数字功放实验报告.doc

前言：
数字功放简介数字功放”的基本电路是早已存在的Ｄ类放大器（国内称丁类放大器）。以前，由于价格和技术上的原因，这种放大电路只是在实验室或高价位的测试仪器中应用。这几年的技术发展使数字功放的元件集成到一两块芯片中，价格也在不断下降。理论证明，Ｄ类放大器的效率可达到１００％。然而，迄今还没有找到理想的开关元件，难免会产生一部分功率损耗，如果使用的器件不良，损耗就会更大些。但是不管怎样，它的放大效率还是达到９０％以上。此外，数字功放具有失真小、噪音低、动态范围大等特点，在音质的透明度、解析力，背景的宁静、低频的震撼力度方面是传统功放不可比拟的。为了重现放大的音频信号，输出波形必须恢复到原来的正弦波。大都采用低通滤波器来解决。由于音频的频带范围为２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ，而载波频率通常是它的５倍以上，因此，滤除载波频率的过程相当简单，就是在扬声器前面接一个截止频率约为２５ｋＨｚ左右的低通滤波器。而在运用到重低音功放时，由于处理的是低频，低通的截止频率可以降低到５ｋＨｚ左右。滤波器可根据性能要求采用Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ或Ｂｅｓｓｅｌ等电路。滤波器的设计要求较高，弄得不好会引起射频干扰。为降低功耗，一般采用被动元件。由于功耗和体积的优势，数字功放首先在能源有限的汽车音响和要求较高的重低音有源音箱中得到应用。
当今的电子设备开始趋向于便携化，而这种便携特性需要小的体积以及高效率才能够维持足够的电池使用时间。这种趋势开始影响到音频放大器的设计，但是，AB类音频放大器的效率通常都小于20％，这就减少的系统的电池寿命，并且增加了热耗散D类放大器是一种输出开关状态信号的放大器。当输出功率开关管关闭，流过放大器的电流为零。当输出功率开关管导通，开关管所承载的压降很小，在理想的状况下，这个值应是零。所以无论在开关导通或是关闭，消耗在放大器内部的功率都很小。这就提高了效率，进而，它只需要更少的电能消耗和更小的散热器。对于电池供电的便携器件而言，这是一个十分重要的优势。
实现D类音频放大器的两大类技术：
就技术领域来而言，D类音频放大器可以依照输入信号的类型分为两大类：
模拟D类音频放大器与数字D类音频放大器。
模拟D类音频放大器到目前为止一直是D类音频实现技术的主流。模拟D类音频放大器接收模拟音频输入信号，通过信号调制结构将模拟音频信号置于高频载波之上，并传送至功率输出级。模拟D类音频放大器的信号调制机构由于可以采用自然采样模式，不会产生固有谐波分量，因而可以实现比较高的线性度研。并且，模拟D类音频放大器可以相对容易地实现负反馈控制，通过反馈机制，进一步有效地提高包括线性度，电源噪声免疫性在内的各项音频性能特征。基于上述特点，模拟D类音频有更为简单的可实现性并且不需要特殊设计的精确电源，在应用端可以简化外围电路的使用，因而目前依然是D类音频产品所使用的主流技术。本文所介绍的D类音频放大器也属于模拟D类音频高效率、低失真D类音频功率放大器
放大器的范畴。
数字D类放大器接收数字音频输入信号。同样要通过信号调制结构将数字信号置于高频载波之上，并传送至功率输出级。数字D类音频目前在诸多技术环节仍存在困难。由于数字D类放大器采用线性插值法采样，在采样方式上存在固有的误差，因而在线性度上不及模拟D类音频，更重要的是，数字实现方式难以实现反馈控制，使得数字D类音频更加依赖于良好的外围电路设置。
但数字方式的好处同样显而易见，全数字的实现方式可以省去面积可观的模拟电路模块；全数字的音频信号通道对耦合噪声并不敏感；全数字的实现方式可以更加灵活地实现片上的音频信号处理，并可以省去系统的数模转换器。数字实现D类音频目前仍只有极少的市场应用，但如果上述的技术困难可以得到解决，数字实现将会是一个很有竞争力的选择，成为未来D类音频技术的发展方向。
原理:
本次电路仿真设计中，由于很多芯片无法找到，我们首先只是选择了一个很简单的电路
示例一中具体如图一：

