高效音频功率放大器通信专业课程设计.doc

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
指导老师 张秀艳、阚玲玲

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
关键内容、基础要求、关键参考资料等
关键内容：
设计一个高效音频功率放大器。功率放大器电源电压为+5V电路其它部分电源电压不限），负载为8欧姆电阻。
基础要求：（1）功率放大器
a．3dB通频带为300Hz～3400Hz，输出正弦信号无显著失真。
b．最大不失真输出功率≥1W，输入阻抗>10k，电压放大倍数1～20连续可调。
（2）设计并制作一个放大倍数为1信号变换电路，将功率放大器双端输出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装置，要求含有3位数字显示，精度优于5%。
关键参考资料：
[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，，13(2):78～85.
[2] 雍家鹏.D类音频功率放大器研究和设计[J].微电子学和固定电子学，，15(6):154～164.
[3] 徐良雄.基于可编程控制器施密特触发器分析和设计[J].电气传动自动化， ，02(2):13～18.

完成期限 7月20日~7月24日
指导老师
专业责任人
7 月 20日

摘　要
本设计关键由功率放大器、信号变换电路和输出功率显示电路组成。功率放大器部分采取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，且输出波形无显著失真，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)；信号变换部分采取差分放大电路，将双端输出信号变为1:1单端输出信号；输出功率显示部分用乘法器电路及带A/D转换电压表表头显示功率值，电路简单合理。本文中D类音频功率放大器功率器件受一个高频脉宽调制信号控制工作在开关状态，理论上其效率能够达成100%，其不足之处于于会产生高频干扰及噪声，不过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大家需求。

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 1
2.方案设计 1
3.方案论证 1
3.1高效功率放大器 1
3.2信号变换电路 2
3.3功率测量电路 3
4.单元电路设计、参数计算和器件选择 3
4.1三角波产生电路 3
4.2比较器电路 4
4.3音频前置放大电路 5
4.4驱动电路 7
4.5 H桥互补对称输出及低通滤波电路 7
4.6信号变换电路 9
4.7功率计算及显示电路 9
5.电路工作原理 10
6.总结 11
7.系统需要元器件清单 12
参考文件 13

1.设计要求
设计一个高效音频功率放大器。功率放大器电源电压为+5V（电路其它部分电源电压不限），负载为8欧姆电阻。
基础要求：
（1）功率放大器
　 a．3dB通频带为300Hz～3400Hz，输出正弦信号无显著失真。
　 b．最大不失真输出功率≥1W。
　 c．输入阻抗>10k，电压放大倍数1～20连续可调。
（2）设计并制作一个放大倍数为1信号变换电路，将功率放大器双端输出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装置，要求含有3位数字显示，精度优于5%。
2.方案设计
依据设计要求，高效音频功率放大器系统组成框图图1所表示。

信号
变换
电路
音频
输入
高效功率
放大器
RL
R
C
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：采取 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，基础上是线性，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。和A类不一样，B类放大器电源供给功率和管耗全部会伴随输出功率大小而改变，也改善了A类放大器放大效率低情况，在理想情况下，理想效率值为78.5%，因为产生热量比A类低，能够使用较小散热器，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，这类功放效率很显著优于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：采取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，其原理图2所表示。D类功率放大器经过音频信号幅度去线性调制高频脉冲宽度[2]，功率输出管工作在高频开关状态，含有极高效率，实际电路中效率也可达成80%-95%。D类功放最大优点是效率最高，几乎不产生热量，所以无需大型散热器，体积和重量显著降低，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类功率放大器原理框图

方案选择:A类功率放大器提供了很好线性度，但效率很低；B类和AB类功率放大器经过降低一个周期中晶体管工作时间来提升效率，同时保持了线性调制可能性；D类放大器含有最高工作效率，不过保真度比较低，这能够经过改善D类放大器控制结构来提升保真度，从而实现高效率。经过比较，本设计采取D类功率放大器。
3.2信号变换电路
方案一：可采取三个运算放大器或单个运算放大器搭制双端信号变单端信号电路。
方案二：电路要求增益为1，将双端变为单端输出，运放选择宽带运放 NE5532。
方案选择：方案一问题在于极难达成电阻平衡，且整个电途经于复杂，不宜采取。方案二对这部分电路电源电压不加限制，可无须采取价格较贵满幅运放，所以采取了此方法。
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单端信号模拟量经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。因为，所以将信号变换电路输出电压经乘法器产生平方值电压，取对应百分比后电压值恰好和功率值相等，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：方案一包含电途经于繁杂且成本高，所以没有采取；经数次测试，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和前面系统风格保持一致，所以采取方案二。
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组成迟滞比较器，其输出一个方波信号，然后经过由运放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类功率放大器总谐波失真（THD）减小到最低程度。三角波产生电路图3所表示。

