基于高速MOS管的音频功率放大器未实现

1、目录 摘要1 第一章 引 言 2 1.1 音频功率放大器的种类及主要发展史 2 1.2 四种常见的音频功率放大器 2 1.3 本次放大器的设计指标 3 第二章音频功率放大器的比较 4 2.1 音频功率放大器的效率 4 2.2 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 7 3.1 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 8 4.1 D 类音频功率放大器的整机结构框图 8 4.2 电路解析 8 4.3 系统调试 12 第五章 总 结 5. 1 致谢语 9. 1 参考文献 6. 1 附录 0 18 采用高速 MOS 管输出的高效音 频功率放大器的实现 摘要 音

2、频功率放大器是一种不显眼却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

3、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、 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

4、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

5、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。 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

6、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。

7、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，

8、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。 2.1 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 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

9、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180 4 。我们知道这种放大状态下失真较 小，其他原因造成的失

10、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

11、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。 图 2-4-4 AB 类放大和 B 类放大 我们再看 D 类放大器。理想状态下，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

12、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 80 90，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，

13、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

14、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

15、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 4 1 D 类音频放大器的整体结构框图如图4 1，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。 4.2 电路解析 4.2.1 输入级 输入级是由外接输入耦合电容、变阻器、电阻、 和一只 OP07运算放大器组成。 本此设计的音频信号输 入级为一同向放大电路，其放

16、大倍数为 2 倍。 47K 的 变阻器的作用是用于控制外接喇叭的音量。 IN 端是音 频信号的输入端， A 端接取绝对值电路的输入端， B 接 过零比较器的输入端。 4.2.2 取绝对值电路 10k 和 5k ，在上 一开始的设计中，本来没 有这个细节电路， 考虑到本次设 计中对失真率的要求， 加入该电 路。它的作用是把从输入级放大 后的音频信号的负半波全部翻 转为正半波， 来与三角波进行比 较，从而全部输出正脉冲。可以 使信号高度对称， 减小失真。 本 电路的运算放大器全为单倍放大，低输入阻抗、高输出阻抗，外接周围电阻选择 图中，二极管将选用晶体开关二极管，经过查证，这里选择IN4148 。

17、 4.2.3 电频匹配电路 电平匹配电路的作用是调节前置电路中的输出的 信号的电频，从而是前置电路中输出的信号的电频与三 角波产生电路中产生的三角波的电频相匹配，使两信号 的电频中心点重合并且可以使前置电路处理过的输入信 号的幅值不会大于三角波的最高幅值。使PWM信号的调 制更加精确。 4.2.4 三角波产生电路 10 三角波产生模块， 三角波是调制 PWM信号必不可少的， 如何产生符合设计的要求的三角波也 是一个难题 ，这个三角波产生电路主要是由一个斯密特触发器和一个积分器组成， 它产生的三角 波频率是 F=R4/(4*R6*R7*C1) 如果需要的频率不够 可以调节相应的电容电阻值。 4.

18、2.5 PWM 控制器 在功率放大的制作过程中， 还需要用到控制 器，它也是一种电压比较器。如图4 14 所示，这是 LM393/A 高速双比较器的工作原理。 OP07的第三脚输入 预设的是经过前置电路处理得到的合适PWM调制的信 号， OP07的第四脚输入三角波产生电路输出的三角波。 两个输入信号通过 LM393/A 高速双比较器后，输出设备 所需的脉冲信号 PWM信号 10 。PEM信号的频率与输入的三角波信号频率相同，其原理如图 43。 4.2.6 光电耦合及驱动电路 驱动电路一般有单管驱动和双管驱动 两种，本设计选用的是驱动力较大的双管 驱动，可以最大保证输出管的饱，采用双 电源供电可

