畢業(yè)設(shè)計(jì)---高效音頻功率放大電路設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) [論 文]</p><p><b>　　題目：</b></p><p><b>　　系 別：</b></p><p><b>　　專 業(yè)：</b></p><p><b>　　姓 名：</b><

2、/p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　注：任務(wù)書必須由指導(dǎo)教師和學(xué)生互相交流后

3、，由指導(dǎo)老師下達(dá)并交教研室主任審核后發(fā)給學(xué)生，最后同學(xué)生畢業(yè)論文等其它材料一起存檔。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定</p><p><b>　　答辯小組評(píng)定意見(jiàn)</b></p><p>　　一、評(píng)語(yǔ)（根據(jù)學(xué)生答辯情況及其論文質(zhì)量綜合評(píng)定）。</p><p>　　二、評(píng)分（按下表要求評(píng)定）</p>

4、;<p>　　答辯小組成員簽字 </p><p>　　年 月 日 </p><p><b>　　畢業(yè)答辯說(shuō)明</b></p><p>　　1、答辯前，答辯小組成員應(yīng)詳細(xì)審閱每個(gè)答辯學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)

5、（論文），為答辯做好準(zhǔn)備，并根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)給出實(shí)際得分。</p><p>　　2、嚴(yán)肅認(rèn)真組織答辯，公平、公正地給出答辯成績(jī)。</p><p>　　3、指導(dǎo)教師應(yīng)參加所指導(dǎo)學(xué)生的答辯，但在評(píng)定其成績(jī)時(shí)宜回避。</p><p>　　4、答辯中要有專人作好答辯記錄。</p><p><b>　　指導(dǎo)教師評(píng)定意見(jiàn)</b

6、></p><p>　　一、對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的學(xué)術(shù)評(píng)語(yǔ)（應(yīng)具體、準(zhǔn)確、實(shí)事求是）：</p><p>　　簽字： </p><p>　　年 月 日</p><p>　　二、對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)分[按下表要求綜合評(píng)定]。</p><p><b>　?。?/p>

7、1）理工科評(píng)分表</b></p><p><b>　?。?）文科評(píng)分表</b></p><p>　　指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　當(dāng)今家庭影院、音響系統(tǒng)、立體聲唱機(jī)、MP3、

8、MP4等已經(jīng)深入了人們的生活，各類功率放大器在電子產(chǎn)品中更是得到了巨大發(fā)展，人們?cè)谧非蟾弑Ｕ娑纫纛l功放的同時(shí)，也希望功放兼有大的輸出功率和高效率。因此，設(shè)計(jì)一種失真度小、輸出功率大、效率高、低成本的音頻功放具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　論文首先對(duì)音頻功放電路進(jìn)行了研究，比較了各種功放電路的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定了符合要求的功放電路形式.</p><p><b>

9、　　ABSTRACT</b></p><p>　　Audio Power Amplifier is widely used in high performance audio systems，stereophotographs，servo amplifiers,MP3 and MP4.Nowadays,people emphasize highpower andhigh efficiency as w

10、ell as high fidelity feature of audio power amplifier.So it’s worth to designan Audio Power Amplifier with the features of high power and high efficiency.</p><p>　　Firstly,I conducts the research and concret

11、e analysis to the audio frequency poweramplifier that contains dependence sources,including concrete program flow and Definitionform of circuit.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　

12、引言</b></p><p>　　2音頻功率放大器的分類及特點(diǎn)</p><p>　　音頻功率放大器，從電路結(jié)構(gòu)上來(lái)分有:OTL、OCL、BTL;從電路的工作點(diǎn)來(lái)分:A類、B類C類和D類。A類、AB類、B類和C類是線性功率放大器又稱經(jīng)典功率放大器，它們的差別在于偏置情況不同。</p><p>　　2.1 A類功率放大器</p><p&g

13、t;　　A類功率放大器在功率放大電路中，輸入信號(hào)在整個(gè)周期內(nèi)都有電流流過(guò)放大器件，也稱甲類放大。工作在A類放大狀態(tài)的功率放大器，電源始終不斷地輸送功率，在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，這些能量全部消耗在放大器件上，并將轉(zhuǎn)換為熱量的形式耗散出去；當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，其中一部分轉(zhuǎn)換為有用的輸出功率，信號(hào)越大，輸送給負(fù)載的功率越多。</p><p>　　在理想情況下，A類功率放大電路的效率較低，最高也只能達(dá)到50%？計(jì)算一下。尤其是當(dāng)功

