善的可靠性設計使它在苛刻的環境中可連續工作，使得生產者可作3年免維護的保證；插入可編程的輸入處理模塊USP3；可對12000臺功放的工作狀態進行程控調節和各種參數檢測。各種完善的可靠性保護措施，使它的可靠性大大提高，可與電子管功放媲美。晶體管功放具有許多寶貴優點，它的失真低于萬分之一，但其音質聽感總不如電子管功放那么逼真，細膩，尤其是在表現瞬態變化快而清脆的打擊樂，弦樂和渾厚回蕩的鋼琴曲

5、方面感覺最明顯。20世紀80年代初，歐洲有些專業公司開始研究晶體管功放與電子管功放之間的性能差異及解決辦法。電子管是一種電壓控制器件，需要的控制功率極微，開關速率很快。晶體管是一種電流控制器件，需有較大的控制電流，轉換速率較慢，這是最基本的差別。80年代中期歐洲首先推出了采用MOSFET音頻場效應管功放。MOSFET場效應晶體管既具有晶體管的基本優點。但使用不久發現這種功放的可靠性不高（無法外電路保護），開關速度提高得不多和最大輸出功率僅為150W/8等。90年代初，MOSFET的制造技術有了很大突破，出現了一種高速MOSFET大功率開關場效應晶體管。西班牙藝格公司（ECLER）經多年研究，攻

6、克了非破壞性保護系統的SPM專利技術，推出了集電子管功放和晶體管功放兩者優點結合的第3代功放產品，在歐洲市場上獲得了認可，并逐步在世界上得到了應用。第3代MOSFET功放的中頻和高頻音質接近電子管功放，但低頻的柔和度比晶體管功放差一些，此外MOSFET開關場效應管容易被輸出和輸入過載損壞。數字功放的概念早在20世紀60年代就有人提出了，由于當時技術條件的限制，進展一直較慢。1983年，M.B.Sandler等學者提出了D類放大的PCM（脈碼調制）數字功放的基本結構。主要技術要點是如何把PCM信號變成PWM（脈沖調寬信號）。美國Tripass公司設計了改進的D類數字功放，取名為“T”類功1999

7、年意大利POWERSOFT公司推出了數字功放的商業產品，從此，第4代音頻功率放大器，數字功放進入了工程應用，并獲得了世界同行的認可，市場日益擴大，最終將替代各類模擬功放。1.11音頻功率放大電路的簡介音頻放大器已經有快要一個世紀的歷史了，最早的電子管放大器的第一個應用就是音頻放大器。然而直到現在為止，它還在不斷地更新、發展、前進。主要因為人類的聽覺是各種感覺中的相當重要的一種，也是最基本的一種。為了滿足它的需要，有關的音頻放大器就要不斷地加以改進。進入21世紀以后，各種便攜式的電子設備成為了電子設備的一種重要的發展趨勢。從作為通信工具的手機，到作為娛樂設備的MP3播放器，已經成為差不多人人具備

8、的便攜式電子設備。陸續將要普及的還有便攜式電視機，便攜式DVD等等。所有這些便攜式的電子設備的一個共同點，就是都有音頻輸出，也就是都需要有一個音頻放大器；另一個特點就是它們都是電池供電的，都希望能夠有較長的使用壽命。就是在這種需求的背景下，D類放大器被開發出來了。它的最大特點就是它能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。高效率的音頻放大器不只是在便攜式的設備中需要，在大功率的電子設備中也需要。因為，功率越大，效率也就越重要。而隨著人們的居住條件的改善，高保真音響設備和更高檔的家庭影院也逐漸開始興起。在這些設備中，往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率。這時，低失真、高效率的音頻放大器就成為其中的

9、關鍵部件。1.12音頻放大器分類長期以來，高品質音頻放大器的工作類別，只限于A類(甲類)和AB類(甲乙類)。其原因在于過去只有電子管這樣的器件，B類(乙類)電子管放大器產生的失真使它們甚至在公共廣播用時都難于被人們所接受。所有的自稱為高保真放大器均工作于推挽式的A類(甲類)。隨著半導體器件的出現和發展，放大器的設計得到了更多的自由。就放大器的類別而言，已不限于A類(甲類)和AB類(甲乙類)。這里將各種類別的放大器簡介如下。不過需要指出，就目前來說用于音頻功率放大器的工作類別，A類(甲類)、AB類(甲乙類)和B類(乙類)這三類放大器仍覆蓋著半導體放大器的絕大多數。1.A類(甲類)放大器A類(甲類

