高效音频功率放大器.doc

南昌工程学院毕业论文高效音频功率放大器音频功率放大器主要有A类、B类、AB类、D类等。D类音频功率放大器与其它类型音频功率放大器相比有效率高的显著优点，故本论文采用的是D类功率放大器。高效率会带来很多的好处，例如延长电池使用时间，发热低，这些优点使其在移动多媒体设备上具有广阔的发展前景。本文比较了各种类型的音频功率放大器的优缺点，然后重点介绍D类功率放大器的工作原理及其各部分电路选择、分析与计算。功率放大器主要包括的各个模块：三角波产生器、比较器，前置放大器，振荡器，驱动电路，基准电流源，电压反馈环路以及过热，过流，欠压，启动保护电路等进行了设计。 关键词：D类音频功率放大器，脉冲宽度调制，效率 High efficiency Audio power amplifier ABSTRACT：Audio power amplifier mainly include class A class B class AB and class D and so on ,compared with other class audio power amplifier class D audio power amplifier has an such obvious advantage which is high efficiency that we use it for our essay .theres much benefits with high power such as which can make the battery run much longer, and make the audio power amplifier dissipate less heat, all that make it has a boarded promise on mobile m-medias development.First，the advantages and disadvantages of all kinds audio power amplifier is compared，then the theory of class D audio power amplifier as well as the choice ,analysis and circulation of respective circuit is especially introduced, The circuit includes triangle-wave generator ,amplifier, comparator, oscillation，drive ,current reference, feedback loop,，and voltage loop and thermal protection, over current protection, startup protection .KEY WORD: class D audio power amplifier, pulse width modulation, efficiency 目 录目 录 6第一章：绪论.71.1 D类音频功率放大器的研究背景.71.2 D类音频功率放大器的研究意义和现状.71.3 D类放大器技术 8第二章：方案论证与比较.92.1高效率功放类型的选择92.2高效D类功率放大器实现电路的选择.102.2.1脉宽调制器（PWM）.102.2.2高速开关电路10输出方式10开关管的选择. . 112.2.3滤波器的选择12第三章：主要电路工作原理分析与计算.133.1 D类放大器的工作原理133.2 D类功放各部分电路分析与计算. .143.2.1 脉宽调制器.14三角波产生电路.14比较器.173.2.2 前置放大电路.183.2.3 驱动电路.193.2.4 H桥互补对称输出电路.193.2.5 低通滤波器.20滤波器.20低通滤波器器件选择.20常用的有源低通滤波电路的比较.21巴特沃斯滤波器.22四阶巴特沃斯滤波器.233.3 短路保护电路.243.4 直流稳压电源. .243.4.1 直流稳压电源的组成253.4.2 单相桥式整流电路273.4.3 电容滤波电路283.4.4 直流稳压电路29第四章：总结和展望 .30参考文献.31致谢.3230第一章 绪 论1.1 D类音频功率放大器的研究背景音频功率放大器已经有一个多世纪的历史了，从最早的电子管放大器一直到今天它都在不断的发展更新。随着时代的进步，各种便携式的多媒体设备成为了多媒体设备的一个重要发展方向。从作为通信工具的手机到作为娱乐设备的mp3以及便携式的DVD等等，这些便携式的多媒体设备都需要有音频输出，都需要音频功率放大器，同时它们都是由电池来供电。传统的AB类功率放大器具有较好的线性度，较低的失真，但是工作效率较低的问题一直无法很好地解决。D类音频功率放大器就是在这样的背景下应运而生的。它的最大的特点就是能够提供极高的效率，延长电池的使用寿命。1.2 D类音频功率放大器的研究意义和现状D类音频功率放大器采用的技术为脉冲宽度调制技术PWM(Pulse width Modulation)。将音频信号与三角波或者锯齿波信号相比较，经采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成比例变化的PWM信号，然后经过驱动电路，送入功率放大级，通过PWM信号控制功率器件的开关，实现放大。最后将放大的PWM信号送入低通滤波器，将放大了的音频信号提取出来。D类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100，实际的运用通常在90以上。在低输出功率的情况下，D类功放的效率远远高于AB类功放。这使得将它应用在移动多媒体设备上时，相比于AB类音频功放能大大延长电池的使用时间。同时D类功放产生的热量小，可以大大较低对散热的要求，输出功率可以很容易达到数百瓦。凭借其高效率的特点，D类放大器现在开始逐渐取代AB类放大器进入便携式产品、家庭影音设备、专业影音、汽车电子等多个领域，这些不同的应用对D类放大器要求千变万化，这推动了D类放大器产品的多样化和复杂化，各大半导体设计公司纷纷推出性质日趋完善的D类放大器设计。