new高效音频功率放大器.doc

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1、高效音频功率放大器一、方案论证与比较根据设计任务的要求，下面对高效功率放大各部分的设计方案分别进行论证与比较。1．高效率功率放大器（1）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%，实际电路可达到80%~95%，所以我们决定采用D类功放。（2）高效D类功放实现电

2、路的选择本题目的核心是功放部分采用哪种电路形式以达到题目要求的性能指标，这是我们成功的关键。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，不利于本题发挥部分的实现。方案二：采用下图所示方式来实现。三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分功能清晰，实现灵活，便于调试。若合理选择器件参数，可使其能在较低电压下工作，故选用此方案。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。方案二：选用H桥型输

3、出方式。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。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。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，使用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VMOSFET管。它具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的的开关特性，故选用高速V

4、MOSFET管。③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。二、主要电路工作原理分析与计算1、D类放大器的工作原理开关功率输出一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如下所示。8Ω三角波产生（或锯齿波）比较器驱动电路低通滤波音频信号输入开关功率输出2、D类功放各部分电路分析与计算（1）脉宽调制器①三角波产生电路如下图所示。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。TLC4502不仅具有较宽的频带，而且可以在较低

5、的电压下满幅输出，既保证能产生线性良好的三角波，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150kHz的载波，使用四阶ButterworthLC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150kHz。电路参数的计算：在5V单元电源供电下，我们将运放肆脚和比较器官肢的电位用R8调整为2.5V，同时设定输出的对称三角波幅度为1V（Vp-p=2V）。若选定R10为100千欧，并忽略比较器高电平时R11上的压降，则R9的求解过程

6、如下：取R9为39kΩ。选定工作频率为f=150kHz,设定R7+R6=20kΩ,kΩ取R9为39kΩ。选定工作频率为f=150kHz，并设定R7+R6=20kΩ，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=220pF,R7=10kΩ,R6采用功20kΩ可调电位器。使振荡频率f在150kHz左右有较大的调整范围。②比较器如下图所示，选用LM311精密、高速比较器，电路因供电为5V单电源，比较器电路为给V+=V-提供2

7、.5V的静态电位，取R12=R15、R13=R14,4个电阻均取值10kΩ。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。（2）前置放大器，如下图所示，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8Ω上的电前置放大电路压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

8、。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R1=R2=51kΩ,则Ri=51/2=25.5kΩ，反馈电阻