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1、高效音频功率放大电路设计摘要当今家庭影院、音响系统、立体声唱机、MP3、MP4等已经深入了人们的生活，各类功率放大器在电子产品中更是得到了巨大发展，人们在追求高保真度音频功放的同时，也希望功放兼有大的输出功率和高效率。因此，设计一种失真度小、输出功率大、效率高、低成本的音频功放具有很重要的现实意义。论文首先对音频功放电路进行了研究，比较了各种功放电路的优缺点，根据设计要求，确定了符合要求的功放电路形式.ABSTRACT Audio Power Amplifier is widely used in high performance audio systems，stereophotographs
2、，servo amplifiers,MP3 and MP4.Nowadays,people emphasize highpower andhigh efficiency as well as high fidelity feature of audio power amplifier.So its worth to designan Audio Power Amplifier with the features of high power and high efficiency.Firstly,I conducts the research and concrete analysis to t
3、he audio frequency poweramplifier that contains dependence sources,including concrete program flow and Definitionform of circuit. 2音频功率放大器的分类及特点音频功率放大器，从电路结构上来分有:OTL、OCL、BTL;从电路的工作点来分:A类、B类C类和D类。A类、AB类、B类和C类是线性功率放大器又称经典功率放大器，它们的差别在于偏置情况不同。2.1 A类功率放大器A类功率放大器在功率放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，也称甲类放大。工作在A类放
4、大状态的功率放大器，电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时，这些能量全部消耗在放大器件上，并将转换为热量的形式耗散出去；当有信号输入时，其中一部分转换为有用的输出功率，信号越大，输送给负载的功率越多。在理想情况下，A类功率放大电路的效率较低，最高也只能达到50%？计算一下。尤其是当功率放大的输出管的发热量很大，其中有用的音频信号仅为20%左右，其余80%的无用功率都将通过巨型散热器以热能形式散发出去。故甲类功放不仅非常耗电，效率特低。甲类功放缺点虽多，但多年来一直以失真最小（无开关失真和交越失真）、保真度高而著称。仅从失真的角度来看，它是一种优质的线性放大电路，其声音表现是相当不错的。由于较
5、小的非线性失真，使得A类功率放大器一般都用在较高档次的音响系统中。A类功率放大器的典型电路如图所示。下图不对要重画图2.1 A类功率放大A类功率放大器的典型工作状态：图2.2 A类功率放大器输入波图纵轴坐标不对图2.3A类功率放大器输出波形图2.2 B类功率放大器B类功率放大在输入信号的半个周期内，晶体管导通；在另外半个周期内，晶体管截止。即晶体管的导通时间正好等于输入信号的半个周期， B类放大也被称为乙类放大。B类功率放大器的典型工作状态如图所示。图2.4 B类功率放大器输入波形图纵轴坐标不对图2.5 B类功率放大器输出波形图一般地，B类功率放大器的静态工作电流选在接近零点处，当有激励信号输
6、入时，其功率管仅有半周导通，使得输出与输入有着半周相近的信号波形。可见，与A类功率放大器相比，B类在无信号输入时无能量消耗，功率转换效率也比较高，最高能达到78.5%。写出计算过程但这种状态失真度就很大了。为了减少B类功率放大器的失真，一般B类放大器都用双管做成推挽式互补对称结构。B类互补推挽式功率放大器如图所示。图26 B类互补推挽式功率放大器该电路Vi为零时，Vo也为零，此时两管都截止。随着Vi的正向增大，Q1基极和发射极间电压Vbe也增大，直到大于Vbe(on)时Q1中才会有电流流过。这时Vo约等于零，呈现射极跟随器的特点，故随着Vi的增加Vo线性增加。当Vi0时，Q2基极和发射极之间的
7、电压为反向偏置而使得Q2截止。Vi的继续增大最终会使Q1达到饱和状态。如果Vi负向变化也会有类似的结果，Ql由于反向偏置而截止，Q2呈现射极跟随器的特点。该电路在静态时无工作电流，而在有信号时，Q1和Q2轮流导通，两个管子互补对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为互补对称电路。由于采用双电源，不需要耦合电容，故称它为OCL（output capacitorless），即无输出电容互补对称放大电路，简称OCL电路。接下来对B类放大器做性能分析： 图2.7输入波形图图2.8输出波形图不难发现，当输入电压小于be间开启电压时，Q1管与Q2管均处于截止状态。也就是说，只有当电压高于开启电压时，