14、率放大的輸出管的發(fā)熱量很大，其中有用的音頻信號(hào)僅為20%左右，其余80%的無(wú)用功率都將通過(guò)巨型散熱器以熱能形式散發(fā)出去。故甲類功放不僅非常耗電，效率特低。甲類功放缺點(diǎn)雖多，但多年來(lái)一直以失真最小（無(wú)開關(guān)失真和交越失真）、保真度高而著稱。僅從失真的角度來(lái)看，它是一種優(yōu)質(zhì)的線性放大電路，其聲音表現(xiàn)是相當(dāng)不錯(cuò)的。由于較小的非線性失真，使得A類功率放大器一般都用在較高檔次的音響系統(tǒng)中。</p><p>　　A類功率放大器

15、的典型電路如圖所示。</p><p><b>　　下圖不對(duì)要重畫</b></p><p>　　圖2.1 A類功率放大</p><p>　　A類功率放大器的典型工作狀態(tài)：</p><p>　　圖2.2 A類功率放大器輸入波圖縱軸坐標(biāo)不對(duì)</p><p>　　圖2.3A類功率放大器輸出波形圖</

16、p><p>　　2.2 B類功率放大器</p><p>　　B類功率放大在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)，晶體管導(dǎo)通；在另外半個(gè)周期內(nèi)，晶體管截止。即晶體管的導(dǎo)通時(shí)間正好等于輸入信號(hào)的半個(gè)周期， B類放大也被稱為乙類放大。</p><p>　　B類功率放大器的典型工作狀態(tài)如圖所示。</p><p>　　圖2.4 B類功率放大器輸入波形圖縱軸坐標(biāo)不對(duì)<

17、/p><p>　　圖2.5 B類功率放大器輸出波形圖</p><p>　　一般地，B類功率放大器的靜態(tài)工作電流選在接近零點(diǎn)處，當(dāng)有激勵(lì)信號(hào)輸入時(shí)，其功率管僅有半周導(dǎo)通，使得輸出與輸入有著半周相近的信號(hào)波形。可見(jiàn)，與A類功率放大器相比，B類在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)無(wú)能量消耗，功率轉(zhuǎn)換效率也比較高，最高能達(dá)到78.5%。寫出計(jì)算過(guò)程但這種狀態(tài)失真度就很大了。為了減少B類功率放大器的失真，一般B類放大器都用雙

18、管做成推挽式互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。</p><p>　　B類互補(bǔ)推挽式功率放大器如圖所示。</p><p>　　圖26 B類互補(bǔ)推挽式功率放大器</p><p>　　該電路Vi為零時(shí)，Vo也為零，此時(shí)兩管都截止。隨著Vi的正向增大，Q1基極和發(fā)射極間電壓Vbe也增大，直到大于Vbe(on)時(shí)Q1中才會(huì)有電流流過(guò)。這時(shí)Vo約等于零，呈現(xiàn)射極跟隨器的特點(diǎn)，故隨著Vi的增加Vo線

19、性增加。當(dāng)Vi>0時(shí)，Q2基極和發(fā)射極之間的電壓為反向偏置而使得Q2截止。Vi的繼續(xù)增大最終會(huì)使Q1達(dá)到飽和狀態(tài)。如果Vi負(fù)向變化也會(huì)有類似的結(jié)果，Ql由于反向偏置而截止，Q2呈現(xiàn)射極跟隨器的特點(diǎn)。</p><p>　　該電路在靜態(tài)時(shí)無(wú)工作電流，而在有信號(hào)時(shí)，Q1和Q2輪流導(dǎo)通，兩個(gè)管子互補(bǔ)對(duì)方的不足，工作性能對(duì)稱，所以這種電路通常稱為互補(bǔ)對(duì)稱電路。</p><p>　　由于采用雙電