图3三角波产生电路

二、参数计算
三角波电压幅度决定了调制音频信号最大幅度，在单电源供电为5V时，将LM311引脚3电位调整为2.5V，同时设定输出对称三角波幅度为1V，其中。
假如选择，而且忽略比较器是高电平时上压降，则：
，
通常载波信号（三角波）频率和调制信号（取正弦）频率有以下关系：
(1)
选择150kHz载波，使用四阶Butterworth LC滤波器，输出端对载频衰减大于60dB，能满足要求，所以选择载波频率为150kHz。选择工作频率，而且假设，则对电容恒流充放电电流：

则电容两端最大电压值为
(2)
其中为半周期，，因为最大值为2V，则

三、器件选择
取
取，，则采取20可调电位器，能使振荡频率在150左右有较大调整范围。
4.2比较器电路
一、电路设计
该电路图4所表示，该电路实质就是一个电压比较器，采取高精密，高速度比较器芯片LM311组成。同相输入前置放大器输出信号电压，反相端输入三角波电压，音频信号和三角波信号经比较器比较以后，输出和音频信号成正比脉宽调制信号。

图4比较器电路

二、器件选择
由电路图4可知，因供电为5V单电源，为了使，提供2.5V静态电位，取，且四个电阻值均取10。
因为三角波，所以要求音频信号不能大于2V，不然会产生失真。
4.3音频前置放大电路
一、电路设计
通常功率放大器输入灵敏度是一样，不一样声音源信号假如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，不能充足发挥功率放大器作用；假如输入信号幅值过大，功率放大器输出信号将严重过载失真，失去音频放大意义。所以，音频功率放大系统需设置前置放大器。图5所表示，设置前置放大器，可使整个功放增益从1～20连续可调，而且也确保了比较器比较精度。当功放输出最大不失真功率为1W时，其8Ω电阻上电压=8V，此时送给比较器音频信号值应为2V，则功放最大增益约为4。所以必需对输入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
选择同相放大器目标是为了轻易实现输入电阻要求，同时采取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，
反馈电阻采取电位器，取，反相端电阻取，则前置放大器最大增益为：
(3)
调整，使它增益为8，则整个功放电压增益从0～32可调，且满足要求。
因为前置放大器最大不失真输出电压幅值，取，则要求输入最大音频幅度为：

假如超出这个幅度，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
图6所表示，将PWM信号整形变换成互补对称输出驱动信号，将CD40106施密特触发器并联，以取得较大电流输出，送给由晶体管组成互补对称式射极跟随器驱动输出管，确保快速驱动[3]。
图6驱动电路
二、器件选择
驱动电路晶体三极管选择 2SC8050和2SA8550对管。三极管8050是很常见NPN型晶体三极管，在多种放大电路中常常看到它，应用范围很广，关键用于功率放大、开关。三极管8550是一个常见一般三极管，它是一个低电压，大电流，小信号PNP型三极管。
4.5 H桥互补对称输出及低通滤波电路
一、电路设计
功率输出电路以四只场效应管为关键，组成对称桥式输出电路即H桥型功率放大器，电路图7所表示。这一结构优点是能够充足利用电源电压值，其输出电压信号峰值几乎等于电源电压值，而场效应管有输出大电流能力，有利于提升输出功率[4]。输出滤波器功效就是将由功率输出电路送来信号中基波友好波(超高频信号)滤除，仅留调制音频信号(模拟信号)部分。
图7 H桥互补对称输出及低通滤波电路

二、参数计算
滤波电路中、和、计算公式以下:
(4)
(5)
(6)
(7)
因为要在确保20kHz频带前提下使负载上高频载波电压得到深入衰减，所以上限截止频率选为20kHz。则
，，
，
取，，，。
三、器件选择
H桥互补对称输出电路对VMOSFET要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。因其输出功率稍大于1W，属于小功率输出，可选择功率相对较小、输入电容较小、轻易快速驱动对管，IRFD120和IRFD9120 高速VMOS对管参数能够满足上述要求，故采取之。滤波电路加入后，会使D类功率放大电路效率减小，所以要采取等效电阻小电感和电容来组成，四阶滤波电路对高频滤波效果比很好，所以滤波器采取是两个相同4阶Butterworth低通滤波器，即四阶巴特沃斯滤波器。对滤波器要求是上限频率≥20kHz，在通频带内特征基础平坦。
4.6信号变换电路
一、电路设计
信号变换电路是采取NE5532宽带运算放大器组成差动式减法电路[5]。电路要求增益为1，将双端变为单端输出，运放选择宽带运放NE5532，电路图8所表示。
图8信号变换电路
二、参数计算
增益 （8）
三、器件选择
取，则其增益为1，而且其上限频率远超出20kHz设计指标要求。
4.7功率计算及显示电路
一、电路设计
因为在负载一定时(8Ω)，功率和电压平方成正比，所以我们将变换电路输出接低通网络后再接入由乘法器搭成平方电路，电路图9所表示。

