电工电子技术课程设计

电工电子技术课程设计任务书姓名_____班级指导老师设计课题：设计任务与要求查找一个感兴趣的电工电子技术应用电路，要求电子元件超过30~50个或以上，根据应用电路的功能，确定封面上的题目，然后完成以下任务：1、分析电路由几个部分组成，并用方框图对它进行整体描述；2、对电路的每个部分分别进行单独说明，画出对应的单元电路，分析电路原理、元件参数、所起的作用、以及与其他部分电路的关系等等；3、用简单的电路图绘图软件绘出整体电路图，在电路图中加上自己的班级名称、学号、姓名等信息；4、对整体电路原理进行完整功能描述；5、列出标准的元件清单；设计步骤1、查阅相关资料，开始撰写设计说明书；2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；4、列出标准的元件清单；5、总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。设计说明书字数不得少于3000字。参考文献[1]谈文心.高频电子线路[M].西安:西安交通大学出版社[2]谢自美.电子线路设计实验测试(第二版)[M].武昌:华中科技大学出版社，2000[3]毛哲，张双德．电路计算机设计仿真与测试[M]．武汉：华中科技大学出版社，2003[4]朱力恒．电子技术仿真实验教程[M］．北京：电子工业出版社，2003．[5]王远.模拟电子技术(第二版)[M].北京:机械工业出版社，2000[6]《电子制作合订本—2006下》电子制作杂志社电子报合订本1991年[7]崔玮等.Protel99SE电路原理图与电路板设计[M]．北京：海洋出版社，2005[8]杨帮文.新型集成器件实用电路（修订版）[M]．北京：电子工业出版社，2006目录1、总体方案与原理说明............................................................................................32.三角波产生的电路....................................................................................................43.比较器电路................................................................................................................54.桥式输出级电路........................................................................................................65.基准电压源电路........................................................................................................76.总体电路原理相关说明.............................................................................................86.1数字功率放大器的典型系统结构................................................................96.2数字功率放大器的系统框架...........................................................................97.总体电路原理图.......................................................................................................108.元件清单...................................................................................................................119.参考文献...................................................................................................................1210.设计心得体会.........................................................................................................131、总体方案与原理说明模拟音频功率放大器经过数十年的发展，在技术和性能上目前已经达到了一个巅峰，很难出现突破性的进展。效率成为制约模拟音频功率放大器发展的主要因素。模拟音频功率放大器是线性放大器，可以根据偏置点的不同将模拟音频功率放大器分为A类，B类，AB类，各类功率放大器的理论效率在50%~78.5%之间。模拟音频功率放大器的最大效率是在输出最大输出功率时得到的，但是为了保证信号保真度这一性能指标，放大器往往不能工作在最大输出功率状态，因此模拟音频功率放大器在实际系统中正常工作的效率一般不高，对于A类音频功率放大器，实际的工作效率一般在25%左右。尽管人们曾经采用多种方式试图提高效率，但是由于理论极限值的限制，模拟音频放大器的效无法得到本质上的改善，数字功率放大器就是在这种情况下被广泛关注的。数字功率放大器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，在音频和非音频领域都具有广泛的应用，如DVD接受机，AV接收机，助听器，手机，等离子显示器，汽车音响，收录机以及专业音频设备等。