10、)放大器，是指電流連續地流過所有輸出器件的一種放大器。這種放大器，由于避免了器件開關所產生的非線性，只要偏置和動態范圍控制得當，僅從失真的角度來看，可認為它是一種良好的線性放大器。A類放大器在結構上，還有兩類不同的工作方式。其中一類是將兩個射極跟隨器相聯工作，其偏置電流要增加到在正常負載下有足夠的電流流過，而不使任一器件截止。這一措施的最大優點是它不會突然地耗盡輸出電流，如果負載阻抗低于標定值，放大器會短期出現截止現象，在失真上可能略有增加，但不致出現直感上的嚴重缺陷。另一類可稱作為控制電流源型(VCIS)，它本質上是一個單獨的射極跟隨器，并帶有一個有源發射極負載，以達到合適的電流泄放。這一類

11、作為輸出級時，需要在開始設計之前就把所要驅動的阻抗是多低搞清楚。2、B類(乙類)放大器B類(乙類)放大器，是指器件導通時間為50的一種工作類別。這類放大器可以說是最為流行的一種放大器，也許目前所生產的放大器有99是屬于這一類。由于大家比較熟悉，這里不作詳細介紹。3、AB類甲乙類)放大器AB類(甲乙類)放大器，實際上是A類(甲類)和B類(乙類)的結合，每個器件的導通時間在50100之間，依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類放大器的偏置按B類(乙類)設計，然后增加偏置電流，使放大器進入AB類(甲乙類)。AB類(甲乙類)放大器在輸出低于某一電平時，兩個輸出器件皆導通，其狀態工作于A類(甲類)；當電平

12、增高時，兩個器件將完全截止，而另一個器件將供給更多的電流。這樣在AB類(甲乙類)狀態開始時，失真將會突然上升，其線性劣于A類(甲類)或B類(乙類)。不過筆者認為，它的正當使用在于它對A類(甲類)的補充，且當面向低負載阻抗時可繼續較好地工作。4、C類(丙類)放大器C類(丙類)放大器，是指器件導通時間小于50的工作類別。這類放大器，一般用于射頻放大，很難找到用于音頻放大的實例。5、D類(丁類)放大器這類放大器，其特點是斷續地轉換器件的開通，其頻率超過音頻，可控制信號的占空比以使它的平均值能代表音頻信號的瞬時電平，這種情況被稱為脈寬調制(PWM)，其效率在理論上來說是很高的。但是，實際困難還是非常大

13、的，因為200kHz的高功率方波是不是好的出發點尚不清楚；從失真的角度來看，為保證采樣頻率的有效性，必須將一個陡峭截止頻率的低通濾波器插入放大器與揚聲器之間，以消除絕大部分的射頻成分，這至少需要4個電感(考慮立體聲)，成本自然不會低。此外，表現在頻響方面，它只能對某一特定負載阻抗保證平坦的頻率響應。6、E類(戊類)放大器這類放大器，是一個極端聰明的半導體技術應用，它在幾乎所有工作時間內，通過的電壓或電流是較小的，亦即功率耗散很低。遺憾的是，它僅用于射頻技術，而不用于音頻。7、簡介D類放大器的工作原理可能讀者都早就熟悉了A類、B類、AB類和C類放大器，其實所有這些放大器的區別只是在于靜態工作點的

14、選擇。A類放大器具有最大的靜態工作電流，也就是它在沒有輸入信號的時候也會消耗電流，因而顯然它的效率是最低的。但是，只要選擇合適的工作點，它通常具有最低的失真。B類放大器則選擇了50%的導通時間，它的效率肯定比A類放大器要高,但是失真也要嚴重很多。AB類放大器則是介于A類和B類之間。它的導通時間也是介于50%到100%之間。C類放大器是指那些導通時間小于50%的放大器，通常用于負載為調諧回路的射頻放大器中。D類放大器是一種完全不同的放大器，其實稱之為D類放大器似乎并不恰當。因為它并不只是放大器工作點的選擇。所以也有人稱之為“數字音頻放大器”。似乎這個名稱更為恰當。因為有一種D類放大器可以接收數字

