1高效率音频功率放大器Word格式文档下载.docx

1、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 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

2、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8095，所二和任何以我们决定采用D类功率放大器。 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。 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

3、低的电压下工作，故选用此方案。图1-2 脉宽调制器电路 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

4、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。 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

5、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

6、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

7、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2.1 D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2-1 D类放大器的工作原理 图2-2

8、D类放大器的工作波形示意图2.2 D类功放各部分电路分析与计算2.2.1脉宽调制器三角波产生电路。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

9、个输入端。图2-3 三角波产生电路比较器。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100 k。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120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

10、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Ri10k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10k，故取反馈电阻采用电位器R4，取R4=200k，反相端电阻R3取10k，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 021 可调。考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值Vom2.5V，取Vom=2.0

11、V，则要求输入的音频最大幅度Vom.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0.1F或0.01F 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，

12、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

13、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300Hz20KHz，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120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 1K2K5K10K20K25K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

14、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300Hz20KHz；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

15、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424K24.7K632009电容10410313310uF4.7uF电感47uH电位器RP200K高精度电位器电位器RP2发光二极管LED三极管85508050数码管L3461B8集成运放OP07真有效值转换器AD637施密特与非门CD40106A/DAD7492比较器LM331晶振11.0592M开关管IRF9540IRF540单片机AT89s51附录四 软件流程图附件五 程序清

16、单/* AD7492 模数转换 12 bit AD*/#include intrins.htypedef unsigned int uint;typedef unsigned char uchar;/* 段码*/uchar code Table10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; 位码uchar code Select8=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sbit CS=P34;sbit R_D=P35;sb

17、it CONVST=P36;sbit BUSY=P37;bit flag;/转换标志uint Volt,Power;/实际电压 功率值uint A10;/AD值暂存区 系统初始化void SysInit（void） EA=1; TMOD=0x01; TH0=0xfc; TL0=0x00; ET0=1; TR0=1; AD转换uint Read_AD（void） uint Value;/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;

18、 R_D=1; return（Value）; 显示函数void Display（uint Temp） static uchar num; P2=0xff; switch（num） case 0: P0=TableTemp/1000&0x7f; break; case 1: P0=TableTemp%1000/100; case 2: P0=TableTemp%100/10; case 3: P0=TableTemp%10; default: P2=Selectnum; num+; num%=4;void main（void） uchar num=0; uint Temp; float V_Value; SysInit（）; while（1） if（flag）/启动读AD flag=0; Anum=Read_AD（）; Temp+=Anum; 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;