与模拟功率放大器相比，数字功率放大器在获得更高效率的同时可以降低芯片尺寸，所以在便携式音频设备中有着重要的地位。统计表明，数字功率放大器目前以每年超过50%的速度在迅猛增长。数字功率放大器的应用领域极其广泛，我国拥有巨大的消费电子市场。目前国内使用手机的用户很多，而每一部手机都可以使用一个数字功率放大器；在时尚潮流方面，MP3,MP4等便携式媒体播放器深受消费者的喜爱，在消费电子领域占有巨大的份额，而数字功率放大器常常作为耳机驱动器用于此类播放器中：在汽车电子领域，数字功率放大器以其高效率，低散热和更紧凑的封装形式，将逐步取代传统的模拟音频功率放大器成为汽车音响的首选和主流。数字功率放大器根据调制方式的不同，可以分为脉冲宽度调制（PWM）型数字功率放大器和Sigma-Delta调制型数字功率放大器。采用脉冲宽度调制（PWM）型数字功率放大器，其功率晶体管工作在开关状态，其效率理论上可以达到100％，电路实现较为简单，但是要特别注意电磁干扰（EMI）和噪声；采用Sigma-Delta调制方法来设计数字功率放大器，该调制方法相对于PWM调制方法来说能够进一步提高数字功率放大器的总谐波失真（THD），得到更好的线性度，但其系统实现也会更为复杂。第二级共模反馈电路由MOS管MF1～MF8组成。MF1、MF2和MF3、MF4构成两个输入差分对结构，检测第二级放大电路的输出共模电压；MF5和MF6为共模反馈电路供偏置电流；MF7产生第二级共模输出信号，通过控制流过M10和M12的电流，调整第二级放大电路的输出共模电压。假设输出电压Vo+和Vo-超过了Vcm，MF3和MF4管的漏端电流开始下降，这使得流过MF7的电流减小，导致第二级共模反馈信号向VDD方向增加，流过M10和M12管的电流减少，由于通过M11和M13管的电流是一个定值，这将导致输出电压Vo+和Vo-下降，最终，输出电压的平均值将稳定于Vcm。与输入级运算放大器不同的是,积分器的运算放大器具有一个较大的负载电容，而且这个运算放大器中的右半平面零点降低这个系统的稳定性，所以需要对这个积分器的运算放大器的进行零点补偿。零点补偿技术把零点移到了左半平面，它消除了第一个非主极点，提高了单位增益带宽，并且这个零点补偿方法并不会因为电源电压的变化，温度的变化和工艺偏差而出现补偿不准的现象。两级运放中的右半平面的零点是一个严重的问题，我们可以通过把零点移到左半平面，以便消除第一个非主极点，以提高这个运算放大器的单位增益频率。2.三角波产生的电路本文设计的三角波产生电路由偏置电路、控制电路以及恒流源充放电电路三部分组成。MOS管MF1～MF9以及电阻R4构成三角波产生电路的偏置级。MF5、MF6构成电流镜恒流源；MF7、MF8分别和MF1、MF3亦构成电流镜恒流源。MF1、MF2、MF3、MF互相组成电流镜，确保I3和I4恒定，以提高其稳定程度，使得MF5和MF6在相等的源漏电压下工作，以减少I5和I6的差别，即使由于某种原因使得电流源输出电压发生变化，电流源本身的负反馈起到的内部自我调节作用,从而达到恒流的效果。MF9栅极和漏极连接，电压相等，管子工作在饱和区，输出特性曲线区域平坦。改变电阻R4的值可以调整输出偏置电压大小。3.比较器电路由于NMOS管输入级和PMOS管输入级电路原理一样，以下只分析NMOS管差分输入电路。M1和M2为输入级的差分输入管；M3、M4、M6、M7耦合相接，组成电流镜作为输入级的负载管，这种结构具有稳定输出共模电平及提高输入级增益的优点；M5是恒流源管，为比较器提供偏置电流。输入级电路共有两条反馈通路：第一条是通过晶体管M1和M2共源节点的串联电流负反馈；第二条是连接晶体管M6和M7源-漏极的并联电压正反馈。当正反馈系数小于负反馈系数时，整个电路在共模输入电压很高时为负反馈，电路没有迟滞效应；当正反馈系数大于负反馈系数时，整个电路表现为正反馈，同时在电压传输曲线中表现为迟滞效应。4.桥式输出级电路桥式输出电路数字功率放大器的输出级采用桥接负载差分驱动结构。理论上，由于数字功率放大器的开关工作模式，在开关理想的情况下，其功率效率为100%。但实际上，由于由MOS现的开关导通电阻不可能为零，并且其导通和关闭需要一个过程，所以数字功率放大器的效率不可能真正达到100%，而是有一个上限。本文设计的全桥式输出结构如图4-14所示。PWM信号经过死区时间调整电路后再经过功率驱动电路驱动功率晶体管。全桥式结构（BTL）数字功率放大器除具有与AB类BTL音频功率放大器相同的优点外，还具有高效率特性[33]。BTL放大器的第一个优点是采用单电源供电时输出端不需要隔直电容，半桥式放大器则不然，因为它的输出会在VDD和地之间摆动，这意味着它的输出具有VDD/2的直流偏移，全桥式放大器中，这个偏移会出现在负载的两侧，输出端的直流电流为零。它们具有的第二个优点是在相同的电源电压下BTL结构的放大器输出信号摆幅是半桥式放大器的2倍，因为负载是差分驱动的，在相同的电源电压下，理论上它可提供最大输出功率是半桥式放大器的4倍。全桥式数字功率放大器所需要的MOSFET的开关个数是半桥式结构的两倍。一些人会认为这是它的缺点，因为更多开关就意味着会产生更多的导通和开关损耗和占用更大的面积，然而这仅对于大功率输出的放大器（10W）是正确的，因为它们需要更高的输出电流和电源电压，因此，半桥式放大器往往凭借其在效率上的微弱优势而被大功率设备所采用。大多数的全桥式放大器在驱动8?负载时，效率在80%～90%之间。5.基准电压源电路本文设计的数字功率放大器电路一共使用了5种偏置电压，分别为Vb1＝3.455V、Vb2＝2V、Vb3＝1.7V、Vb＝1.255V、Vcm＝2.5V。这五种偏置电压的精确性对整个数字功率放大器的精度有着直接影响。基准源应当不随温度、电压、工艺参数的变化而变化，具有较低的温度系数和较高的电源抑制比。在众