8、输出电压才跟随输入电压变化。因此，当输入电压为正弦波时，在输入过零附近输出电压降产生失真，波形如上图所示，这种失真称为交越失真。与一般电路相同，消除失真的方法是设置合适的静态工作点。可以设想，若在静态时两管均处于临界导通或微导通（即有一个微小的静态电流），则当输入信号作用时，就能保证至少有一个管子导通，实现双向跟随。为减小和克服交越失真，在两基极间加上补偿二极管及相应电路，以供给Q1和Q2两管一定的正向偏压，构成AB类互补对称功放电路（下图）。图2.9改进后的AB类互补对称功放电路2.3 AB类功率放大器为了克服A类功放功率过低的缺陷，我们可以调低末级功放的工作电流，使功放在有音频信号流过时有
9、较大音频电流输出，没有音频信号时则工作在电流很小（一般仅为几十毫安）的导通状态，这就是现在大多数中低档普及型功放所采用的AB类电路。AB类功率放大在输入信号的多半个周期内，晶体管是导通的；其余小半个周期内，晶体管是截止的。在没有输入信号时，虽然输出管存在静态电流，但此电流很小，接近于零，则称此放大电路为AB类放大或甲乙类放大。AB类放大，可以认为是A类放大和B类放大的结合，其静态工作点介于两者之间，具体取值取决于偏置电流的大小和输出电平。AB类放大的偏置电路与B类的基本相同，但偏置电流要比B类的稍大，以便使功放进入AB类工作状态。AB类放大与B类放大相比，虽然同样减小了静态功耗，提高了功率转换
10、效率(介于A类与B类之间)，但同时也都出现了交越失真，尽管失真程度远小于B类。既要保持静态时管耗小，又要使失真不太严重，因此人们就提出采用互补推挽式电路结构。当驱动电平低于输出功率管的阈值时，管子均处于微导通状态，有一定的静态电流流过；当驱动电平高于输出功率管的阈值时，其工作状态与B类是一样的。虽然它此时的线性不及A类，但它可较好地驱动低阻抗负载，是A类的补充。AB类功率放大器的典型工作状态如下图所示。图2.10 AB类功率放大器输入信号波形图图2.11 AB类功率放大器输出信号波形图从理论上讲，AB类功放的确是存在少量的开关失真和交越失真，保真度也因此略逊于甲类,而其最大的优点则是效率高达8
11、0%左右，因而输出功率可以做的很大，相信随着电子元器件素质的进一步提高，特别是音频功率管特征频率已达到60兆赫，只要在AB类电路上精心调校，下足功夫，并注意克服失真问题，AB类音频功放的音质还是可以达到极高的水平的。2.4 C类放大器C类功率放大只有正半周的输入信号足够大时，晶体管才会导通，即晶体管的导通时间小于半个周期，这就是C类放大的特点。C类功率放大器的典型工作状态：图2.12 C类功率放大器输入信号波形图图2.13 C类功率放大器输出信号波形图C类放大器可提供高效率，其功率转换效率大于78.5%。这些放大器主要用于射频电器加上RCL调谐回路作为负载，可用于无线电台和电视发射系统。由于这
12、些电路属于特？所以不适合用来作为音频放大器。2.5 D类功率放大器D类放大是以离散时间放大器设计思想为基础，并且在很早以前就有人提出，但直到最近，随着半导体制造技术的进一步发展以及便携式设备和消费类电子的兴起，D类音频功率放大器才重新受到重视。D类功率放大的最大优势在于其电源功率转换的效率很高，理论上可以达到100%。与AB类放大器相比，D类放大器需要更小的电源电流，因此具有更长的电源使时间或者更低的电源使用成本；另外，D类放大器更低的发热量使得更小的封装成为可能，同时去掉AB类放大器中所使用的降温设备。基于这两个优点，对于消费类电子来说，D类功率放大器显然更具有吸引力。另外，在一些特殊的应用
13、场合，例如需要设计输出功率为10W的音频功率放大器，A类B类放大器过低的电源效率，将会使电源产生的功率50%以上都消耗在电路里并以发热的形式散发出去，因此，对于高输出功率放大器而言，使用A类和AB类放大器将会产生极高的器件温度，必须使用特殊的封装同时配备降温设备，这将占用系统大部分体积。D类功放通常为推挽电路形式， D类功率放大器的归一化功率传递能力？为0.32，这比B类和A类都好。D类功率放大器虽然不能提供线性调制，但是它可以得到高效率并不会对器件产生过高的电压和电流。由于D类功放(包括其它所有开关功放)面临的一个实际问题是没有理想开关这样的部件，因此在开关过程中非零的饱和电压肯定会产生静态
14、功耗，而有限的开关速度也意味着开关的V-I积在过渡期间不为零，因此D类功放效率肯定不能达到100%。从以上各类放大器的讨论可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的直流功率损耗。无信号时静态电流愈大则直流损耗大，效率越低。为此，要提高效率则应降低静态工作点。但是，信号导通角逾小波形失真则愈大，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
15、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3.1设计任务与要求3.1.1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