20、源，不需要耦合電容，故稱它為OCL（output capacitorless），即無(wú)輸出電容互補(bǔ)對(duì)稱放大電路，簡(jiǎn)稱OCL電路。</p><p>　　接下來(lái)對(duì)B類放大器做性能分析：</p><p><b>　　圖2.7輸入波形圖</b></p><p><b>　　圖2.8輸出波形圖</b></p><p

21、>　　不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓小于b—e間開啟電壓時(shí)，Q1管與Q2管均處于截止?fàn)顟B(tài)。也就是說(shuō)，只有當(dāng)電壓高于開啟電壓時(shí)，輸出電壓才跟隨輸入電壓變化。因此，當(dāng)輸入電壓為正弦波時(shí)，在輸入過(guò)零附近輸出電壓降產(chǎn)生失真，波形如上圖所示，這種失真稱為交越失真。</p><p>　　與一般電路相同，消除失真的方法是設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)?？梢栽O(shè)想，若在靜態(tài)時(shí)兩管均處于臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通（即有一個(gè)微小的靜態(tài)電流），則當(dāng)輸入信號(hào)作用

22、時(shí)，就能保證至少有一個(gè)管子導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)雙向跟隨。</p><p>　　為減小和克服交越失真，在兩基極間加上補(bǔ)償二極管及相應(yīng)電路，以供給Q1和Q2兩管一定的正向偏壓，構(gòu)成AB類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路（下圖）。</p><p>　　圖2.9改進(jìn)后的AB類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路</p><p>　　2.3 AB類功率放大器</p><p>　　為了克服A類功放功

23、率過(guò)低的缺陷，我們可以調(diào)低末級(jí)功放的工作電流，使功放在有音頻信號(hào)流過(guò)時(shí)有較大音頻電流輸出，沒(méi)有音頻信號(hào)時(shí)則工作在電流很小（一般僅為幾十毫安）的導(dǎo)通狀態(tài)，這就是現(xiàn)在大多數(shù)中低檔普及型功放所采用的AB類電路。AB類功率放大在輸入信號(hào)的多半個(gè)周期內(nèi)，晶體管是導(dǎo)通的；其余小半個(gè)周期內(nèi)，晶體管是截止的。在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，雖然輸出管存在靜態(tài)電流，但此電流很小，接近于零，則稱此放大電路為AB類放大或甲乙類放大。AB類放大，可以認(rèn)為是A類放大和B類放大

24、的結(jié)合，其靜態(tài)工作點(diǎn)介于兩者之間，具體取值取決于偏置電流的大小和輸出電平。</p><p>　　AB類放大的偏置電路與B類的基本相同，但偏置電流要比B類的稍大，以便使功放進(jìn)入AB類工作狀態(tài)。AB類放大與B類放大相比，雖然同樣減小了靜態(tài)功耗，提高了功率轉(zhuǎn)換效率(介于A類與B類之間)，但同時(shí)也都出現(xiàn)了交越失真，盡管失真程度遠(yuǎn)小于B類。既要保持靜態(tài)時(shí)管耗小，又要使失真不太嚴(yán)重，因此人們就提出采用互補(bǔ)推挽式電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)驅(qū)

25、動(dòng)電平低于輸出功率管的閾值時(shí)，管子均處于微導(dǎo)通狀態(tài)，有一定的靜態(tài)電流流過(guò)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電平高于輸出功率管的閾值時(shí)，其工作狀態(tài)與B類是一樣的。雖然它此時(shí)的線性不及A類，但它可較好地驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載，是A類的補(bǔ)充。</p><p>　　AB類功率放大器的典型工作狀態(tài)如下圖所示。</p><p>　　圖2.10 AB類功率放大器輸入信號(hào)波形圖</p><p>　　圖2.11 AB

26、類功率放大器輸出信號(hào)波形圖</p><p>　　從理論上講，AB類功放的確是存在少量的開關(guān)失真和交越失真，保真度也因此略遜于甲類,而其最大的優(yōu)點(diǎn)則是效率高達(dá)80%左右，因而輸出功率可以做的很大，相信隨著電子元器件素質(zhì)的進(jìn)一步提高，特別是音頻功率管特征頻率已達(dá)到60兆赫，只要在AB類電路上精心調(diào)校，下足功夫，并注意克服失真問(wèn)題，AB類音頻功放的音質(zhì)還是可以達(dá)到極高的水平的。</p><p>

