2001 D題 高效率音頻功率放大器 作品012

作品1作者:龍戈農(nóng)殷振國(guó)劉靜(空軍工程大學(xué))賽前輔導(dǎo)教師:張安堂王建業(yè)文稿整理輔導(dǎo)教師:王立志摘要本系統(tǒng)以高效率D類功率放大器為核心，輸出開關(guān)管采用高速VMOSFET管,連接成互補(bǔ)對(duì)稱H橋式結(jié)構(gòu),最大不失真輸出功率大于1W，平均效率可達(dá)到70%左右,兼有輸出1:1雙變單電路,單片機(jī)實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量顯示電路。此外還有輸出短路保護(hù)及指示、輸出音量電平指示等輔助功能,比較理想地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。一、方案論證與比較根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求,本系統(tǒng)的組成方框圖如圖4-4-1所示。下面對(duì)每個(gè)框內(nèi)電路的設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行論證與比較。1.高效率功率放大器(1)高效率功放類型的選擇方案一:采用A類、B類、AB類功率放大器。這三類功放的效率均達(dá)不到題目的要求。方案二:采用D類功率放大器。D類功率放大器是用音頻信號(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關(guān)狀態(tài),通過(guò)LC低通濾波器后輸出音頻信號(hào)。由于輸出管工作在開關(guān)狀態(tài),故具有極高的效率。理論上為100%,實(shí)際電路也可達(dá)到80%-95%,所以我們決定采用D類功率放大器。(2)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),是我們成功的關(guān)鍵。①脈寬調(diào)制器(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,不利于本題發(fā)揮部分的實(shí)現(xiàn)。方案二:采用圖4-1-2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,故選用比方案。②高速開關(guān)電路a.輸出方式方案一:選用推挽單端輸出方式(電路如圖4-1-3所示)。電路輸出載波峰一峰值不可能超過(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4-1-4所示)。此方式可充分利用電源電壓,浮動(dòng)輸出載波的峰一峰值可達(dá)10V,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。b.開關(guān)管的選擇。為提高功率放大器的效率和輸出功率,開關(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,開關(guān)特性不夠好,使整個(gè)功放的靜態(tài)損耗及開關(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VMOSEET管。VMOSEET管具有較小的驅(qū)動(dòng)電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開關(guān)特性,故選用高速VMOSFET管。③濾波器的選擇方案一: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。2.信號(hào)變換電路由于采用浮動(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)。3.功率測(cè)量電路方案一:直接用A/D轉(zhuǎn)換器采祥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4-1-5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)不是單一頻率,而是20kHz頻帶內(nèi)的任意波形,故必須采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)電壓的真有效值。再用A/D轉(zhuǎn)換器采樣該有效值,直接用單片機(jī)計(jì)算平均功率(原理框圖如圖4-1-6所示),軟件工作量小,精度高,速度快。二、主要電路工作原理分析與計(jì)算1.D類放大器的工作原理一般的脈寬調(diào)制D類功放的原理方框圖如圖4-1-7所示。圖4-1-8為工作波形示意,其中(a)為輸入信號(hào);(b)為鋸齒波與輸入信號(hào)進(jìn)行比較的波形;（c）為調(diào)制器輸出的脈沖(調(diào)寬脈沖);(d)為功率放大器放大后的調(diào)寬脈沖;(e)為低通濾波后的放大信號(hào)。2.D類功放各部分電路分析與計(jì)算(1)脈寬調(diào)制器①三角波產(chǎn)生電路。該電路我們采用滿幅運(yùn)放TLC4502及高速精密電壓比較器IM311來(lái)實(shí)現(xiàn)(電路如圖4-1-9所示)TLC4502不僅具有較寬的頻帶,而且可以在較低的電壓下滿幅輸出,既保證能產(chǎn)生線性良好的三角波,而且可達(dá)到發(fā)揮部分對(duì)功放在低電壓下正常工作的要求。載波頻率的選定既要考慮抽樣定理,又要考慮電路的實(shí)現(xiàn),選擇150KHz的載波,使用四階ButterworthLC濾波器,輸出端對(duì)載頻的衰減大于6OdB,能滿足題目的要求,所以我們選用載波頻率為150KHz。

