1高效率音频功率放大器Word格式文档下载.docx
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为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。
通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。
最后还不能忽视新的架构技术。
第一章
方案论证、比较与选择
1.1方案论证与比较
根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图1-1所示。
下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。
图1-1系统组成框图
1.1.1高效率功率放大器
⑴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类功率放大器是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。
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％，所二和任何以我们决定采用D类功率放大器。
⑵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。
①脉宽调制器（PWM）
可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制，不利于本题发挥部分的实现。
采用图1-2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。
图1-2脉宽调制器电路
②高速开关电路
a.输出方式
选用推挽单端输出方式（电路如图1-3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1-3高速开关电路
选用H桥型输出方式（电路如图1-4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10V，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1-4高速开关电路
b.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。
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。
选用VMMOSFET管。
VMOSF二和任何ET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。
③滤波器的选择
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。
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。
1.1.2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。
采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。
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。
1.1.3功率测量电路
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1-5所示，但算法复杂，软件工作量大。
图1-5功率测量电路
由于功放输出信号不是单一频率，而是20KHz频带内的任意波形，故必须采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1-6所示），软件工作量小，精度高，速度快。
图1-6功率测量电路
1.2总体方案
D类放大器的架构有对称与非对称两大类，在此讨论的D类功放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。
D类放大器一般由PWM电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图而后而后3所示。
它采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。
采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。
全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。
实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。
其输出电压是叠加变大的，经过低通滤波器后，仍存在较大的负载电流，特别当滤波器设计不好时，流过负载的电流就会更大，从而导致负载损耗大，降低放大器效率。
图1-4系统组成框图
第二章主要电路工作原理分析与计算
2.1D类放大器的工作原理
一般的脉宽调制D类功放的的原理方框图如图2-1所示。
图2-2为工作波形示意，其中（a）为输入信号；
（b）为锯齿波与输入和而后信号进行比较的波形；
（c）为调制器输出的脉冲（调宽脉冲）；
（d）为功率放大器放大后的调宽脉冲；
（e）为低通滤波后的放大信号。
图2-1D类放大器的工作原理
图2-2D类放大器的工作波形示意图
2.2D类功放各部分电路分析与计算
2.2.1脉宽调制器
①三角波产生电路。
该电路我们用555芯片构成三角波发生电路，如图2-3所示
本设计利用555组成的多谐振蔼器的C41充放电特性加以改进，实现C41的线性充放电获得三角波利用QN9、QN10和R23、R24构成的恒流源对C41实现线性充电，利用QN7、QN8和R25、R26构成的恒流源实现对C41的放电。
电容C41上的三角波经QN6射集跟随器输出。
该振荡器的振荡频率f=0.33/（R23+R24+R25+R26）C41。
我们要得到一个线性很好、频率约113KHZ、峰峰值为1.9V的三角波，将其输入到脉宽调制比较器的一个输入端。
图2-3三角波产生电路
②比较器。
选用LM311精密、高速比较器，电路如图11所示，因供电为5V单电源，
为给V+=V-提供2.5V的静态电位，取R11=R13，R12=R21+R20，4个电阻均取100kΩ。