27、<b>　　2.4 C類放大器</b></p><p>　　C類功率放大只有正半周的輸入信號(hào)足夠大時(shí)，晶體管才會(huì)導(dǎo)通，即晶體管的導(dǎo)通時(shí)間小于半個(gè)周期，這就是C類放大的特點(diǎn)。</p><p>　　C類功率放大器的典型工作狀態(tài)：</p><p>　　圖2.12 C類功率放大器輸入信號(hào)波形圖</p><p>　　圖2.13 C

28、類功率放大器輸出信號(hào)波形圖</p><p>　　C類放大器可提供高效率，其功率轉(zhuǎn)換效率大于78.5%。這些放大器主要用于射頻電器加上RCL調(diào)諧回路作為負(fù)載，可用于無(wú)線電臺(tái)和電視發(fā)射系統(tǒng)。由于這些電路屬于特？所以不適合用來(lái)作為音頻放大器。</p><p>　　2.5 D類功率放大器</p><p>　　D類放大是以離散時(shí)間放大器設(shè)計(jì)思想為基礎(chǔ)，并且在很早以前就有人提出

29、，但直到最近，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及便攜式設(shè)備和消費(fèi)類電子的興起，D類音頻功率放大器才重新受到重視。D類功率放大的最大優(yōu)勢(shì)在于其電源功率轉(zhuǎn)換的效率很高，理論上可以達(dá)到100%。與AB類放大器相比，D類放大器需要更小的電源電流，因此具有更長(zhǎng)的電源使時(shí)間或者更低的電源使用成本；另外，D類放大器更低的發(fā)熱量使得更小的封裝成為可能，同時(shí)去掉AB類放大器中所使用的降溫設(shè)備。基于這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于消費(fèi)類電子來(lái)說(shuō)，D類功率放大器顯然更具有吸

30、引力。另外，在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，例如需要設(shè)計(jì)輸出功率為10W的音頻功率放大器，A類B類放大器過(guò)低的電源效率，將會(huì)使電源產(chǎn)生的功率50%以上都消耗在電路里并以發(fā)熱的形式散發(fā)出去，因此，對(duì)于高輸出功率放大器而言，使用A類和AB類放大器將會(huì)產(chǎn)生極高的器件溫度，必須使用特殊的封裝同時(shí)配備降溫設(shè)備，這將占用系統(tǒng)大部分體積。</p><p>　　D類功放通常為推挽電路形式， D類功率放大器的歸一化功率傳遞能力？為0.32，

31、這比B類和A類都好。D類功率放大器雖然不能提供線性調(diào)制，但是它可以得到高效率并不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生過(guò)高的電壓和電流。由于D類功放(包括其它所有開關(guān)功放)面臨的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題是沒(méi)有理想開關(guān)這樣的部件，因此在開關(guān)過(guò)程中非零的飽和電壓肯定會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)功耗，而有限的開關(guān)速度也意味著開關(guān)的V-I積在過(guò)渡期間不為零，因此D類功放效率肯定不能達(dá)到100%。</p><p>　　從以上各類放大器的討論可知，影響放大器效率的基本因素是無(wú)信號(hào)

32、時(shí)的直流功率損耗。無(wú)信號(hào)時(shí)靜態(tài)電流愈大則直流損耗大，效率越低。為此，要提高效率則應(yīng)降低靜態(tài)工作點(diǎn)。但是，信號(hào)導(dǎo)通角逾小波形失真則愈大，輸出信號(hào)中諧波成分越大，這是一對(duì)矛盾。如果輸入波形邊沿很陡直，降低工作點(diǎn)后，對(duì)導(dǎo)通角影響很小，那么失真變化不大而效率又可以提高，波形陡直的極端狀態(tài)類似為矩形波，這種波形，無(wú)論偏置如何變化，由于前后沿是垂直升降的，導(dǎo)通狀態(tài)都不會(huì)變化，這樣就誕生了工作于脈沖放大狀態(tài)的D類放大器。D類放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，無(wú)信

