电子综合设计报告

课程名称电子综合设计辅导项目名称D类功率放大器专业电气工程及其自动化班级C07电气1班姓名魏鹏鹏学号071310127指导老师陈庭勋时间2010年6月13日目录一、设计任务二、对设计任务的分析三、D类功率放大器设计的方案四、各功能电路的设计五、电路装配与调试六、设计总结D类功率放大器设计一、设计任务设计一个高效D类功率放大器，供电电压为单18V，输入信号幅度小于100mV，上限截止频率10kHz，输出负载阻抗8Ω～4Ω。二、对设计任务的分析作为一种新型的高效率放大器，目前已有多种型号的专用D类功率放大集成电路推出。如TDA7480、TDA7481、TDA7482、MAX9714、MAX9712（配耳机用）等。此类电路将脉宽调制电路（PWM）和功率放大电路集成在一起，只需外接低通滤波电路即可。此类电路具有输出功率大，电路简单等，特别适合于大屏幕彩电的输出、车载立体声系统、多媒体电脑功放、音响系统中的重低音输出等。采用集成D类功率放大器外，也可以采用全分立器件组合而成，电路由锯齿波发生器、脉宽调制电路，脉冲功率放大电路、低通滤波电路四部分组成。此类电路制作复杂，调试困难，失真大。此类电路几乎没有什么实用价值，但作为对各类电路工作原理的学习还是可取的。图2-3D类功率放大器组成框图D类功率放大器的两个关键电路是脉冲功率放大电路和PWM调制电路。脉冲功率放大电路一般采用桥式结构。脉宽调制器脉冲功率放大低通滤波锯齿波发生器三、D类功率放大器设计的方案引言：随着电力电子技术及器件的发展；特别是功率MOSFET、IGBT、MCT、IPM以及单片集成脉宽调制功率放大器等新型器件的出现；使PWM调制电路得到广泛的关注、开发和应用。单极性正弦脉宽调制SSPWM技术利用功率器件的导通与关断；把直流电压变成幅度相等而宽度按正弦规律变化的电压脉冲序列；并通过控制脉冲的宽度和和脉冲序列的周期以达到变压变频目的。采用SPWM技术的电源主要优点有：效率高、体积小、噪声小、失真度小、响应快。工作原理SSPWM功率放大器电路主要有三角波产生电路，SSPWM调制电路，音频放大电路等几部分，把功率放大电路集成于一块电路板上。美国APEX公司结合电力电子技术和功率放大器技术设计生产了脉宽调制功率放大器；该系列放大器将振荡器、PWM发生器、死区发生器、自举驱动器、IGBT和续流二级管、过流/过热保护等功能部件全部集成一体；使其成为一个完整的PWM功率放大器；使用者只需按要求提供所需的模拟调制信号；经放大器后将输出基波为调制信号的高频高压SPWM信号序列；再经高频滤波后就可得到幅度和功率均放大的调制信号。若将放大器和滤波视为一个整体；其功能就等同于传统线性功率放大器；但其效率却高得多。设计总电路T7IRF530T9530T6IRF9530T89530R12kR26510ΩD8FR207D10FR207R2710kΩT22N2907R67.5kR10200ΩR410kD9FR207D11FR207Y18ΩR2110kΩ+18VR22kR57.5kΩ567IC4BLM393C21000PT42N2907D312V567IC1BNE5532R19200ΩC6100PFC90.01μFC110.1μF32184IC1ANE553232184IC2ANE5532R19100kR185.1kR1610kR1710kC51μR20510ΩRW150kR232kΩR1510kC41μ567IC3BNE5532R1410kJ1PHONEJACKC10220μFC3220μFC1100μFR242kΩT52N7000ABCDR32kD27.2VSSPWM调制T102N7000R73.6kR810kRW210kD1LED音频放大三角波发生器5V5VC121000μF+12V12VR1310kC80.1R1210kR1010kR910kR358.2kΩ618IC5TL431R3410kΩC141μFL142μHC144.7μFL264μHC144.7μFL364μHC141μFL442μHR1110kR2010kC710μF截止频率15kHzT12N2222T32N2222C12100uFC?100uF高电平关闭功率管，低电平开通功率对管。C11CAP32184IC4ALM393在连接各单元电路时，电源供电采用了二级RC滤波，分作三部分：脉冲功率电路为供电电压最高，预定为18V；PWM电路的电压由稳压二极管限制在12V；前置放大电路的电压通过RC电路降至最低，具体电压值没有严格要求。在前置放大之后，接入了音量电位器。焊接电路1、搞清楚每一块电路在电路板上的位置。2、遵循从左往右，从上往下的规律进行焊接。3、先焊振荡电路，产生三角波，再焊脉冲调制电路，然后是音频放大电路等。4、先焊导线，二极管，电阻等小的一些器件，再焊电容，驱动芯片等一些大的器件。四、各功能电路的设计1、三角波产生电路三角波产生电路由二个运算放大器构建而成，如图2-8所示。为了适合单电源工作，用电阻R1、R2和C1给运算放大器输入端设置了中间值电位。