功率放大器的電路設(shè)計(jì)

我們知道，功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類、丁類(即D類)和戊類等多種工作方式。為了提高功率和效率，一般的方法是降低三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)及由甲類到乙類，甚至到丙類。甲類、乙類、甲乙類的工作效率均低于78.5%，丙類效率高于78.5%，但丙類放大器只適用于高頻窄帶放大，而作為低頻功放的D類放大器理想效率最高能到100%。

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，實(shí)際電路效率也可達(dá)到80%一95%。D 類功放的調(diào)制方式有很多種，最常用的是脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱 PWM)方法。

其具體實(shí)現(xiàn)方法為將輸入波形與一個(gè)固定載頻的三角波信號(hào)進(jìn)行比較，波形的全部信息被調(diào)制在 PWM 信號(hào)的寬度變化中。經(jīng)過開關(guān)放大和低通濾波后，可以恢復(fù)出原始的輸入波形信息。在理想情況下，D 類功放的效率為 100%，考慮到晶體管的消耗，D 類功放的效率仍要高于其它類型的功放。

利用三角波發(fā)生器及比較器分別采用通用集成電路，便于各部分分別實(shí)現(xiàn)，方便調(diào)試，且能與后面電路使用同一電源輸出，實(shí)現(xiàn)題目所述要求。將音頻信號(hào)放大后再與三角波經(jīng)比較器比較后實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制。將SPWM波變?yōu)樗穆坊パa(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使用，以便獲得更大電流驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路。

一、系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由前置放大模塊、三角波模塊、比較器模塊、橋電路模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、濾波電路模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

1、前置放大模塊的論證與選擇

1.1.1芯片選用芯片比較

方案一：采用TLC4502高級(jí) LinEPIC 自校準(zhǔn)精密雙路運(yùn)算放大器TLC4501和TLC4502是當(dāng)今可用的最高精度CMOS單電源軌到軌運(yùn)算放大器。輸入失調(diào)電壓為10個(gè)UV典型值和40個(gè)UV最大值。這種特殊的精度與4.7MHz帶寬、2.5V/US轉(zhuǎn)換速率和50mA輸出驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合。

方案二：采用NE5532雙路低噪聲高速音頻運(yùn)算放大器NE5532、NE5532A、SA5532和SA5532A器件是高性能運(yùn)算放大器，具有出色的DC和AC特性。它們具有極低的噪聲、高的輸出驅(qū)動(dòng)能力、高的單位增益和最大輸出擺幅帶寬、低失真、高壓擺率、輸入保護(hù)二極管和輸出短路保護(hù)。這些運(yùn)算放大器在內(nèi)部補(bǔ)償單位增益操作。這些器件規(guī)定了等效輸入噪聲電壓的最大限制。

通過比較，我們選擇方案二， 采用NE5532雙路低噪聲高速音頻運(yùn)算放大器，相比于TLC4502，NE5532的成本稍微低，而且能保證較低的失真。

1.1.2滑動(dòng)變阻器的選擇

方案一：采用504 bourns電位器，電阻阻值可調(diào)范圍很大，最低阻值較高。

方案二：采用203 bourns電位器 電阻阻值可調(diào)范圍的值較大，最低阻值比較高。

方案三：采用104 bourns電位器 對(duì)于變化的阻值不高，是精確度有所提高綜合以上三種方案，選擇方案三。

二、三角波模塊的論證與選擇

2.1.1芯片選用芯片比較

方案一：采用ICL8038 精密波形發(fā)生器ICL8038的波形發(fā)生器是一個(gè)用最少的外部元件就能生產(chǎn)高精度正弦,方形,三角,?鋸齒波和脈沖波形徹底單片集成電路.?頻率(或重復(fù)頻率)?的選定從0.001hz到300khz可以選用電阻器或電容器來(lái)調(diào)節(jié),?調(diào)頻及掃描可以由同一個(gè)外部電壓完成.?ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢(shì)壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片，輸出由溫度和電源變化范圍廣而決定.?這個(gè)芯片和鎖相回路作用，?具有在發(fā)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過250ppm/℃。

方案二：采用NE5532雙路低噪聲高速音頻運(yùn)算放大器NE5532、NE5532A、SA5532和SA5532A器件是高性能運(yùn)算放大器，具有出色的DC和AC特性。它們具有極低的噪聲、高的輸出驅(qū)動(dòng)能力、高的單位增益和最大輸出擺幅帶寬、低失真、高壓擺率、輸入保護(hù)二極管和輸出短路保護(hù)。這些運(yùn)算放大器在內(nèi)部補(bǔ)償單位增益操作。這些器件規(guī)定了等效輸入噪聲電壓的最大限制。

通過比較，我們選擇方案二， 采用NE5532雙路低噪聲高速音頻運(yùn)算放大器，相比于ICL8038，NE5532的成本較低，所需的電路布局相對(duì)簡(jiǎn)單，調(diào)試相對(duì)多引腳的芯片容易，在性能上雙方都有較強(qiáng)的防止失真的能力。雖然ICL8038 的精確度可能更高，但是NE5532芯片使用的電路布局是單電源電路，而ICL8038有一個(gè)重要的問題是需要雙電源進(jìn)行供電與輸入，又因?yàn)檎麄€(gè)電路是單電源的供電，如果使用ICL8038需要一個(gè)新的電路實(shí)現(xiàn)雙電源與單電源的轉(zhuǎn)換，所以為了降低成本與電路圖的復(fù)雜性，我們選擇了NE5532芯片。

