new高效音頻功率放大器

1、高 效 音 頻 功 率 放 大 器一、 方案論證與比較根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，下面對高效功率放大各部分的設(shè)計方案分別進(jìn)行論證與比較。1 高效率功率放大器（1）高效率功放類型的選擇 方案一：采用A類、B類、AB類功率放大器。這三類功放的效率均達(dá)不到題目的要求。方案二：采用D類功率放大器。D類功率放大器是用音頻信號的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，通過LC低通濾波器后輸出音頻信號。由于輸出管工作在開關(guān)狀態(tài)，故具有極高的效率。理論上為100%，實際電路可達(dá)到80%95%，所以我們決定采用D類功放。（2） 高效D類功放實現(xiàn)電路的選擇本題目的核心是功放部分采用哪種電路形式以達(dá)到題

2、目要求的性能指標(biāo)，這是我們成功的關(guān)鍵。脈寬調(diào)制器（PWM）方案一：可選用專用的脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題發(fā)揮部分的實現(xiàn)。方案二：采用下圖所示方式來實現(xiàn)。三角波產(chǎn)生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分功能清晰，實現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。若合理選擇器件參數(shù)，可使其能在較低電壓下工作，故選用此方案。高速開關(guān)電路A、輸出方式方案一：選用推挽單端輸出方式。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(yuǎn)達(dá)不到題目的基本要求。方案二：選用H橋型輸出方式。此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波的峰-峰值可達(dá)10V，有效地提高了輸出功率，且能達(dá)到題目所有指標(biāo)要求，故選用此輸出電路

3、形式。B、開關(guān)管的選擇。為提高功率放大器的效率和輸出功率，開關(guān)管的選擇非常重要，對它的要求是高速、低導(dǎo)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(qū)動電流，并存在儲存時間，開關(guān)特性不夠好，使用使整個功放的靜態(tài)損耗及開關(guān)過程中的損耗較大；IGBT管的最大缺點是導(dǎo)通壓降太大。方案二：選用VMOSFET管。它具有較小的驅(qū)動電流、低導(dǎo)通電阻及良好的的開關(guān)特性，故選用高速VMOSFET管。濾波器的選擇方案一：采用兩個相同的二階Butterworth低通濾波器。缺點是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。二、主要電路工作原理分析與計算1、D類放大器的工作原理開關(guān)功率輸出一般的脈寬

4、調(diào)制D類功放的原理方框圖如下所示。8三角波產(chǎn)生（或鋸齒波）比較器驅(qū)動電路低通濾波音頻信號輸入開關(guān)功率輸 出2、D類功放各部分電路分析與計算（1）脈寬調(diào)制器三角波產(chǎn)生電路如下圖所示。三角波產(chǎn)生電路該電路我們采用滿幅運(yùn)放TLC4502及高速精密電壓比較器LM311來實現(xiàn)。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，既保證能產(chǎn)生線性良好的三角波，而且可達(dá)到發(fā)揮部分對功放在低電壓下正常工作的要求。載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實現(xiàn)，選擇150kHz的載波，使用四階Butterworth LC濾波器，輸出端對載頻的衰減大于60dB，能滿足題目的要求，所以我們選用載波

5、頻率為150kHz。電路參數(shù)的計算：在5V單元電源供電下，我們將運(yùn)放肆腳和比較器官肢的電位用R8調(diào)整為2.5V，同時設(shè)定輸出的對稱三角波幅度為1V（Vp-p=2V）。若選定R10為100千歐，并忽略比較器高電平時R11上的壓降，則R9的求解過程如下：取R9為39k。選定工作頻率為f=150kHz,設(shè)定R7+R6=20k,k取R9為39k。選定工作頻率為f=150kHz，并設(shè)定R7+R6=20k，則電容C3的計算過程如下：對電容的恒流充電或放電電流為則電容兩端最大電壓值為其中T1為半周期，T1=T/2=1/2f。Vc4的最大值為2V，則取C4=220pF,R7=10k,R6采用功20k可調(diào)電位器

6、。使振蕩頻率f在150kHz左右有較大的調(diào)整范圍。比較器如下圖所示，選用LM311精密、高速比較器，電路因供電為5V單電源，比較器電路為給V+=V-提供2.5V的靜態(tài)電位，取R12=R15、R13=R14,4個電阻均取值10k。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(chǎn)生失真。（2）前置放大器，如下圖所示，可使整個功放的增益從120連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。當(dāng)功放輸出的最大不失真功率為1W時，其8上的電前置放大電路壓Vp-p=8V，此時送給比較器音頻信號的Vp-p值應(yīng)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

7、電壓增益要略大于4）。因此必須對輸入的音頻信號進(jìn)行前置放大，其增益應(yīng)大于5。前放仍采用寬頻帶、低漂移滿幅運(yùn)放TLC4502，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。選擇同相放大器的目的是容易實現(xiàn)輸入電阻Ri=10k的要求。同時，采用滿幅運(yùn)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Av = 1+ 調(diào)整R4使其增益約為8，則整個功放的電壓增益從032可調(diào)?？紤]到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值Vom2.5V，取Vom=2.0V，則要求輸入的音頻最大幅度Vim20kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。綜上所述可見設(shè)計完全達(dá)到題目要求。系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)測試a) 通頻帶滿足設(shè)計要求，200HZ-20KHZ輸入正弦信號，無明顯失真。b) 最大不失真輸出功率大于1W，電壓放大倍數(shù)1-50倍可調(diào)。c) 在電壓放大倍數(shù)50倍時，低頻噪聲電壓峰-峰值10mvd) 在輸出功率為500mW時，功率放大器的效率50e) 電源電壓+5V，輸入阻抗大于10K，負(fù)載電阻為8測量結(jié)果分析1、所設(shè)計的高效音頻功率放大器的各項性能指標(biāo)，均達(dá)到了