高效音频功率放大器通信专业课程设计.doc
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1、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a3dB通频带为300Hz3400Hz,输出正弦信号无显著失真。b最大不失真输出功率1W,输入
2、阻抗10k,电压放大倍数120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):7885.2 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):154164.3 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):1318.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
3、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
4、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12.方案设计13.方案论证13.1高效功率放大器13.2信号变换电路23.3功率测量电路34.单元电路设计、参数计算和器件选择34.1三角波产生电路34.2比较器电路44.3音频前置放大电路54.4驱动电路74.5 H桥互补对称输出及低通滤波电路74.6信号变换电路94.7功率计算及显示电路95.电路工作原理106.总结117.系统需要元器件清单12参考文件131.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 a3dB通频带为300Hz34
5、00Hz,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120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RLRC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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
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