毕业设计（论文）-高效低频功率放大器.doc

毕业设计（论文）题 目：高效低频功率放大器专 业：电气工程系应用电子技术班 级：应电0632学生姓名： 指导老师： 2008年11月20日摘 要 本系统采用D类功率放大器实现高效低频功率放大的设计。该系统主要包括以下几部分:前置低频信号放大电路、D类功率放大电路、三角波发生器电路、输出LC低通滤波电路等。设计中采用了性能优良的三角波发生器和高速电压比较器以实现对D类功率放大器的脉宽调制，基本实现了高效低频功放的要求。 本系统能够实现以下功能：功率放大效率达80%可放大低频信号范围20HZ20KHZ 电源上电指示 功率理论值可达20W关键词: D类放大器、 低频高效、 脉宽调制 LC低通滤波、三角波发生器 15目录第一章 引言1第二章 方案比较与论证12.1高效率功放类型的选择12.2. PWM（脉宽调制）的论证与选择2第三章系统结构原理及实现功能：33.1 总体设计思路43.1.1功放的基本知识43.1.2 系统整体分析432主要电路设计与说明43.2.1放大与增益控制电路的设计与原理43.2.2.三角波发生器电路设计与原理43.3.3.PWM（脉宽调制）控制器设计与原理43.3.4.高速开关桥式电路的设计与原理43.3.5 LC低通滤波电路的设计43.3.6稳压电源设计4第四章 总结9致谢13参考资料14第一章 引言 功率放大器不仅仅是消费产品(音响)中不可缺少的设备,还广泛应用于控制系统和测量系统中。低频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力, 无论从线路技术还是元器件方面,乃至思想认识上都取得了长足的进步。其中D类功率放大器与传统的模拟功放相比，具有体积小、效率高、低失真、大功率的特点，具有广阔的发展前景。本文基此深入分析了D类开关功放的工作原理，介绍了开关功放的控制系统。文中分析了该系统的组成及功能特点，依照设计要求，制定了总体设计方案，选择先进的半桥型结构作为输出电路的结构型式，设计了一套性能优良的功率放大器。第2章 方案比较与论证2.1高效率功放类型的选择方案一：采用A类、B类、 AB类功率放大器。这三类功放的效率仅能达到20%30%,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低频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%，所以我决定采用D类功率放大器。2.2. PWM（脉宽调制）的论证与选择方案一：采取两路输出脉冲相位相反的方式，无信号输入时，输入负载为扬声器（电阻和电感性负载），有关的电压电流波形如图2-1-1所示。由图可以看到，不加滤波器时，零输入时的负载电流较大，导致负载上的损耗大，降低了放大器效率。 图2-1-1 方案二：每路输出电压仍从0至VDD，无信号输入时，两路的输出的电压同相，负载上的电压为0，输出负载的电压、电流波形如图2-1-2所示。由图可以看到，由于两路同相输出，通过负载的电压近似为0，此时负载电流极小，从而静态功耗很小。当由信号输入时，一路输出脉冲的占空比大于50%，令一路输出脉冲的占空比小于50%，输入信号为正时，输出负载的电压、电流波形如图2-1-3所示。 图2-1-3 图2-1-3第三章系统结构原理及实现功能3.1 总体设计思路3.1.1功放的基本知识1.1 功放的分类 传统的功率放大器主要有A 类(甲类) 、B 类(乙类) 和AB (甲乙类)，除此之外，还有工作在开关状态下的D类（丁类）功放。1.2 功放的工作原理及特点概述A 类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器件,其晶体管总是工作在放大区，并且在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性放大区域，它的优点是输出信号的失真比较小,缺点是输出信号的动态范围小、效率低，理想情况下其效率为50 % ,考虑到晶体管的饱和压降及穿透电流造成的损耗,A 类功率放大器的最高效率仅为45 %左右。