高效音频功率放大器-通信专业课程设计

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 2015 年 7 月 24 日 课 程 通信电子线路课程设计 题 目 高效音频功率放大器 院 系 电气信息工程学院 专业班级 信 13 2 学生姓名 李笥岐 学生学号 130602140215 指导教师 张秀艳 阚玲玲 东北石油大学课程设计任务书 课程 通信电子线路课程设计 题目 高效音频功率放大器 专业 通信工程 姓名 李笥岐 学号 130602140215 主要内容 基本要求 主要参考资料等 主要内容 设计一个高效音频功率放大器 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 8 欧姆的电阻 基本要求 1 功率放大器 a 3dB 通频带为 300Hz 3400Hz 输出正弦信号无明显失真 b 最大不失真输出功率 1W 输入阻抗 10k 电压放大倍数 1 20 连续可调 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 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 主要参考资料 1 高扬 AB 类音频功率放大器产生选型指南 J 电子设计应用 2009 13 2 78 85 2 雍家鹏 D 类音频功率放大器的研究与设计 J 微电子学与固定电子学 2008 15 6 154 164 3 徐良雄 基于可编程控制器施密特触发器的分析与设计 J 电气传动自动化 2012 02 2 13 18 完成期限 2015 年 7 月 20 日 2015 年 7 月 24 日 指导教师 专业负责人 2015 年 7 月 20 日 摘 要 本设计主要由功率放大器 信号变换电路和输出功率显示电路组成 功率放大器 部分采用 D 类功率放大器确保高效率 在 5V 供电情况下输出功率大于 1W 且输出波 形无明显失真 低频输出噪声电压很低 输出频率为 20kHz 以下时低频噪声电压约 1mV 信号变换部分采用差分放大电路 将双端输出信号变为 1 1 的单端输出信号 输出功 率显示部分用乘法器电路及带 A D 转换的电压表表头显示功率值 电路简单合理 本 文中的 D 类音频功率放大器的功率器件受一种高频脉宽调制信号的控制工作在开关状 态 理论上其效率可以达到 100 其不足之处在于会产生高频干扰及噪声 但是若精 心设计低通滤波器及合理地选择元器件参数 其音质噪声完全能够满足人们的需求 关键词 D 类放大器 脉宽调制器 H 桥互补输出电路 低通滤波器 目 录 1 设计要求 1 2 方案设计 1 3 方案论证 1 3 1 高效功率放大器 1 3 2 信号变换电路 2 3 3 功率测量电路 3 4 单元电路设计 参数计算和器件选择 3 4 1 三角波产生电路 3 4 2 比较器电路 4 4 3 音频前置放大电路 5 4 4 驱动电路 7 4 5 H 桥互补对称输出及低通滤波电路 7 4 6 信号变换电路 9 4 7 功率计算及显示电路 9 5 电路的工作原理 10 6 总结 11 7 系统需要的元器件清单 12 参考文献 13 通信电子线路课程设计 报告 1 1 设计要求 设计一个高效音频功率放大器 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 8 欧姆的电阻 基本要求 1 功率放大器 a 3dB 通频带为 300Hz 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 10k 电压放大倍数 1 20 连续可调 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 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 2 方案设计 根据设计要求 高效音频功率放大器的系统组成框图如图 1 所示 3 方案论证 3 1 高效功率放大器 方案一 采用 A 类 B 类 AB 类功率放大器 A 类放大器也称为甲类放大器 在整个周期内处于导通状态 这种结构失真最小 基本上是线性的 但效率也最 低 大约为 20 B 类放大器也称为乙类放大器 其功率器件导通时间只有半个 周期 在没有信号输入时 功率损失为零 与 A 类不同 B 类放大器的电源供给 功率和管耗都会随着输出功率的大小而改变 也改善了 