高效音頻功率放大器通信專業(yè)課程設(shè)計(jì)

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 通信電子線路課程設(shè)計(jì) 題 目 高效音頻功率放大器 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 信13-2 學(xué)生姓名 李笥岐 學(xué)生學(xué)號 130602140215 指導(dǎo)教師 張秀艷、闞玲玲 2015年 7月 24 日東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程 通信電子線路課程設(shè)計(jì) 題目 高效音頻功率放大器 專業(yè) 通信工程 姓名 李笥岐 學(xué)號 130602140215 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)高效音頻功率放大器。功率放大器的電源電壓為+5V電路其他部分的電源電壓不限），負(fù)載為8歐姆的電阻。 基本要求：（1）功率放大器a3dB通頻帶為300Hz340

2、0Hz，輸出正弦信號無明顯失真。b最大不失真輸出功率1W，輸入阻抗>10k，電壓放大倍數(shù)120連續(xù)可調(diào)。（2）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)放大倍數(shù)為1的信號變換電路，將功率放大器雙端輸出的信號轉(zhuǎn)換為單端輸出，經(jīng)RC濾波供外接測試儀表用。（3）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5%。主要參考資料：1 高揚(yáng).AB類音頻功率放大器產(chǎn)生選型指南J.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2009，13(2):7885.2 雍家鵬.D類音頻功率放大器的研究與設(shè)計(jì)J.微電子學(xué)與固定電子學(xué)，2008，15(6):154164.3 徐良雄.基于可編程控制器施密特觸發(fā)器的分析與設(shè)計(jì)J.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化， 201

3、2，02(2):1318.完成期限 2015年7月20日2015年7月24日指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2015年 7 月 20日摘要本設(shè)計(jì)主要由功率放大器、信號變換電路和輸出功率顯示電路組成。功率放大器部分采用D類功率放大器確保高效率，在5V供電情況下輸出功率大于1W，且輸出波形無明顯失真，低頻輸出噪聲電壓很低(輸出頻率為20kHz以下時(shí)低頻噪聲電壓約1mV)；信號變換部分采用差分放大電路，將雙端輸出信號變?yōu)?:1的單端輸出信號；輸出功率顯示部分用乘法器電路及帶A/D轉(zhuǎn)換的電壓表表頭顯示功率值，電路簡單合理。本文中的D類音頻功率放大器的功率器件受一種高頻脈寬調(diào)制信號的控制工作在開關(guān)狀態(tài)，理論上其效

4、率可以達(dá)到100%，其不足之處在于會(huì)產(chǎn)生高頻干擾及噪聲，但是若精心設(shè)計(jì)低通濾波器及合理地選擇元器件參數(shù)，其音質(zhì)噪聲完全能夠滿足人們的需求。關(guān)鍵詞：D類放大器；脈寬調(diào)制器；H橋互補(bǔ)輸出電路；低通濾波器目錄1.設(shè)計(jì)要求12.方案設(shè)計(jì)13.方案論證13.1高效功率放大器13.2信號變換電路23.3功率測量電路34.單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇34.1三角波產(chǎn)生電路34.2比較器電路44.3音頻前置放大電路54.4驅(qū)動(dòng)電路74.5 H橋互補(bǔ)對稱輸出及低通濾波電路74.6信號變換電路94.7功率計(jì)算及顯示電路95.電路的工作原理106.總結(jié)117.系統(tǒng)需要的元器件清單12參考文獻(xiàn)13通信電子線路課程

5、設(shè)計(jì)（報(bào)告）1.設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)高效音頻功率放大器。功率放大器的電源電壓為+5V（電路其他部分的電源電壓不限），負(fù)載為8歐姆的電阻?；疽螅海?）功率放大器 a3dB通頻帶為300Hz3400Hz，輸出正弦信號無明顯失真。 b最大不失真輸出功率1W。 c輸入阻抗>10k，電壓放大倍數(shù)120連續(xù)可調(diào)。（2）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)放大倍數(shù)為1的信號變換電路，將功率放大器雙端輸出的信號轉(zhuǎn)換為單端輸出，經(jīng)RC濾波供外接測試儀表用。（3）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5%。2.方案設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，高效音頻功率放大器的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。信號變換電路音頻輸入高