16、源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8电阻。3.1.2设计要求功率放大器a3 dB通频带为3003400Hz，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120连续可调。d低频噪声电压(20kHz以下)10mV，（电压放大倍数为10、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。3.2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
17、类功率放大集成电路。图3.2 D类放大原理框图3.3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3.3脉宽调制器电路3.3.1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
18、的电压下工作，故选用此方案。3.3.2高速开关电路a.输出方式方案一：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3.4高速开关电路方案二：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3.5高速开关电路3.3.3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
19、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。3.3.4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？3.3.5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
20、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？3.3.6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3.6功率测量电路方案二：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3.7所示）。图3.7功率测量电路 4主要电
21、路工作原理分析与计算4.1D类放大器的工作原理一般的脉宽调制D类功放原理方框图如图8？所示。图4.2为工作波形示意，其中（a）为输入信号；(b)为锯齿波与输入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4.1D类放大器的工作原理图4.2 D类放大器的工作波形示意图4.2 D类功放各部分电路分析与计算4.2.1脉宽调制器三角波产生电路。该电路我们采用满幅运放TLC4502及高速精密电压比较器LM311来实现(电路如图10所示？)。TLC4502不仅具有较宽的频带，而且可以在较低的电压下满幅输出，既保证能产生线性良好
22、的三角波，而且可达到发挥部分对功放在低电压下正常工作的要求。载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路的实现，选择150 kHz的载波，使用四阶BultterworthLC滤波器，输出端对载频的衰减大于60dB，能满足题目的要求，所以我们选用载波频率为150 kHz。电路参数的计算：在5V单电源供电下，我们将运放5脚和比较器3脚的电位用R8调整为2.5 V，同时设定输出的对称三角波幅度为1 V(Vp-p2V)。若选定R10为100 k，并忽略比较器高电平时R11上的压降，则R9的求解过程如下：取R9为39 k。图4.3三角波产生电路选定工作频率为f=150 kHz，并设定R7+R6=20k，
23、则电容C3的计算过程如下:对电容的恒流充电或放电电流为则电容两端最大电压值为其中T1为半周期，T1=T/2=1/2f 。Vc4的最大值为2V，则取C4=220 pF，R7=10k，R6采用20 k可调电位器。使振荡频率在150 kHz左右有较大的调整范围。图4.4比较器电路4.2.2比较器选用LM311精密、高速比较器，电路如图4.4所示，因供电为5V单电源，为给V+=V-提供2.5V的静态电位，取R12=R15，R13=R14，4个电阻均取10 k。由于三角波Vp-p=2V，所以要求音频信号的Vp-p不能大于2V，否则会使功放产生失真。4.2.3前置放大器电路如图4.5所示。设置前置放大器，
24、可使整个功放的增益从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TLC4502，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R1=R2=51k，则Ri=51/
25、2=25.5k，反馈电阻采用电位器R4，取R4=20k，反相端电阻R3取2.4k，则前置放大器的最大增益Av为图4.5前置放大器电路调整R4使其增益约为8，则整个功放的电压增益从032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=2.0V，则要求输入的音频最大幅度Vim(Vom/Av)=2/8=250mV。超过此幅度则输出会产生削波失真。4.2.4驱动电路如图4.6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