33、號(hào)時(shí)無(wú)電流。事實(shí)上由于關(guān)斷時(shí)器件尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時(shí)，器件并未完全短路，尚有一定管壓降，故存在較少直流損耗，實(shí)際效率在80一90%。是實(shí)用放大器中效率最高的。</p><p>　　正是由于D類放大器的效率高，100瓦輸出的設(shè)備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個(gè)平方厘米，電路板可作的很小，大大減少了體積重量。并且由于工作在比音頻高10余倍的脈沖狀態(tài)，電源整流紋波對(duì)電路工作影響很小。</p><

34、;p>　　由于D類音頻功率放大器與傳統(tǒng)的模擬功放相比，具有體積小，效率高，相對(duì)低的失真，所以具有廣闊的發(fā)展前景。</p><p>　　3高效音頻功率放大電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</p><p><b>　　3.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)并一個(gè)高效率音頻功率放大器及其參

35、數(shù)的測(cè)量、顯示裝置。功率放大器的電源電壓為+5V（電路其他部分的電源電壓不限），負(fù)載為8Ω電阻。</p><p><b>　　3.1.2設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　功率放大器</b></p><p>　　a．3 dB通頻帶為300～3400Hz，輸出正弦信號(hào)無(wú)明顯失真。</p><p&

36、gt;　　b．最大不失真輸出功率≥1W。</p><p>　　c．輸入阻抗>10kΩ，電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)。</p><p>　　d．低頻噪聲電壓(20kHz以下)≤10mV，（電壓放大倍數(shù)為10、輸入端對(duì)地交流短路時(shí)測(cè)量）</p><p>　　e．在輸出功率500mW時(shí)測(cè)量的功率放大器效率(輸出功率/放大器總功耗)≥50％。</p>&

37、lt;p><b>　　測(cè)量顯示部分</b></p><p>　　設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測(cè)量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5％。</p><p><b>　　3.2說(shuō)明</b></p><p>　　采用開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)低頻功率放大(即D類放大)是提高效率的主要途徑之一，D類放大原理框圖如下圖所示。但本設(shè)計(jì)不允

38、許使用D類功率放大集成電路。</p><p>　　圖3.2 D類放大原理框圖</p><p><b>　　3.3方案論證</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，采用D類功率放大器。用音頻信號(hào)的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，通過(guò)LC低通濾波器后輸出音頻信號(hào)。</p><p>　　高效

39、D類功率放大器實(shí)現(xiàn)電路的選擇本題目的核心就是功率放大器部分，采用何種電路形式以達(dá)到題目要求的性能指標(biāo)，這是關(guān)鍵。</p><p>　　圖3.3脈寬調(diào)制器電路</p><p>　　3.3.1脈寬調(diào)制器(PWM)</p><p>　　方案一：可選用專用的脈寬調(diào)制集成塊，但通常有電源電壓的限制，不利于本題的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　方案二：采用圖

40、3所示方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。三角波產(chǎn)生器及比較器分別采用通用集成電路，各部分的功能清晰，實(shí)現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。若合理的選擇器件參數(shù)，可使其能在較低的電壓下工作，故選用此方案。</p><p>　　3.3.2高速開關(guān)電路</p><p><b>　　a.輸出方式</b></p><p>　　方案一：選用推挽單端輸出方式(電路如圖4所示)。電路輸出載波峰-峰值

41、不可能超過(guò)5V電源電壓，最大輸出功率遠(yuǎn)達(dá)不到題目的基本要求。</p><p>　　圖3.4高速開關(guān)電路</p><p>　　方案二：選用H橋型輸出方式(電路如圖5所示)。此方式可充分利用電源電壓，浮動(dòng)輸出載波的峰-峰值可達(dá)10 V，有效地提高了輸出功率，且能達(dá)到題目所有指標(biāo)要求，故選用此輸出電路形式。</p><p>　　圖3.5高速開關(guān)電路</p>