15、輸入而省去D/A變換。D類放大器所采用的技術其實就是脈寬調制技術PWM(PulseWidthModulation)。所謂脈寬調制技術也就是把模擬音頻信號的幅度來調制一系列矩形脈沖的寬度。這樣，一個模擬音頻信號就變成了一系列寬度受到調制的等幅脈沖信號。為什么要這樣做呢？因為這時候，要把信號放大，只要對這系列的脈沖信號放放大就可以了。而原來的模擬信號并不是包含在這個脈沖信號的幅度之中，而是包含在它的寬度之中。只要把這個放大以后的脈寬調制信號中所包含的低頻分量濾出來就可以得到放大以后的音頻信號。在沒有信號的時候，輸入信號就是對稱方波。所以如果在放大的時候，幅度上產生失真并不會使原來的音頻信號產生失真

16、。在這種情況下的放大器就可以完全工作在開關狀態。在開關工作狀態，晶體管的效率是很高的。因為在完全導通的時候晶體管的電流很大但是壓降很小(由其飽和電阻決定)，而在截止的時候，加在晶體管的電壓很高，但是流過晶體管的電流很小(只是其漏電流而已)。同時還可以使晶體管在沒有音頻信號時完全工作在截止狀態，這樣其效率就更高。這種脈寬調制可以用一個等幅三角波來對音頻信號進行采樣。為了避免失真這個三角波的頻率必須遠高于音頻信號的最高頻率分量。現在的音頻功率放大器主要有電子管式功率放大器、晶體管式功率放大器和集成電路功率放大器等三種。目前，以晶體管或集成電路式功率放大器為主。電子管式功率放大器的生產工藝相當成熟，

17、產品的穩定性很高，離散度極小。它的動態范圍比較大，過負載能力強，不容易發生飽和削波失真；電路的負反饋深度較淺，也不容易發生瞬態互調失真。這些使電子管功放音色純美動聽。集成電路功放隨著集成電路技術的發展而大量涌現出來，它的突出優點是體積小、電路簡單、性能優越和保護功能齊全等。晶體管功放是應用最廣泛的形式，它的諧波失真已經減少到0.5以下。場效應管是一種很有潛力的功率放大器件，它是一種噪音小、動態范圍大的電壓控制器件。另外它還具有負溫度特性，音色和電子管機相似，保護電路簡單。第二章D類功率放大器的設計設計方案一：2.1工作原理D類功放設計考慮的角度與AB類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太大意

18、義，更重要的開關響應和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關響應要好。另外，整機的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所以，飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結構也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價格昂貴，在一定程度上限制了D類功放的發展。現在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運用于工業領域，特別是近年來UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上應用，器件的障礙已經消除。調制電路也是D類功放的一個特殊環節。要把20KHz以下的音頻調制成PWM信號，三角波的頻率至少要達到200KHz。頻率過低達到同樣要求的THD標準，對無源LC低通

19、濾波器的元件要求就高，結構復雜。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加接近原波形，THD小，而且可以用低數值、小體積和精度要求相對差一些的電感和電容來制成濾波器，造價相應降低。但此時晶體管的開關損耗會隨頻率上升而上升，無源器件中的高頻損耗、射頻的取膚效應都會使整機效率下降。更高的調制頻率還會出現射頻干擾，所以調制頻率也不能高于1MHz。同時，三角波形的形狀、頻率的準確性和時鐘信號的抖晃都會影響到以后復原的信號與原信號不同而產生失真。所以要實現高保真，出現了很多與數字音響保真相同的考慮。還有一個與音質有很大關系的因數就是位于驅動輸出與負載之間的無源濾波器。該低通濾波器工作在大電流下，負載就是音箱。嚴格地

