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1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 通信电子线路课程设计 题 目 高效音频功率放大器 院 系 电气信息工程学院 专业班级 信13-2 学生姓名 李笥岐 学生学号 5 指导教师 张秀艳、阚玲玲 2015年 7月 24 日东北石油大学课程设计任务书课程 通信电子线路课程设计 题目 高效音频功率放大器 专业 通信工程 姓名 李笥岐 学号 5 主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：设计一个高效音频功率放大器。功率放大器的电源电压为+5V电路其他部分的电源电压不限），负载为8欧姆的电阻。 基本要求：（1）功率放大器a3dB通频带为300Hz3400Hz，输出正弦信号无明显失真。b最大不失真
2、输出功率1W，输入阻抗10k，电压放大倍数120连续可调。（2）设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路，将功率放大器双端输出的信号转换为单端输出，经RC滤波供外接测试仪表用。（3）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%。主要参考资料：1 高扬.AB类音频功率放大器产生选型指南J.电子设计应用，2009，13(2):7885.2 雍家鹏.D类音频功率放大器的研究与设计J.微电子学与固定电子学，2008，15(6):154164.3 徐良雄.基于可编程控制器施密特触发器的分析与设计J.电气传动自动化， 2012，02(2):1318.完成期限 2015年7月2
3、0日2015年7月24日指导教师 专业负责人 2015年 7 月 20日摘要本设计主要由功率放大器、信号变换电路和输出功率显示电路组成。功率放大器部分采用D类功率放大器确保高效率，在5V供电情况下输出功率大于1W，且输出波形无明显失真，低频输出噪声电压很低(输出频率为20kHz以下时低频噪声电压约1mV)；信号变换部分采用差分放大电路，将双端输出信号变为1:1的单端输出信号；输出功率显示部分用乘法器电路及带A/D转换的电压表表头显示功率值，电路简单合理。本文中的D类音频功率放大器的功率器件受一种高频脉宽调制信号的控制工作在开关状态，理论上其效率可以达到100%，其不足之处在于会产生高频干扰及噪
4、声，但是若精心设计低通滤波器及合理地选择元器件参数，其音质噪声完全能够满足人们的需求。关键词：D类放大器；脉宽调制器；H桥互补输出电路；低通滤波器目录1.设计要求12.方案设计13.方案论证13.1高效功率放大器13.2信号变换电路23.3功率测量电路34.单元电路设计、参数计算和器件选择34.1三角波产生电路34.2比较器电路44.3音频前置放大电路54.4驱动电路74.5 H桥互补对称输出及低通滤波电路74.6信号变换电路94.7功率计算及显示电路95.电路的工作原理106.总结117.系统需要的元器件清单12参考文献13作业人员在生产作业时必须按规定穿符合生产作业要求的工作服，袖口与腰带
5、必须牢牢扎紧，不得穿破损工作服，以免在机器运行或设备旋转时受到伤害通信电子线路课程设计（报告）1.设计要求设计一个高效音频功率放大器。功率放大器的电源电压为+5V（电路其他部分的电源电压不限），负载为8欧姆的电阻。基本要求：（1）功率放大器 a3dB通频带为300Hz3400Hz，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。（2）设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路，将功率放大器双端输出的信号转换为单端输出，经RC滤波供外接测试仪表用。（3）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%。2.方案设计根据设
6、计要求，高效音频功率放大器的系统组成框图如图1所示。信号变换电路音频输入高效功率放大器RLRC功率测量电路图1 系统组成框图3.方案论证3.1高效功率放大器方案一：采用 A类、B类、AB类功率放大器。A类放大器也称为甲类放大器，在整个周期内处于导通状态，这种结构失真最小，基本上是线性的，但效率也最低，大约为20%。B类放大器也称为乙类放大器，其功率器件导通时间只有半个周期。在没有信号输入时，功率损失为零。与A类不同，B类放大器的电源供给功率和管耗都会随着输出功率的大小而改变，也改善了A类放大器放大效率低的状况，在理想情况下，理想的效率值为78.5%，因为产生的热量比A类低，可以使用较小的散热器
7、，这种功放和A类功率放大器刚好相反，其输出器件仅导通半个正弦波周期，这类功放效率很明显优于A类，大约为50%，但存在交越失真等非线性问题。AB类功率放大器晶体管工作时间是半个周期至一个周期之间，导通角在180到360之间。其最大优点是改善了B类放大器的非线性，消除了交越失真1。AB类放大器综合上述两种放大器的优点，克服B类放大器非线性失真问题和A类放大器效率低缺点。方案二：采用D类功率放大器。D类放大器是直接从数字音频数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，又称为数字功率放大器，其原理如图2所示。D类功率放大器通过音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度2，功率输出管工作在高频开关状态，具有极高的
