运算放大器研究论文

高效率音频功率放大器的研制白林景,邵光存,李岸然,常兴连,王振伟(山东省科学院激光研究所,山东济宁 272100) 摘 要:本设计以高效率D类功率放大器为中心,输出开关管采用高速场效应管,连接成互补对称H桥式结构,兼有输出1: 1双变单电路和输出短路保护功能,比较理想地实现了输出功率大于2w,平均效率可达到75%的高效音功率放大器。关键词:D类音频功率放大器; PWM调制器; H桥功率放大器中图分类号: TN722. 1 文献标识码:A引言全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频节能环保的要求,要求我们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。传统的音频功率放大器工作于线性放大区,功率耗散较大,虽然采用推挽输出,仍然很难满足大功率输出;而且需要设计复杂的补偿电路和过流,过压,过热等保护电路。D类开关音频功率放大器的工作于PWM模式,将音频信号与采样频率比较,经过自然采样,得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波,经过驱动电路,加到MOS的栅极,控制功率器件的开关,实现放大,放大的PWM信号送入滤波器,还原为音频信号。从而实现大功率高效率的音频功率放大器。系统电路本文采用H型桥式D类功率放大电路,电路如图一所示。图一 音频功率放大器电路(1) 三角波产生电路利用NE555构成的多谐振荡器以恒流源的方式对电容线性冲、放电产生三角波。接通电源瞬间,NE555芯片的3脚输出高电平,二极管D2、D3 截止,D1、D4 导通, Vcc通过T1 , T2 , R1 ,D1 对电容C1 恒流充电,当C1 上电压达到2 /3Vcc时,NE555芯片的输出发生翻转,即3脚输出低电平,此时,D2、D3 导通, D1、D4 截止,电容C1 通过D2 , T3 ,T4 , R2 恒流放电,直到C1电压等于1 /3Vcc,电容又开始充电,如此循环,电容C1上可以得到线性度良好的三角波。为了提高带负载能力,输出通过由LM358A组成的电压跟随器。输出三角波频率的计算:电阻R1 上电压等于T1 的VVbe≈ 0. 7V,故流过R1 的电流I = 0. 7V /300Ω = 2. 33mA,忽略T1 的基极电流,则流过R1 的电流即为T2 的射级电流,约等于T2 的集电极电流,故C1 的充电电流约为2mA,同理, C1 的放电电流约为2mA。设充电时间为t1 ,放电时间为t2 ,则有:23Vcc =13Vcc +i ×t1C13Vcc =23Vcc -i ×t2C可得三角波的周期: T = t1 + t2 =2Vcc ×C3 ×i故三角波频率为: f =3 ×i2Vcc ×C(2)前置放大电路 前置放大电路采用低噪声、高速运放的NE5532运算放大器,组成增益可调的同相宽带放大电路。功放最大不失真输出时,负载上等效正弦波的电压峰峰值为VP - P ,载波调制的调制波(正弦波)最大峰峰— 27 —值为VP - Pm ax ,对应的调制放大增益为AV2 =VP - PVP - Pm ax,运算放大电路中反馈电阻为R8 ,反相端电阻R7 ,则前置放大器的增益AV1为:AV1 = 1 +R8R7,通过选取调制波的峰值电压VP - Pm ax和调整R8 的阻值,可实现整个功率放大单元的电压增益连续可调。(3)脉宽调制( PWM)电路 采用高速、精密的比较器芯片,以音频信号为调制波,频率为f的三角波为载波,两路信号均加上1 /2Vcc的直流偏置电压,通过比较器进行比较,得到幅值相同,占空比随音频幅度变化的脉冲信号。(4)驱动电路 驱动电路由施密特触发器芯片和三极管组成,两个三极管组成的互补对称式射极跟随器。