20、講，設計時應把音箱阻抗的變化一起考慮進去，但作為一個功放產品指定音箱是行不通的，所以D類功放與音箱的搭配中更有發燒友馳騁的天地。實際證明，當失真要求在0.5%以下時，用二階Butterworth最平坦響應低通濾波器就能達到要求。如要求更高則需用四階濾波器，這時成本和匹配等問題都必須加以考慮。D類功放設計考慮的角度與AB類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太大意義，更重要的開關響應和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關響應要好。另外，整機的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所以，飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結構也能得到簡化。若

21、干年前，這種高頻大功率管的價格昂貴，在一定程度上限制了D類功放的發展。現在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運用于工業領域，特別是近年來UHCMOSFET已在Hi-Fi功放上應用，器件的障礙已經消除。調制電路也是D類功放的一個特殊環節。要把20KHz以下的音頻調制成PWM信號，三角波的頻率至少要達到200KHz。頻率過低達到同樣要求的THD標準，對無源LC低通濾波器的元件要求就高，結構復雜。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加接近原波形，THD小，而且可以用低數值、小體積和精度要求相對差一些的電感和電容來制成濾波器，造價相應降低。但此時晶體管的開關損耗會隨頻率上升而上升，無源器件中的高頻損耗、射頻

22、的取膚效應都會使整機效率下降。更高的調制頻率還會出現射頻干擾，所以調制頻率也不能高于1MHz。同時，三角波形的形狀、頻率的準確性和時鐘信號的抖晃都會影響到以后復原的信號與原信號不同而產生失真。所以要實現高保真，出現了很多與數字音響保真相同的考慮。還有一個與音質有很大關系的因數就是位于驅動輸出與負載之間的無源濾波器。該低通濾波器工作在大電流下，負載就是音箱。嚴格地講，設計時應把音箱阻抗的變化一起考慮進去，但作為一個功放產品指定音箱是行不通的。實際證明，當失真要求在0.5%以下時，用二階Butterworth最平坦響應低通濾波器就能達到要求。如要求更高則需用四階濾波器，這時成本和匹配等問題都必須加

23、以考慮。2.11整體框圖D類功放采用脈沖寬度調制（PWM）系統和開關電源供電。音頻信號全部信息被調制在PWM信號的寬度變化中，功率管工作在飽和、截止兩種狀態，失真小，效率高。其工作原理是將模擬音頻信號經PWM設備調制成數字信號；然后高效功率放大、低頻濾波；解調信號后，驅動揚聲器。為適應數字聲源直接輸出的脈沖編碼調制（PCM）輸入，一般機內還設置一個PCM/PWM兩種脈沖編程調制的轉換裝置。本文介紹的D類功放其原理框圖如圖1所示，包括兩部分。第一部分是脈寬調制部分，輸入的模擬信號經電壓放大后，與固定頻率的三角波相比較，比較器輸出寬度被調制的高、低電平。第二部分是功率放大，PWM信號控制H橋功率管

24、的通/斷，使電能驅動揚聲器，產生聲音。圖1中的電壓放大電路可簡單地通過運放來實現，本文不詳細討論，下面主要介紹三角波發生器、比較器、H橋等電路。2.12三角波發生器的設計三角波的作用是用來調制音頻信號，對此有兩方面的要求。其一，調制后的信號可以被完整地恢復。根據Nyquist采樣定理，三角波的頻率至少是音頻信號最高頻率的兩倍，人類聽到的聲頻范圍是20Hz20kHz，說明三角波的頻率應在40kHz以上，為確保音頻信號的采樣，可取三角波的頻率為65kHz；其二，三角波要有穩定的頻率和幅度，否則，調制后的脈寬會產生變形，從而降低音頻輸出的信噪比，音質變差，噪聲增大。在高頻的情況下，產生頻率、幅度穩定

25、的三角波，對一般的波形發生器來說很難實現，本設計選用了臺灣凌陽公司的unsp061單片機，這種單片機的片內有兩路DAC，可用其中的一路與圖2所示的電路直接相連。產生穩定頻率的三角波。圖2電壓轉換電路圖3比較器、Schmitt觸發器unsp061單片機輸出三角波的軟件編程可通過循環語句(或者采用查表法)實現，但DAC輸出的是電流信號，必須用圖2所示的同相比例運算電路實現電壓轉換。其中Rf可調，以保證三角波的電壓變化范圍大于放大后信號的電壓變化范圍。2.13比較器的設計比較器是帶一個鎖相環的脈寬調制電路，把三角波與音頻信號比較，實現兩者的調制，電路如圖3所示。調制后的電路與H橋的門控電路相連，地線

