1、III高效音頻功率放大器的設計摘要在音頻功率放大器的市場上，AB類一直處于統(tǒng)治地位。近年來，隨著MP3、DVD 和移動電話等便攜式消費電子產品的普及，D類音頻功率放大器以高效率、低功耗、小體積的優(yōu)點日益成為音響領域的主流，在未來便攜式和大功率音頻視頻領域中將具有廣闊的發(fā)展前景，因此對高效音頻功率放大器的設計具有十分重要的意義。本設計根據D類功放的工作原理設計的D類音頻功率放大器，能對音頻信號進行放大，放大器的通頻帶達到3003400HZ，輸出功率1W，輸出信號無明顯失真。根據D類功放的原理分別設計了前置放大模塊、三角波產生模塊、比較器模塊、驅動模塊、H 橋互補對稱輸出及低通濾波模塊等。其中三角

2、波產生器及比較器共同組成脈寬調制（PWM）模塊，H 橋互補對稱輸出電路采用驅動電流小、低導通電阻及良好開關特性的VMOSFET 管，濾波器采用兩個相同的四階 Butterworth 低通濾波器。經過仿真和測試都達到了設計的要求。關鍵詞：高效，音頻， D類功放，放大器Design of High-Efficient Audio Power AmplifierABSTRACT In the audio power amplifier market, AB has been the dominant class. In recent years, along with MP3, DVD and mo

3、bile phones, the popularity of portable consumer electronic products, D audio power amplifier with high efficiency, low power, small size advantage of the field is increasingly becoming the mainstream audio, portable and high-power audio in the future Video area will have a bright future, Therefore,

4、 efficient audio power amplifier design is of great significance. According to the working principle of class D amplifier, this product is designed and the audio signal can be amplified to the amplifiers pass band to 300 3400HZ, the output power 1W, the output signal without significant distortion.

5、Class D amplifier according to the principle of preamp modules were designed, triangular wave generator module, comparison module, driver module, H bridge output and the complementary symmetric low-pass filter module. One triangular wave generator and pulse width modulation comparator common form (P

6、WM) module, H bridge output circuit using complementary symmetry drive current, low resistance and good switching characteristics of VMOSFET tube, filter uses two identical fourth-order Butterworth low-pass filter.KEY WORDS：High-Efficient, Audio, Class D amplifier,Amplifier目 錄摘要IABSTRACTII目 錄III1 緒論

7、11.1 音頻功率放大器概述11.2 D類音頻功率放大器的發(fā)展21.3 本論文的主要工作及主要內容32 音頻功率放大器42.1 音頻功率放大器的指標42.1.1 THD+N指標42.1.2 功率放大器的效率42.1.3 最大輸出功率（POCM）42.1.4 脈沖寬度調制（PWM）52.1.6 轉換速率62.2 功率放大器的分類62.2.1 A類放大器62.2.2 B類放大器72.2.3 AB類放大器82.2.3 D類放大器82.2.4 T類放大器93 D類功率放大器103.1 D類放大器原理103.2 D類放大器的系統(tǒng)分析113.3 綜合比較124 D類音頻功率放大器的設計134.1設計任務與

8、要求134.1.1 設計任務134.1.2 設計要求1342方案論證與比較134.2.1 脈寬調制器（PWM）134.2.2 高速開關電路144.3 各部分電路分析與計算154.3.1 脈寬調制器154.3.2前置放大器電路174.3.3 驅動電路174.3.4 H橋互補對稱輸出電路184.3.5 低通濾波器194.3.6 系統(tǒng)整體分析194.4模塊仿真194.4.1 前置放大電路204.4.2 比較器電路214.4.3 H橋互補對稱輸出及低通濾波電路224.5 系統(tǒng)測試244.5.1 測試步驟244.5.2 測試工具244.5.3 三角波產生電路測試244.5.4 PWM脈寬調制模塊的測試2