B 类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50 % ,因为其晶体管只在输入信号的正半周工作在放大区，在输入信号的负半周是截止的。它的优点是效率理想情况下可达78. 5 % ,比A类的提高了很多，其缺点是非线性失真却比甲类功放大，而且会产生交越失真,增加噪声。 AB类(甲乙类) 功率放大器是以上两种放大器的结合,使每个功率器件的导通时间在50 %100 %。此类放大器目前最为流行,它兼顾了效率和失真两方面的性能指针,在设计该功率放大器时要设置功率晶体管的静态偏置电路,使其工作在甲乙类状态。这类功放失真小于乙类功放，但其效率比乙类功放要低一些。D类功率放大器又叫开关型功率放大器，现在又有人称之为数字功率放大器。它利用晶体管的高速开关特性和低的饱和压降的特点，效率很高，理论上可以达到100%，实际上可以达到90%。此电路不需要严格的对称，也不需要复杂的直流偏置和负反馈，使稳定性大大提高。用同样的功耗的管子可得到比AB类放大器高4倍功率的输出。D类功放的功率器件受一高频脉宽调制( PWM) 脉冲信号的控制,使其工作在开关状态, 理论上其效率可达100 %。因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积，在体积、效率和功耗上要求较高的场合具有很大的优势。另外，现代保真音响系统常采用数字音频设备如CD、DAT（digital audio tape），近年发展起来的DVD、计算机多媒体设备、MP3等也都是数字音频信号源。数字音频信号采用脉冲编码调制技术（PCM），信号分辨率通常为12位或16位，采样频率为44.1KHZ（CD）或48KHZ（DAT）。由于数字信号在存储、传输和数据出来上的优点，使人们开始追求数字式功放代替传统的模拟功放，这也使得D类功率放大器受到更大的关注。D类放大器虽然具有很高的效率,但由于功率晶体管的开关工作方式,D 类放大器引入的失真通常大于线性放大器,这是目前D 类放大器在音频放大领域并未得到广泛应用的主要原因。随着半导体及微电子制造技术的不断发展,高速、大功率器件已越来越多,人们对音频功率放大器的要求更加趋向高效、节能和小型化,所以D 类(丁类) 音频功率放大器越来越受到人们的重视。1.3.D类放大器的工作原理所谓D类功率放大器就是将音频信号转换成脉宽变化的形式，再由脉冲放大器放大输出，然后通过低通滤波电路还原成音频信号。由于脉冲放大器工作在开关状态，电路本身的损耗只限于三极管导通时饱和压降引起的损耗和组件开关的损耗，适当的选择组件，可以使得总损耗变小，电路工作的效率也较高。 这次设计的就是以D类放大器为基础 。3.1.2 系统整体分析根据方案的论证，经过认真考虑，采用改进型的PWM方法实现D类功率放大器，力求提高放大器的效率；在放大器的输出级采用BTL接法始输出功率大大提高，与负载的接口采用LC低通滤波器电路其原理框图如下 图3-1为本系统原理方框图： . 放大增益控制驱动驱动功率开关功率开关低通滤波三角波发生器 原理分析和说明；输入的低频信号先经增益可变的放大器放大，并变换成大小相同、相位相反的差分信号。这两路信号分别与三角波发生器产生的三角波进行比较。比较器输出频率与三角波相同、但占空比与音频幅度对应的脉冲信号，音频新号的幅度反映在脉冲波的占空比上。两路信号驱动桥式互补告诉开关电路，并用LC低通滤波器将高频成分滤除，最后在负载上实现功率合成，恢复低频输入信号。32主要电路设计与说明3.2.1放大与增益控制电路的设计与原理 该电路将输入的单端信号转换为相位为相反的双端信号，使用高精度低漂移的运放来实现，如图3-2-1所示 图3-2-13.2.2.三角波发生器电路设计与原理 音频信号范围由20HZ20KHZ，取三角波的频率为150KHZ。要无失真的调制音频信号，要求三角波的线性度很好。