如上图所示，该电路运用到的芯片为74ls04，其中U1F构成密勒积分电路，U1C构成线形反相放大电路，R2，R3，U1A、U1B构成触发电路，U1D、U1E为缓冲电路，驱动扬声器需要上百毫安电流，用74ls04三片做了驱动门，用来增大驱动电流。最后的输出用全桥方式，由于为单电源供电，因此不用接隔直电容，跟具输出信号的高低电平，可以是L1和L2相互导通而正常工作。
密勒积分电路：（如下图所示）

密勒积分电路中，为了实现锯齿波发生电路，如在放大器A的位置放上品体管，则可以制得固9．U的电路。将关闭的开关打开后，在放大晶体管Tr的集电极就可以得到锯齿波输出电压。与互相同的是fB。在这里，Tr是作为共射极放大器来使月的，所以增益大，但不能说输入电阻大。此时，时间常数为C[只RE／(只十RZ)]，Rt随着5体管的替换或温度变化而变化。另外输出电电阻也很大。将锯齿波发生电路看做电源时，输出电阻不小与内部串联电阻大是相同的事情，所以在输出端接负载时，如果负载电阻值变化，则输出电压也大幅度地变化。在本电路中用非门来做放大器，代替了晶体管。

调试过程：
在这个电路的调试过程中，在原来的电路中用到的不是74ls04，U1为74hcu04，U2为74ac04，但是在连接好电路的仿真过程中出现无法仿真，经过一系列的调试发现，不同种类的反相器组合，有不同的结果，有的甚至无法仿真，而最佳的组合是74ls04，所以最后我们选择了全部用74ls04。同时，在调试过程中发现，原来的12个74ls04来做驱动门电路，但是三个和十二个没区别，故最终选择了用三个来实现。
输入输出波形如下所示：

在调试完成之后做出了简单的pcb，如下图所示：

第二个电路我们再一次偶然的添加库中发现好多库没有添加，再添加上之后，在搜索元器件的过程中我们发现了hip4080，所以我们找到了一个相对复杂一点的一hip4080为主控芯片的功放电路图。
HIP4080原是电动机控制用开发的集成电路，但也可以在音频功率放大器中利用其耐压与高速型，其内部有比较器、驱动器、死区控制器等电路，若外接振荡器，输出元件，输出低通滤波器，就可简单构成D类功率放大器。
HIP4080芯片的引脚图如下：
（CA5470）
HIP4080的工作原理：片内比较器将外部振荡器产生的三角波或锯齿波与输入音频信号比较，形成pwm信号。全桥驱动器是驱动外接功率mosfet的电路，片内有4个驱动器，最大输出电流各自为2.5A，可以直接驱动MOSFET，本电路的接法为全桥方式，电路如下图所示：

HIP4080是A通道（AHO，ALO）和B通道（BHO，BLO）互为反向动作，及AHO导通时，BLO导通，ALO和BHO截止，这样，以开关频率周而复始的动作，控制功率MOSFET通/断工作，功率MOSFET管VT1和VT2导通时间互为独立，若同时导通就会有贯通电流发生，损坏元件，降低效率，为此，需要对导通/截止定时控制电路，既死区控制电路。由HIP4080延迟功率MOSFET的导通时间，解决此问题。另外，接通外接电阻可以自由设定延时时间，这样对于应用有更高的通用性，对于采用PWM方式的功率电路，减小功率损耗是死区控制电路中非常重要的一部分。
HIP4080的高端与低端驱动电路通过高耐压的电平移动电路连接起来，这样，单个驱动电路虽只有16V，但高端驱动电源端子的耐压高达95V，充电泵电路是供给上端驱动电源电流的电路。然而，电流供给能力只有30-50ua，不能驱动D类功率放大器功率MOSFET，为此，充电泵电路是作为维持由自举方式得到的电源电压的辅助电源而工作的电路。
HIP4080内部电路结构如下图所示：