6、效功率放大器RLRC功率測量電路圖1 系統(tǒng)組成框圖3.方案論證3.1高效功率放大器方案一：采用 A類、B類、AB類功率放大器。A類放大器也稱為甲類放大器，在整個(gè)周期內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)失真最小，基本上是線性的，但效率也最低，大約為20%。B類放大器也稱為乙類放大器，其功率器件導(dǎo)通時(shí)間只有半個(gè)周期。在沒有信號輸入時(shí)，功率損失為零。與A類不同，B類放大器的電源供給功率和管耗都會(huì)隨著輸出功率的大小而改變，也改善了A類放大器放大效率低的狀況，在理想情況下，理想的效率值為78.5%，因?yàn)楫a(chǎn)生的熱量比A類低，可以使用較小的散熱器，這種功放和A類功率放大器剛好相反，其輸出器件僅導(dǎo)通半個(gè)正弦波周期，這類功

7、放效率很明顯優(yōu)于A類，大約為50%，但存在交越失真等非線性問題。AB類功率放大器晶體管工作時(shí)間是半個(gè)周期至一個(gè)周期之間，導(dǎo)通角在180°到360°之間。其最大優(yōu)點(diǎn)是改善了B類放大器的非線性，消除了交越失真1。AB類放大器綜合上述兩種放大器的優(yōu)點(diǎn)，克服B類放大器非線性失真問題和A類放大器效率低缺點(diǎn)。方案二：采用D類功率放大器。D類放大器是直接從數(shù)字音頻數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)功率放大而不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，又稱為數(shù)字功率放大器，其原理如圖2所示。D類功率放大器通過音頻信號的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖的寬度2，功率輸出管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，具有極高的效率，實(shí)際電路中效率也可達(dá)到80%-95%。D類功

8、放最大的優(yōu)點(diǎn)是效率最高，幾乎不產(chǎn)生熱量，因此無需大型散熱器，體積與重量顯著減少，失真低，線性佳。低通濾波輸出三角波產(chǎn)生器比較器驅(qū)動(dòng)電路音頻信號輸入圖2 D類功率放大器的原理框圖方案選擇:A類功率放大器提供了很好的線性度，但效率很低；B類和AB類功率放大器通過減少一個(gè)周期中晶體管工作的時(shí)間來提高效率，同時(shí)保持了線性調(diào)制的可能性；D類放大器具有最高的工作效率，但是保真度比較低，這可以通過改進(jìn)D類放大器控制結(jié)構(gòu)來提高保真度，從而實(shí)現(xiàn)高效率。經(jīng)過比較，本設(shè)計(jì)采用D類功率放大器。3.2信號變換電路方案一：可采用三個(gè)運(yùn)算放大器或單個(gè)運(yùn)算放大器搭制雙端信號變單端信號的電路。方案二：電路要求增益為1，將雙端變

9、為單端輸出，運(yùn)放選用寬帶運(yùn)放 NE5532。 方案選擇：方案一的問題在于很難達(dá)到電阻平衡，且整個(gè)電路過于復(fù)雜，不宜采用。方案二對這部分電路的電源電壓不加限制，可不必采用價(jià)格較貴的滿幅運(yùn)放，所以采用了此方法。3.3功率測量電路方案一：使用單片機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)采集信號變換電路輸出的單端信號的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送至LED顯示。方案二：使用模擬電路，將電壓值變換為功率值。由于，所以將信號變換電路輸出電壓經(jīng)乘法器產(chǎn)生平方值電壓，取相應(yīng)比例后電壓值恰好與功率值相等，再將此電壓值送至三位半表頭顯示，即形成了功率測量裝置。方案選擇：方案一涉及電路過于繁雜且成本高，所以沒有采用；經(jīng)多次測試，方案二電路測量

10、精度優(yōu)于5，符合要求，且線路較簡單，再者全部為模擬器件與前面系統(tǒng)風(fēng)格保持一致，所以采用方案二。4.單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇4.1三角波產(chǎn)生電路一、電路設(shè)計(jì) LM311構(gòu)成遲滯比較器，其輸出一個(gè)方波信號，然后通過由運(yùn)放TLC4502組成積分電路變換為三角波輸出。該發(fā)生器產(chǎn)生高頻線性三角波，用以把D類功率放大器的總諧波失真（THD）減小到最低程度。三角波產(chǎn)生電路如圖3所示。圖3三角波產(chǎn)生電路二、參數(shù)計(jì)算三角波的電壓幅度決定了調(diào)制音頻信號的最大幅度，在單電源供電為5V時(shí)，將LM311的引腳3的電位調(diào)整為2.5V，同時(shí)設(shè)定輸出的對稱三角波幅度為1V，其中。假如選擇，并且忽略比較器是高電平時(shí)上的