9、54.5.5 調制與解調測試254.5.6 系統(tǒng)測試264.5.7 系統(tǒng)數據分析274.5.7 系統(tǒng)分析285 總結295.1 收獲295.2 總結29致 謝30參考文獻31附錄系統(tǒng)原理圖32附錄 系統(tǒng)PCB圖3329高效音頻功率放大器的設計1 緒論1.1 音頻功率放大器概述音頻功率放大器是MP3播放器、筆記本電腦、手機以及便攜式DVD等消費類電子產品中應用最廣泛的組件之一，有很大的市場。傳統(tǒng)音頻功率放大器主要有A類(甲類)、B類(乙類)和AB類(甲乙類)。A類放大器主要特點是：放大器工作點Q設定在負載線中點附近,晶體管在輸入信號整個周期內均導通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工

10、作在特性曲線線性范圍內，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率理論最大值僅有25，且有較大非線性失真。由于效率比較低 現在設計基本上不在再使用。B類放大器主要特點是：放大器靜態(tài)點在(VCC，0)處，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在輸入信號正半周期內，三極管一個導通一個截止，輸出端正半周正弦波；同理，當輸入信號為負半波正弦波也是一樣，所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內，故其缺點是交越失真較大。即當信號在-0.6V 0.6V之間時，兩個三極管都無法導通而引起。所以這類放大器也逐漸被設計師摒棄。A

11、B類功率放大器能夠提供高品質的信號放大性能，所以已經被廣泛的應用，然而AB類功率放大器工作時，由于直接對模擬信號進行放大，工作期問必須處于線性放大區(qū)，因此其功率耗散較大，在大輸出功率情況下，AB類放大器會對功率器件構成極大威脅。其特點是：1效率低，其輸出功率不可能很大；2大功率輸出時，通常需要散熱器，因此系統(tǒng)體積較大。隨著科技的進一步發(fā)展，更多、更新的便攜式多媒體產品都要求其中的音響系統(tǒng)具有更小的外形設計和更大的電池容量，所以上述缺點都成為AB類功率放大器的致命弱點，限制了AB類音頻功放的進一步發(fā)展。 近些年來，隨著各領域數字化程度不斷加深，D類音頻功率放人器逐漸進入了人們 的視線，D類放大器

12、的工作方式小不同與于A類、B類和AB類，它采用切換電壓方式的同時利用數字信號控制導通時間以放大信號，其輸輸出級的工作狀態(tài)不是完全導通就是完全截至，因此輸出器件的功耗非常小，使它的效率遠比A類、B類和AB類要高的多，同時D類放大器的效率和輸入信號的大小無關，不像AB類放大器只有在很高的輸出功率時才能達到比較高的效率，在電源電壓為額定值時，D類放大器的效率高達8090以上，其平均效率大約要比AB類放大器高23倍，也就是說，通常系統(tǒng)電池的壽命可以延23倍，同時在輸出功率一樣的情況下，D類音頻功率放大器的表面溫度會遠遠低AB類，因此使用時不需或只需要一個很小的散熱器，這就大大減小了D類音頻功率放大器的

13、體積。D類音頻功放的特點：(1)節(jié)能，所需散熱片小，這樣可以節(jié)省空間，系統(tǒng)可以設計得較輕、較小，便于攜帶；(2)電源使用效率很高，可以延長系統(tǒng)電池的壽命。上述優(yōu)點使得D類音頻放大器和模擬音頻放大器相比時具有很大的優(yōu)勢。隨著目前市場上消費電子行業(yè)的快速發(fā)展以及音頻功率放大器高效、節(jié)能和小型化的趨勢，D類音頻功率放大器開始逐漸取代AB類進入可攜式產品、家庭AV設備、專業(yè)影音、汽車音響、平板電視、媒體播放器筆記本電腦和汽車音箱等多個領域，可以說，在未來的很長時間內，D類音頻功率放大器將一直是研究的熱點，設計出一款兼顧效率與保真度的D類音頻功率放人器也會越來越成為眾多研究機構和企業(yè)所關注的課題。1.2

14、 D類音頻功率放大器的發(fā)展D類工作模式在1959年由Baxandall首先提出，即使用脈沖形式的信號來驅動高速的功率開關，該脈沖信號一般都是脈寬凋制(PWM)信號，它的低頻部分包含了調制信號的信息，通過一個低通濾波器以后，可以將調制信號重現。從6 0年代起，人們就開始嘗試研制D類放大器，最早是想用真空管來研制D類放大器，但由于受到真空管在電壓降和電流能力方面的限制，降低了放大器的效率，限制了放大器的輸出。在60年代后期，雙極型晶體管取代了真空管，此時研制低頻高效D類放大器的條件已經成熟，然而由于D類放大器需要在高頻條件下工作，其工作頻率至少為20KHz音頻頻率的45倍，因此在這樣的高頻下，使用

