高效音频功率放大器设计

共25页第1页论文题目高效音频功率放大器设计学校：长春理工大学指导教师姓名：白端元高效音频功率放大器第一章设计任务与要求第一节：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。共25页第2页第二节：设计要求⑴基本要求①功率放大器a．3dB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①3dB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。第三节说明共25页第3页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。图2D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(+5v)，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。第二章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。下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。第一节高效率功率放大器⑴高效率功放类型的选择共25页第4页方案一：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。共25页第5页图4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10V，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5高速开关电路共25页第6页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，对它的要求是高速、低导通电阻、低损耗。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。第二节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。共25页第7页第三节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单一频率，而是20kHz频带内的任意波形，故必须采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功率测量电路第三章主要电路工作原理分析与计算第一节D类放大器的工作原理一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如图8所示。图9为工作共25页第8页波形示意，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8D类放大器的工作原理共25页第9页图9D类放大器的工作波形示意图第二节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。该电路我们采用满幅运放TLC4502及高速精密电压比较器LM311来实现(电路如图10所示)。TLC4502不仅具有较宽的频带，而且可以在较低的电压下满幅输出，既保证能产生线性良好的三角波，而且可达到发挥部分对功放在低电压下正常工作的要求。载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路的实现，选择150kHz的载波，使用四阶BultterworthLC滤波器，输出端对载频的衰减大于60dB，能满足题目的要求，所以我们选用载波频率为150kHz。电路参数的计算：在5V单电源供电下，我们将运放5脚和共25页第10页比较器3脚的电位用R8调整为2.5V，同时设定输出的对称三角波幅度为1V(Vp-p＝2V)。若选定R10为100kΩ，并忽略比较器高电平时R11上的压降，则R9的求解过程如下：取R9为39kΩ。图10三角波产生电路选定工作频率为f=150kHz，并设定R7+R6=20kΩ，则电容C3的计算过程如下:共25页第11页取C4=220pF，R7=10kΩ，R6采用20kΩ可调电位器。使振荡频率f在150kHz左右有较大的调整范围。图11比较器电路②比较器。选用LM311精密、高速比较器，电路如图11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10kΩ。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。⑵前置放大器电路如图12所示。设置前置放大器，可使整个功放的增益从1～20连续可调，而且也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8Ω上的电压Vp-p=8V，此时送给比较器音频信号的Vp-p值应为2V，则功放的最大增益约为4（实际上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于4）。因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。前放仍采用宽频带、低漂移、满幅运放TLC4502，组成增益可调的同相宽带放大器。选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻Ri≥10kΩ的要求。同时，采用满幅运放可在降低电源电压时仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求输入电阻Ri大于10kΩ，故取共25页第12页R1=R2=51kΩ，则Ri=51/2=25.5kΩ，反馈电阻采用电位器R4，取R4=20kΩ，反相端电阻R3取2.4kΩ，则前置放大器的最大增益Av为图12前置放大器电路调整R4使其4.2201134+=+=RRAv增益约为8，则整个功放的电压增益从0～32可调。考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值Vom2.5V，取Vom=2.0V，则要求输入的音频最大幅度Vim(Vom/Av)=2/8=250mV。超过此幅度则输出会产生削波失真。共25页第13页⑶驱动电路如图13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。⑷H桥互补对称输出电路对VMOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压图13驱动电路图14H桥互补对称输出及低通滤波电路小。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IRFD9120VMOS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。⑸低通滤波器本电路采用4阶Butterworth低通滤波器(如图14)。对滤波器的要求是上限频率≥20kHz，在通频带内特性基本平坦。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。19.95kHz处下降2.464dB，可保证20kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；100kHz、150kHz处分别下降48dB、62dB，完全达到要求。共25页第14页第三节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15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20kHz的指标要求。图15信号变换电路第四节功率测量及显示电路功率测量及显示电路由真有效值转换电路和单片机系统组成。⑴真有效值转换器选用高精度的AD637芯片(图16)，其外围元件少、频带宽，精度高于0.5％。图16真有效值转换电路共25页第15页⑵单片机系统本系统主要由89C5l单片机、可编程逻辑器件EPM7128、A/D转换器AD574和键盘显示接口电路等组成。经AD637进行有效值变换后的模拟电压信号送A/D转换器AD574，由89C51控制AD574进行模/数转换，并对转换结果进行运算处理，最后送显示电路完成功率显示。其中EPM7128完成地址译码和各种控制信号的产生，62256用于存储数据的处理。键盘显示电路用于调试过程中的参数校准输入，主要由显示接口芯片8279，4×4键盘及8位数码管显示部分构成。⑶软件设计本系统用软件设计了特殊功能键，通过对键盘的简单操作，便可实现功率放大器输出功率的直接显示(以十进制数显示)，精确到小数点后4位，显示误差小于4.5％。本系统软件采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立。软件主体流程图如图17所示。系统初始化：加电后完成系统硬件和系统变量的初始化。其中包括变量设置、标志位设定、置中断和定时器状态、设置控制口的状态、设置功能键等。等待功能键输入：由键盘输入命令和校准参数。控制测量：由单片机读取所设定的数值，进行数据的处理。显示测量结果：AT89C51控制8279显示接口芯片，使用8位数码管显示测量的输出功率。共25页第16页图17软件主体流程图第五节短路保护电路短路(或过流)保护电路的原理电路如图18所示。0.1Ω过流取样电阻与8Ω负载串联连接，对0.1Ω电阻上的取样电压进行放大(并完成双变单变换)。电路由U1B组成的减法放大器完成，选用的运放是NE5532。R6与R7调整为