11、壓降，則：， 一般載波信號（三角波）的頻率與調(diào)制信號（取正弦）頻率有如下關(guān)系： (1)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，能滿足要求，所以選用載波頻率為150kHz。選擇工作頻率，并且假設(shè)，則對電容恒流充放電電流：則電容兩端的最大電壓值為 (2)其中為半周期，由于的最大值為2V，則三、器件選擇取取，則采用20的可調(diào)電位器，能使振蕩頻率在150左右有較大的調(diào)整范圍。4.2比較器電路一、電路設(shè)計(jì)該電路如圖4所示，該電路實(shí)質(zhì)就是一個(gè)電壓比較器，采用高精密，高速度的比較器芯片LM311構(gòu)成。同相輸入前置放大器的輸出信號電壓，反相端輸入三角

12、波電壓，音頻信號與三角波信號經(jīng)比較器比較之后，輸出與音頻信號成正比的脈寬調(diào)制信號。圖4比較器電路二、器件選擇由電路圖4可知，因供電為5V的單電源，為了使，提供2.5V的靜態(tài)電位，取，且四個(gè)電阻的值均取10。由于三角波，所以要求音頻信號的不能大于2V，不然會(huì)產(chǎn)生失真。4.3音頻前置放大電路一、電路設(shè)計(jì)一般功率放大器輸入靈敏度是一樣的，不同的聲音源信號如果直接輸入到功率放大器中，對于輸入過低信號，功率放大器輸入功率不足，不能充分發(fā)揮功率放大器作用；假如輸入信號的幅值過大，功率放大器輸出信號將嚴(yán)重過載失真，失去音頻放大的意義。因此，音頻功率放大系統(tǒng)需設(shè)置前置放大器。如圖5所示，設(shè)置前置放大器，可使整

13、個(gè)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(shí)，其8電阻上的電壓=8V，此時(shí)送給比較器音頻信號的值應(yīng)為2V，則功放的最大增益約為4。因此必須對輸入的音頻信號進(jìn)行前置放大，使其增益應(yīng)大于5。圖5前置放大電路二、參數(shù)計(jì)算選擇同相放大器的目的是為了容易實(shí)現(xiàn)輸入電阻的要求，同時(shí)采用滿幅運(yùn)放可使其在降低電源電壓時(shí)仍然能夠正常工作。取要滿足輸入電阻大于，取電阻則，反饋電阻采用電位器，取，反相端電阻取，則前置放大器的最大增益為： (3)調(diào)整，使它的增益為8，則整個(gè)功放的電壓增益從032可調(diào)，且滿足的要求。由于前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值，取，則要求輸入

14、的最大音頻幅度為：如果超過這個(gè)幅度，則輸出波形會(huì)出現(xiàn)削波失真。三、器件選擇取電阻，可滿足輸入電阻大于。取電阻，反相端電阻取。4.4驅(qū)動(dòng)電路一、電路設(shè)計(jì)如圖6所示，將PWM信號整形變換成互補(bǔ)對稱的輸出驅(qū)動(dòng)信號，將CD40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)，以獲得較大電流輸出，送給由晶體管組成的互補(bǔ)對稱式射極跟隨器驅(qū)動(dòng)的輸出管，保證快速驅(qū)動(dòng)3。圖6驅(qū)動(dòng)電路二、器件選擇驅(qū)動(dòng)電路晶體三極管選用 2SC8050和2SA8550對管。三極管8050是非常常見的NPN型晶體三極管，在各種放大電路中經(jīng)常看到它，應(yīng)用范圍很廣，主要用于功率放大、開關(guān)。三極管8550是一種常用的普通三極管，它是一種低電壓，大電流，小信號的PN

15、P型三極管。4.5 H橋互補(bǔ)對稱輸出及低通濾波電路一、電路設(shè)計(jì)功率輸出電路以四只場效應(yīng)管為核心，組成對稱橋式輸出電路即H橋型功率放大器，電路如圖7所示。這一結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用電源電壓值，其輸出電壓信號的峰值幾乎等于電源電壓值，而場效應(yīng)管有輸出大電流的能力，有利于提高輸出功率4。輸出濾波器的功能就是將由功率輸出電路送來的信號中基波和諧波(超高頻信號)濾除，僅留調(diào)制音頻信號(模擬信號)的部分。圖7 H橋互補(bǔ)對稱輸出及低通濾波電路二、參數(shù)計(jì)算濾波電路中的、和、的計(jì)算公式如下: (4) (5) (6) (7)因?yàn)橐诒ＷC20kHz頻帶的前提下使負(fù)載上的高頻載波電壓得到進(jìn)一步衰減，所以上限截止頻率選