图9功率测量及显示电路

二、器件选择
乘法器芯片我们用是AD533，其内部包含了一个运放。而我们所用测试表头是测量直流电压三位半表头，所以我们要将交流变为直流。我们将平方电路输出接滤波网络变为直流后接入表头，使其作为功率表来显示功率放大器输出功率。其变比可由乘法器AD533内部运放放大倍数调整，所以我们调整9、11管脚电阻值，可使功率表输出精度优于5％。
5.电路工作原理
电路系统总图图10所表示， 输入音频信号经前置放大电路处理送入PWM放大器同相输入端，同时由比较器LM311产生方波信号经TLC4502组成积分电路生成三角波信号送入PWM放大器反相输入端。经过PWM放大器输出和音频信号成正比脉宽调制信号，经驱动电路送入H桥式功率放大电路，经过滤波电路将信号中基波友好波信号滤除，仅留调制音频信号部分，从而产生双端电压输出[6]。然后经过NE5532宽带运算放大器组成差动式减法电路组成信号变换电路，将双端电压输出变成单端电压输出。最终利用AD533乘法器将平方电
路输出接滤波网络变为直流后接入表头，使其作为功率表来显示功率放大器输出功率。

图10电路系统总图
图10电路系统总图

6. 总结
系统实现了对音频信号放大处理，完成了高效率功率放大、信号变换、功率测量及显示等功效。系统性能良好，在功率及效率方面指标较高。放大电路、信号变换、功率测量等部分全部收到了很好效果。对于本系统设计，有些指标还有待于深入提升。比如，在功放效率、最大不失真输出功率等方面还有较大潜力可挖，这些全部有待于我们经过对电路改善和对元器件最好选择来深入完善。经过此次课程设计，我学到了很多知识，也学到了做任何事情所要有态度和心态，知道了做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现任何问题和偏差全部不要轻视，要经过正确路径去处理，在做事情过程中要有耐心和毅力，不要一碰到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就能够找到思绪去处理问题。
7.系统需要元器件清单
表1 元器件清单
序号
元器件类型
元器件规格
数量
备注
1
电容
0.01uF
1
C
2
电容
0.1uF
2
C5，C12
3
电容
0.68uF
1
C8，C9
4
电容
1.0uF
6
C1，C3，C6，C7，C10，C11
5
电容
2.2uF
1
C13
6
电容
4.7uF
1
C2
7
电容
220uF
1
C4
8
电容
0.68uF
2
C8，C9
9
电阻
8Ω
1
RL
10
电阻
7.5kΩ
1
R21
11
电阻
10kΩ
6
R12-R15，R7，R8
12
电阻
20kΩ
5
R2，R4，R6，R18，R19
13
电阻
23.5kΩ
1
R20
14
电阻
39kΩ
1
R9
15
电阻
100kΩ
1
R10
16
电感
22uH
2
L1，L3
17
电感
47uH
2
L2，L4
18
二极管
2DW1A
4
D1-D4
19
NPN型三极管
8050
2
Q1，Q3
20
PNP型三极管
8550
2
Q2，Q4
21
场效应管
IRFD9120
2
Q5，Q7
22
场效应管
IRFD120
2
Q6，Q8
23
集成电路
NE5532
1
UA
24
集成电路
LM311
2
U2，U3
参考文件
[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，，13(2):78～85.
[2] 雍家鹏.D类音频功率放大器研究和设计[J].微电子学和固定电子学，，15(6):154～164.
[3] 徐良雄.基于可编程控制器施密特触发器分析和设计[J].电气传动自动化， ，02(2):13～18.
[4] 李建平.H桥不平衡电流调整方法研究[J].电工技术，，04(2):11～12.
[5] 张达.集成运算放大器特征及其在音频放大器中应用(五)——低噪声5532/5534运算放大器[J].实用影音技术，，03(6):12～18.
[6] 李柏雄.高保真功率放大器制作教程[M].电子工业出版社，:34～37.

东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
通信电子线路课程设计
题目名称
高效音频功率放大器
学生姓名
李笥岐
学号
5
指导教
师姓名
张秀艳
阚玲玲
职称
教授
讲师
序号
评价项目
指 标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满完成了要求任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于和她人合作。
20

2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练正确，分析问题思绪清楚，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45

3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有部分改善或有一定应用价值。
5

4
答辩
能正确回复指导老师所提出问题。
30

总分

评语：

指导老师： 7 月25日