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1、論文題目高效音頻功率放大器設計學校：長春理工大學指導教師姓名：白端元高效音頻功率放大器第一章設計任務與要求第一節(jié)：設計任務設計并制作一個高效率音頻功率放大器及其參數(shù)的測量、顯示裝置。功率放大器的電源電壓為+5V（電路其他部分的電源電壓不限），負載為8Ω電阻。共25頁第25頁第二節(jié)：設計要求⑴基本要求①功率放大器a．3dB通頻帶為300～3400Hz，輸出正弦信號無明顯失真。b．最大不失真輸出功率≥1W。c．輸入阻抗>10kΩ，電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)。d．低頻噪聲電壓(20kHz以下)≤10mV，在電壓放大倍數(shù)為10、輸入
2、端對地交流短路時測量。e．在輸出功率500mW時測量的功率放大器效率(輸出功率/放大器總功耗)≥50％。②設計并制作一個放大倍數(shù)為1的信號變換電路，將功率放大器雙端輸出的信號轉(zhuǎn)換為單端輸出，經(jīng)RC濾波供外接測試儀表用，如下圖所示。圖中，高效率功率放大器組成框圖可參見本題第3項“說明”。圖1系統(tǒng)組成框圖③設計并制作一個測量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5％。⑵發(fā)揮部分①3dB通頻帶擴展至300Hz～20kHz。②輸出功率保持為200mW，盡量提高放大器效率。③輸出功率保持為200mW，盡量降低放大器電源電壓
3、。④增加輸出短路保護功能。⑤其他。第三節(jié)說明共25頁第25頁⑴采用開關方式實現(xiàn)低頻功率放大(即D類放大)是提高效率的主要途徑之一，D類放大原理框圖如下圖所示。本設計中如果采用D類放大方式，不允許使用D類功率放大集成電路。圖2D類放大原理框圖⑵效率計算中的放大器總功耗是指功率放大器部分的總電流乘以供電電壓(+5v)，不包括“基本要求”中第(2)、(3)項涉及的電路部分功耗。制作時要注意便于效率測試。⑶在整個測試過程中，要求輸出波形無明顯失真。第二章方案論證與比較根據(jù)設計任務的要求，本系統(tǒng)的組成方框圖如圖1所示。下面對每個框內(nèi)電路
4、的設計方案分別進行論證與比較。第一節(jié)高效率功率放大器⑴高效率功放類型的選擇共25頁第25頁方案一：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狀態(tài)，通過LC低通濾波器后輸出音頻信號。由于輸出管工作在開關狀態(tài)，故具有極高的效率。理論上為100％，實際電路也可達到80％～95％，所以我們決定采用D類功率放大器。⑵高效D類功率放大器實現(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到
5、題目要求的性能指標，這是關鍵。圖3脈寬調(diào)制器電路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)揮部分的實現(xiàn)。方案二：采用圖3所示方式來實現(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，故選用此方案。②高速開關電路a.輸出方式方案一：選用推挽單端輸出方式(電路如圖4所示)。電路輸出載波峰-峰值不可能超過5V電源電壓，最大輸出功率遠達不到題目的基本要求。共25頁第25頁圖4高速開關電路方案二：選用H
6、橋型輸出方式(電路如圖5所示)。此方式可充分利用電源電壓，浮動輸出載波的峰-峰值可達10V，有效地提高了輸出功率，且能達到題目所有指標要求，故選用此輸出電路形式。圖5高速開關電路共25頁第25頁b.開關管的選擇。為提高功率放大器的效率和輸出功率，開關管的選擇非常重要，對它的要求是高速、低導通電阻、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)動電流，并存在儲存時間，開關特性不夠好，使整個功放的靜態(tài)損耗及開關過程中的損耗較大；IGBT管的最大缺點是導通壓降太大。方案二：選用VMMOSFET管。VMOSFET管
7、具有較小的驅(qū)動電流、低導通電阻及良好的開關特性，故選用高速VMOSFET管。③濾波器的選擇方案一：采用兩個相同的二階Butterworth低通濾波器。缺點是負載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。方案二：采用兩個相同的四階Butterworth低通濾波器，在保證20kHz頻帶的前提下使負載上的高頻載波電壓進一步得到衰減。第二節(jié)信號變換電路由于采用浮動輸出，要求信號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，但價格較貴。方案二：由于功放輸出具有很強的帶負載能力，故對變換電路輸入阻抗要求不高，所以可選
8、用較簡單的單運放組成的差動式減法電路來實現(xiàn)。共25頁第25頁第三節(jié)功率測量電路方案一：直接用A/D轉(zhuǎn)換器采樣音頻輸出的電壓瞬時值，用單片機計算有效值和平均功率，原理框圖如圖6所示，但算法復雜，軟件工作量大。共25頁第25頁圖6功率測量電路方案二：由于功放輸出信號不是單一頻率，