8、效率，实际电路中效率也可达到80%-95%。D类功放最大的优点是效率最高，几乎不产生热量，因此无需大型散热器，体积与重量显著减少，失真低，线性佳。低通滤波输出三角波产生器比较器驱动电路音频信号输入图2 D类功率放大器的原理框图方案选择:A类功率放大器提供了很好的线性度，但效率很低；B类和AB类功率放大器通过减少一个周期中晶体管工作的时间来提高效率，同时保持了线性调制的可能性；D类放大器具有最高的工作效率，但是保真度比较低，这可以通过改进D类放大器控制结构来提高保真度，从而实现高效率。经过比较，本设计采用D类功率放大器。3.2信号变换电路方案一：可采用三个运算放大器或单个运算放大器搭制双端信号变
9、单端信号的电路。方案二：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。 方案选择：方案一的问题在于很难达到电阻平衡，且整个电路过于复杂，不宜采用。方案二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，所以采用了此方法。3.3功率测量电路方案一：使用单片机系统，系统采集信号变换电路输出的单端信号的模拟量经A/D转换为数字量，送至LED显示。方案二：使用模拟电路，将电压值变换为功率值。由于，所以将信号变换电路输出电压经乘法器产生平方值电压，取相应比例后电压值恰好与功率值相等，再将此电压值送至三位半表头显示，即形成了功率测量装置。方案选择：方案一涉及电路过于繁杂
10、且成本高，所以没有采用；经多次测试，方案二电路测量精度优于5，符合要求，且线路较简单，再者全部为模拟器件与前面系统风格保持一致，所以采用方案二。4.单元电路设计、参数计算和器件选择4.1三角波产生电路一、电路设计 LM311构成迟滞比较器，其输出一个方波信号，然后通过由运放TLC4502组成积分电路变换为三角波输出。该发生器产生高频线性三角波，用以把D类功率放大器的总谐波失真（THD）减小到最低程度。三角波产生电路如图3所示。图3三角波产生电路二、参数计算三角波的电压幅度决定了调制音频信号的最大幅度，在单电源供电为5V时，将LM311的引脚3的电位调整为2.5V，同时设定输出的对称三角波幅度为
11、1V，其中。假如选择，并且忽略比较器是高电平时上的压降，则：， 一般载波信号（三角波）的频率与调制信号（取正弦）频率有如下关系： (1)选择150kHz的载波，使用四阶Butterworth LC滤波器，输出端对载频的衰减大于60dB，能满足要求，所以选用载波频率为150kHz。选择工作频率，并且假设，则对电容恒流充放电电流：则电容两端的最大电压值为 (2)其中为半周期，由于的最大值为2V，则三、器件选择取取，则采用20的可调电位器，能使振荡频率在150左右有较大的调整范围。4.2比较器电路一、电路设计该电路如图4所示，该电路实质就是一个电压比较器，采用高精密，高速度的比较器芯片LM311构成
12、。同相输入前置放大器的输出信号电压，反相端输入三角波电压，音频信号与三角波信号经比较器比较之后，输出与音频信号成正比的脉宽调制信号。图4比较器电路二、器件选择由电路图4可知，因供电为5V的单电源，为了使，提供2.5V的静态电位，取，且四个电阻的值均取10。由于三角波，所以要求音频信号的不能大于2V，不然会产生失真。4.3音频前置放大电路一、电路设计一般功率放大器输入灵敏度是一样的，不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中，对于输入过低信号，功率放大器输入功率不足，不能充分发挥功率放大器作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器输出信号将严重过载失真，失去音频放大的意义。因此，音频功率放大系统需
13、设置前置放大器。如图5所示，设置前置放大器，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电阻上的电压=8V，此时送给比较器音频信号的值应为2V，则功放的最大增益约为4。因此必须对输入的音频信号进行前置放大，使其增益应大于5。图5前置放大电路二、参数计算选择同相放大器的目的是为了容易实现输入电阻的要求，同时采用满幅运放可使其在降低电源电压时仍然能够正常工作。取要满足输入电阻大于，取电阻则，反馈电阻采用电位器，取，反相端电阻取，则前置放大器的最大增益为： (3)调整，使它的增益为8，则整个功放的电压增益从032可调，且满足的要求。由于前置放大器的最大不失真输出电压的幅值，取，则要求输入的最大音频幅度为：如果超过这个幅度，则输出波形会出现削波失真。三、器件选择取电阻，可满足输入电阻大于。取电阻，反相端电阻取。4.4驱动电路一、电路设计如图6所示，将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，将CD40106施密特触发器并联，以获得较大电流输出，送给由晶体管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保证快速驱动3。图6驱动电路