使用了由运放NE5532构成的三角波发生器，U2A与R6组成为施密特触发器，U2B与C组成一积分电路。施密特触发器实际上是由一电压比较器组成，其产生的方波高电平电压为+VCC，低电平电压为0，积分电路的输入为方波时，输出是一上升速率与下降速率相等的三角波，如图3-2-2所示。 图3-2-2 三角波的幅度为：Vout=Vcc*R2/R6=5*20/220=0.45V三角波的频率为：f=R6/(4R1C*R2)=120*1000/(4*47*1000*200*20*1000*1012)=159KHZ3.3.3.PWM（脉宽调制）控制器设计与原理 PWM（脉宽调制）控制器对音频信号的调制，时以音频信号为基准信号，与频率为150KHZ的三角波进行比较，得到占空比随音频幅度变化的脉冲信号。为了使电路能在低压低功耗下工作，我选用了LM393作为比较器，其正常工作电压可以低到2V，且功耗小，驱动力强。LM393的3、5脚为音频信号输入端，分别输入放大与增益控制电路输出的相位相反的音频信号。当输入音频信号电压为0时，输出占空比为50%的脉冲波。输入信号电压为正时，一路输出为占空比大于50%的脉冲波，令一路输出为占空比小于50%的脉冲波；输入信号电压为负时，则相反。PWM控制强及IN1输入为正时的输出脉冲波形如图3-3-3所示。 图3-3-3 3.3.4.高速开关桥式电路的设计与原理（图3-3-4） 由于它工作在开关状态，输出管的功率损耗极低，有效功率可以达到很高。经调制后的信号（图3-3-3）从IN1和IN2输入，Q5Q8为前级驱动电路，我选择了9012、9013对管，其驱动电压较大，完全可以驱动VMOS管IRF9540及IRF540。VMOS管的开关速率极高，开启电压高，抗干扰能力强。该电路为桥式推挽输出，Rl为8欧的假负载，当音频电压为正时，OUT1的对地输出波形如图1所示，OUT2的对地输出波形如图2所示，接负载后，负载两端电压波形如3所示，为一正脉冲波，其脉冲宽度随音频电压的增大而变宽；当音频电压为负时，Vout占空比小于50%，Vout占空比大于50%，所以Vrl为一负脉冲波，其脉冲宽度随负音频电压绝对值的增大而变宽。当音频电压为0时，Vout1和Vout2占空比均为50%，所以Vrl=0，无电流通过。 图3-3-43.3.5 LC低通滤波电路的设计 LC低通滤波原理框图本电路采用4阶低通滤波器，对低通滤波的上限频率设计为 20KHZ。本系统同频带范围在20HZ20KHZ低频信号内。 3.3.6稳压电源设计 根据以上设计的前置放大级电路和功率放大级电路的要求，需要稳压电源输出的两种直流电压，即前置放大级的 和功率放大级的 。 电原选用集成稳压电源LM7812和LM7912芯片直接输出。 直流稳压电源如下图所示。第四章 总结通过这次的毕业设计，我最大的收获就是自己做出来一个东西，结果如何不重要，因为这完全是通过自己制作的，并且本课题涉及的大部分内容是我以前很少接触过的。但无论是软件还是硬件，仍有许多需要改进和完善的地方，也有许多可以扩展的地方。这次毕业设计给我的感受很深刻，总结起来可有一下几个方面： 以前的学习多重于理论方面，而且知识面不够宽，通过这次毕业设计，使我第一次系统全面的回顾了大学三年所有的课程：模拟电路、数字电路、编程等等从中我还体会到了所学理论知识的重要性：知识掌握得越多，设计得就更全面、更顺利、更好。再有学会了怎样查阅数据和利用工具书，从而有针对性地查找资料。我经过这次系统的毕业设计，大致地了解了对一课题进行系统研究、设计及制作的全过程。这些认识使我们在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。在往后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识补充最新的知识。毕业设计培养了严肃认真和实事求是的科学态度。而且培养了吃苦耐劳的精神以及严谨的作风，提高了交流沟通和团体协作能力。这些对我以后的工作都非常有帮助的。致