26、被連接到公共地端。為了簡單，音頻信號以單一正弦信號u2Usinwt為例來說明PWM信號。如圖4所示，當音頻信號大于三角波信號時，比較器輸出高電平，當音頻信號小于三角波信號時，比較器輸出低電平。值得注意的是：音頻信號的幅值不允許大于三角波信號的幅值，否則，結果是一個錯誤的PWM信號。如圖4所示，PWM信號是一個數字脈沖信號，其脈寬的變化反映信號的全部信息，在正弦波的正半周時，正脈沖寬，負脈沖窄；反之，正脈沖窄，負脈沖寬；當正負脈沖等寬時，輸入為0。脈沖信號的高、低電平控制H橋兩組功率管的通/斷，高/低兩值之間的轉換快慢決定兩組功率管之間通/斷的轉換時間，所以，要求PWM信號高/低電平之間的轉換時

27、間要短，否則，輸出到揚聲器的信號會出現明顯的交越失真，降低音頻信號的失真度。比較器的實際輸出如圖5所示，很顯然不符合要求。為了縮短高/低電平的轉換時間，在設計中，采用三個MM74C14Schmitt觸發器來調整比較器輸出的波形。MM74C14的特點是磁滯現象和快速的轉換特性。磁滯現象可使電路抗干擾能力增強；快速轉換特性可使輸出波形得到明顯的改善，改善后的波形如圖6所示。如果只采用一片MM74C14，片中的電流大，芯片溫度容易升高，因此，采用三片MM74C14，以減少每個觸發器的電流，減少能量消耗，降低運行時的溫度。2.14H橋與濾波電路H橋是由四個MOSFET功率管構成，功率管的通/斷由MM7

28、4C14輸出的PWM信號控制，從而控制通過揚聲器電流的大小和方向，其原理圖如圖7所示。其中A、B是兩組、共四個高頻MOSFET功率管，R、L是揚聲器的等效電路，與電容C并聯構成低通濾波。當PWM信號為高電平時，A1、A2導通，B1、B2截止，電流從揚聲器的正極流向負極；當PWM信號為低電平時，A1、A2截止，B1、B2導通，電流從揚聲器的負極流向正極。功率管開關的頻率等于PWM信號的頻率。整個H橋和濾波電路運行在大電壓、大電流、大功率的環境下，與第一部分電路的電源無關。在設計中選用LMD18201作為H橋，如圖8所示這種芯片附有一個散熱片，即用來散熱，也充當功率地；為了降低噪聲，信號地和功率地

29、都通過短且粗的導線連到散熱片。其中C1是Ta電容，以確保開關時有足夠的電流供給H橋；C2、C3是解耦電容，用來提高功率管的開關速度。H橋輸出給揚聲器的方波是PWM信號的放大，經揚聲器的濾波電路消除聲頻以上的高頻信號，還原音頻信號，驅動揚聲器。在整個電路中用到三種電壓：unsp061單片機的電壓是5V；音頻信號的放大電路、比較器采用10V的雙電源；H橋的電壓是24V。若采用常規直流穩壓電源的設計，電路復雜、效率低，體積、重量大。由此，筆者采用開關電源，先把220V的交流電整流為高壓直流電，然后經開關電路的精確控制分割，產生一種高壓、高頻的方波，最后經小型變壓器變壓、整流、濾波后輸出所需直流電。因

30、變壓器線圈的匝數與頻率成反比，頻率越高，匝數越少，這樣可以減少電源的重量和體積。在高頻下，用型濾波可把方波轉換為直流電，省略低效率的線性穩壓電路，提高電源的效率。2.2效率分析的數學模型第一部分電路運行在小功率的情況下，效率的高低無關重要，提高效率主要是第二部分電路，H橋的四個功率管總是工作在飽和/截止兩種狀態，在截止狀態時，無電流，無能量消耗；在飽和狀態時，內阻很小，等效電路如圖9所示。其中RS是功率管的等效電阻，C是很小的濾波電容，R、L是揚聲器的等效電路。為簡便起見，設音頻信號是單一正弦波：其頻率是f，周期是T，設該信號被頻率是nf的三角波所調制（n2），則PWM信號是頻率為nf的方波，