15、雙極型晶體管會產生連續(xù)的開關損耗，這限制了D類放大器效率的提高。直到1970年金屬氧化物半導體場效應管出現后，滿足了D類放大器對高開關速度和低導通損耗的要求，實現了高性能的開關器件，這才開發(fā)出寬頻帶D類音頻功率放大器，D類音頻功率放大器從一經問世立即顯示出其高效、節(jié)能、數 字化的顯著特點，引起了電子工業(yè)界的廣泛關注。由于現在設計技術的不斷提高，D類音頻功率放大器的性能得到了突飛猛進的改 善，在音質方面已經逐漸追上了AB類的性能，這使得其近年來在市場上有極快的發(fā)展， 根據專業(yè)調研公司的數據，2005年全球D類音頻放人器銷售總值己達2億美元以上，2006 年增長至約35億美元，而2008年市場需求

16、將會超過6億美元，按照這樣的增長速度， 預計到2010年將達到10億左右的規(guī)模，發(fā)展前景十分樂觀。目前D類音頻功率放大器市場中的主流產品幾乎都來自歐美的各大半導體設計公 司，如美國國家半導體(National)、德州儀器(TI)、美信(Maxim)和Tripath公 司，此外還有歐洲的意法半導體(ST)、歐勝(Wolfon Micro)和飛利浦(PHILIPS)等， 而包括臺灣在內的中國半導體企業(yè)都極少有能夠與他們競爭的產品。國際方面，首先介紹的是美國的Tripath公司，該公司擁有稱為數碼功率處理 (DPPTM)的專利技術，此技術采用多種信號處理技術，包括自適應預處理、噪聲整形、 預失真處理

17、和一調制電路，進一步減小了失真和噪聲，確保了音頻高保真性能的同 時也完成了高效率的放大，Tripath公司將基于DPPTM原理設計的放大器稱為T類放大器，該類放人器具有高保真、高效率、體積小、重量輕等特點，該類放大器在推動40hm 負載時功率可達90W，THD+N小于01，效率高達90。作為全球D類音頻功率放大器行業(yè)的領先公司，TI于2005年5月推出較為先進的20W單聲道高功率數字輸入D類音頻放大器TPA3200D1，該芯片突破傳統(tǒng)的模擬輸 入，向全數字化功放更進一步，該芯片在18V電源電壓下推動80hm負載時功率可達20W，THD+N小于01，效率高達85以上。 另外，NS，ST，PHIL

18、IPS，YAMAHA等公司也紛紛推出自主設計的D類音頻功率放大器，如NS的l。M系列，ST的sTA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等等。國內方面，1998年11月，成都天奧公司發(fā)布了具有自主知識產權的D類音頻功率 放大器，并于2000年研制出6通道專用芯片DPPC2006，其轉換效率達到了90以上， 目前，該公司數字音頻功放IC已廣泛應用于DVD、汽車音響、家庭影院和背投電視等領域。2005年12月，成都華微數字音頻功放芯片丌發(fā)與模塊制造項目己成功通過國 家電子信息發(fā)展基金辦公室驗收，并得到高度評價。同時諸多公司也己開始或者有計劃向D類音頻功放芯片化方向投入大量人力與

19、物力，種種跡象表明，近幾年，國內公司在 D類音頻功率放大器開發(fā)方面將作出突破。因此，對D類音頻功率放大器的相關技術進行研究具有非常重要的意義。1.3 本論文的主要工作及主要內容本論文的目標就是設計一款便攜式電子產品中的高效率、高保真度、 小體積的D類音頻功率放大器。在論文工作期間，作者查閱了大量有關D類音頻功率放大器方面的資料，較系統(tǒng)地 研究了D類音頻功率放大器的結構和性能，設計了一款工作于5V電源電壓的D類音頻功率放大器，并完成了D類音頻功率放大器的版圖設計。本文采用PWM調制技術來實現D類音頻功率放大器，主要研究工作有： (1)研究了基于PWM調制技術的D類音頻功率放大器的系統(tǒng)結構；(2)