HIP4080个引脚功能：
1、BHB：B High-side Bootstrap supply. External bootstrap diode and capacitor are required. Connect cathode of bootstrapdiode and positive side of bootstrap capacitor to this pin. Internal charge pump supplies 30mA out of this
pin to maintain bootstrap supply. Internal circuitry clamps the bootstrap supply to approximately 12.8V.
2、HEN：High-side Enable input. Logic level input that when low overrides IN+/IN- (Pins 6 and 7) to put AHO and BHO
drivers (Pins 11 and 20) in low output state. When HEN is high AHO and BHO are controlled by IN+/IN- inputs.
The pin can be driven by signal levels of 0V to 15V (no greater than VDD). An internal 100mA pull-up to VDD will
hold HEN high, so no connection is required if high-side and low-side outputs are to be controlled by IN+/INinputs.
3、DIS：DISable input. Logic level input that when taken high sets all four outputs low. DIS high overrides all other inputs.
When DIS is taken low the outputs are controlled by the other inputs. The pin can be driven by signal levels of
0V to 15V (no greater than VDD). An internal 100mA pull-up to VDD will hold DIS high if this pin is not driven.
4、VSS：Chip negative supply, generally will be ground.
5、OUT：OUTput of the input control comparator. This output can be used for feedback and hysteresis
6、IN+：Non-inverting input of control comparator. If IN+ is greater than IN- (Pin 7) then ALO and BHO are low level
outputs and BLO and AHO are high level outputs. If IN+ is less than IN- then ALO and BHO are high level outputs
and BLO and AHO are low level outputs. DIS (Pin 3) high level will override IN+/IN- control for all outputs.
HEN (Pin 2) low level will override IN+/IN- control of AHO and BHO. When switching in four quadrant mode,
dead time in a half bridge leg is controlled by HDEL and LDEL (Pins 8 and 9).
7、IN-：Inverting input of control comparator. See IN+ (Pin 6) description.
8、HDEL：High-side turn-on DELay. Connect resistor from this pin to VSS to set timing current that defines the turn-on delay of both high-side drivers. The low-side drivers turn-off with no adjustable delay, so the HDEL resistor guarantees　no shoot-through by delaying the turn-on of the high-side drivers. HDEL reference voltage is approximately 5.1V.
9、LDEL：Low-side turn-on DELay. Connect resistor from this pin to VSS to set timing current that defines the turn-on delay
of both low-side drivers. The high-side drivers turn-off with no adjustable delay, so the LDEL resistor guarantees
no shoot-through by delaying the turn-on of the low-side drivers. LDEL reference voltage is approximately 5.1V.
10、AHB：A High-side Bootstrap supply. External bootstrap diode and capacitor are required. Connect cathode of bootstrap　diode and positive side of bootstrap capacitor to this pin. Internal charge pump supplies 30mA out of this
pin to maintain bootstrap supply. Internal circuitry clamps the bootstrap supply to approximately 12.8V.
11、AHO：A High-side Output. Connect to gate of A High-side power MOSFET
12、AHS：A High-side Source connection. Connect to source of A High-side power MOSFET. Connect negative side of bootstrap capacitor to this pin.
13、ALO：A Low-side Output. Connect to gate of A Low-side power MOSFET.
14、ALS：A Low-side Source connection. Connect to source of A Low-side power MOSFET
15、VCC：Positive supply to gate drivers. Must be same potential as VDD (Pin 16). Connect to anodes of two bootstrap　diodes.
16、VDD：Positive supply to lower gate drivers. Must be same potential as VCC (Pin 15). De-couple this pin to VSS (Pin 4).
17、BLS：B Low-side Source connection. Connect to source of B Low-side power MOSFET
18、BLO：B Low-side Output. Connect to gate of B Low-side power MOSFET.
19、BHS：B High-side Source connection. Connect to source of B High-side power MOSFET. Connect negative side of bootstrap capacitor to this pin.
20、BHO：B High-side Output. Connect to gate of B High-side power MOSFET.
CA5470：
采用BIMOS工艺制成，内接4个运算放大器，输入失调电流为0．5pA，输入偏置电流为0．5pA，开环电压增益为90dB，功率带宽为436kHz，单电源电压范围为3—16V。可应用于高速采样／保持电路、电压跟随器、峰值检测器、压控振荡器、传感放大器以及自动控制系统等领域。
实验电路：

