高效音頻功率放大電路設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 失真則愈大，輸出信號中諧波成分越大，這是一對矛盾。如果輸入波形邊沿很陡直，降低工作點后，對導通角影響很小，那么失真變化不大而效率又可以提高，波形陡直的極端狀態類似為矩形波，這種波形，無論偏置如何變化，由于前后沿是垂直升降的，導通狀態都不會變化，這樣就誕生了工作于脈沖放大狀態的 D 類放大器。 D類放大器工作于開關狀態，無信號時無電流。事實 上由于關斷時器件尚有微小漏電流，而導通時，器件并未完全短路，尚有一定管壓降，故存在較少直流損耗，實際效率在 80 一 90%。是實用放大器中效率最高的。 正是由于 D 類放大器的效率高， 100 瓦輸出的設備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個平方厘米，電路板可作的很小，大大減少了體積重量。并且由于工作在比音頻高 10余倍的脈沖狀態，電源整流紋波對電路工作影響很小。 由于 D 類音頻功率放大器與傳統的模擬功放相比，具有體積小，效率高，相對低的失真，所以具有廣闊的發展前景。 3 高效音頻功率放大電路設計 設計任務 與要 求 設計任務 設計并一個高效率音頻功率放大器及其參數的測量、顯示裝置。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），負載為 8Ω電阻。 設計要求 功率放大器 a． 3 dB 通頻帶為 300～ 3400Hz，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 10kΩ，電壓放大倍數 1～ 20 連續可調。 d．低頻噪聲電壓 (20kHz 以下 )≤ 10mV，（電壓放大倍數為 輸入端對地交流短路時測量） e．在輸出功率 500mW 時測量的功率放大器效率 (輸出功率 /放大器總 功耗 )≥ 50％。 測量顯示部分 設計并制作一個測量放大器輸出功率的裝置，要求具有 3位數字顯示，精度優于 5％。 說明 采用開關方式實現低頻功率放大 (即 D類放大 )是提高效率的主要途徑之一， D類放大原理框圖如下圖所示。但本設計不允許使用 D類功率放大集成電路。 圖 D 類放大原理框圖 方案論證 根據設計任務的要求，采用 D 類功率放大器。用音頻信號的幅度去線性調制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作在高頻開關狀態，通過 LC 低通濾波器后輸出音 頻信號。 高效 D 類功率放大器實現電路的選擇本題目的核心就是功率 放大器部分，采用何種電路形式以達到題目要求的性能指標，這是關鍵。 圖 脈寬調制器 (PWM) 方案一：可選用專用的脈寬調制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題的實現。 方案二：采用圖 3 所示方式來實現。三角波產生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分的功能清晰，實現靈活，便于調試。若合理的選擇器件參數，可使其能在較低的電壓下工作，故選用此方案。 高速開關電路 方案一： 選用推挽單端輸出方式 (電路如圖 4 所示 )。電路輸出載波峰 峰值不可能超過 5V 電源電壓，最大輸出功率遠達不到題目的基本要求。 圖 方案二：選用 H 橋型輸出方式 (電路如圖 5 所示 )。此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波的峰 峰值可達 10 V，有效地提高了輸出功率，且能達到題目所有指標要求，故選用此輸出電路形式。 圖 開關管的選擇。 為提高功率放大器的效率和輸出功率，開關管的選擇非常重要，對它的要求是高速、低導通電阻、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動電流，并存在儲存時間，開關特性不夠好，使整個功放的靜態損耗及開關過程中的損耗較大；IGBT 管的最大缺點是導通壓降太大。 方案二：選用 VMMOSFET 管。 VMOSFET 管具有較小的驅動電流、低導通電阻及良好的開關特性，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。缺點是負載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。 方案二：采用兩個相同的四階 Butterworth 低通濾波器，在保證 20kHz 頻帶的前提下使負載上的高頻載 波電壓進一步得到衰減。 電路呢？ 信號變換電路 由于采用浮動輸出，要求信號變換電路具有雙端變單端的功能，且增益為 1。 方案一：采用集成數據放大器，精度高，但價格較貴。 方案二：由于功放輸出具有很強的帶負載能力，故對變換電路輸入阻抗要求不高，所以可選用較簡單的單運放組成的差動式減法電路來實現。 電路呢？ 功率測量電路 方案一：直接用 A/D 轉換器采樣音頻輸出的電壓瞬時值，用單片機計算有效值和平均功率，原理框圖如圖 6所示，但算法復雜，軟件工作量大。 圖 方案二：由于功放輸出 信號不是 Hz 頻帶內的任意波形，故必須采單一頻率，而是 20 k 用真有效值變換電路。此方案采用真有效值轉換專用芯片，先得到音頻信號電壓的真有效值。 再用 A/D 轉換器采樣該有效值，直接用單片機計算平均功率 (原理框圖如圖 所示）。 圖 功率測量電路 4主要電路工作原理分析與計算 類放大器