電路參數(shù)的計(jì)算:在5V單電源供電下,我們將運(yùn)放5腳和比較器3腳的電位用R8調(diào)整為2.5V,同時(shí)設(shè)定輸出的對(duì)稱三角波幅度為1V(Vp-p=2V)。若選定R10為100kΩ,并忽略比較器高電平時(shí)R11上的壓降,則島的求解過(guò)程如下:取R9為39kΩ。選定工作頻率為f=150MHz,并設(shè)定R7+R6=20KΩ,則電容C3的計(jì)算過(guò)程如下:對(duì)電容的恒流充電或放電電流為則電容兩端最大電壓值為其中Tl為半周期,Tl=TA=1/2f。VC4的最大值為2V,則取C4=220pF,R7=1OkΩ，R6采用2OkΩ可調(diào)電位器。使振蕩頻率f在150kHz左右有較大的調(diào)整范圍。②比較器。選用LM311精密、高速比較器,電路如圖4-1-10所示,因供電為5V單電源,為給V+=V-提供2.5V的靜態(tài)電位,取R12=R15,R13=R14,4個(gè)電阻均取1OkΩ。由于三角波VPEP=2V,所以要求音頻信號(hào)的VP-p不能大于2V,否則會(huì)使功放產(chǎn)生失真。(2)前置放大器電路如圖4-1-11所示。設(shè)置前置放大器,可使整個(gè)功放的增益從1-20連續(xù)可調(diào),而且也保證了比較器的比較精度。當(dāng)功放輸出的最大不失真功率為1W時(shí),其8Ω上的電壓VP-p=8V,此時(shí)送給比較器音頻信號(hào)的Vp-p值應(yīng)為2V,則功放的最大增益約為4(實(shí)際上,功放的最大不失真功率要略大于1W,其電壓增益要略大于4)。因此必須對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行前置放大,其增益應(yīng)大于5。前放仍采用寬頻帶、低漂移、滿幅運(yùn)放TLC4502,組成增益可調(diào)的同相寬帶放大器。選擇同相放大器的目的是容易實(shí)現(xiàn)輸入電阻Ri≥1OkΩ的要求。同時(shí),采用滿幅運(yùn)放可在降低電源電壓時(shí)仍能正常放大,取V+=Vcc/2=2.5V,要求輸入電阻Ri大于1OkΩ故取R1=R2=51MI,則Ri=51/2=25.5KL反饋電阻采用電位器兒,取R4=20kΩ,反相端電阻R3取2.4kΩ,則前置放大器的最大增手Av為調(diào)整R4使其增益約為8,則整個(gè)功放的電壓增益從0-32可調(diào)?？紤]到前置放大器的最大不失真輸出電壓的幅值幾Vm<2.5V,取幾Vom=2.OV,則要求輸入的音頻最大幅度Vim<(Vom/Av)=2/8=250mV。超過(guò)此幅度則輸出會(huì)產(chǎn)生削波失真。(3)驅(qū)動(dòng)電路電路如圖4-1-12所示。將PWM信號(hào)整形變換成互補(bǔ)對(duì)稱的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào),用CD4O106施密特觸發(fā)器并聯(lián)運(yùn)用以獲得較大的電流輸出,送給由晶體三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器驅(qū)動(dòng)的輸出管,保證了快速驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路晶體三極管選用2SC8050和2SA8550對(duì)管。(4)H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路對(duì)VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小,開關(guān)速度快,開啟電壓小。因輸出功率稍大于1W,屬小功率輸出,可選用功率相對(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管,IRFD120和IRFD120VMOS對(duì)管的參數(shù)能夠滿足上述要求,故采用之。實(shí)際電路如圖4-1-13所示?；パa(bǔ)PWM開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開啟Q5和Q8或Q6和Q7,分別經(jīng)兩個(gè)4階Butterworth濾波器濾波后推動(dòng)喇叭工作。(5)低通濾波器本電路采用4階Butterworth低通濾波器(如圖4-1-13)。對(duì)濾波器的要求是上限頻率≥20kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。