PWM信号经过驱动电路后,形成两个前后沿更加陡峭的倒相脉冲,两脉冲之间有一定的死区时间,防止了桥式驱动电路出现直通现象。(5) H型桥式驱动电路 由场效应管组成的功率开关管和四阶巴特沃兹LC滤波电路组成。T9、T12导通, T10、T11截止时,负载上的电压降VM AB0 =Vcc; T10、T11导通,T9、T12截止时,负载上的电压降VAB = - Vcc,因此,负载上的电压降可达到2倍的电源电压。解调信号放大后经过LC滤波送到扬声器。(6)短路保护电路 短路(或过流)保护电路采用0. 1过流取样电阻与扬声器串联方式, 0. 1电阻上的取样电压经过由NE5532组成的减法放大器进行放大。电压放大倍数为:Av =R19R17经放大后的音频信号再通过由D9、C9、R20组成的峰值检波电路,检出幅度电平,送给电压比较器U7的“ + ”端,U7的“—”端电平设置为5. 1v,由R22和稳压管D12组成,比较器接成迟滞比较方式,一旦过载,即可锁定状态。正常工作时,通过0. 1上的最大电流幅度Im =Vcc /(R + 0. 1) , 0. 1上的最大压降为0. 1 ×Im ,经放大后输出的电压幅值为Vim ×AV = 0. 1 ×Im ×AV ,检波后的直流电压稍小于此值,此时比较器输出低电平, T13截止,继电器J1不吸合,处于常闭状态,电源Vcc通过常闭触点送给功放。一旦扬声器两端短路或输入电流过大, 0. 1上电流、电压增大,经过电压放大、峰值检波后,大于比较器反相端电压,则比较器翻转为高电平并自锁, T13导通,继电器吸合,切断功放Vcc电源,功放电路得到保护。R21、C11、D10、D11组成开机延时电路,防止开机瞬间比较器自锁,关机后C11上的电压通过D10快速放掉,以保证再开机时C11的起始电压为零。讨论D类放大器工作于开关状态,无信号输入时无电流,而导通时,没有直流损耗。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流,而导通时器件并没有完全短路,尚有一定的管压降,故存在较少直流损耗,实际效率在80% - 90% ,是实用放大器中效率最高的。参考文献:[ 1 ]Wing - Hong, Lau , IEEE Trans. Realization ofDigitalAudi2o Amp lifier Using Zero - Voltage - Switched PWM PowerConverter, Circuits Syst . Vol 47,NO. 3,March 2000.[ 2 ]Ashok Bindra. All - digital App roach HikesAudio Quality InConsumer Product.[ 3 ]李子升,吴锦铭,钟国新. 高效率音频功率放大器.[ 4 ]李振玉,姚光圻. 高效率放大及功率合成技术. 中国铁道出版社, 1985.[ 5 ]陈伟鑫. 新型实用电路精选指南. 电子工业出版社.[ 6 ]瞿安连. 应用电子技术. 北京科学出版社, 2003.[ 7 ]王金明等编著. 数字系统设计. 电子工业出版社出版.[ 8 ]全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选. 1994 - 1999.[ 9 ]虎永存,现代音响技术, D类放大器的原理和电路, 1998年第5期.[ 10 ]无线电2004合订本第2、3期. 无线电杂志社,人民邮电出版社.这个是从付费论文网站上买的，真珍贵的