42、<p>　　3.3.3開關(guān)管的選擇。</p><p>　　為提高功率放大器的效率和輸出功率，開關(guān)管的選擇非常重要，對(duì)它的要求是高速、低導(dǎo)通電阻、低損耗。</p><p>　　方案一：選用晶體三極管、IGBT管。晶體三極管需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，并存在儲(chǔ)存時(shí)間，開關(guān)特性不夠好，使整個(gè)功放的靜態(tài)損耗及開關(guān)過(guò)程中的損耗較大；IGBT管的最大缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降太大。</p><

43、;p>　　方案二：選用VMMOSFET管。VMOSFET管具有較小的驅(qū)動(dòng)電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開關(guān)特性，故選用高速VMOSFET管。</p><p>　　3.3.4濾波器的選擇</p><p>　　方案一：采用兩個(gè)相同的二階Butterworth低通濾波器。缺點(diǎn)是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。</p><p>　　方案二：采用兩個(gè)相同的四階Butter

44、worth低通濾波器，在保證20kHz頻帶的前提下使負(fù)載上的高頻載波電壓進(jìn)一步得到衰減。電路呢？</p><p>　　3.3.5信號(hào)變換電路</p><p>　　由于采用浮動(dòng)輸出，要求信號(hào)變換電路具有雙端變單端的功能，且增益為1。</p><p>　　方案一：采用集成數(shù)據(jù)放大器，精度高，但價(jià)格較貴。</p><p>　　方案二：由于功放輸出具

45、有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，故對(duì)變換電路輸入阻抗要求不高，所以可選用較簡(jiǎn)單的單運(yùn)放組成的差動(dòng)式減法電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路呢？</p><p>　　3.3.6功率測(cè)量電路</p><p>　　方案一：直接用A/D轉(zhuǎn)換器采樣音頻輸出的電壓瞬時(shí)值，用單片機(jī)計(jì)算有效值和平均功率，原理框圖如圖6所示，但算法復(fù)雜，軟件工作量大。</p><p>　　圖3.6功率測(cè)量電路</p>

46、<p>　　方案二：由于功放輸出信號(hào)不是Hz頻帶內(nèi)的任意波形，故必須采單一頻率，而是20 k用真有效值變換電路。此方案采用真有效值轉(zhuǎn)換專用芯片，先得到音頻信號(hào)電壓的真有效值。</p><p>　　再用A/D轉(zhuǎn)換器采樣該有效值，直接用單片機(jī)計(jì)算平均功率(原理框圖如圖3.7所示）。</p><p>　　圖3.7功率測(cè)量電路</p><p>　　4主要電路工作

47、原理分析與計(jì)算</p><p>　　4.1D類放大器的工作原理</p><p>　　一般的脈寬調(diào)制D類功放原理方框圖如圖8？所示。圖4.2為工作波形示意，其中（a）為輸入信號(hào)；(b)為鋸齒波與輸入信號(hào)進(jìn)行比較的波形；(c)為調(diào)制器輸出的脈沖(調(diào)寬脈沖)；(d)為功率放大器放大后的調(diào)寬脈沖；(e)為低通濾波后的放大信號(hào)。</p><p>　　圖4.1D類放大器的工作原

48、理</p><p>　　圖4.2 D類放大器的工作波形示意圖</p><p>　　4.2 D類功放各部分電路分析與計(jì)算</p><p>　　4.2.1脈寬調(diào)制器</p><p>　　三角波產(chǎn)生電路。該電路我們采用滿幅運(yùn)放TLC4502及高速精密電壓比較器LM311來(lái)實(shí)現(xiàn)(電路如圖10所示？)。TLC4502不僅具有較寬的頻帶，而且可以在較低的

49、電壓下滿幅輸出，既保證能產(chǎn)生線性良好的三角波，而且可達(dá)到發(fā)揮部分對(duì)功放在低電壓下正常工作的要求。</p><p>　　載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實(shí)現(xiàn)，選擇150 kHz的載波，使用四階BultterworthLC濾波器，輸出端對(duì)載頻的衰減大于60dB，能滿足題目的要求，所以我們選用載波頻率為150 kHz。</p><p>　　電路參數(shù)的計(jì)算：在5V單電源供電下，我們將

