高效音频功率放大电路设计(编辑修改稿)

高效音频功率放大电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

失真则愈大，输出信号中谐波成分越大，这是一对矛盾。 如果输入波形边沿很陡直，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真变化不大而效率又可以提高，波形陡直的极端状态类似为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后沿是垂直升降的，导通状态都不会变化，这样就诞生了工作于脉冲放大状态的 D 类放大器。 D类放大器工作于开关状态，无信号时无电流。 事实 上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时，器件并未完全短路，尚有一定管压降，故存在较少直流损耗，实际效率在 80 一 90%。 是实用放大器中效率最高的。 正是由于 D 类放大器的效率高， 100 瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，电路板可作的很小，大大减少了体积重量。 并且由于工作在比音频高 10余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响很小。 由于 D 类音频功率放大器与传统的模拟功放相比，具有体积小，效率高，相对低的失真，所以具有广阔的发展前景。 3 高效音频功率放大电路设计 设计任务 与要 求 设计任务 设计并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。 设计要求 功率放大器 a． 3 dB 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，（电压放大倍数为 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％。 测量显示部分 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％。 说明 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。 但本设计不允许使用 D类功率放大集成电路。 图 D 类放大原理框图 方案论证 根据设计任务的要求，采用 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 低通滤波器后输出音 频信号。 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 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。 高速开关电路 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。 图 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 10 V，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 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。 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。 电路呢。 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。 电路呢。 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 方案二：由于功放输出 信号不是 Hz 频带内的任意波形，故必须采单一频率，而是 20 k 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 所示）。 图 功率测量电路 4主要电路工作原理分析与计算 类放大器。