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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

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