20、各個模塊的電路設計；(3)原理圖設計與系統(tǒng)仿真；(4)系統(tǒng)調試；(5)PCB圖的設計。本文的主要內容為： 第一章為引言，指出了本論文的研究意義。 第二章介紹了音頻功率放大器的分類，分析了各自工作原理，比較了各自的優(yōu)缺點。 第三章介紹了所設計D類音頻功率放大器的系統(tǒng)結構的分析。 第四章討論了所設計各個模塊的具體電路實現、仿真結果及系統(tǒng)測試結果。 第五章對相關工作的總結和對自己以后工作的要求。2 音頻功率放大器2.1 音頻功率放大器的指標2.1.1 THD+N指標THD+N是英文Total Hormonic Distortion +Noise 的縮寫，譯成中文是“總諧波失真加噪聲”。它是音頻功率放

21、大器的一個主要性能指標，也是音頻功率放大器的額定輸出功率的一個條件。總諧波失真THD（Total Harmonic Distortion）是指用信號源輸入時，輸出信號（諧波及其倍頻成分）比輸入信號多出的額外諧波成分（通常用%來表示）。噪聲發(fā)生是一個隨機過程，它的大小在任何時候都不能被預測。但在很多情況下，噪聲的平均功率還是可以被預測的。我們通常需要把幾個主要噪聲源的影響相加來獲得總噪聲，得到我們關注的平均噪聲功率。這里特別要指出的是THD+N這個指標是在Fin=1kHz下給出的，在實際上音頻范圍是20Hz20kHz，則在20Hz20kHz范圍測試時，其THD+N要大得多。例如，某音頻功率放大器

22、在1kHz時測試，其TDH+N=0.08%。若FIN改成20Hz-20kHz,，其他條件不變，其THD+N變?yōu)樾∮?.5%。對于音頻功率放大器來說，THD+N指標越小越好29。2.1.2 功率放大器的效率功串放大的實質是通過晶體管的控制作用，把電源提供給放大器的直流功率轉換成負載上的交流功率。交流輸出功串和直流電源功率息息相關。一個功率放大器的直流電源提供的功率究竟能有多少轉換成交流輸出功率呢？我們當然希望功率放大器最好能把直流功率（PE= EcIc）百分之百轉換成交流輸出功率（PscUscisc）實際上卻是不可能的1-5。因為晶體管自身要有一定的功率消耗，各種電路元件（電阻、變壓器等）要消耗

23、一定的功率，這就有個效率問題了。放大器的效率指輸出功率Psc與電源供給的直流動率PE之比： =Psc/PE （2-1）通常用百分比表示： =Psc/PE100% （2-2）效率越高，表示功率放大器的性能越好。 2.1.3 最大輸出功率（POCM）輸出功率反映音頻功率放大器的負載能力，通常音頻放大器廠家會提供產品的在一定工作電壓和額定負載下的最大輸出功率。芯片的效率在不同的條件下肯定也不相同1-5。2.1.4 脈沖寬度調制（PWM） 脈沖寬度調制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術

24、，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。 脈沖寬度調制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。圖2-1所示為脈沖寬度調制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數A，否則輸出0。因此，從圖中可以看出，比較器輸出一列下降沿調制的脈沖寬度調制波。 2-1 PWM原理與波形圖通過圖2-1的分析可以看出，生成的矩形脈沖的寬度取決于脈沖下降沿時刻t k時的語音信號幅度值。因而，采樣值之間的時間間隔是非均勻的。在系統(tǒng)的輸入端插入一個采樣保持電路可以得到均勻的采樣信號，但是對于實際中

25、tk-kTsTs的情況，均勻采樣和非均勻采樣差異非常小。如果假定采樣為均勻采樣，第k個矩形脈沖可以表示為： （2-3）其中，xt是離散化的語音信號；Ts是采樣周期；是未調制寬度；m是調制指數。 然而，如果對矩形脈沖作如下近似：脈沖幅度為A，中心在t = k Ts處，在相鄰脈沖間變化緩慢，則脈沖寬度調制波xp(t)可以表示為： （2-4）其中， 。無需作頻譜分析，由式（2-4）可以看出脈沖寬度信號由語音信號x(t)加上一個直流成分以及相位調制波構成。當10K，電壓放大倍數120連續(xù)可調。 （d）低頻噪聲電壓（20kHz以下）10mV，在電壓放大倍數為10、輸入端對地交流短路時測量。 （e）在輸出