A 类放大器放大效率低的 状况 在理想情况下 理想的效率值为 78 5 因为产生的热量比 A 类低 可以 信号 变换 电路 音频 输入 高效功率 放大器 RL R C 功率 测量 电路 图 1 系统组成框图 通信电子线路课程设计 报告 2 使用较小的散热器 这种功放和 A 类功率放大器刚好相反 其输出器件仅导通半 个正弦波周期 这类功放效率很明显优于 A 类 大约为 50 但存在交越失真等 非线性问题 AB 类功率放大器晶体管工作时间是半个周期至一个周期之间 导通 角在 180 到 360 之间 其最大优点是改善了 B 类放大器的非线性 消除了交 越失真 1 AB 类放大器综合上述两种放大器的优点 克服 B 类放大器非线性失真 问题和 A 类放大器效率低缺点 方案二 采用 D 类功率放大器 D 类放大器是直接从数字音频数据实现功率 放大而不需要进行模拟转换 又称为数字功率放大器 其原理如图 2 所示 D 类 功率放大器通过音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度 2 功率输出管工作 在高频开关状态 具有极高的效率 实际电路中效率也可达到 80 95 D 类功 放最大的优点是效率最高 几乎不产生热量 因此无需大型散热器 体积与重量 显著减少 失真低 线性佳 方案选择 A 类功率放大器提供了很好的线性度 但效率很低 B 类和 AB 类 功率放大器通过减少一个周期中晶体管工作的时间来提高效率 同时保持了线性 调制的可能性 D 类放大器具有最高的工作效率 但是保真度比较低 这可以通 过改进 D 类放大器控制结构来提高保真度 从而实现高效率 经过比较 本设计 采用 D 类功率放大器 3 2 信号变换电路 方案一 可采用三个运算放大器或单个运算放大器搭制双端信号变单端信号 的电路 方案二 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 方案选择 方案一的问题在于很难达到电阻平衡 且整个电路过于复杂 不 宜采用 方案二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 所以采用了此方法 三角波 产生器 比较器驱动电路 低通 滤波 输出 音频信号 输入 图 2 D 类功率放大器的原理框图 通信电子线路课程设计 报告 3 3 3 功率测量电路 方案一 使用单片机系统 系统采集信号变换电路输出的单端信号的模拟量 经 A D 转换为数字量 送至 LED 显示 方案二 使用模拟电路 将电压值变换为功率值 由于 所以将 2 PUR 信号变换电路输出电压经乘法器产生平方值电压 取相应比例后电压值恰好与功 率值相等 再将此电压值送至三位半表头显示 即形成了功率测量装置 方案选择 方案一涉及电路过于繁杂且成本高 所以没有采用 经多次测试 方案二电路测量精度优于 5 符合要求 且线路较简单 再者全部为模拟器件 与前面系统风格保持一致 所以采用方案二 4 单元电路设计 参数计算和器件选择 4 1 三角波产生电路 一 电路设计 LM311 构成迟滞比较器 其输出一个方波信号 然后通过由运放 TLC4502 组 成积分电路变换为三角波输出 该发生器产生高频线性三角波 用以把 D 类功率 放大器的总谐波失真 THD 减小到最低程度 三角波产生电路如图 3 所示 图 3 三角波产生电路 通信电子线路课程设计 报告 4 二 参数计算 三角波的电压幅度决定了调制音频信号的最大幅度 在单电源供电为 5V 时 将 LM311 的引脚 3 的电位调整为 2 5V 同时设定输出的对称三角波幅度为 1V 其中 2 P P VV 假如选择 并且忽略比较器是高电平时上的压降 则 10 100k R 11 R 9 52 5 1 100k VV R 9 40k R 一般载波信号 三角波 的频率与调制信号 取正弦 频率有如下关系 1 10 20 sT ff 选择 150kHz 的载波 使用四阶 Butterworth LC 滤波器 输出端对载频的衰 减大于 60dB 能满足要求 所以选用载波频率为 150kHz 选择工作频率 并且假设 则对电容恒流充放电电流 150 fkHz 67 20k RR 67 52 5 V I RR 则电容两端的最大电压值为 2 1 4 1 44670 12 5 dt T C V VIT CC RR 其中为半周期 由于的最大值为 2V 则 1 T 1 11 22 TT f 4 C V 467 2 51 2 2 V V C RRf 4 67 2 5 