31、設一個周期內高電平的占空因數為ai(ai1)，則低電平的占空因數是1ai，負載中電流的波形可近似為PWM波形的放大（L、C很小），其占空因數相同，設其幅度為IO，則每一個周期T/n中負載的平均電流是：電源提供的功率是：式中：EC為電源電壓負載消耗的功率：式中：UCES為功率管內阻上的壓降。電路的效率：由上式可知，功率管的飽和壓降越小，效率越高；提高電源電壓，可明顯提高輸出功率，也可提高效率，但處于安全考慮，只能適度。另外，由于開關信號和電磁干擾信號都要消耗一部分能量，所以實際值會略小于理論值。2.3注意事項D類功放采用脈寬調制方式，效率高，但設計者一般認為其音質不夠理想。筆者認為，這并非理論上

32、的問題，原因是制作不精細，對以下幾方面考慮不周。（1）采用LC振蕩器產生的三角波，其幅度、頻率都不穩定，甚至扭曲、變形。用來調制信號，使脈寬的變化不能真實反映信號的信息，引起輸出噪聲，甚至變聲。（2）比較器輸出的脈沖不理想，高低電平之間的轉換時間太長，使H橋輸出的波形產生較大的交越失真，導致音質生硬，不夠圓潤。（3）高頻率MOSFET功率管的飽和/截止工作狀態之間的轉換要快，這樣可避免兩組功率管同時導通或截止。（4）H橋電路要進行有效的屏蔽，以免MOSFET功率管工作在大功率、高頻率時，對外輻射電磁波，干擾音頻信號。（5）可采用負反饋或局部負反饋來提高保真度。設計方案二.2.21設計條件設計一

33、款額定輸出功率為1020W的低失真集成電路功率放大器，要求電路簡潔，制作方便、性能可靠。性能主要指標：輸出功率：1020W（額定功率）；頻率響應：20Hz100kHz（3dB）諧波失真：1(10W,30Hz20kHz）；輸出阻抗：0.16;輸入靈敏度：600mV（1000Hz，額定輸出時）2.22設計內容功率放大器的作用是給某些電子設備中換能器提供一定的輸出功率。當負載一定時，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性矢量盡可能小，效量盡可能高。功率放大器作為放大電路的輸出級，具有一下幾個特點:1由于功率放大器的主要任務是向負載提供一定的功率，因而輸出電壓和電流的幅度足夠大；2由于輸出信號幅度較

34、大，使三極管工作在飽和區與截止區的邊沿，因此輸出信號存在一定程度的失真；3根據具體電路圖計算電路參數4選取元件、識別和測試。包括各類電阻、電容、變壓器的數值、質量、電器性能的準確判斷、解決大功率放大器散熱的問題。5了解有關集成電路特點和性能資料情況2.23雙電源供電BTL音頻功率放大器工作原理用兩塊TDA2030組成如圖1所示的BTL功放電路，TDA2030（1）為同相放大器，輸入信號Vin通過交流耦合電容C1饋入同相輸入端腳，交流閉環增益為KVC1R3/R2R3/R230dB。R3同時又使電路構成直流全閉環組態，確保電路直流工作點穩定。TAD2030（2）為反相放大器，它的輸入信號是由TDA

35、2030（1）輸出端的U01經R5、R7分壓器衰減后取得的，并經電容C6后饋給反相輸入端腳，它的交流閉環增益KVCR9/R7/R5R9/R730dB。由R9R5，所以TDA2030（1）與TDA2030（2）的兩個輸出信號U01和U02應該是幅度相等相位相反的，即：U01UinR3/R2U02U01R9/R5R9R5U02U01因此在揚聲器上得到的交流電壓應為：UYU01-（-U02）2U012U02揚聲器得到的功率PY按下式計算：PY4PMONOBTL功放電路能把單路功放的輸出功率（PMONO）擴展4倍，但實際上卻受到集成電路本身功耗和最大輸出電流的限制，該電路若在VS14V工作時，PO28