26、功率500mW時測量功率放大器效率（輸出功率/放大器總功耗）50。（2）設計并制作一個放大倍數為1的信號變換電路，將功率放大器雙端輸出信號轉換為單端輸出，經RC濾波供外接測試儀表用，如圖4-1所示：4-1系統(tǒng)組成框圖42方案論證與比較4.2.1 脈寬調制器（PWM）方案一：可選用專用脈寬調制集成塊，但通常有電源電壓限制。方案二：采用三角波產生器及比較器等集成芯片設計脈寬調制器，這樣各部分的功能清晰，實現靈活，便于調試。相比之下，選擇本方案。4.2.2 高速開關電路（1）輸出方式方案一：選用推挽單端輸出方式（電路如圖4-2所示）。電路輸出載波峰-峰值不可能超過5V電源電壓，最大輸出功率遠達不到設

27、計的要求7。 圖4-2 高速開關電路 方案二：選用H橋輸出方式,此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波峰-峰值可達10V，有效地提高了輸出功率，且能達到設計的要求，故選用此方案。其電路如圖4-3所示：圖4-3 高速開關電路（2）開關管的選擇：為提高功率放大器的效率和輸出功率，開關管的選擇非常重要，對它的要求是高速，低導通電阻，低損耗。方案一：選用晶體三極管、IGBT管。晶體三極管需要較大的驅動電流，并存在存儲時間，開關特性不夠好，使整個功放的靜態(tài)損耗及開關過程中的損耗較大；IGBT管的最大缺陷是導通壓降太大，不利于提高效率。方案二：選用VMMOSFET管，VMOSFET管具有較小的驅動電流、低

28、導通電阻及良好的開關特性，符合設計的要求，有利于提高效率，故選用VMOSFET管。（3）濾波器選擇方案一：采用兩個相同的二階Butterworth低通濾波器。缺點是負載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。方案二：采用兩個相同的四階Butterworth低通濾波器，保證20KHz頻帶的前提下使負載上的高頻載波電壓進一步得到衰減，有利于提高功放的音質，故選用此方案。4.3 各部分電路分析與計算4.3.1 脈寬調制器（1）三角波產生電路。 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

29、的聲頻范圍是20 Hz20kHz，說明三角波的頻率應在40 kHz以上，為確保音頻信號的采樣，可取三角波的頻率為150 kHz。其二，三角波要有穩(wěn)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。該電路我們采用滿幅運放 TLC4502 及高速精密電壓比較器LM311來實現，電路圖如圖4-4所示。TLC4502 不僅具有較寬的頻帶，而且可以在較低的電壓下滿幅輸出，保證能產生線性良好的三角波8。圖4-4 三角波產生電路 載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實現，選擇 150 kHz 的載波，使用四階 Bultterworth LC 濾波器，輸出端

30、對載頻的衰減大于 60dB，滿足設計的要求，所以我們選用載波頻率為150 kHz。電路參數的計算：在 5V單電源供電下，我們將運放 5 腳和比較器3 腳的電位用R8調整為 2.5 V，同時設定輸出的對稱三角波幅度為 1 V(Vp-p2V)。若選定R10為 100 k，并忽略比較器高電平時R11上的壓降，則R9的求解過程如下： （4-1）所以取為39K。選定工作頻率為f=150kHz，并設定，則電容的計算過程如下：對電容的恒流充電或放電電流為： （4-2）則電容兩端的最大電壓值為： （4-3）其中為半周期，=。的最大值為2V，則 （4-4） （4-5）取=220Pf，取=10k，取為20K的可變

31、電位器。使電路的震蕩頻率f在150KHZ左右可調。通過使產生的三角波，在以2.5V上下1V震蕩。（2）比較器電路 選用LM311精密，高速比較器，電路如圖4-5所示，因供電為5V單電源，為給V+=V-提供2.5V 的靜態(tài)電位，取R12=R15，R13=R14，4個電阻均取 10 k。由于三角波Vp-p=2V，所以要求音頻信號的Vp-p不能大于2V否則會使功放產生失真。圖4-5 比較器電路4.3.2前置放大器電路 如圖4-6所示。設置前置放大器，可使整個功放的增益從120連續(xù)可調，而且也保證了比較器的比較精度。當功放輸出的最大不失真功率為1W時，其8上的電壓Vp-p=8V，此時送給比較器音頻信號