3、比較器模塊論證與選擇

3.1.1電路布局選擇

方案一: pwm電路PWM是脈沖寬度調(diào)制，也就是占空比可變的脈沖波形. 它是通過改變輸出方波的占空比來(lái)改變等效的輸出電壓。

方案二: spwm電路SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM，就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。

綜合考慮，我們選擇方案二，因?yàn)閟pwm的輸出方法按照正弦規(guī)律的方法進(jìn)行排布，能使功率放大更加明顯。

4、橋電路模塊論證與選擇

方案一：?jiǎn)螛螂娐窞榉乐箹艠O開路或柵極損壞時(shí)主電路加電損壞器件, 本電路在柵源間并聯(lián)一個(gè)10k電阻。

方案二：全橋電路全橋驅(qū)動(dòng)需要4路互補(bǔ)的PWM波，全橋的功率可以做得更大，效率更高。綜合考慮， 由于前面的三家波電路沒有使用高精度的電路，這次我們選擇功率更大的全橋電路。

四、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

1、三角波產(chǎn)生電路分析

(1)三角波也稱鋸齒波，是指主要用在CRT作顯示器件的掃描電路中的波形。根據(jù)模擬電路理論，ICL 8038 是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從 0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)頻信號(hào)輸入端, 所以可以用來(lái)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。

(2)方案選擇

方案一：由文氏橋振蕩產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)。把文氏橋產(chǎn)生的正弦波通過一個(gè)過零比較器從而把正弦波轉(zhuǎn)換成方波。把方波信號(hào)通過一個(gè)積分器。轉(zhuǎn)換成三角波。

方案二：由滯回比較器和積分器構(gòu)成方波三角波產(chǎn)生電路。然后通過低通濾波把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波信號(hào)，再通方案三。

方案三：由比較器和積分器構(gòu)成方波三角波產(chǎn)生電路。用折線法把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波，再通過一個(gè)過零比較器從而把正弦波轉(zhuǎn)換成方波。過一個(gè)過零比較器從而把正弦波轉(zhuǎn)換成方波。

(3) 計(jì)算

為了對(duì)降低濾波器的要求，要求三角載波頻率較高，但是三角載波頻率過高會(huì)增加MOS管的損耗，此題三角波頻率為200KHZ。

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2、前置放大的計(jì)算

前置放大器的作用是將輸出的信號(hào)混合放大，此次使用的是同相加法器，由于話筒的輸入信號(hào)一般只有5mV左右，通過話音放大器不失真地放大聲音信號(hào)，其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。

驅(qū)動(dòng)的計(jì)算 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)，再此選擇開關(guān)型三極管減小其損耗功率，驅(qū)動(dòng)后方H橋?qū)ΨQ輸出電路，同時(shí)保證了前后級(jí)之間的良好隔離，以便快速驅(qū)動(dòng)。形成四路互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

三、電路設(shè)計(jì)

1、電路的設(shè)計(jì)

(1)電路總體框圖電路總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

(2)子電路原理圖

A. 三角波產(chǎn)生器子系統(tǒng)框圖與子電路原理圖

圖2 三角波產(chǎn)生器子系統(tǒng)框

B. 前置放大子系統(tǒng)框圖與電路原理圖

圖3 前置放大子系統(tǒng)框圖

C. 比較器子系統(tǒng)框圖與電路原理圖

圖4 比較器子系統(tǒng)框圖

D. 驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖與電路原理圖

圖5 驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖

E. 全橋子系統(tǒng)框圖與電路原理圖

圖6 全橋子系統(tǒng)框圖

F.低通濾波子系統(tǒng)框圖與電路原理圖

圖7 低通濾波子系統(tǒng)框圖

四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

1、測(cè)試方案

(1)硬件測(cè)試我們首先在面包板上預(yù)留了一些電容的插槽，通過這種方式來(lái)改變電容大小從而調(diào)整頻率，來(lái)使傳輸效率達(dá)到最大化。同時(shí)利用多用數(shù)字表來(lái)測(cè)量線圈電感大小。對(duì)前置放大電路進(jìn)行調(diào)試，輸入的正弦信號(hào)可以達(dá)到要求。對(duì)三角波電路進(jìn)行調(diào)試，可以產(chǎn)生200kHz的三角波。將調(diào)制好的三角信號(hào)和正弦信號(hào)通過比較器能夠得到SPWM波。將電路全部連接好后開始調(diào)試全橋和驅(qū)動(dòng)電路，通過給全橋電路提供12V的直流電源，經(jīng)過二階濾波可以產(chǎn)生一個(gè)放大的正弦信號(hào)。

2、測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，指針式萬(wàn)用表。

3、測(cè)試結(jié)果及分析

(1)測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))12V檔信號(hào)測(cè)試結(jié)果好下表所示：

(2)測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，輸入正弦信號(hào)幅度為 100mV，頻率 20Hz-20kHz，輸出信號(hào)波形較接近正弦波，用示波器觀察無(wú)明顯失真，符合題目要求由此可以得出以下結(jié)論：

A 輸入正弦信號(hào)峰峰值為 100mV，頻率 1kHz，輸出電壓波形應(yīng)盡量接 近正弦波，用示波器觀察無(wú)明顯失真;

B 輸入正弦信號(hào)峰峰值為 100mV，頻率 1kHz，電路能正常實(shí)現(xiàn)功率放 大功能;

C 輸入正弦信號(hào)峰峰值為 100mV，頻率 1kHz，輸出功率大于等于 1W;

D 在滿足上述要求下，放大器的效率達(dá)到 90%以上;

E 輸入正弦信號(hào)峰峰值為 100mV，頻率為 20Hz。