19、以使输出管工作更稳定。由于 输出半桥是第一管和第二管的两个Mos 管 交替饱和导通，所以驱动电路也采用两路 相同的设计。 这里选择的耦合管是 4N25，用 1.5K 11 的电阻进行限流，这样的好处是电源去掉第一管和发光二极管的降压还大约有 14v 左右，在功率 管正常工作状态下， 第一管的输入电流经计算为 10MA左右。而第一管的基极偏置电阻在 10 100k 之间，从而得到输入阻抗高的效果， 故而选择 51k 比较合适。 本着简化电源减小设计难度的目的， 耦合管和两个驱动管为同一个电源加以供电。中间级的第二管可以用来提高PWM功率放大电路的 的驱动能力，在第二管饱和的情况下，电极电流为10

20、mA左右。 PWM 功率放大电路的基本 工作流程： 当第一管饱和导通， 第二管饱和导通， 则第五管截止， 第六管饱和导通，而此时下半路均截止；当第一管截止时，第二管截止 , 第五管饱和导通，第六管 截止，而此时下半路均截止 11 。上下两半路的工作顺序完全一致。 4.2.7 输出桥 研究不难发现，提供等值电压的情况下，全桥输出是半桥 的二倍。 一般全桥用于供电电压低和超大功率的场合， 只有这样 才能输出满足要求的功率。 本设计对电源的要求比较低， 所以这 里采用半桥输出式较为合适。具体电路见右边418： 输出信号时是单管导通饱和，这样一来，单管承受的电压 为 30V，所以 VDS大于等于 60

21、V（ 两倍的富余量 ） ；当电阻 RL 8 时，要想得到最大输出功率为 60w，则必须满足输出电流有效值I=0.54A ，Imax=3A, 所以功率管的 I D 大于等于 3A；由于此放大器的效率大于等于80%，其集电极功率损耗小 6W，所选功率管的 PC 大 于 4W即可。本次设计的三角波频率是10KHZ，所以要选择开关管小于 5ms 的功率管，防止出现两 管同时导通而烧坏功率管的事情发生。所以，选择开关时间较为短暂的功率管，就能在一定程度 上缩减损耗，信号功率的转换效率也会随之提高；通过用导通电阻也是有效的方法之一 12 。根 据以上条件我们选 NMOS IRF3205. 4.2.8 输出

22、滤波器的设计 在设计 D 类功率放大器的过程中，还需要控制输出的频率，此时就要用到低通滤波器。低通 滤波器截至的频率控制系统的频率上限，其随着系统上限 我们知道，功放频率的高频上限是由低通滤波决定的。所以高频上限随着输出负载不同而改 变。通过低通滤波器的电感器的电流越大，电路中的各类元器件消耗功率的比例都会有一定的变 化，所以想要降低 D 类功放的功率，可以采用串联电感等方法。用二阶低通滤波器时所需的元件 数量少， 成本低对高频信号的衰减效果也要差一些 8 。而四介低通滤波器需要的元件数量相对较 12多， 成本较高， 对高频信号的滤波效果要好过二阶低通滤波器 5 。而提高开关管的信号频率可以

23、有效降低电感器和电容器的所需数值，从而让我们达到可以用更小的体积的元器件，方便制板时 的布线和印刷电路板， 也可以有效的减小 MOSFET管的损耗。 而且由元器件带来的高频损耗引起效 率下降也可以用线性特性更好的元器件代替。一般该音频功率放大器可以采用功率较小的二阶低 通 LC 滤波器 13 。本设计就采用二阶低通滤波器。 4.3 系统调试 通过原理图，在软件上做出 PCB图，最后制板做出实物。 4.3.1 问题描述 在实际测试中发现了大量问题： 1、接好电源，在示波器上，检测不到三角波产生电路产生的三角波。 2、音频信号输入级，检测到的正弦波带有大量干扰信号。 3、取绝对值电路之后的功放上检