D类放大器销售总值也逐年快速上涨。1.3 D类放大器技术影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功率损耗。无信号时电流愈大则直流损耗大，效率低。为此，要提高效率则应降低工作点，使无信号时，无直流损耗。但是，信号导通角愈小波形失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求矛盾。如果输入波形其他边沿很陡直，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣化不大而效率又可以提高。波形陡直的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后沿是垂直升降的，导通状态都不会变化，这样就诞生了工作与脉冲放大状态的D类放大器。 采用开关方式实现低频功率放大(即D类放大)是提高效率的主要途径之一，D类放大原理框图如图1.3.1所示。本设计中如果采用D类放大方式，不允许使用D类功率放大集成电路。 图1.3.1 D类放大原理框图 效率计算中的放大器总功耗是指功率放大器部分的总电流乘以供电电压(+5 v)，不包括“基本要求”中第(2)、(3)项涉及的电路部分功耗。制作时要注意便于效率测试。 第二章 方案论证与比较根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图1所示。下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。 2.1 高效率功放类型的选择方案一：采用A类、B类、AB类、C类功率放大器。A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器件，它的优点是输出信号的失真比较小，缺点是输出信号的动态范围小、效率低，理想情况下其效率为50，考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损耗，A类功率放大器的最高效率仅为45左右。B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50，它的优点是效率理想情况下可达785，但缺点会产生交越失真，增加噪声。AB类功率放大器是以上两种放大器的结合，AB类功放的失真小于B类功放，但效率低于B类功放。C类功率放大器，其静态偏置点在截止点之下，当信号输入时只有超过偏置点部分的时候管子才导通。该类功放只有用具有选频特性的元件作负载才能克服非线性失真，主要用于射频载波信号的放大。方案二：采用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号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。它的最大特点是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。D类功放以纯数字化的结构完成数字音源与扬声器之间的链接，大大提高了音源的音质。它采用开关的方式来放大数字信号，其效率很高，可以达到90以上。同时，对电源及散热的要求大大降低，此外还有输出功率大、频响宽、体积小、信噪比高等优点。随着数字音源与数字音频技术的迅速发展，直接对数字音频信号进行功率放大而不需要进行模拟转换的数字音频功率放大器得到了迅速发展，它具有效率很高并且能与数字音源很好对接等优点。它在信号的处理过程中都采用的是数字音频信号，实现了音频信号通道的全数字化，因而我们决定采用D类功率放大器。 2.2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，采用何种电路形式以达到题目要求的性能指标，这是关键。图2.2.1 脉宽调制器电路2.2.1 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：采用图2.2.1所示方式来实现。三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，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。 2.2.2 高速开关电路 (1) 输出方式 方案一：选用推挽单端输出方式(电路如图2.2.2所示)。电路输出载波峰-峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。方案二：选用H桥型输出方式(电路如图2.2.3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10 V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。 图2.2.2 高速开关电路 图2.2.3 高速开关电路 （2） 开关管的选择为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，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。晶体三极管需要较大的驱动电流，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管的开关速度比较迅速，是一种多数载流子器件，没有电荷存储效应，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。 2.2.3 滤波器的选择方案一：采用二阶Butterworth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：采用四阶Butterworth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。 常见有源滤波电路：最常用的低通有源滤波电路有三种：巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和贝塞尔（Bessel）滤波电路。巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但从通带到阻带衰减较慢；切比雪夫滤波电路能迅速衰减，但允许通带中有一定纹波；而贝塞宁滤波电路着重于相频响应，其相移与频率基本成正比，即群时延基本是恒定的，可得失真较小的波形。第三章 主要电路工作原理分析与计算3.1 D类放大器的工作原理一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如图 3.1.1所示。图 3.1.2为工作波形示意，其中:(a)为输入信号；(b)为锯齿波与输入信号进行比较的波形； (c)为调制器输出的脉冲(调宽脉冲)；(d)为功率放大器放大后的调宽脉冲； (e)为低通滤波后的放大信号。D类放大器所采用的脉宽调制技术就是用模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度，所谓脉宽调制技术（PWM）就是将模拟音频信号与采样频率比较，经过自然采样得到脉冲宽度与音频信号振幅成正比例变化的PWM波。这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。这时候要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放大就可以了。而原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的宽度之中。只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大。 图3.1.1 D类放大器的工作原理图3.1.2 D类放大器的工作波形示意图 3.2 D类功放各部分电路分析与计算3.2.1 脉宽调制器(1) 三角波产生电路该电路我们采用满幅运放TLC4502及高速精密电压比较器LM311来实现(电路如图3.2.3所示)。TLC4502不仅具有较宽的频带，而且可以在较低的电压下满幅输出，既保证能产生线性良好的三角波，而且可达到发挥部分对功放在低电压下正常工作的要求。TLC4502和 LM311的引脚图分别如图3.2.1 和图3.2.2所示: 图3.2.1 TLC4502引脚端封装形式 图3.2.2 LM311引脚端封装形式 载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路的实现，选择150 kHz的载波，使用四阶Butterworth LC滤波器，输出端对载频的衰减大于60dB，能满足题目的要求，所以我们选用载波频率为150 kHz。 电路参数的计算：在5V单电源供电下，我们将运放5脚和比较器3脚的电位用R8调整为2.5 V，同时设定输出的对称三角波幅度为1 V(Vp-p2V)。若选定R10为100 k，并忽略比较器高电平时R11上的压降，则R9的求解过程如下： 取R9为39 k。 图3.2.3 三角波产生电路 选定工作频率为f=150 kHz，并设定R7+R6=20k，则电容C4的计算过程如下: 对电容的恒流充电或放电电流为 则电容两端最大电压值为 其中T1为半周期，T1=T/2=1/2。Vfc4的最大值为2V，则 取C4=220 pF，R7=10k，R6采用20 k可调电位器。使振荡频率在150 kHz左右有较大的调整范围。图3.2.4 比较器电路 (2) 比较器选用LM311精密、高速比较器，电路如图3.2.4所示，因供电为5V单电源，为给V+=V-提供2.5V的静态电位，取R12=R15，R13=R14，4个电阻均取10 k。由于三角波Vp-p=2V，所以要求音频信号的Vp-p不能大于2V，否则会使功放产生失真。 3.2.2 前置放大器电路 如图3.2.5所示,设置前置放大器，可使整个功放的增益从120连续可调，而且也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8上的电压Vp-p=8V，此时送给比较器音频信号的Vp-p值应为2V，则功放的最大增益约为4（实际上，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）。因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。 前放仍采用宽频带、低漂移、满幅运放TLC4502，组成增益可调的同相宽带放大器。选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻Ri10k的要求。同时，采用满幅运放可在降低电源电压时仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求输入电阻Ri大于10k，故取R1=R2=51k，则Ri=51/2=25.5k，反馈电阻采用电位器R4，取R4=20k，反相端电阻R3取2.4k， 图 3.2.5 前置放大器电路则前置放大器的最大增益Av为调整R4使其增益约为 8，则整个功放的电压增益从 032 可调。考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值Vom2.5V，取Vom=2.0V，则要求输入的音频最大幅度Vim(Vom/Av)=2/8=250mV。超过此幅度则输出会产生削波失真。3.2.3 驱动电路 因为功率MOS管的宽长比非常大，由此会产生较大的寄生电容，比较器输出端是无法驱动如此大的电容负载的。所以H桥需要有驱动电路。驱动电路在整个电路中除了完成驱动功率MOS管的作用外，同时也引入死区时间保护功率管，防止NMOS与PMOS两支功率管出现大电流。D类功放的功率管工作于开关工作状态，因此有会出现短暂的PMOS与NMOS均导通(P管N管均出于饱和区)的情况。当PMOS与NMOS同时导通时，会导致输出端产生大的电流尖峰。这样不但会降低效率，带来失真，而且有可能损坏功率管。为了解决功率管的电流尖峰问题，最直接的方法就是分别控制PMOS与NMOS功率管，在输入信号中引入一定的死区时间使得PMOS功率管关断之后，NMOS功率管过一段时间再开启。