32、的Vp-p值應為2V，則功放的最大增益約為4（實際上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其電壓增益要略大于 4）7。因此必須對輸入圖4-6 前置放大電路的音頻信號進行前置放大，其增益應大于 5。前放仍采用寬頻帶、低漂移、滿幅運放TLC4502，組成增益可調的同相寬帶放大器。選擇同相放大器的目的是容易實現輸入電阻Ri10k的要求。同時，采用滿幅運放可在降低電源 電壓時仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求輸入電阻Ri大于10k，故取R1=R2=51k，則Ri=51/2=25.5k，反饋電阻采用電位器R4，取R4=20k，反相端電阻R3取 2.4k，則前置放大器的最大增益Av為： (4-

33、6)調整使其增益約為8，則整個功放的電壓增益從032可調。考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值,取=2V，則要求輸入的音頻信號最大幅度。如果超過250mV，則輸出會產生波削失真。4.3.3 驅動電路如圖4-7 所示。將 PWM 信號整形變換成互補對稱的輸出驅動信號，用 CD40106 施密特觸發(fā)器并聯運用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補對稱式射極跟隨器驅動的輸出管，保證了快速驅動。驅動電路晶體三極管選用 2SC8050 和 2SA8550 對管。圖4-7 驅動電路電路圖4.3.4 H橋互補對稱輸出電路 對VMOSFET的要求是導通電阻小，開關速度快，開啟電壓小。因輸出功率

34、稍大于 1W，屬小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅動的對管，IRFD120 和IRFD9120 VMOS對管的參數能夠滿足上述要求，故采用之。實際電路如圖 4-8 所示。互補PWM開關驅動信號交替開啟Q5和Q8或Q6和Q7，分別經兩個4階 Butterworth濾波器濾波后推動喇叭工作1-8。圖4-8 H橋互補對稱輸出及低通濾波電路 這個H橋具有兩個半橋開關電路，它們?yōu)闉V波器提供相反極性的脈沖，其中濾波器包含兩個電感器、兩個電容器。每個半橋包含兩個輸出晶體管，一個是連接到正電源的高端晶體管MH，另一個是連接到負電源的低端晶體管ML。全H橋電路通常由單電源（VDD ）供電，

35、接地端用于接負電源端（VSS）。四個高頻MOSFET功率管，當PWM信號為高電平時,Q5、Q8導通,Q6、Q7截止，電流從電阻的正極流向負極；當PWM信號為低電平時，Q5、Q8截止，Q6、Q7導通，電流從電阻的負極流向正極。功率管開關的頻率等于PWM信號的頻率。對于給定的VDD和 VSS，H橋電路的差分方式提供的輸出信號是單端方式的兩倍，并且輸出功率是其四倍。半橋電路可由雙極性電源或單極性電源供電，但單電源供電會對DC偏置電壓產生潛在的危害，因為只有VDD/2電壓施加到過揚聲器，除非加一個隔直電容器。4.3.5 低通濾波器 本電路采用 4 階 Butterworth 低通濾波器(如圖4-8)。

36、對濾波器的要求是 上限頻率20 kHz，在通頻帶內特性基本平坦。采用了電子工作臺(EWB)軟件進行仿真，從而得到了一組較佳的參數：L1=22H，L247H，C1=l.68H，C2=1H。19.95 kHz 處下降 2.464 dB，可保證 20 kHz 的上限頻率，且通帶內曲線基本平坦；100 kHz、150 kHz 處分別下降 48 dB、62 dB，完全達到要求。4.3.6 系統(tǒng)整體分析本設計的難點主要是在PWM脈寬調制模塊和H橋互補對稱輸出模塊，在脈寬調制模塊需要首先熟悉TLC4502和LM311芯片的使用方法，以防在使用時電路接錯；另一方面還需要注意在調節(jié)電位器是一定要細心，如果一直不