原理：
在本电路中，两个输入端IN+和IN-分别输入信号和三角波，起比较器输出地调宽脉冲经控制逻辑，接通延迟，电平以为及触发器后，有两个驱动器从XHO和XLO端输出激励信号，去驱动功率场效应管的栅极。每个驱动器的输出电流高达2.5A，可驱动功率很大的场效应管。电路中，输入的音频信号经过U6C缓冲，U6D反相放大后，送入HIP4080的IN-段，COMS反相器CD4069中产生出240KHZ 的三角波，作为比较信号加至HIP4080的IN+端。HIP4080调制产生的调宽脉冲经延迟，，激励后，驱动有四只MOSFET组成的桥式开关放大器，经放大的调整脉冲再有四阶巴特沃兹低通滤波器滤去高频成分，恢复出音频。U3B为负反馈电路，从巴特沃兹滤波器的前端取出脉冲信号，经U3B组成的T型 低通滤波器后恢复出低频分量，再送至U3B的反相输入端，进行负反馈 控制。
调试过程：
在本电路的仿真中出现的问题首先提示很多问题，如下所示：
ERROR -- Less than 2 connections at node N189742
ERROR -- Less than 2 connections at node N189782
ERROR -- Less than 2 connections at node N189646
ERROR -- Less than 2 connections at node N189714
ERROR -- Less than 2 connections at node N189190
ERROR -- Less than 2 connections at node N189898
ERROR -- Less than 2 connections at node N189906
ERROR -- Less than 2 connections at node N189050
ERROR -- Node N189742 is floating
ERROR -- Node N190182 is floating
ERROR -- Node N189782 is floating
ERROR -- Node N190206 is floating
ERROR -- Node N190242 is floating
ERROR -- Node N189646 is floating
ERROR -- Node N190362 is floating
ERROR -- Node N189122 is floating
ERROR -- Node GND_SIGNAL is floating
ERROR -- Node N189714 is floating
ERROR -- Node N190474 is floating
ERROR -- Node N189190 is floating
ERROR -- Node N189898 is floating
ERROR -- Node N189906 is floating
经过一系列的调整后，将错误一一排除，当我认为将要能够仿真并调试的时候又一次出现了问题，问题如下：
No PSpiceTemplate for U2, ignoring；
当时不知道是什么问题，经过慢慢的看书并查资料发现，虽然找到了芯片，可是在，在PSPICE库中没有元件的模型，到底该怎么做，首先我想到的是把芯片拆成各个部分，把芯片用别的元件组装起来，可是当我找到芯片的详细资料后我才发现，这个办法是行不通的。当我在迷茫的时候有王老师的指点，没有模板就自己建立，面对这个问题，我还是一头雾水，该怎么建立，从来没听说过，也不知道怎么建立，在做PCB是我通过protel给我的思路我沿着这条主线，运用到ORCAD中，把出现的问题一一解决，做出了ＰＣＢ，是不是再次可以尝试一下，我查阅了很多资料没有找到任何线索，在偶然的查阅中，在网上找到了一些资料，我开始学着建立模板，首先找到了ＨＩＰ４０８０的详细资料，根据资料上说的，我按资料整理了所需要的资料，资料如下：
IN- = 2.5V, Other Inputs = 0V ,Outputs switching f = 500kHz,IN- = 2.5V, Other Inputs = 0V,
IALO = IBLO = 0,f = 500kHz, No Load,IN- = 2.5V, Other Inputs = 0V, IAHO =IBHO = 0,
VDD = VCC = VAHB =VBHB = 10V,VAHS = VBHS = VAHB = VBHB = 95V,IAHB = IAHB = 0, No Load,IN+ > IN-,
IOH = -300mA,IN+ < IN-, IOL = 300mA,VOUT = 6V,
通过这些资料在ＯＲＣＡＤ中的ｍｏｄｅｌ　ｅｄｉｔ中学着资料上的建立模板，可是当我建成之后在试时发现，还是不对，由于时间的限制，在没有重新建立，最终的模板还是没见成功。最后没办法了，只好只做到了这一步，我想就出现一个问题，应该没多大影响，接下来，我有做出来该电路的ＰＣＢ，如下图所示：