死区时间通常设计为几个至几十个纳秒。死区时问的引入可以保护功率管，防止电流过大损坏器件。但是死区时间是引起D类功放THD的重要原因之一，它的大小会影响整个系统的性能,在本设计中死区时间设定在10ns，以刚好能消除输出信号电流尖峰为目的.如图3.2.6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2SC8050和2SA8550对管。3.2.4 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、容易快速驱动的对管，IRFD120和IRFD9120 VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。实际电路如图3.2.7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Butterworth滤波器滤波后推动喇叭工作压。 图3.2.6 驱动电路 图3.2.7 H 桥互补对称输出及低通滤波电路3.2.5低通滤波器 输出滤波器的用途是消除PWM信号中的电磁干扰信号和开关信号，提高效降低总谐波失真。在设计时要考虑系统的频率响应和滤波器的类型。音频信频率在20Hz20KHz，而电磁干扰信号和开关信号的频率都远大于音频信号。所以，在实际应用中，选择低通滤波器来实现。（1） 滤波器滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分，在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。广义的讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的影响特性都是激励频率函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换和处理。(2) 低通滤波器器件选择根据组成低通滤波器的元件与结构不同，低通滤波效果与应用方面不尽相同。低通滤波器按照组成元件通常可分为LC、RC型。RC型又可分为无源与有源型低通滤波器，而本论文采用有源低通滤波器。下面是对于LC、RC型两种的比较，如表3.2.5所示表3.2.5 低通滤波器种类比较类 型等效电阻输出功率使用场合LC小大功率输出无源RC大微小反馈、测试有源RC输入大、输出小小反馈、测试由表可知，LC低通滤波器常用在功率输出，组成元件为电感L与电容C。数字功放功率输出常采用的LC低通滤波器可分为二阶和四阶低通滤波器。在LC低通滤波器中，负载电阻R的变化将影响频率响应曲线，通常负载的阻值为4欧姆、8欧姆等几个固定的阻值，阻值不同，滤波器的参数设计也不相同。无源RC低通滤波器的组成元件为电阻R与电容C，由于电阻R与频率变化无关，RC低通滤波器较LC低通滤波器在设计与器件选材方面简单，但不适合于大功率输出，仅可作为弱信号处理与微小功率应用。有源RC低通滤波器组成元件为电阻R、电容C和放大器。由于采用放大器，具有高输入阻抗与低阻抗输出特性。总结以上几种滤波器的特性，本设计采用了等效内阻小，输出功率大的LC低通滤波器。(3 ) 常用的低通有源滤波电路的比较最常用的低通有源滤波电路有三种：巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和贝塞尔（Bessel）滤波电路。巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但从通带到阻带衰减较慢；切比雪夫滤波电路能迅速衰减，但允许通带中有一定纹波；而贝塞宁滤波电路着重于相频响应，其相移与频率基本成正比，即群时延基本是恒定的，可得失真较小的波形。三者的幅频特性比较曲线如图3.2.8。根据三者特性曲线的比较和设计要求，本论文采用巴特沃斯（Butterworth）低通滤波电路。图3.2.8 低通有源滤波幅频特性比较(4) 巴特沃斯滤波器（A）幅频特性 （B）相频特性图3.2.9 巴特沃斯低通滤波器频率特性图巴特沃斯滤波器具有通带最大平坦幅度特性，式（图3.2.9）是n阶巴特沃思低通滤波器的幅频响应表达式。由图3.2.9（A）可见，随n的增大，幅频特性在截止频率处下降得越快，则越接近于理想低通滤波器。（5） 四阶巴特沃斯滤波器高阶低通滤波器通常可由一阶，二阶低通滤波器组成，这样可以改善低通滤波器的频率特性，如要求低通滤波器的阻带特性下降速率大于|-40db/10oct| 时，则必须采用高阶低通滤波器。因此本电路中欲设计一个四阶巴特沃斯低通滤波器，可用两个二阶巴特沃斯低通滤波器构成。四阶巴特沃斯低通滤波器电路原理如图3.2.10所示。图3.2.10 四阶巴特沃斯低通滤波器电路原理图本电路采用4阶Butterworth低通滤波器（如图3.2.7）。对滤波器的要求是上限频率20 kHz，在通频带内特性基本平坦。采用了电子工作台(EWB)软件进行仿真，从而得到了一组较佳的参数：L1=22H，L247H，C1=l.68H，C2=1H。19.95 kHz处下降2.464 dB，可保证20 kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；100 kHz、150 kHz处分别下降48 dB、62 dB，完全达到要求。3.3 短路保护电路短路(或过流)保护电路的原理电路如图3.3.1所示。0.1 过流取样电阻与 8负载串联连接，对0.1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与R7调整为11 k，则该放大器的电压放大倍数为：Av=Ro/R7=560/11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“-”端电平设置为 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0.1上的最大电流幅度Im=5/(8+0.1)=0.62A，0.1上的最大压降为62mV。