我們采用了電子工作臺(tái)(EWB)軟件進(jìn)行仿真,從而得到了一組較佳的參數(shù):L1=22μHL2=47μH,Cl=1.68μF,C2=1μF。19.95kHz處下降2.464dB,可保證2OkHz的上限頻率,且通帶內(nèi)曲線基本平坦;100kHz、150kHz處分別下降48dB、62dB,完全達(dá)到要求。3.信號(hào)變換電路電路要求增益為1,將雙端變?yōu)閱味溯敵?運(yùn)放選用寬帶運(yùn)放NE5532,電路如圖4-1-14所示。由于如這部分電路的電源電壓不加限制,可不必采用價(jià)格較貴的滿幅運(yùn)放。由于功放的帶負(fù)載能力很強(qiáng),故對(duì)變換電路的輸入阻抗要求不高,選Rl=R2=R3=R4=2OkΩ。其增益為Av=R3/R1=20/20=1,其上限頻率遠(yuǎn)超過(guò)20kHz的指標(biāo)要求。4.功率測(cè)量及顯示電路功率測(cè)量及顯示電路由真有效值轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)系統(tǒng)組成。(1)具有效值轉(zhuǎn)換器選用高精度的AD637芯片(圖4-1-15)，其外圍元件少、頻帶寬,精度高于0.5%。(2)單片機(jī)系統(tǒng)本系統(tǒng)主要由89C51單片機(jī)、可編程邏輯器件EPM7128、A/D轉(zhuǎn)換器AD574和鍵盤顯示接口電路等組成。經(jīng)AD637進(jìn)行有效值變換后的模擬電壓信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換器AD574,由89C51控制AD574進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,并對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理,最后送顯示電路完成功率顯示。其中EPM7128完成地址譯碼和各種控制信號(hào)的產(chǎn)生,62256用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的處理。鍵盤顯示電路用于調(diào)試過(guò)程中的參數(shù)校準(zhǔn)輸入,主要由顯示接口芯片8279,4×4鍵盤及8位數(shù)碼管顯示部分構(gòu)成。(3)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)用軟件設(shè)計(jì)了特殊功能鍵,通過(guò)對(duì)鍵盤的簡(jiǎn)單操作,便可實(shí)現(xiàn)功率放大器輸出功率的直接顯示(以十進(jìn)制數(shù)顯示),精確到小數(shù)點(diǎn)后4位,顯示誤差小于4.5%。本系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法,功能模塊各自獨(dú)立。軟件主體流程圖如圖4-1-16所示。系統(tǒng)初始化:加電后完成系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)變量的初始化。其中包括變量設(shè)置、標(biāo)志位設(shè)定、置中斷和定時(shí)器狀態(tài)、設(shè)置控制口的狀態(tài)、設(shè)置功能鍵等。等待功能鍵輸入:由鍵盤輸入命令和校準(zhǔn)參數(shù)。控制測(cè)量:由單片機(jī)讀取所設(shè)定的數(shù)值,進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。顯示測(cè)量結(jié)果:AT89C51控制8279顯示接口芯片,使用8位數(shù)碼管顯示測(cè)量的輸出功率。5.短路保護(hù)電路短路(或過(guò)流)保護(hù)電路的原理電路如圖4-1-17所示。0.lΩ過(guò)流取樣電阻與8Ω負(fù)載串聯(lián)連接,對(duì)O.1Ω電阻上的取樣電壓進(jìn)行放大(并完成雙變單變換)。電路由U1B組成的減法放大器完成,選用的運(yùn)放是NE5532。R6與R7調(diào)整為11kΩ，則該放大器的電壓放大倍數(shù)為經(jīng)放大后的音頻信號(hào)再通過(guò)由D1、C2、R10組成的峰值檢波電路,檢出幅度電平,送給由LM393組成的電壓比較器"+"端,比較器的"-"端電平設(shè)置為5.lV,由R12和穩(wěn)壓管D6組成,比較器接成遲滯比較方式,一旦過(guò)載,即可鎖定狀態(tài)。正常工作時(shí),通過(guò)0.1Ω上的最大電流幅度Im=5/(8+0.1)=0.62A,0.1Ω上的最大壓降為62mV,經(jīng)放大后輸出的電壓幅值為Vim×Av=62×51≈3.2V,檢波后的直流電壓稍小于此值,此時(shí)比較器輸出低電平,Q1截止,繼電器不吸合,處于常閉狀態(tài),5V電源通過(guò)常閉觸點(diǎn)送給功放。一旦80負(fù)載端短路或輸出過(guò)流,0.1Ω上電流、電壓增大,經(jīng)過(guò)電壓放大、峰值檢波后,大于比較器反相端電壓(5.1V),則比較器翻轉(zhuǎn)為高電平并自鎖,Q1導(dǎo)通,繼電器吸合,切斷功放5V電源,使功放得到保護(hù)。