37、起振，就仔細檢查電路、分析原理；然后在細心調節(jié)電位器，使其起震。H橋互補對稱輸出模塊時這里面最難的部分，雖然原理簡單，但是如有一點做不到位就會得不到理想的效果。所以本設計除了理論分析外，實踐更是不易，唯有細心加耐心，才能達到理想的效果。4.4模塊仿真仿真軟件：-虛擬電子實驗室10.0.NI.Multisim.V10.0.1.漢化破解版。仿真步驟：（1） 畫好原理圖。（2）設置好輸入信號。（3）在待測點接好示波器。（4）運行程序，觀察示波器的輸出波形。（5）分析波形，是否與理論相符，是否達到設計要求。由于軟件無法找到TCL4502芯片，所以一些模塊無法仿真。下面分別介紹和分析了各模塊的仿真結果。

38、4.4.1 前置放大電路 圖4-9 前置放大器仿真電路如圖4-9所示由于軟件沒有TLC4502，則采用TLE2022代替，用函數信號發(fā)生器給5kHz的信號，調節(jié)和用示波器觀測其輸出。 4-10 前置放大器仿真波形 如上圖4-9所示調節(jié)和，用示波器測得器輸出波形如圖4-10所示，可以看出其幅度明顯被放大，調節(jié)和觀察其放大倍數的范圍滿足設計的要求。 4.4.2 比較器電路如圖4-11所示用函數信號發(fā)生器在比較器LM311的2腳輸入3kHz正弦波，在3腳輸入150kHz三角波，用示波器觀察信號的輸出情況，信號的輸入及輸出波形如圖4-12所示。圖4-11 比較器仿真電路 圖4-12 比較器仿真波形 由

39、上可以觀察，正弦波信號經過比較器后，形成了一組寬度受到調制的等幅波。 4.4.3 H橋互補對稱輸出及低通濾波電路如圖4-13所示，為了能給相位相反的兩組方波信號，在H橋前的一組信號上加一個反相器CD40106，為了在時間上延遲相同在另一組信號上加一與門74LS04。函數信號圖4-13 H橋互補對稱輸出及低通濾波器仿真電路發(fā)生器接輸入端，用示波器的A端口接H橋互補對稱輸出端，B端口接低通濾波器的輸出端。先讓函數信號發(fā)生器輸入頻率為10kHz，占空比50，振幅為2的信號，示波器輸出如圖4-14所示。圖4-14 H橋互補對稱輸出及低通濾波器波形 改變輸入頻率為20kHz，占空比50，振幅為1.5的信

40、號，示波器輸出如圖4-15所示。圖4-15 H橋互補對稱輸出及低通濾波器波形 改變輸入頻率為150kHz，觀察低通濾波器的輸出波形如圖4-16所示：圖4-16 H橋互補對稱輸出及低通濾波器波形 由圖4-14和圖4-15可以看出2和1.5的輸入信號都能經過H橋互補對稱輸出得到放大，而且都能得到滿幅輸出，輸出信號幾乎達到10，而且信號可以順利通過低通濾波器到達輸出級，可以看出達到了設計的要求。由圖4-14和圖4-16對比可以看出，低通濾波器對150kHz的高頻信號衰減很大，而能讓20kHz以下的音頻信號通過。這樣的設計在系統(tǒng)中，就可以讓載波信號得到很好的衰減，而讓音頻信號順利到達輸出級，完全滿足設計的要求。4.5 系統(tǒng)測試4.5.1 測試步驟 （1）準備元器件（2）焊接電路（3）線路檢測（4）模塊測試（5）系統(tǒng)測試4.5.2 測試工具鑷子、剪線鉗、電烙鐵、萬用表、直流電源、數字信號發(fā)生器、示波器4.5.3 三角波產生電路測試 焊接好電路，檢查無誤后通電，用示波器觀察輸出波形，調節(jié)電位器使之起震并產生振幅為上下1V，頻率為150kHz的三角波。其產生的信號用示波器觀察如下圖4-17所示：圖4-17 三角波發(fā)生器測試波形由上圖4-17可以看出，三角波發(fā)生器產生了穩(wěn)定的，頻率為149.529kHz的三角波，因此本模塊的設計不但能從仿真上達到目的，而且實踐中也很好的達到了