50、運(yùn)放5腳和比較器3腳的電位用R8調(diào)整為2.5 V，同時(shí)設(shè)定輸出的對(duì)稱三角波幅度為1 V(Vp-p＝2V)。若選定R10為100 kΩ，并忽略比較器高電平時(shí)R11上的壓降，則R9的求解過(guò)程如下：</p><p>　　取R9為39 kΩ。</p><p>　　圖4.3三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　選定工作頻率為f=150 kHz，并設(shè)定R7+R6=20kΩ，則電容

51、C3的計(jì)算過(guò)程如下:</p><p>　　對(duì)電容的恒流充電或放電電流為</p><p>　　則電容兩端最大電壓值為</p><p>　　其中T1為半周期，T1=T/2=1/2f 。Vc4的最大值為2V，則</p><p>　　取C4=220 pF，R7=10kΩ，R6采用20 kΩ可調(diào)電位器。使振蕩頻率在150 kHz左右有較大的調(diào)整范圍。&

52、lt;/p><p><b>　　圖4.4比較器電路</b></p><p><b>　　4.2.2比較器</b></p><p>　　選用LM311精密、高速比較器，電路如圖4.4所示，因供電為5V單電源，為給V+=V-提供2.5V的靜態(tài)電位，取R12=R15，R13=R14，4個(gè)電阻均取10 kΩ。由于三角波Vp-p=2V，

53、所以要求音頻信號(hào)的Vp-p不能大于2V，否則會(huì)使功放產(chǎn)生失真。</p><p>　　4.2.3前置放大器電路</p><p>　　如圖4.5所示。設(shè)置前置放大器，可使整個(gè)功放的增益從1～20連續(xù)可調(diào)，而且也保證了比較器的比較精度。當(dāng)功放輸出的最大不失真功率為1W時(shí)，其8Ω上的電壓Vp-p=8V，此時(shí)送給比較器音頻信號(hào)的Vp-p值應(yīng)為2V，則功放的最大增益約為4（實(shí)際上，功放的最大不失真功率

54、要略大于1W，其電壓增益要略大于4）。因此必須對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行前置放大，其增益應(yīng)大于5。</p><p>　　前放仍采用寬頻帶、低漂移、滿幅運(yùn)放TLC4502，組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。選擇同相放大器的目的是容易實(shí)現(xiàn)輸入電阻Ri≥10kΩ的要求。同時(shí)，采用滿幅運(yùn)放可在降低電源電壓時(shí)仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求輸入電阻Ri大于10kΩ，故取R1=R2=51kΩ，則Ri=51/2=25.5

55、kΩ，反饋電阻采用電位器R4，取R4=20kΩ，反相端電阻R3取2.4kΩ，則前置放大器的最大增益Av為</p><p>　　圖4.5前置放大器電路</p><p>　　調(diào)整R4使其增益約為8，則整個(gè)功放的電壓增益從0～32可調(diào)。</p><p>　　考慮到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值Vom<2.5V，取Vom=2.0V，則要求輸入的音頻最大幅度Vim

56、<(Vom/Av)=2/8=250mV。超過(guò)此幅度則輸出會(huì)產(chǎn)生削波失真。</p><p><b>　　4.2.4驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　如圖4.6所示。將PWM信號(hào)整形變換成互補(bǔ)對(duì)稱的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用CD40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)運(yùn)用以獲得較大的電流輸出，送給由晶體三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器驅(qū)動(dòng)的輸出管，保證了快速驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路晶體三極管選用

57、2SC8050和2SA8550對(duì)管。</p><p>　　H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路對(duì)VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。因輸出功率稍大于1W，屬小功率輸出，可選用功率相對(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管，IRFD120和IRFD9120 VMOS對(duì)管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實(shí)際電路如圖4.7所示。互補(bǔ)PWM開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開啟Q5和Q8或Q6和Q7，分別經(jīng)兩個(gè)4階Butterwo

58、rth濾波器濾波后推動(dòng)喇叭工作。</p><p><b>　　圖4.6驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　圖4.7 H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出及低通濾波電路</p><p>　　4.2.5低通濾波電路</p><p>　　本電路采用4階Butterworth低通濾波器(如圖14)。？對(duì)濾波器的要求是上限頻率≥20 kHz，在通頻

