光電耦合式音頻功率放大器設計

1、光電耦合式音頻功率放大器設計劉純利, 左暉(安徽技術師范學院工學院, 安徽鳳陽233100 摘要:隨著數(shù)碼科技的快速發(fā)展, 數(shù)字視聽產(chǎn)品不斷問世, 對H i -Fi 器材中的重要一環(huán)功率放大器的要求越來越高。由于電容耦合頻率范圍狹小, 放音效果較差。本設計采用光電耦合器隔離耦合, 利用其優(yōu)良特性和BT L 電路大功率輸出優(yōu)點設計的音頻功率放大器, 在400W 的輸出功率下, 幾乎能不失真地重放聲音。關鍵詞:光電耦合器; BT L 音頻功率放大器; 高保真音響設計; E WB 分析中圖分類號:T N722. 1文獻標識碼:A 文章編號:1672-3589(2005 02-0028-03C i r

2、cuit Desi gn of Photoelectrc Coupli n g Frequency L I U (Depart m ent of Engineering Fengyang 233100, China Abstract:W technol ogy, the e merging constantly of digital audi o -visual p r i m link H i -Fi apparatus The request for the power a mp lifier is higher and higher . electric capacity coup li

3、ng l oud range narr ow and s mall frequently, is it put s ound result relatively poor t o cause . The article puts for ward the innovative thought on this questi on, use the phot oelectrical coup ler t o is olate coup ling, utilize the fine characteristic of the phot oelectrical coup ler and advanta

4、ge of BT L circuits great power out put, under the out put power of 400W , nearly rep lay the s ound undist ortedly .Key words:Phot oelectrical coup ler; Amp lifier of power of BT L audi o frequency; H igh -fidelity s ounder design; E WB analysis音響技術由早期的模擬技術發(fā)展至今, 已進入了激光數(shù)碼技術時代, 其間的每一步, 都體現(xiàn)了人們對高保真的執(zhí)著追

5、求。目前, 聲音信號的傳輸處理技術較完善, 如常見的MP3技術標準, 但功率放大器技術較滯后, 特別在超大功率下如何實現(xiàn)高保真是一個技術難題。本設計從產(chǎn)生失真的根本環(huán)節(jié)前級輸入回路出發(fā), 通過使用光電耦合器, 使前后輸入輸出回路在電氣上隔離, 避免級間直接耦合造成的零點漂移, 為后級BT L 功率放大電路提供一個幅度相等、相位相反的高保真聲源信號, 從根本上解決了前級信號失真; 利用BT L 電路的超大功率輸出, 解決了由后級放大電路本身造成的信號失真。此外, 利用BT L 電路還避免了超大功率輸出時功率管發(fā)熱嚴重、需要使用大面積散熱片等設計難題。1方案選擇1. 1確定電路形式及結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要

6、求, 需要設計一個低噪音前置放大器、電壓推動放大電路、BT L 功率放大級電路等3個子電路。本設計屬于高指標的功率放大電路, 應充分考慮H i -Fi 功率放大器的各項技術指標。因為功率放收稿日期:2005-02-17作者簡介:劉純利(1962- , 男, 安徽省五河縣人, 學士, 講師, 主要從事電氣工程教學與研究。安徽技術師范學院學報, 2005, 19(2 :2830Journal of Anhui Technical Teachers College大器的性能決定于前級電路, 因此, 前級采用高性能的集成電路元件, 以提高前級的抗干擾能力和對大信號的放大能力, 由于負載阻抗低、輸出功率

7、巨大, 所以, 末級采用由射極跟隨器組成BT L 電路輸出。1. 2確定放大級數(shù)一般單級放大器的放大倍數(shù)只有幾十倍, 若電路需要很大的放大倍數(shù), 可采用多級放大器, 這時其總增益等于各級增益的乘積。在確定放大級數(shù)時, 每一級的增益不能做得太高, 因為增益過高時, 放大器的穩(wěn)定性變差, 容易產(chǎn)生自激。通常, 在放大器中引入適量的負反饋, 將電路增益限制在一定的范圍, 這樣既可提高放大器的穩(wěn)定性, 又可展寬工作頻帶, 降低波形失真。此外, 電路的總增益的設定還應留有一定余量。兼顧高增益和穩(wěn)定性, 設計采用4級放大電路, 末級采用電阻引入直流電壓負反饋。2電路設計2. 1光耦驅(qū)動放大級的設計根據(jù)設計

8、要求, 選用美國國家半導體公司的音頻小功率放大集成電路L M386作為前置放大器, 為光耦提供推動電流和輸出信號。2. 2前置差分放大級的設計電壓推動級采用差分放大電路。差分放大器屬于直流放大器, 它不僅具有良好的抑制零點漂移的能力, 而且具有比一般放大器更為優(yōu)良的線性關系。2. 3功率放大級的設計晶體管功放發(fā)展到OCL 電路, 技術指標已達到很高的水平, , 輸入信號在任一半周內(nèi)只有電源電壓的一半在對負載起作用, , P 0=E 2/8RL可知, 若想提高輸出功率, (不能小于3 , 制。該電路由兩個完全相同的OCL 并聯(lián)組成, 信號, (揚聲器 。靜態(tài)時, 四個晶體管的參數(shù)一致, 電橋平衡

9、, 。設計電路如圖1 。圖1電路原理圖3功率放大器性能的總體分析利用E WB 軟件對所設計的光電耦合式音頻功率放大器性能仿真分析3. 1正常工作時輸出波形分析由圖2可見輸出波形基本沒有失真, 此時, 輸出幅度約38V 。由于放大器一般在大信號輸入時, 會產(chǎn)生飽和失真, 所以選擇幅度從100150mV , 步進量為10mV , 檢測放大器的動態(tài)跟隨能力。92第19卷第2期劉純利, 等光電耦合式音頻功率放大器設計 3. 2最大不失真輸入信號幅度分析由圖3可以看出, 此時的最大不失真輸入信號幅度為126mV , 輸出信號的最大幅度約為39V, 當負載阻抗為4時, 放大器的最大不失真輸出功率為:P O

10、M =(U 2OM /2RL ×4=(39×39/2×4 ×4=760. 5(W 圖2功率放大器輸出波形圖圖3最大不失真輸入信號幅度但是BT L 電路的實際輸出功率不可能為OCL 電路的4倍, 大約為OCL 電路的23倍, 取值2. 2, 則實際最大不失真輸出功率為:P OM1=(39×39/2×4 ×2. 2=418. 275(W , 超過設計要求的400W ; 放大器的總效率為:=(P OM1/P O Z ×100%=(418. 275/576. 09 ×100%=72. 61%。3. 3失真分析由于放大器全部采用晶體管, 而晶體管是非線性元件, 存在非線性失真, 4可以直觀地看出所設計的功率放大器的二次諧波失真僅為0. 002%, 圖4失真分析圖4結(jié)論經(jīng)仿真和測試放大器的各項技術指標如下:額定輸出功率P O 400W ; 帶寬BW 20800KHZ; 在P O 下和BW 內(nèi)的非線性失真系數(shù)0. 002%; 總效率=72. 61%。達到高保真技術要求指標。根據(jù)設計制作了樣機, 實際使用性能良好。可作為廠家生產(chǎn)的選