经放大后输出的电压幅值为VimAv=62513.2V，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8负载端短路或输出过流，0.1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，使功放得到保护。要解除保护状态，需关断保护电路电源。图 3.3.1 短路保护电路 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。3.4 直流稳压电源电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。3.4.1 直流稳压电源的组成直流稳压电源组成由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成， 图3.4.1是半导体直流电源的原理方框图，它表示把交流电变换为直流电的过程。图中各环节的功能如下：图3.4.1是半导体直流电源的原理方框图电源变压器：将交流电压变换为符合整流需要的电压；整流电路：将变换后的交流电压变换为单方向脉动电压。由于这种电压存在着很大的脉动成份（称为纹波），因此一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波的变化会严重影响负载电路的性能指标。其中的整流元件(晶体二极管、电子二极管或晶闸管)所以能整流，是因为它们都具有单向导电的共同特性； 滤波器：滤波部分的作用是对整流部分输出的脉动直流电进行平滑 ，使之成为含交变成份很小的直流电压。也就是说，滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。稳压电路：尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。在对直流电压的稳定程度要求较低的电路中，稳压电路也可以不要。3.4.2 单相桥式整流电路（1） 工作原理单相桥式整流电路（bridge rectifier circuit）如图3.4.2所示。与单相全波整流电路相比，桥式整流电路的变压器次级无中心抽头，但二极管数目增加，由四个二极管VD1VD4构成整流桥。设 , VD1VD4均为理想二极管。 图3.4.2 单相桥式整流电路电源变压器：电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需实际上，理想变压器满足I1/I2=U2/U1=N2/N1。u2正半周，a端电位高于b端电位，故VD1、VD3导通，VD2、 VD4截止，电流流经路径为a端VD1RLVD3b端（如图中实心箭头所指）；u2负半周，b端电位高于a端电位，VD2、VD4导通， VD1、VD3截止，电流路径为b端VD2RLVD4a端（流经负载RL时，方向如图中空心箭头所指）。即两对交替导通的二极管引导正、 负半周电流在整个周期内以同一方向流过负载，u2及uo波形如图3.4.3所示。 图 3.4.3 桥式整流电路波形图 (2)负载上的直流电压和直流电流直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值，由计算可知=其中为变压器次级正弦电压的有效值。流过负载上的电流为=3.4.3 电容滤波电路在桥式整流电路的基础上，输出端并联一个电容C就构成了电容滤波电路（capacitance filter）， 如图3.4.4所示。 图3.4.4 桥式整流电容滤波电路可见，电容滤波是通过电容的储能作用（充放电过程）， 即在u2升高时，把部分能量储存起来（充电），在u2降低时， 又把储存的能量释放出来（放电），从而在负载RL上得到一个比较平滑的、近似锯齿形的输出电压uo，使其脉动程度大为降低，并且平均值提高。 图3.4.5 桥式整流电容滤波波形在u2的正半周开始时，若u2大于uc（电容两端电压），整流二极管D1 、D3因正向偏置而导通，D2、D4因反向偏置而截止，电容C被充电，由于充电回路电阻很小，因而充电很快，uc和u2变化同步。当t=/2时，u2达到峰值，C两端的电压也近似充至值。当u2由峰值开始下降，使得u2小于uc时，四个二极管均截止，电容C向RL放电，由于放电时间常数很大，故放电速度很慢。当u2进入负半周的开始阶段，u2的绝对值仍小于uc, 四个二极管仍处于截止状态，电容C继续放电，输出电压也逐渐下降。当u2的负半周的绝对值增加时，使u2的绝对值小于uc，二极管D2、D4导通，D1 、D3截止，电容又再次充电，当t=3/2时，u2负半周达到峰值，C两端的电压又充至值。 当u2的第二个周期的正半周到来时，C仍在放电，直至u2大于uc时，二极管D1 、D3又因正向偏置而导通，D2、D4又因反向偏置而截止，电容C又再次充电，这样不断重复第一周期的过程，负载上的电压波形如图3.4.5所示。3.4.4 直流稳压电路根据直流稳压电路各部分的分析，得出图3.4.5所示的输出为正5V直流电压的稳压电源电路。TF1为一交流变压器，IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。D1-D4为4个二级管组成的桥式整流。当输出电较大时，7805应配上散热板。LM7805实物引脚参照图3.4.4所示，左起依次为1、3、2号引脚，引脚1接输入电压，引脚2接地，引脚3接输出固定正电压 。 图3.4.4 LM7805实物参照图图3.4.5 直流稳压电路第四章 总结与展望通信产业20世纪80年代以来发展最快的领域之一。不论是在国际还是在国内都是如此。这是人类进入信息社会的重要标志之一。本课题是对D类音频功率放大器的研究与设计。首先论述了D类音频功率放大器的电路结构和工作原理，研究了D类音频功放的高效率的原理。由于传统调制方案需要输出滤波器，使得D类音频功率放大器相比于AB类在成本上处于劣势。D类功放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。D类功放在便携式、高效率的电子产品中占据重要地位。对于本课题，通过以上的总结，实现了D类功率放大电路的设计，实现基本的功能，对其下一步的展望，包括以下几点：（1）数字PWM部分，虽然已经改变其结构，提高了速度，但是整体的频率还是没有降下来，应该做进一步研究。（2）低