整理D题 高效率音频功率放大器 作品01.docx
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整理D题 高效率音频功率放大器 作品01.docx
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整理D题高效率音频功率放大器作品01
作品1
作者:
龙戈农殷振国刘静(空军工程大学)
赛前辅导教师:
张安堂王建业文稿整理辅导教师:
王立志
摘要
本系统以高效率D类功率放大器为核心,输出开关管采用高速VMOSFET管,连接成互补对称H桥式结构,最大不失真输出功率大于1W,平均效率可达到70%左右,兼有输出1:
1双变单电路,单片机实现功率测量显示电路。
此外还有输出短路保护及指示、输出音量电平指示等辅助功能,比较理想地实现了设计指标的要求。
一、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4-4-1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。
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%,实际电路也可达到80%-95%,所以我们决定采用D类功率放大器。
(2)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,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:
采用图4-1-2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,可使其能在较低的电压下工作,故选用比方案。
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(电路如图4-1-3所示)。
电路输出载波峰一峰值不可能超过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桥型输出方式(电路如图4-1-4所示)。
此方式可充分利用电源电压,浮动输出载波的峰一峰值可达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VMOSEET管。
VMOSEET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。
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。
方案一:
采用集成数据放大器,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。
3.功率测量电路
方案一:
直接用A/D转换器采祥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4-1-5所示,但算法复杂,软件工作量大。
方案二:
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4-1-6所示),软件工作量小,精度高,速度快。
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
一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如图4-1-7所示。
图4-1-8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。
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。
该电路我们采用满幅运放TLC4502及高速精密电压比较器IM311
来实现(电路如图4-1-9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6OdB,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2.5V,同时设定输出的对称三角波幅度为1V(Vp-p=2V)。
若选定R10为100kΩ,并忽略比较器高电平时R11上的压降,则岛的求解过程如下:
取R9为39kΩ。
选定工作频率为f=150MHz,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Tl为半周期,Tl=TA=1/2f。
VC4的最大值为2V,则
取C4=220pF,R7=1OkΩ,R6采用2OkΩ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。
选用LM311精密、高速比较器,电路如图4-1-10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1OkΩ。
由于三角波VPEP=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)前置放大器电路如图4-1-11所示。
设置前置放大器,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Ri≥1OkΩ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1OkΩ故取R1=R2=51MI,则Ri=51/2=25.5KL反馈电阻采用电位器儿,取R4=20kΩ,反相端电阻R3取2.4kΩ,则前置放大器的最大增手Av为
调整R4使其增益约为8,则整个功放的电压增益从0-32可调。
考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值几Vm<2.5V,取几Vom=2.OV,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。
(3)驱动电路电路如图4-1-12所示。
将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号,用CD4O106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2SC8050和2SA8550对管。
(4)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IRFD120VMOS对管的参数能够满足上述要求,故采用之。
实际电路如图4-1-13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。
(5)低通滤波器本电路采用4阶Butterworth低通滤波器(如图4-1-13)。
对滤波器的要求是上限频率≥20kHz,在通频带内特性基本平坦。
我们采用了电子工作台(EWB)软件进行仿真,从而得到了一组较佳的参数:
L1=22μH
L2=47μH,Cl=1.68μF,C2=1μF。
19.95kHz处下降2.464dB,可保证2OkHz的上限频率,且通带内曲线基本平坦;100kHz、150kHz处分别下降48dB、62dB,完全达到要求。
3.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4-1-14所示。
由于如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=2OkΩ。
其增益为Av=R3/R1=20/20=1,其上限频率远超过20kHz的指标要求。
4.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。
(1)具有效值转换器选用高精度的AD637芯片(图4-1-15),其外围元件少、频带宽,精度高于0.5%。
(2)单片机系统本系统主要由89C51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成。
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控制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8279,4×4键盘及8位数码管显示部分构成。
(3)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4-1-16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、标志位设定、置中断和定时器状态、设置控制口的状态、设置功能键等。
等待功能键输入:
由键盘输入命令和校准参数。
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:
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。
5.短路保护电路
短路(或过流)保护电路的原理电路如图4-1-17所示。
0.lΩ过流取样电阻与8Ω负载串联连接,对O.1Ω电阻上的取样电压进行放大(并完成双变单变换)。
电路由U1B组成的减法放大器完成,选用的运放是NE5532。
R6与R7调整为11kΩ,则该放大器的电压放大倍数为
经放大后的音频信号再通过由D1、C2、R10组成的峰值检波电路,检出幅度电平,送给由LM393组成的电压比较器"+"端,比较器的"-"端电平设置为5.lV,由R12和稳压管D6组成,比较器接成迟滞比较方式,一旦过载,即可锁定状态。
正常工作时,通过0.1Ω上的最大电流幅度Im=5/(8+0.1)=0.62A,0.1Ω上的最大压降为62mV,经放大后输出的电压幅值为Vim×Av=62×51≈3.2V,检波后的直流电压稍小于此值,此时比较器输出低电平,Q1截止,继电器不吸合,处于常闭状态,5V电源通过常闭触点送给功放。
一旦
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