高效音頻功率放大電路設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-27 19:46 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 不為零，因此D類功放效率肯定不能達(dá)到100%。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)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)信號(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。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。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。3高效音頻功率放大電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)并一個(gè)高效率音頻功率放大器及其參數(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。功率放大器a．3 dB通頻帶為300～3400Hz，輸出正弦信號(hào)無(wú)明顯失真。b．最大不失真輸出功率≥1W。c．輸入阻抗10kΩ，電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)。d．低頻噪聲電壓(20kHz以下)≤10mV，（電壓放大倍數(shù)為輸入端對(duì)地交流短路時(shí)測(cè)量）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％。測(cè)量顯示部分設(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％。采用開(kāi)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)不允許使用D類功率放大集成電路。 D類放大原理框圖根據(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(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)LC低通濾波器后輸出音頻信號(hào)。高效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。(PWM)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)。方案二：采用圖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。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。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。為提高功率放大器的效率和輸出功率，開(kāi)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。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(kāi)關(guān)特性不夠好，使整個(gè)功放的靜態(tài)損耗及開(kāi)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。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(kāi)關(guān)特性，故選用高速VMOSFET管。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。方案二：采用兩個(gè)相同的四階Butterworth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？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。方案一：采用集成數(shù)據(jù)放大器，精度高，但價(jià)格較貴。方案二：由于功放輸出具有很強(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？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。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
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