心得体会：
本次电路设计中，主要是以仿真为主，在刚开始的时候由于很多芯片没有，为了能够找到一个芯片齐全的原理图，找了一个芯片易找的原理图，因此在各个方面没有考虑太多，只是处于勉强能仿真并掌握原理的的地步，然而在后来的偶然发现中，找到了很多芯片，在这种情况下，又找了一个相对复杂的功放电路。
另外，在这次设计中，是完全仿真，没有实际的电路，在这次设计仿真中，只能说是掌握了原理性的知识，对于实际中碰到的问题和仿真中出现的问题是天壤之别，甚至是在实际电路和仿真电路也是有区别的，比如说忽略了芯片的过热保护，这是对于功率IC或功率放大器所必备，因为就这一点甚至会伤及其所连接之电源器件或整个系统。而对我们都无法估计，只能是纯粹的设想，甚至是在做ＰＣＢ的时候，都完全忽略这些，只是觉得怎么好看，怎么让飞线交叉的很少的情况下，就选择了自动布局。
而在实际中过热保护这种保护的电路正是这个电路所缺少的，也是我们今后在学习和实践总应该加以关注的。只有通过我们的不断学习和努力，我们的知识积累的足够的丰富，我们才能够在以后的具体时间中加以运用，才能够体现出“知识就是力量”，表现出当代大学生的风采。
对于这次电路仿真中，我倒觉得收获没有在实际制作中大，在仿真中，对软件的掌握更加熟练，对数字功放的一些知识有了一定的理解和掌握，从以前一无所知到现在有一定的掌握，正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，仿真也算是一次实践吧。
生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过这次仿真，对于第二个图没有做出真正的设想效果，但我在发现问题，解决问题的过程中，从中我掌握了很多曾今不知道的问题，也有很多是我没有碰到过的问题，在这次电路的我碰到了，并且学会了如何去解决，同时我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，才真正意识到我们只有通过勤奋的努力，才能够真正体会到科技带给人类的幸福。
接下来就是制作ＰＣＢ了，在ＰＣＢ的制作过程中，以前我处于文盲的状态，曾今也尝试着做出过ＰＣＢ，但是在制作中我只是把它做出来，并没有追求最终的实际意义，认为做出来就可以，而且在以前知识简单的电路ＰＣＢ制作，对于出现的问题，根本无法解决，在学习了ｐｒｏｔｅｌＰＣＢ的制作过程中，我明白了出现问题时的解决方法，沿着ｐｒｏｔｅｌ中制作ＰＣＢ的这条主线，我把它搬移到ＯＲＣＡＤ中，虽然是不同的软件，但是有一点是相通的，那就是最终的那条主线是完全一样的，所选择的道路不通，但是最终到达的目的是相同的，就这样，快的就熟练掌握了ＰＣＢ的制作。
同时，在制作ＰＣＢ过程中，我明白了很多，很多，比如ＰＣＢ制作的全过程：一般pcb基本设计流程如下：前期准备->pcb结构设计->pcb布局->布线->布线优化和丝印->网络和drc检查和结构检查->制版。
“工欲善其事，必先利其器”，要做出一块好的板子，除了要设计好原理之外，还要画得好。在进行pcb设计之前，首先要准备好原理图的元件库和pcb的元件库。元件库可以用软件自带的库，但一般情况下很难找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做pcb的元件库，再做电路图的元件库。pcb的元件库要求较高，它直接影响板子的安装；电路图的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与pcb元件的对应关系就行。之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做pcb设计了。
第一：前期准备。这包括准备元件库和原理图。
第二：pcb结构设计。这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位，在pcb 设计环境下绘制pcb板面，并按定位要求放置所需的接插件、按键/开关、螺丝孔、装配孔等等。并充分考虑和确定布线区域和非布线区域（如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域）。
    第三：pcb布局。布局说白了就是在板子上放器件。这时如果前面讲到的准备工作都做好的话，就可以在原理图上生成网络表（design-> create netlist），之后在pcb图上导入网络表（design->load nets）。就看见器件哗啦啦的全堆上去了，各管脚之间还有飞线提示连接。然后就可以对器件布局了。
第四：布线。布线是整个pcb设计中最重要的工序。这将直接影响着pcb板的性能好坏。在pcb的设计过程中，布线一般有这么三种境界的划分：首先是布通，这时pcb设计时的最基本的要求。
同时进一步的掌握了ＰＣＢ的布局的基本规则：
1. 按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开
2.定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm 内不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围3.5mm（对于M2.5）、4mm（对于M3）内不得贴装元器件。
3. 卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。
4. 元器件的外侧距板边的距离为5mm。
5. 贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm。
6. 金属壳体元器件和金属件（屏蔽盒等）不能与其它元器件相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于2mm。定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其它方孔外侧距板边的尺寸大于3mm。
7. 发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均衡分布
8. 电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。特别应注意不要把电源插座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接及电源线缆设计和扎线。电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔。
9. 其它元器件的布置
所有IC 元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示不得多于两个方向
出现两个方向时，两个方向互相垂直。
10、板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充，网格大于8mil(或0.2mm)。
11、贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。重要信号线不准从插座脚间穿过。
12、贴片单边对齐，字符方向一致，封装方向一致。
13、有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致