R12kR67.5kR410kR22kR57.5kΩC21000P567IC1BNE553232184IC1ANE5532C1100μFR32kD27.2VR73.6kD1LED三角波发生器5V+12V图2-8方波-三角波产生电路IC1A输出三角波，三角波信号输出的幅度受R4、R5控制，即R4、R5决定三角波的二个峰值电位高低。IC1B输出方波，其幅值不能由运算放大器自身精确控制，特别是最高电位会受电源电压影响，因此加入稳压二极管D2，以恒定方波的最高电位。考虑工作电压的高低和二极管本身的温度稳定性，选用7.2V稳压管。考虑运算放大器工作条件，由D1、R1、R2、C1组成的电路设置基准电压U1，为运算放大器提供中间值的参考电位，这里设为5.0V。R6、C2间属于恒流充、放电方式。三角波的电压幅度决定了被除数调制音频信号的最大幅度，是一个重要的设计参数。三角波的峰值计算如下：运算放大器NE5532的第5脚、第2脚和第3脚电位被控制在5.0V。当IC1B输出高电位时，通过R6向电容C2充电，IC1A输出端电位下降，形成三角波的下降段。直到最低值U-，此时必定有VUUVRRR0.52.7545，即45542.70.5RRRRU。取R4=R5=10k，IC1A输出端最低电位U-为2.8V。此电位值在运算放大器输出最低电位1.3V以上，属于运算放大器的线性范围之内。三角波的峰-峰值为8.1V-2.8V=5.3V。实际测量IC1B输出三角波的动态范围为2.0V~8.0V。三角波电压的一般计算式：三角波的频率计算如下：向右的充电电流为（UD-U1）/R6，电容的充电电压值为（U+-U-）。根据关系式Q=UC可以导出充电时间为6124545414354316121/3.13.1/RUUCRRURRRURRRRRURUUCUUtDDD26612143543114.2/23.13.1CRRUUCUURRRRRUtDD向左的充电电流约为U1/（R3+R6），反充电时间为263631214354316312206.1/23.13.1/CRRRRUCUURRRRRURRUCUUtD三角波周期为23262106.146.3CRCRttT。若要使三角波频率达到50kHz，取R3=2kΩ，C2=1000P，则R6=5.2kΩ。实际R6取为5.1kΩ，实测频率为39kHz。频率远比理论值低，并非元件误差引起，而是运算放大器NE5532电压翻转的滞后效应造成振荡周期变大。每半周期滞后2μs。三角波的顶角呈现弧形是方波输出中的电压变化率不够快所至。以上可见，这一电路的元件参数确定方法是：①根据稳压管供电电流的需要，确定R3参数；②根据三角波输出幅值的需要确定R4、R5参数；③根据三角波频率确定R6、C5参数。2、SSPWM调制电路负极性调制方案另一种设计方案是将输入至比较器反相端的三角波平均电位置于基准电位以下，而将输入至比较器同相端的三角波平均电位置于基准电位以上。造成调制信号(正弦波)的电压增大时，低电平宽度也随之增大。按高电平宽度计算占空比约定，这一种调制称为负极性调制方案。理想情况下调制特点如图2-13曲线所示。三角波电平低于调制信号电平时，输出高电平，而三角波电平高于调制信号电平时，输出低电平。32184IC4ALM393567IC4BLM393R1110k567IC3BNE5532R1010kR910kSSPWM调制R7RES2R8RES2RW210k5V12V图2-13负极性SSPWM电路调制信号输入反相位同相位这种设计方案同样可以输出调制信号，只是极性相反而已。但各路基准电压设置不一致时，结果就不一样了。反相位调制情况下，当三角波峰值电位与基准电位相重叠时会在调制信号过零点同时输出低电平（有负脉冲输出），如图2-14a所示，体现为无交越失真；当三角波峰值电位与基准电位相分离时，会在调制信号过零点附近同时输出高电平（无负脉冲输出），如图2-12b所示，体现为有交越失真。同相调制体现为移相脉冲输出。当三角波峰值电位与基准电位相重叠时，会在调制信号过零点同时输出低电平（有负脉冲输出），如图2-15a所示，体现为无交越失真；当三角波峰值电位与基准电位相分离时，会在调制信号过零点附近同时输出高电平（无负脉冲输出），如图2-15b所示，体现为有交越失真。总之，当三角波峰值电位与基准电位相重叠时，均体现为无交越失真；当基准电压相分离时，均体现为交越失真。为了不失真，各路基准电压设置时宁可相重叠，不可相分离。为了使激励电路输出的激励脉冲相位参差，应该采用同相位调制方式。3、音频前置放大电路当输入音频信号幅度较小时，需要先进行放大。实现这一功能的电路称为前置放大电路。前置放大器输出的最大音频信号峰值不得超过2.5V，否则会出现峰值切割失真。正常情况下，音频信号的峰值为0.25V。因此，放大器的增益不必过高。以MIC作为声源输入，电压增益可以设为100倍；以线路输入为标准，电压增益可以设为10倍。a参差脉冲输出，无交越失真a同相脉冲输出，无交越失真b有交越失真b有交越失真图2-15调制电位对交越失真的影响图2-14调制电位对交越失真的影响图2-21前置放大电路C6100PF32184IC2ANE5532R15100kR145.1kR1210kR1310kC51μRW150kC41μ音频放大