由于三角波Vp-p=1.9V，所以要求音频信号的Vp-p不能大于1.9V，否则会使功放产生失真。
图2-4比较器电路
2.2.2前置放大器电路
如图12所示。
设置前置放大器，可使整如何如何如何个功放的增益从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8Ω上的电压Vp-p=8V，此时送给比较器音频信号的Vp-p值应为2V，则功放的最大增益约为4（实际上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于4）。
因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。
前放仍采用宽频带、低漂移、满幅运放OP07，组成增益可调的同相宽带放大器。
选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻Ri≥10kΩ的要求。
同时，采用满幅运放可在降低电源电压时仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求输入电阻Ri大于10kΩ，故取反馈电阻采用电位器R4，取R4=200kΩ，反相端电阻R3取10kΩ，则前置放大器的最大增益Av为
调整RP4使其Av增益约为20，则整个功放的电压增益从0～21可调。
考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值Vom<
2.5V，取Vom=2.0V，则要求输入的音频最大幅度Vom.<
（Vom/Av）=2/20=100mV。
超过此幅度则输出会产生削波失真。
图2-5前置放大器电路
2.2.3驱动电路
如图2-6所示。
将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用CD40106施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，送给由晶体三极管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保证了快速驱动。
驱动电路晶体三极管选用8050和8550对管。
2.2.4H桥互补对称输出电路
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。
因输出功率稍大于1W，属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRF540和IRF9540VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。
实际电路如图2-6所示。
互补PWM开关驱动信号交替开启Q13和Q16或Q15和Q14，分别经两个4阶Butterworth滤波器滤波后推动喇叭工作。
2.2.5低通滤波器
本电路采用4阶Butterworth低通滤波器（如图2-6）。
对滤波器的要求是上限频率≥20kHz，在通频带内特性基本平坦。
通过实验，从而得到了一组较佳的参数：
L6=47μH，L7＝47μH，L8=47μH，L9=47H。
19.95kHz处下降2.464dB，可保证20kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；
100kHz、150kHz处分别下降48dB、62dB，完全达到要求。
图2-6驱动电路、H桥互补对称输出及低通滤波电路
2.3信号变换电路
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15所示。
由于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。
由于功放的带负载能力很强，故对变换电路的输入阻抗要求不高，选Rl=R2=R3=R4=20kΩ。
其增益为Av=R3/R1=20/20=1，其上限频率远超过20kHz的指标要求。
图2-7信号变换电路
2.4功率测量及显示电路
功率测量及显示电路由真有效值转换电路和单片机系统组成。
⑴真有效值转换器选用高精度的AD637芯片（图16），其外围元件少、频带宽，精度高于0.5％。
图2-8真有效值转换电路
⑵单片机系统本系统主要由89S5l单片机、A/D转换器AD7492和键盘显示接口电路等组成。
经AD637进行有效值变换后的模拟电压信号送A/D转换器AD7492，由89S51控制AD7492进行模/数转换，并对转换结果进行运算处理，最后送显示电路完成功率显示。
图2-9A/D转换器
第三章系统调试
干扰在大多数情况下都不会造成硬件的损坏，但是会对软件正常运行造成不良的影响。
在此处如果产生干扰，则会使输出电流不稳定，且可调范围不大，则所测的数值误差较大。
3.1硬件抗干扰系统调试
1造成干扰的原因分析：
（1）运放零点漂移
由于运算放大器的零点漂移，温度漂移等带来的误差，可以通过温度补偿措施来解决此误差。
（2）采样电阻自热效应引起的误差
由于电阻在温度上升时阻值会发生变化，因此会引起温度漂移，给系统带来测量的误差。
（3）A/D转换误差
受AD转换器精度及基准源稳定程度的限制，不可避免地带来一定的误差，为了更精确的输出恒流电源，必须选用更多位数的AD、DA芯片。
（4）因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差或粗大误差。
（5）纹波对电流输出的影响。
2解决方案
（1）抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt>
di/dt。
这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。
减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。
我们在此处主要是在电路板上每个IC电源端并接一个0.1μF或0.01μF高频电容，以减小电源对IC的影响。
（2）切断干扰传播路径
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。
高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。
我们在此基础切断干扰源采用了如下措施：
1）在信号输入端增加电压跟随器增加输入阻抗的大小。
2）注意晶振布线。
晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来晶振外壳接地并固定
（3）选用为位数较高的A/D、D/A的芯片，我们在此处采用的都为十二位的芯片。
（4）采用大功率的康铜丝电阻，尽量减少电阻的热效应。
3.2软件系统调试
系统的调试不可能完全依靠硬件来解决，也需要采取软件抗干扰措施辅之，软件抗干扰成本低，见效快，有事半功倍的效果。
本系统采取了如下的软件抗干扰措施：
1、实时屏蔽中断
为了防止发生误中断，只有在量程选择完毕并导通V/A转换电路后才开定时器T0、T1。
2、主动初始化
电压表的程序一经运行，单片机系统的各种功能、端口、方式、状态等都被初始化。
主动初始化不仅要保证上电或复位后程序能够正确地实现各种初始化，而且在程序中每次测距前都要进行寄存器初始化刷新，包括内容不变的寄存器。
第四章系统功能及指标参数
4.1系统功能
4.2指标参数
1.3dB通频带为300Hz～20KHz，输出正弦信号无明显失真。
2．最大不失真输出功率≥1W。
3．输入阻抗>
10k，电压放大倍数1～20连续可调。
4．低频噪声电压（20kHz以下）≤10mv，在电压放大倍数为10，输入端对地交流短路时测量。
5．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%。
4.3主要数据记录
频率
项目
1K
2K
5K
10K
20K
25K
输入功率
输出功率
效率
注：
该模块最大功率为0.75W
第五章总结
在设计制作高效率音频功率放大器的过程中，我们深切体会到，理论与实践相结合的极端重要性。
本系统的研制主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、电子工艺等多方面的知识，所设计的基于单片机程序控制的显示，达到了题目要求，同时也使我们的动手能力和电子设计能力得到了极大锻炼。
系统输出实际测试结果表明，本系统输出波形稳定，不随环境温度变化，并具有很高的精度，输出信号无明显失真，3dB通频带为300Hz～20KHz；
最大不失真输出功率≥1W。
因而可实际应用于需要高效率音频功率放大器等领域。
在系统设计过程中，力求硬件电路参数合理，线路简单，发挥软件编程灵活的特点，通过多次的调试，不断提高系统的精度和电流的稳定性，来满足系统设计的要求。
同时遇到了许多困难和意料之外的事情，设计进度比较慢，但通过仔细的分析和进行多方面的调整后解决了问题。
我们从中体会了共同协作和团队精神的重要性和提高了自身的综合能力。
附录一原理图
附录二PCB板
附录三元件清单
元件名称
型号
数量
备注
电阻
4
24K
2
4.7K
6
3
200
9
电容
104
103
1
33
10uF
4.7uF
电感
47uH
电位器RP
200K
高精度电位器
电位器RP2
发光二极管
LED
三极管
8550
8050
数码管
L3461B8
集成运放
OP07
真有效值转换器
AD637
施密特与非门
CD40106
A/D
AD7492
比较器
LM331
晶振
11.0592M
开关管
IRF9540
IRF540
单片机
AT89s51
附录四软件流程图
附件五程序清单
/************************************
AD7492模数转换
12bitAD
************************************/
#include<
reg51.h>
intrins.h>
typedefunsignedintuint;
typedefunsignedcharuchar;
/*********************************
段码
*********************************/
ucharcodeTable[10]={
0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,
0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
位码
ucharcodeSelect[8]={
0x7f,0xbf,0xdf,0xef,
0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};
CS未用
RD未用
CONVST启动转换信号
BUSY读忙信号
sbitCS=P3^4;
sbitR_D=P3^5;
sbitCONVST=P3^6;
sbitBUSY=P3^7;
bitflag;
//转换标志
uintVolt,Power;
//实际电压功率值
uintA[10];
//AD值暂存区
系统初始化
voidSysInit（void）
{
EA=1;
TMOD=0x01;
TH0=0xfc;
TL0=0x00;
ET0=1;
TR0=1;
}
AD转换
uintRead_AD（void）
uintValue;
//AD读出的有效值
CONVST=1;
CONVST=0;
_nop_（）;
while（BUSY==1）;
CS=0;
R_D=0;
Value=P3&
0x0f;
Value<
<
=8;
Value+=P1;
CS=1;
R_D=1;
return（Value）;
显示函数
voidDisplay（uintTemp）
staticucharnum;
P2=0xff;
switch（num）
{
case0:
P0=Table[Temp/1000]&
0x7f;
break;
case1:
P0=Table[Temp%1000/100];
case2:
P0=Table[Temp%100/10];
case3:
P0=Table[Temp%10];
default:
}
P2=Select[num];
num++;
num%=4;
voidmain（void）
ucharnum=0;
uintTemp;
floatV_Value;
SysInit（）;
while
（1）
if（flag）//启动读AD
{
flag=0;
A[num]=Read_AD（）;
Temp+=A[num];
num++;
if（num==10）//平均值计算
{
V_Value=Temp/10;
Volt=V_Value*250/4095;
Power=Volt*Volt/80;
num=0;
Temp=0;
}
}
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