16、為20kHz。則，取，。三、器件選擇H橋互補(bǔ)對稱輸出電路對VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。因其輸出功率稍大于1W，屬于小功率輸出，可選用功率相對較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對管，IRFD120和IRFD9120 高速VMOS對管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。濾波電路加入后，會(huì)使D類功率放大電路的效率減小，所以要采用等效電阻小的電感和電容來組成，四階濾波電路對高頻的濾波效果比較好，所以濾波器采用的是兩個(gè)相同的4階Butterworth低通濾波器，即四階巴特沃斯濾波器。對濾波器的要求是上限頻率20kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。4.6信號變換電路一、電路設(shè)計(jì)信號

17、變換電路是采用NE5532寬帶運(yùn)算放大器構(gòu)成的差動(dòng)式減法電路5。電路要求增益為1，將雙端變?yōu)閱味溯敵?，運(yùn)放選用寬帶運(yùn)放NE5532，電路如圖8所示。圖8信號變換電路二、參數(shù)計(jì)算增益 （8）三、器件選擇取，則其增益為1，并且其上限頻率遠(yuǎn)超過20kHz的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。4.7功率計(jì)算及顯示電路一、電路設(shè)計(jì)因?yàn)樵谪?fù)載一定時(shí)(8)，功率與電壓的平方成正比，所以我們將變換電路的輸出接低通網(wǎng)絡(luò)后再接入由乘法器搭成的平方電路，電路如圖9所示。圖9功率測量及顯示電路二、器件選擇乘法器芯片我們用的是AD533，其內(nèi)部包含了一個(gè)運(yùn)放。而我們所用的測試表頭是測量直流電壓的三位半表頭，所以我們要將交流變?yōu)橹绷鳌Ｎ覀儗⑵?/p>

18、方電路的輸出接濾波網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橹绷骱蠼尤氡眍^，使其作為功率表來顯示功率放大器的輸出功率。其變比可由乘法器AD533內(nèi)部運(yùn)放的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)，所以我們調(diào)節(jié)9、11管腳的電阻值，可使功率表輸出的精度優(yōu)于5。5.電路的工作原理電路系統(tǒng)總圖如圖10所示， 輸入的音頻信號經(jīng)前置放大電路的處理送入PWM放大器的同相輸入端，同時(shí)由比較器LM311產(chǎn)生的方波信號經(jīng)TLC4502組成的積分電路生成三角波信號送入PWM放大器的反相輸入端。經(jīng)過PWM放大器輸出與音頻信號成正比的脈寬調(diào)制信號，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路送入H橋式功率放大電路，經(jīng)過濾波電路將信號中的基波和諧波信號濾除，僅留調(diào)制音頻信號的部分，從而產(chǎn)生雙端電壓輸出6。然后經(jīng)過

19、NE5532寬帶運(yùn)算放大器構(gòu)成的差動(dòng)式減法電路構(gòu)成的信號變換電路，將雙端電壓輸出變成單端電壓輸出。最后利用AD533乘法器將平方電路的輸出接濾波網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橹绷骱蠼尤氡眍^，使其作為功率表來顯示功率放大器的輸出功率。圖10電路系統(tǒng)總圖 圖10電路系統(tǒng)總圖6. 總結(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對音頻信號的放大處理，完成了高效率功率放大、信號變換、功率測量及顯示等功能。系統(tǒng)性能良好，在功率及效率方面的指標(biāo)較高。放大電路、信號變換、功率測量等部分都收到了較好的效果。對于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有些指標(biāo)還有待于進(jìn)一步提高。例如，在功放效率、最大不失真輸出功率等方面還有較大的潛力可挖，這些都有待于我們通過對電路的改進(jìn)和對元器件的最佳選擇來

20、進(jìn)一步完善。通過此次的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多知識，也學(xué)到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，懂得了做學(xué)問要一絲不茍，對于發(fā)展過程中出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅(jiān)持下去就可以找到思路去解決問題。7.系統(tǒng)需要的元器件清單表1 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1電容0.01uF1C2電容0.1uF2C5，C123電容0.68uF1C8，C94電容1.0uF6C1，C3，C6，C7，C10，C115電容2.2uF1C136電容4.7uF1C27電容220uF1C48電容0.68uF2C8，C99電阻81RL10電阻7.5k1R2111電阻10k6R12-R15，R7，R812電阻20k5R2，R4，R6，R18，R1913電阻23.5k1R2014電阻39k1R915電阻100k1R1016電感22uH2L1，L317電感47uH2L2，L418二極管2DW1A4D1-D419NPN型三極管80502Q1，Q320PNP型三極管85502Q2，