24、测不到信号。 4、功放电路接入电源之后，两块 IRF3205 发热问题严重。 5、其他 4.3.2 问题的探索过程及解决 在众多问题中， 最先解决的是去绝对值电路之后为什么检测 不到信号，在经过对照原理图一步步的检测，发现原因是电路 上的一个二极管接反向了，导致没有信号能通过。把二极管重 新接好之后，虽然后面的功放都能检测到信号，可是信号干扰 问题依旧严重。经过和同学的探讨，做出了一系列的调整，如 调整一些电容、电阻大小等，都没有收到比较明显的效果。经 过导师指点，在功放电源极填加一个细节电路：退耦电路，问 题得到显著改善。见右图。在电源与地线之间接一个电容（视情况可以添加电阻） ，能有效滤除

25、杂 波。 我们知道， D 类功放通过将三角波和音频输入的信号通过比较器生成 PWM 信号再通过 PWM 13功率放大电路，最终得到我们要的放大信号。所以三角波电路不能输出三角波，无疑说明此次设 计的不成功。照例先检查实物与原理图，没有发现焊接上的错误。通过万用表没有检测出短路及 断路的问题。更换新芯片以排除芯片是坏的可能性。通过仿真及请教导师，发现该三角波生成电 路本身存在问题，无法自激震荡产生三角波。在导师的指导下，把电路图的三角波生成器部分的 电路做了部分修改，从而解决了一大难题。 见下图： 修改前） 修改后） 14 （修改后的仿真图） 在实物的检测过程中还是不是遇到一些新的问题，因为本次

26、设计为纯硬件，各个元器件的联 系紧密，可谓牵一发而动全身。在这里换个其他型号的元器件，检测的时候又发现原来有信号的 其他地方又没有信号了，在这些调试中耗费了大量时间和精力，以至于时间不够继续探索功放电 路的故障，这里有点遗憾。在前面的三角波生成模块，音频输入模块及比较器模块还有一些细小 的改动，将会在答辩中讲述。这里不一一赘述。 15 第六章 总 结 本次设计总体上还算是比较成功的，也使我对音频功放有了更进一步的理解和认识。上述比 较了各个类型的功率放大器，很明朗地展现了每种放大器的优缺点，以及针对优缺点该应用的电 子产品或者带音频设备的大型电器。本次设计中未涉及到的音频功放还有C 类功放及

27、D类的数字 功放，这主要是初期对音频功放这一方面不够了解，造成的失误。本次设计中，由于时间关系， 未能对功放电路的故障原因进行探索研究也是本次设计的一大缺憾，以后在做讨论。 16 参考文献： 1: 刘冬青，新型 D类音频功率放大器设计 D, 北京交通大学 , 2009 2: 朱春燕，浅析音频器件的交流参数测试N, 硅谷,2009 年 5期 3: 万英飞 , 基于新型单周控制的开关功率放大器的研究 D, 西南交通大学 ,2007 4: 雷张伟 ,D 类音频功率放大器设计 D, 电子科技大学 电子科技大学 ,2001 5: 李颖 ,32 阶对数增益控制的 AB类音频放大器的分析与设计 D, 湖南大

28、学 ,2009 6: 马丽 ,高性能音频功放电路的设计与仿真 D, 河北工业大学 ,2008 7: 刘昌等 ,并联电容对 DE类功率放大器的影响 N, 半导体技术 ,2012 年 4期 8: 侯鑫尧等 , 基于脉冲序列控制技术的降压型开关电源 N, 通信电源技术 ,2011 年 4 期 9: 凌志鹏，脉动流实验装置的直线电机设计与仿真 D, 四川大学 ,2007 10: 方佩敏 ,D 类音频功率放大器 N, 电子世界 ,2003 年 8 期 11: 赵树军等 ,浅谈逆变器与驱动互锁保护的设计应用 N, 交通科技与经济 ,2007 年 1期 12: 吕延会等 ,移相全桥零电压软开关谐振电路研 N

29、, 电力系统保护与控制 ,2009 年 5期 13: 于学钎等 ,计数电路中的自动复位 N, 通化师范学院学报 ,2001 年 02 期 17 Abstract Audio power amplifier is a discreet but very practical equipment, he can drive theloudspeaker, the audio signal is amplified. In practical applications, where there isa electronic equipment need to sound signal is needed in audio power amplifier.Not only is the small electron