208 3 4 V CpF RRf 三 器件选择 取 9 39k R 取 则采用 20的可调电位器 能使振荡频率 4 220 CpF 7 10k R 6 Rk 在 150左右有较大的调整范围 fk zH 通信电子线路课程设计 报告 5 4 2 比较器电路 一 电路设计 该电路如图 4 所示 该电路实质就是一个电压比较器 采用高精密 高速度 的比较器芯片 LM311 构成 同相输入前置放大器的输出信号电压 反相端输入三 角波电压 音频信号与三角波信号经比较器比较之后 输出与音频信号成正比的 脉宽调制信号 二 器件选择 由电路图 4 可知 因供电为 5V 的单电源 为了使 提供 2 5V 的静态 VV 电位 取 且四个电阻的值均取 10 1215 RR 1314 RRk 由于三角波 所以要求音频信号的不能大于 2V 不然会产生2 P P VV P P V 失真 4 3 音频前置放大电路 一 电路设计 一般功率放大器输入灵敏度是一样的 不同的声音源信号如果直接输入到功 率放大器中 对于输入过低信号 功率放大器输入功率不足 不能充分发挥功率 放大器作用 假如输入信号的幅值过大 功率放大器输出信号将严重过载失真 图 4 比较器电路 通信电子线路课程设计 报告 6 失去音频放大的意义 因此 音频功率放大系统需设置前置放大器 如图 5 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 8 电阻上的电压 8V 此时送给比较器音频信号的值应为 2V 则功放的最大增益约为 P P V P P V 4 因此必须对输入的音频信号进行前置放大 使其增益应大于 5 二 参数计算 选择同相放大器的目的是为了容易实现输入电阻的要求 同时采用 1 10k R 满幅运放可使其在降低电源电压时仍然能够正常工作 取 1 2 5 2 CC VVV 要满足输入电阻大于 取电阻 I R 10k 12 51k RR 则 51k 25 5k 2 I R 反馈电阻采用电位器 取 反相端电阻取 则前置放 4 R 4 20k R 3 R2 4k 大器的最大增益为 u A 3 4 3 20k 119 3 2 4k u R A R 调整 使它的增益为 8 则整个功放的电压增益从 0 32 可调 且满足 4 R 的要求 1 10k R 图 5 前置放大电路 通信电子线路课程设计 报告 7 由于前置放大器的最大不失真输出电压的幅值 取 2 5 OM VV2 0 OM VV 则要求输入的最大音频幅度为 250 OM IM V V VmV A 如果超过这个幅度 则输出波形会出现削波失真 三 器件选择 取电阻 可满足输入电阻大于 12 51k RR 1 R10k 取电阻 反相端电阻取 4 20k R 3 R2 4k 4 4 驱动电路 一 电路设计 如图 6 所示 将 PWM 信号整形变换成互补对称的输出驱动信号 将 CD40106 施密特触发器并联 以获得较大电流输出 送给由晶体管组成的互补对称式射极 跟随器驱动的输出管 保证快速驱动 3 二 器件选择 驱动电路晶体三极管选用 2SC8050 和 2SA8550 对管 三极管 8050 是非常常 见的 NPN 型晶体三极管 在各种放大电路中经常看到它 应用范围很广 主要用 于功率放大 开关 三极管 8550 是一种常用的普通三极管 它是一种低电压 大电流 小信号的 PNP 型三极管 图 6 驱动电路 通信电子线路课程设计 报告 8 4 5 H 桥互补对称输出及低通滤波电路 一 电路设计 功率输出电路以四只场效应管为核心 组成对称桥式输出电路即 H 桥型功率 放大器 电路如图 7 所示 这一结构优点是能够充分利用电源电压值 其输出电 压信号的峰值几乎等于电源电压值 而场效应管有输出大电流的能力 有利于提 高输出功率 4 输出滤波器的功能就是将由功率输出电路送来的信号中基波和谐 波 超高频信号 滤除 仅留调制音频信号 模拟信号 的部分 二 参数计算 滤波电路中的 和 的计算公式如下 1 L 2 L 7 C 8 C 4 1 0 0 54 L R L W 5 2 0 0 71 L R L W 6 7 0 3 15 L C R W 7 8 0 0 76 L C R W 因为要在保证 20kHz 频带的前提下使负载上的高频载波电压得到进一步衰减 所以上限截止频率选为 20kHz 则 1 21 6 Lu 2 28 4 Lu 7 1 9 CuF 8 0 47 CuF 取 1 22 Lu 2 47 Lu 7 1 CuF 8 0 68 CuF 三 器件选择 图 7 H 