要解除保護(hù)狀態(tài),需關(guān)斷保護(hù)電路電源。為了防止開機(jī)瞬間比較器自鎖，增加了開機(jī)延時(shí)電路,由R11、C3、D2、D3組成。D2的作用是保證關(guān)機(jī)后馬上的電壓能快速放掉,以保證再開機(jī)時(shí)C3的起始電壓為零。6.音量顯示電路音量顯示電路由專用集成塊TA7666P實(shí)現(xiàn),通過(guò)多個(gè)發(fā)光二極管來(lái)直觀指示音量的大小,電路如圖4-1-18所示。7.電源整個(gè)系統(tǒng)既包括模擬電路也包括數(shù)字電路,為減少相互干擾,本系統(tǒng)采用自帶4路電源:+5V，+5V，+12V，-12V，分別對(duì)各部分電路供電。電路圖如圖4-1-19所示。三、系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析測(cè)試使用的儀器E51/L仿真機(jī)VC201型數(shù)字式萬(wàn)用表WD990電源日立V-1065A100MHz示波器SG1643型信號(hào)發(fā)生器JH811晶體管毫伏表PC機(jī)，PⅢ1000，128M內(nèi)存2.測(cè)試數(shù)據(jù)(1)最大不失真輸出功率測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示:(2)通頻帶的測(cè)量測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示:由表看出通頻帶BW0.7≈fH≈20kHz,滿足發(fā)揮部分的指標(biāo)要求。(3)效率的測(cè)量測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示:(4)測(cè)量輸出功率200mW時(shí)的最低電源電壓測(cè)量結(jié)果:Vcc=4.12V。(5)電壓放大倍數(shù)的測(cè)量增益變化范圍為0-31。(6)頻噪聲電壓的測(cè)量噪聲電壓=8.1mV,滿足≤10mV的指標(biāo)要求。(7)功率測(cè)量顯示電路性能測(cè)試用公式Po=vg/8計(jì)算理論功率,與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,并對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果測(cè)量誤差小于4.5%。3.測(cè)量結(jié)果分析①瓏放的效率和最大不失真輸出功率與理論值還有一定差別,其原因有以下幾個(gè)方面:a.功放部分電路存在的靜態(tài)損耗,包括PWM調(diào)制器、音頻前置放大電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路及H橋輸出電路。這些電路在靜態(tài)時(shí)均具有一定的功率損耗,實(shí)測(cè)結(jié)果其5V電源的靜態(tài)總電流約為3OmA,即靜態(tài)功耗P損耗=5×30=150mW。那么這部分的損耗對(duì)總的效率影響很大,特別對(duì)小功率輸出時(shí)影響更大,這是影響效率提高的一個(gè)很重要的方面。b.功放輸出電路的損耗,這部分的損耗對(duì)效率和最大不失真輸出功率均有影響。此外,H橋的互補(bǔ)激勵(lì)脈沖達(dá)不到理想同步,也會(huì)產(chǎn)生功率損耗。c.濾波器的功率損耗,這部分損耗主要是由4個(gè)電感的直流電阻引起的。②功率測(cè)量電路的誤差。這里有1:1變換電路的誤差,真有效值轉(zhuǎn)換電路的誤差,A/D轉(zhuǎn)換器及軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)的誤差。盡管以上電路精度已很高,但每一部分的誤差均不可避免,此外,還有測(cè)量?jī)x器本身帶來(lái)的測(cè)量誤差。四、進(jìn)一步改進(jìn)的措施1.盡量設(shè)法減小靜態(tài)功耗①盡量減小運(yùn)放和比較器的靜態(tài)功耗。實(shí)測(cè)兩個(gè)比較器（LM311）的靜態(tài)電流約為15mA,這部分損耗就占了靜態(tài)損耗的一半功率。這是由于在選擇器件時(shí)幾個(gè)方面不能完全兼顧所致。若選擇同時(shí)滿足幾方面要求的器件，這部分的功耗時(shí)完全可以大幅度降低的。②我們選用的VMOSFET管的導(dǎo)通電阻還不是很小，若能換成導(dǎo)通電阻更小的VMOSFET管，則整個(gè)功放的效率和最大不失真輸出功率還可進(jìn)一步提高。③低調(diào)濾波器電感的直流內(nèi)阻需進(jìn)一步減小。2.盡量減小動(dòng)態(tài)功耗采用上面的第二和第三項(xiàng)措施即可五、結(jié)束語(yǔ)對(duì)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有些指標(biāo)還有待于進(jìn)一步提高。例如，在功放功率、最大不失真輸出功率等方面還有較大的潛力可挖，這些都有待于我們通過(guò)對(duì)電路的改進(jìn)和對(duì)