59、帶內(nèi)特性基本平坦。</p><p>　　采用了電子工作臺(tái)(EWB)軟件進(jìn)行仿真，從而得到一組較佳的參數(shù)：L1=22μH，L2＝47μH，C1=l.68μH，C2=1μH。19.95 kHz處下降2.464 dB，可保證20 kHz的上限頻率，且通帶內(nèi)曲線基本平坦；100 kHz、150 kHz處分別下降48 dB、62 dB，完全達(dá)到要求。你能拿出仿真圖嗎？</p><p>　　4.2.6

60、信號(hào)變換電路</p><p>　　電路要求增益為1，將雙端變?yōu)閱味溯敵?，運(yùn)放選用寬帶運(yùn)放NE5532，電路如圖15所示。由于對(duì)這部分電路的電源電壓不加限制，可不必采用價(jià)格較貴的滿幅運(yùn)放。由于功放的帶負(fù)載能力很強(qiáng)，故對(duì)變換電路的輸入阻抗要求不高，選Rl=R2=R3=R4=20kΩ。其增益為Av=R3/R1=20/20=1，其上限頻率遠(yuǎn)超過(guò)20 kHz的指標(biāo)要求。</p><p>　　圖4.8

61、信號(hào)變換電路</p><p>　　4.2.7功率測(cè)量及顯示電路</p><p>　　功率測(cè)量及顯示電路由真有效值轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)系統(tǒng)組成。</p><p>　　真有效值轉(zhuǎn)換器選用高精度的AD637芯片(圖4.9)，其外圍元件少、頻帶寬，精度高于0.5％。</p><p>　　圖4.9真有效值轉(zhuǎn)換電路</p><p>　

62、　單片機(jī)系統(tǒng)本系統(tǒng)主要由89C5l單片機(jī)、可編程邏輯器件EPM7128、A/D轉(zhuǎn)換器AD574和鍵盤顯示接口電路等組。</p><p>　　經(jīng)AD637進(jìn)行有效值變換后的模擬電壓信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換器AD574，由89C51控AD574進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理，最后送顯示電路完成功率顯示。其中EPM7128完成地址譯碼和各種控制信號(hào)的產(chǎn)生，62256用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的處理。</p><

63、p>　　鍵盤顯示電路用于調(diào)試過(guò)程中的參數(shù)校準(zhǔn)輸入，主要由顯示接口芯片8279，4×4鍵盤及8位數(shù)碼管顯示部分構(gòu)成。</p><p>　?、擒浖O(shè)計(jì) 本系統(tǒng)用軟件設(shè)計(jì)了特殊功能鍵，通過(guò)對(duì)鍵盤的簡(jiǎn)單操作，便可實(shí)現(xiàn)功率放大器輸出功率的直接顯示(以十進(jìn)制數(shù)顯示)，精確到小數(shù)點(diǎn)后4位，顯示誤差小于4.5％。</p><p>　　本系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，功能模塊各自獨(dú)立。

64、軟件主體流程圖如圖17所示。</p><p>　　系統(tǒng)初始化：加電后完成系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)變量的初始化。其中包括變量設(shè)置、標(biāo)志位定、置中斷和定時(shí)器狀態(tài)、設(shè)置控制口的狀態(tài)、設(shè)置功能鍵等。</p><p>　　控制測(cè)量：由單片機(jī)讀取所設(shè)定的數(shù)值，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。</p><p>　　顯示測(cè)量結(jié)果：AT89C51控制8279顯示接口芯片，使用8位</p><

65、;p>　　數(shù)碼管顯示測(cè)量的輸出功率。</p><p>　　圖17軟件主體流程圖</p><p>　　4.2.8音量顯示電路</p><p>　　音量顯示電路由專用集成塊TA7666P實(shí)現(xiàn)，通過(guò)多個(gè)發(fā)光二極管來(lái)直觀指示音量的大小，電路如圖19所</p><p><b>　　圖19音量顯示電路</b></p>

66、;<p><b>　　4.2.9電源</b></p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)既包括模擬電路也包括數(shù)字電路，為減少相互干擾，本系統(tǒng)采用自帶4路電源：+5V,+5V,+12V.-12V.分別對(duì)各部分電路供電。電路圖如圖所示。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)

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