桥互补对称输出及低通滤波电路 通信电子线路课程设计 报告 9 H 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 电压小 因其输出功率稍大于 1W 属于小功率输出 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 IRFD9120 高速 VMOS 对管的参数能 够满足上述要求 故采用之 滤波电路加入后 会使 D 类功率放大电路的效率减 小 所以要采用等效电阻小的电感和电容来组成 四阶滤波电路对高频的滤波效 果比较好 所以滤波器采用的是两个相同的 4 阶 Butterworth 低通滤波器 即四 阶巴特沃斯滤波器 对滤波器的要求是上限频率 20kHz 在通频带内特性基本 平坦 4 6 信号变换电路 一 电路设计 信号变换电路是采用 NE5532 宽带运算放大器构成的差动式减法电路 5 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 8 所示 二 参数计算 增益 8 3 1 u R A R 三 器件选择 取 则其增益为 1 并且其上限频率远超过 20kHz 的 1234 20k RRRR 设计指标要求 4 7 功率计算及显示电路 一 电路设计 因为在负载一定时 8 功率与电压的平方成正比 所以我们将变换电路 的输出接低通网络后再接入由乘法器搭成的平方电路 电路如图 9 所示 图 8 信号变换电路 通信电子线路课程设计 报告 10 二 器件选择 乘法器芯片我们用的是 AD533 其内部包含了一个运放 而我们所用的测试 表头是测量直流电压的三位半表头 所以我们要将交流变为直流 我们将平方电 路的输出接滤波网络变为直流后接入表头 使其作为功率表来显示功率放大器的 输出功率 其变比可由乘法器 AD533 内部运放的放大倍数调节 所以我们调节 9 11 管脚的电阻值 可使功率表输出的精度优于 5 5 电路的工作原理 电路系统总图如图 10 所示 输入的音频信号经前置放大电路的处理送入 PWM 放大器的同相输入端 同时由比较器 LM311 产生的方波信号经 TLC4502 组成 的积分电路生成三角波信号送入 PWM 放大器的反相输入端 经过 PWM 放大器输出 与音频信号成正比的脉宽调制信号 经驱动电路送入 H 桥式功率放大电路 经过 图 9 功率测量及显示电路 通信电子线路课程设计 报告 11 滤波电路将信号中的基波和谐波信号滤除 仅留调制音频信号的部分 从而产生 双端电压输出 6 然后经过 NE5532 宽带运算放大器构成的差动式减法电路构成 的信号变换电路 将双端电压输出变成单端电压输出 最后利用 AD533 乘法器将 平方电 路的输出接滤波网络变为直流后接入表头 使其作为功率表来显示功率放大器的 输出功率 6 总结 系统实现了对音频信号的放大处理 完成了高效率功率放大 信号变换 功 率测量及显示等功能 系统性能良好 在功率及效率方面的指标较高 放大电路 信号变换 功率测量等部分都收到了较好的效果 对于本系统设计 有些指标还 图 10 电路系统总图 图 10 电路系统总图 通信电子线路课程设计 报告 12 有待于进一步提高 例如 在功放效率 最大不失真输出功率等方面还有较大的 潜力可挖 这些都有待于我们通过对电路的改进和对元器件的最佳选择来进一步 完善 通过此次的课程设计 我学到了很多知识 也学到了做任何事情所要有的 态度和心态 懂得了做学问要一丝不苟 对于发展过程中出现的任何问题和偏差 都不要轻视 要通过正确的途径去解决 在做事情的过程中要有耐心和毅力 不 要一遇到困难就打退堂鼓 只要坚持下去就可以找到思路去解决问题 7 系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 1 电容 0 01uF1C 2 电容 0 1uF2 C5 C12 3 电容 0 68uF1 C8 C9 4 电容 1 0uF6 C1 C3 C6 C7 C10 C11 5 电容 2 2uF1C13 6 电容 4 7uF1C2 7 电容 220uF1C4 8 电容 0 68uF2 C8 C9 9 电阻 8 1RL 10 电阻 7 5k 1R21 11 电阻 10k 6 R12 R15 R7 R8 12 电阻 20k 5 R2 R4 R6 R18 R19 13 电阻 23 5k 1R20 14 电阻 39k 1R9 15 电阻 100k 1R10 16 电感 22uH2 L1 L3 17 电感 47