高效音频功率放大器

发布时间：2020-10-02

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高效音频功率放大器 一、设计任务与要求 1、设计任务
设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8Ω电阻。 2、设计要求
⑴ 基本要求 ① 功率放大器 a．3 dB通频带为300～3400Hz，输出正弦信号无明显失真。 b．最大不失真输出功率≥1W。 c．输入阻抗>10kΩ，电压放大倍数1～20连续可调。
d．低频噪声电压(20kHz以下≤10mV，在电压放大倍数为10、输入端对地交流短路时测量。 e．在输出功率500mW时测量的功率放大器效率(输出功率/放大器总功耗≥50％。 ② 设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路，将功率放大器双端输出的信号转换为单端输出，经RC滤波供外接测试仪表用，如下图所示。图中，高效率功率放大器组成框图可参见本题第3项“说明”。
图1 系统组成框图

③ 设计并制作一个测量放大器输出功率的装置，要求具有3位数字显示，精度优于5％。 ⑵ 发挥部分 ① 3dB通频带扩展至300Hz～20kHz。
② 输出功率保持为200mW，尽量提高放大器效率。 ③ 输出功率保持为200mW，尽量降低放大器电源电压。 ④ 增加输出短路保护功能。 ⑤ 其他。 1、说明 ⑴ 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类放大原理框图如下图所示。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。

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图2 D类放大原理框图
⑵ 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。 ⑶ 在整个测试过程中，要求输出波形无明显失真。 二、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。下面对每个框电路的设计方案分别进行论证与比较。 1、高效率功率放大器 ⑴ 高效率功放类型的选择
方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这三类功放的效率均达不到题目的要求。 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频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。理论上为100％，实际电路也可达到80％～95％，所以我们决定采用D类功率放大器。
⑵ 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3 脉宽调制器电路
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3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 高速开关电路
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a. 输出方式
方案一：选用推挽单端输出方式(电路如图4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5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4 高速开关电路

图5 高速开关电路 方案二：选用H桥型输出方式(电路如图5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。
b. 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，对它的要高速、低导通电阻、低损耗。
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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管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用高速VMOSFET管。 ③ 滤波器的选择 方案一：采用两个相同的二阶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：采用两个相同的四阶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。 2、信号变换电路
由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为1。 方案一：采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。
方案二：由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。 3、功率测量电路
方案一：直接用A/D转换器采样音频输出的电压瞬时值，用单片机计算有效值和平均功率，原理框图如图6所示，但算法复杂，软件工作量大。

图 6 功率测量电路 方案二：由于功放输出信号不是 Hz 频带的任意波形，故必须采 图 7 功率测量电路 、主要电路工作原理分析与计算 放的原理方框图如图 8 所示。图 9 为工作波形示意，其中(a为 单一频率，而是20 k用真有效值变换电路。此方案采用真有效值转换专用芯片，先得到音频信号电压的真有效值。再用A/D转换器采样该有效值，直接用单片机计算平均功率(原理框图如图7所示，软件工作量小，精度高，速度快。

图 7 功率测量电路
三、主要电路工作原理分析与计算 1、D类放大器的工作原理 ..
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一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如图 8 所示。图 9 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。
图8 D类放大器的工作原理
图9 D类放大器的工作波形示意图

2、D类功放各部分电路分析与计算 (1脉宽调制器
①三角波产生电路。我们用555芯片构成三角波发生电路如图10所示。

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图10 三角波产生电路
本设计利用555组成的多谐振荡器的C4充放电特性加以改进，实现C4的线性充放电获得三角波。利用T1、T2和R6构成的恒流源对C4实现线性充电，利用T3、T4和R7构成的恒流源实现对C4的放电。电容C4上的三角波经T5射极跟随器输出。该振荡器的振荡频率f≈0.33/(R6+R7C4。按图中值，我们得到了一个线性很好、频率约为100kHz、峰值为2.18V的三角波（如图11），将其输入脉宽调制比较器的一个输入端。


图11 C4获得的三角波

②比较器。选用LM311精密、高速比较器，电路如图12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 kΩ。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。
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图12 比较器电路

⑵ 前置放大器电路
前置功率放大器的目的在于对输入功率放大器的各种信号进行加工处理，使其能和功率放大器的输入灵敏度相匹配，简单的前置放大器的简图如图13所示。它由外接输入耦合电容Cin确定放大器增益的输入电阻Rin级反馈电阻Rf及部提供的共模电压VCM组成。这部分与一般的单电源前置放大器不同之处在于其共模电压不是1/2Vcc。由Cin及Rin决定了高通滤波器-3dB截止频率f-3dB，f-3dB与Rin, Cin的关系为：f-3dB=1/2πCin*Rin;放大器增益AVD与Rin及Rf的关系为：AVD=-Rf/Rin;经过前置功率放大器放大后的最大输出信号与Vcm的关系如图14所示。如Vcm=0.3Vcc则前置放大器最大输出电压幅值为0.6Vcm。
图13 简单的前置放大器 图14 前置放大器的输出关系图
 图15为采用差分输入方式的前置放大器的结构，音频信号U1由左端输入，经过阻直电容输入结形场效应管的栅极。结形场效应管采用3DJ4F，运算放大器采用低噪声，高速器件NE5532，电阻，电容选用高精度，高稳定度及高质量的元件。经实际测试其技术指标为：输出噪声电压小于25μV；频带宽度50-50000Hz；谐波失真小于0.02%；转换速率大于10μs/V.
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VCC5VVCCXFG1R315kΩR415kΩ83A+_+B_XSC1Ext Trig+_U1AC41103Q111R156kΩ1C110µF22N4117A9R220kΩC2300pFR851kΩ042R7100µFQ252N4117AR52kΩR620kΩ6C3100µF4470kΩNE5532AIKey=A65%78
 图15 前置放大器电路

⑶ 驱动电路
如图16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。

图16 驱动电路


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⑷ H桥互补对称输出电路对VMOSFET的要导通电阻小，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14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。

图17 H桥互补对称输出及低通滤波电路
⑸ 低通滤波器 本电路采用4阶Butterworth低通滤波器(如图17。对滤波器的要上限频率≥20 kHz，在通频带特性基本平坦。
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=22μH，L2＝47μH，C1=l.68μH，C2=1μH。19.95 kHz处下降2.464 dB，可保证20 kHz的上限频率，且通带曲线基本平坦；100 kHz、150 kHz处分别下降48 dB、62 dB，完全达到要求。

3、信号变换电路
电路要求增益为 1，将双端变为单端输出，运放选用宽带运放 NE5532，电路如图 18所 示。由于对这部分电路的电源电压不加限制，可不必采用价格较贵的满幅运放。由于功放的带负载能力很强，故对变换电路的输入阻抗要求不高，选Rl=R2=R3=R4=20kΩ。其增益为Av=R3/R1=20/20=1，其上限频率远超过20 kHz的指标要求。

图18 信号变换电路

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