36、W。若在VS16V或18V（TDA2030A）工作時，輸出功率會增加，但調試中應密切注視兩塊電路輸出端（腳）的直流電平，它們對地的電平都近似為零，為了保護揚聲器不被燒壞，通常要在揚聲器回路中串聯快速熔斷絲。BTL電路元件清單（單聲道）電容：1F122F20.22F22200F20.1F2電阻:22K5680211W2二極管:1N400141N40044電位器:22K2.24、功率放大電路的測試基本內容注意：將輸入電位器調到最大輸入的情況。1測量輸出電壓放大倍數Au測試條件：直流電源電壓14v，輸入信號1KH70mv（振幅值100mv），輸出負載電阻分別為4和8。2測量允許的最大輸入信號（1KH

37、）和最大不失真輸出功率測試條件：直流電源電壓14v，負載電阻分別為4和8。直流電源電壓10v，負載電阻為8。3測量上、下限截止頻率fH和fL測試條件：直流電源電壓14v，輸入信號70mv（振幅值100mv），改變輸入信號頻率、負載電阻為8。2.25.TDA2030簡介：TDA2030是一塊性能十分優良的功率放大集成電路，其主要特點是上升速率高、瞬態互調失真小，在目前流行的數十種功率放大集成電路中，規定瞬態互調失真指標的僅有包括TDA2030在內的幾種。我們知道，瞬態互調失真是決定放大器品質的重要因素，該集成功放的一個重要優點。TDA2030集成電路的另一特點是輸出功率大，而保護性能以較完善。根

38、據掌握的資料，在各國生產的單片集成電路中，輸出功率最大的不過20W，而TDA2030的輸出功率卻能達18W，若使用兩塊電路組成BTL電路，輸出功率可增至35W。另一方面，大功率集成塊由于所用電源電壓高、輸出電流大，在使用中稍有不慎往往致使損壞。然而在TDA2030集成電路中，設計了較為完善的保護電路，一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動地減流或截止，使自己得到保護（當然這保護是有條件的，我們決不能因為有保護功能而不適當地進行使用）。TDA2030集成電路的第三個特點是外圍電路簡單，使用方便。在現有的各種功率集成電路中，它的管腳屬于最少的一類，總共才5端，外型如同塑封大功率管，這就給使用帶來

39、不少方便。TDA2030在電源電壓14V，負載電阻為4時輸出14瓦功率（失真度05）；在電源電壓16V，負載電阻為4時輸出18瓦功率（失真度05）。該電路由于價廉質優，使用方便，并正在越來越廣泛地應用于各種款式收錄機和高保真立體聲設備中。該電路可供低頻課程設計選用。第三章電路板制作、調試及注意問題3.1電路板的制作過程電路板設計的第一步是進行原理圖的設計，為了形成一個完整的設計理念。有必要熟悉設計電路板的基本過程。一般來講電路板設計的基本過程可分為3個步驟：電路原理圖設計，網絡表的生成，PCB設計。由于此圖較簡單，在實驗室我們能很快制作出電路板，下面我將制作電路板的詳細過程列舉出來：第1步：利

40、用一個能生成圖像的軟件生成一些圖像文件，比如用低版本的PROTEL組織SCH，再利用網絡表生成相應PCB圖（不會PROTEL的話，甚至是WINDOWS的畫筆程序也行)，以備打印。第2步：將PCB圖打印到熱轉印紙上第3步：將打印好PCB的轉印紙平鋪在覆銅板上，準備轉印。第4步：用熱轉印機加溫（要很熱）將轉印紙上黑色塑料粉壓在覆銅板上形成高精度的抗腐層。第5步：轉印機加溫加壓成功轉印后的效果！若你經常搞，熟練了，很容易成功。第6步：準備好三氯化鐵溶液進行腐蝕。第7步：注意不要腐蝕過度，腐蝕結束，準備焊接。第8步：清理出焊盤部分，剩下的部分用于阻焊。第9步：安裝所需預定原件并焊接好。第10步：測試以