摘要负反馈放大电路在电子技术课程中占有重要地位。本文就负反馈放大电路中所引反馈类型的判别方法,作了较为深入分析,并结合图例,给出了不同负反馈放大电路类型判别的简单、快速有效方法。关键词负反馈放大电路类型判别负反馈放大电路在电子技术课程中占有重要地位。在放大电路中引入负反馈,能使放大电路的放大性能得到改善。在实际工作中,往往根据需要,对放大电路的性能提出一些具体的要求。例如,为了提高电子仪表的测量精度,要求电子仪表的输入级输入电阻要大;为了提高电子设备的带负载能力,要求电子设备的输出电阻要小等,这些都要求我们根据实际需要在放大电路中引入合适的负反馈。当然,要做到这一点,必须首先熟练掌握负反馈放大电路类型的判别方法。在以往的教学过程中,有些同学经常性地出现类型判别错误,对负反馈放大电路的分析与设计造成很大困难。为此,本人根据多年的教学实际,归纳出了负反馈放大电路类型的简便、快速判别方法。1负反馈放大电路的基本类型负反馈放大电路由基本放大电路与反馈电路组成。基本放大电路与反馈电路在输入、输出端有不同的连接方式,根据输入端连接方式的不同分为串联负反馈和并联负反馈;根据输出端连接方式的不同分为电压负反馈和电流负反馈。因此,负反馈放大电路有四种基本类型:电压串联负反馈、电流串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。2负反馈放大电路类型判别方法负反馈放大电路可以是由晶体三极管构成的,也可以是由模拟集成运算放大器构成的。下面介绍负反馈放大电路类型判别的具体方法。放大电路引入的反馈是正反馈还是负反馈,依据瞬时极性法进行判断,下文均以引入负反馈来分析。串联、并联负反馈负反馈放大电路的类型是串联负反馈还是并联负反馈,与取样方式无关,只与馈信号Xf与输入信号Xi在输入回路的比较方式有关。串联负反馈电路如图1所示。图1反馈信号Xf在输入端的连接方式之一在输入回路中,如果反馈信号Xf与输入信号Xi接于不同输入端,则一定是串联负反馈。同时反馈信号Xf与输入信号Xi在输入端进行比较时的性质也就确定了,都是电压信号。并联负反馈电路如图2所示。图2反馈信号Xf在输入端的连接方式之二在输入回路中,如果反馈信号Xf与输入信号Xi接于同一输入端,则一定是并联负反馈。同时反馈信号Xf与输入信号Xi在输入端进行比较时的性质也就确定了,都是电流信号。电压、电流负反馈负反馈放大电路的类型是电压负反馈还是电流负反馈,与比较方式无关,只与馈信号Xf在输出回路的取样方式有关。反馈信号Xf与输出信号Xo成比例。教材中传统的判断方法:将负载短路,反馈信号消失,则为电压负反馈;负载短路,反馈信号仍然存在,则为电流负反馈。按照这种方法判断,尤其是反馈信号是否消失,对学生来讲,容易出现错误。下面介绍的方法则要简单直观得多,也容易掌握。电压负反馈负反馈放大电路是由晶体三极管组成的,在其输出回路中,如果反馈信号是取自输出电压端所在晶体三极管电极支路,则该负反馈类型一定是电压负反馈,上述连接情形如图3所示:图3反馈信号Xf在输出端的连接方式之一负反馈放大电路是由模拟集成运算放大器组成的,如果负载接地,输出电压为对地电压,则该负反馈类型一定是电压负反馈。上述连接情形如图4所示。图4反馈信号Xf在输出端的连接方式之二电流负反馈负反馈放大电路是由晶体三极管组成的,在其输出回路中,如果反馈信号是取自与输出电压端所在晶体三极管电极不同的另一电极支路,则该负反馈类型一定是(下转第72页)(上接第68页)电流负反馈;负反馈放大电路是由模拟集成运算放大器组成的,如果负载不接地,则该负反馈类型一定是电流负反馈。上述连接情形如图5所示。图5反馈信号Xf在输出端的连接方式之三3负反馈放大电路类型简便判别举例负反馈放大电路如图6所示。图6负反馈放大电路电路中,连接输入、输出回路的元件是Rf,显然Rf所在支路为反馈支路。依据瞬时极性法,该电路引入的反馈是负反馈。在输入回路中,输入信号是从T1的基极输入,反馈信号送回到T1的基极,所以是并联负反馈;在输出回路中,T2的集电极作为电压输出端,而反馈信号取自T2的发射极,所以是电流负反馈。因此很容易判断出该电路的反馈类型是电流并联负反馈。4结语在教学实践过程中,依据上述判别方法,很容易对负反馈放大电路的类型进行快速有效的判断。