26、2SC8050和2SA8550对管。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，IRFD120和IRFD9120 VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。实际电路如图4.7所示。互补PWM开关驱动信号交替开启Q5和Q8或Q6和Q7，分别经两个4阶Butterworth滤波器滤波后推动喇叭工作。图4.6驱动电路图4.7 H桥互补对称输出及低通滤波电路4.2.5低通滤波电路本电路采用4阶Butterworth低通滤波器(如图14)。？对滤波器的要求是上限频率20 kH
27、z，在通频带内特性基本平坦。采用了电子工作台(EWB)软件进行仿真，从而得到一组较佳的参数：L1=22H，L247H，C1=l.68H，C2=1H。19.95 kHz处下降2.464 dB，可保证20 kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；100 kHz、150 kHz处分别下降48 dB、62 dB，完全达到要求。你能拿出仿真图吗？4.2.6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=20
28、k。其增益为Av=R3/R1=20/20=1，其上限频率远超过20 kHz的指标要求。图4.8信号变换电路4.2.7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。真有效值转换器选用高精度的AD637芯片(图4.9)，其外围元件少、频带宽，精度高于0.5。图4.9真有效值转换电路单片机系统本系统主要由89C5l单片机、可编程逻辑器件EPM7128、A/D转换器AD574和键盘显示接口电路等组。经AD637进行有效值变换后的模拟电压信号送A/D转换器AD574，由89C51控AD574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。其中EPM7128
29、完成地址译码和各种控制信号的产生，62256用于存储数据的处理。键盘显示电路用于调试过程中的参数校准输入，主要由显示接口芯片8279，44键盘及8位数码管显示部分构成。软件设计 本系统用软件设计了特殊功能键，通过对键盘的简单操作，便可实现功率放大器输出功率的直接显示(以十进制数显示)，精确到小数点后4位，显示误差小于4.5。本系统软件采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立。软件主体流程图如图17所示。系统初始化：加电后完成系统硬件和系统变量的初始化。其中包括变量设置、标志位定、置中断和定时器状态、设置控制口的状态、设置功能键等。控制测量：由单片机读取所设定的数值，进行数据的处理。显示测量结果
30、：AT89C51控制8279显示接口芯片，使用8位数码管显示测量的输出功率。图17软件主体流程图 4.2.8音量显示电路音量显示电路由专用集成块TA7666P实现，通过多个发光二极管来直观指示音量的大小，电路如图19所图19音量显示电路4.2.9电源 整个系统既包括模拟电路也包括数字电路，为减少相互干扰，本系统采用自带4路电源：+5V,+5V,+12V.-12V.分别对各部分电路供电。电路图如图所示。总体电路图、设计总结？页码、图号、文中大小标题、字号等都要整理完成设计总结。说明你的设计创新点，总结本次设计的收获、尚存在的问题和拟定的解决方向 参考文献：1全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编 北
31、京理工大学出版社2电子元器件与使用电路基础 韩广兴著 电子工业出版社3数字电子技术基础 阎石著 高等教育出版社4模拟电子技术基础 童诗白著 高等教育出版社5新型集成器件实用电路 杨帮文编 电子工业出版社6大学生电子设计竞赛培训系列教程 高吉祥 电子工业出版社 【】【】浦志伟音频功率集成电路及功率器件的研究【】杭州：浙江大学，【】张虔铭谈谈音频功放的类别】影音初步技术篇，（）：【】周全才，李斌数字音频功率放大器的技术与现状【】声频工程和设备，：【】陈艳一种音频功率放大器芯片的设计【】武汉：华中科技大学，【】朗静功率集成电路的研究和设计【】西安：西安电子科技大学，【】莫爱雄音色纯美的纯直流眦一大功率纯甲类功放家庭电子，（）：【】孙庆有，门秀萍音频功率放大器设计】家庭影院技术，（）： 嬲 ，【】，【】夏奇兵电工电子技术基础】北京：机械工业出版社，：，【】刘兆军基于双极工艺的音频功率放大器设计【】西安：西安电子科技大学， ? 【 ，（）：【】曾鸣晶体管音频功放系列谈】家庭影院技术，（）：【格雷拟集成电路的分析与设计【】（第四版）张晓林译北京：高等教育出版【】康华光电子技术基础【】模拟部分（第四版）北京：高等教育出版社，：【】