41、驗證其正確性。通過上面的方法能容易的得到我們所需要的電路板，但是焊接完的電路成品的效果好壞取決于電路原理圖設計的好壞以及制作出的電路板的好壞。3.11原理圖的繪制1、啟動Protel99SE后，新建設計項目文件是設計圖紙的第一步操作，然后建立原理圖文件。2、圖紙頁面設計是繪圖前的準備工作，頁面設計主要包括調入元件庫，放置原件和調整元件位置。從元件庫中找到元件進行放置是繪圖最基本的前期工作。3、整體布局，要注意電路設計的規則，一般來說，從信號進入開始，電源在上地線在下且與電源平行，左端是輸入端，右邊是輸入端，按信號流向擺放元件。4、進線和編輯是繪圖的主要操作，包括放置導線，放置電源和地線，放置端

42、口及網絡接口，修改元件屬性統一序號。5、加入必要的文本注釋，增強圖紙的可讀性，最后進行ERC電氣規則檢查，為PCB制作提供準備。綜合以上討論，利用protel99軟件畫出雙電源音頻功率放大器原理圖：3.12PCB的繪制一、畫出自己定義的非標準器件的封裝庫，將自己所畫的器件都放入一個自己建立的PCB庫專用設計文件。二、設置PCB設計環境1、包括設置格點大小和類型，光標類型，版層參數，布線參數等等。大多數參數都可以用系統默認值，而且這些參數經過設置之后，符合個人的習慣，以后無須再去修改。2、規劃電路版，主要是確定電路版的邊框，包括電路版的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上適當大小的焊盤。注意

43、-在繪制電路版地邊框前，一定要將當前層設置成KeepOut層，即禁止布線層。3、打開所有要用到的PCB庫文件后，調入網絡表文件和修改零件封裝。這一步是非常重要的一個環節，網絡表是PCB自動布線的靈魂，也是原理圖設計與印象電路版設計的接口，只有將網絡表裝入后，才能進行電路版的布線。在原理圖設計的過程中，ERC檢查不會涉及到零件的封裝問題。因此，原理圖設計時，零件的封裝可能被遺忘，在引進網絡表時可以根據設計情況來修改或補充零件的封裝。當然，可以直接在PCB內人工生成網絡表，并且指定零件封裝。三、布置零件封裝的位置，也稱零件布局。Protel99可以進行自動布局，也可以進行手動布局。如果進行自動布局

44、，運行Tools下面的AutoPlace,用這個命令，你需要有足夠的耐心。布線的關鍵是布局，多數設計者采用手動布局的形式。用鼠標選中一個元件，按住鼠標左鍵不放，拖住這個元件到達目的地，放開左鍵，將該元件固定。Protel99在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局選項包含自動選擇和自動對齊。使用自動選擇方式可以很快地收集相似封裝的元件，然后旋轉、展開和整理成組，就可以移動到板上所需位置上了。當簡易的布局完成后，使用自動對齊方式整齊地展開或縮緊一組封裝相似的元件。提示-在自動選擇時，使用ShiftX或Y和CtrlX或Y可展開和縮緊選定組件的X、Y方向。注意-零件布局，應當從機械結構散熱、電磁干

45、擾、將來布線的方便性等方面綜合考慮。先布置與機械尺寸有關的器件，并鎖定這些器件，然后是大的占位置的器件和電路的核心元件，再是外圍的小元件。四、布線規則設置，布線規則是設置布線的各個規范(象使用層面、各組線寬、過孔間距、布線的拓樸結構等部分規則，可通過Design-Rules的Menu處從其它板導出后，再導入這塊板)這個步驟不必每次都要設置，按個人的習慣，設定一次就可以。在電路原理圖的基礎上，繪制PCB圖如下：3.13PCB設計中應注意的問題1布線方向：從焊接面看，元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致，布線方向最好與電路圖走線方向相一致，因生產過程中通常需要在焊接面進行各種參數的檢測，故這樣做便于生產中的檢查，調試及檢修（注：指在滿足電路性能及整機安裝與面板布局要求的前提下）。2各元件排列