功率放大器的电路设计

我们知道，功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类、丁类(即D类)和戊类等多种工作方式。为了提高功率和效率，一般的方法是降低三极管的静态工作点及由甲类到乙类，甚至到丙类。甲类、乙类、甲乙类的工作效率均低于78.5%，丙类效率高于78.5%，但丙类放大器只适用于高频窄带放大，而作为低频功放的D类放大器理想效率最高能到100%。

D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率，实际电路效率也可达到80%一95%。D 类功放的调制方式有很多种，最常用的是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称 PWM)方法。

其具体实现方法为将输入波形与一个固定载频的三角波信号进行比较，波形的全部信息被调制在 PWM 信号的宽度变化中。经过开关放大和低通滤波后，可以恢复出原始的输入波形信息。在理想情况下，D 类功放的效率为 100%，考虑到晶体管的消耗，D 类功放的效率仍要高于其它类型的功放。

利用三角波发生器及比较器分别采用通用集成电路，便于各部分分别实现，方便调试，且能与后面电路使用同一电源输出，实现题目所述要求。将音频信号放大后再与三角波经比较器比较后实现PWM调制。将SPWM波变为四路互补的驱动信号使用，以便获得更大电流驱动后续电路。

一、系统方案

本系统主要由前置放大模块、三角波模块、比较器模块、桥电路模块、驱动电路模块、滤波电路模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1、前置放大模块的论证与选择

1.1.1芯片选用芯片比较

方案一：采用TLC4502高级 LinEPIC 自校准精密双路运算放大器TLC4501和TLC4502是当今可用的最高精度CMOS单电源轨到轨运算放大器。输入失调电压为10个UV典型值和40个UV最大值。这种特殊的精度与4.7MHz带宽、2.5V/US转换速率和50mA输出驱动器相结合。

方案二：采用NE5532双路低噪声高速音频运算放大器NE5532、NE5532A、SA5532和SA5532A器件是高性能运算放大器，具有出色的DC和AC特性。它们具有极低的噪声、高的输出驱动能力、高的单位增益和最大输出摆幅带宽、低失真、高压摆率、输入保护二极管和输出短路保护。这些运算放大器在内部补偿单位增益操作。这些器件规定了等效输入噪声电压的最大限制。

通过比较，我们选择方案二， 采用NE5532双路低噪声高速音频运算放大器，相比于TLC4502，NE5532的成本稍微低，而且能保证较低的失真。

1.1.2滑动变阻器的选择

方案一：采用504 bourns电位器，电阻阻值可调范围很大，最低阻值较高。

方案二：采用203 bourns电位器 电阻阻值可调范围的值较大，最低阻值比较高。

方案三：采用104 bourns电位器 对于变化的阻值不高，是精确度有所提高综合以上三种方案，选择方案三。

二、三角波模块的论证与选择

2.1.1芯片选用芯片比较

方案一：采用ICL8038 精密波形发生器ICL8038的波形发生器是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形彻底单片集成电路. 频率(或重复频率) 的选定从0.001hz到300khz可以选用电阻器或电容器来调节, 调频及扫描可以由同一个外部电压完成. ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，输出由温度和电源变化范围广而决定. 这个芯片和锁相回路作用， 具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过250ppm/℃。

方案二：采用NE5532双路低噪声高速音频运算放大器NE5532、NE5532A、SA5532和SA5532A器件是高性能运算放大器，具有出色的DC和AC特性。它们具有极低的噪声、高的输出驱动能力、高的单位增益和最大输出摆幅带宽、低失真、高压摆率、输入保护二极管和输出短路保护。这些运算放大器在内部补偿单位增益操作。这些器件规定了等效输入噪声电压的最大限制。

通过比较，我们选择方案二， 采用NE5532双路低噪声高速音频运算放大器，相比于ICL8038，NE5532的成本较低，所需的电路布局相对简单，调试相对多引脚的芯片容易，在性能上双方都有较强的防止失真的能力。虽然ICL8038 的精确度可能更高，但是NE5532芯片使用的电路布局是单电源电路，而ICL8038有一个重要的问题是需要双电源进行供电与输入，又因为整个电路是单电源的供电，如果使用ICL8038需要一个新的电路实现双电源与单电源的转换，所以为了降低成本与电路图的复杂性，我们选择了NE5532芯片。

3、比较器模块论证与选择

3.1.1电路布局选择

方案一: pwm电路PWM是脉冲宽度调制，也就是占空比可变的脉冲波形. 它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。

方案二: spwm电路SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的、使用较广泛的PWM法。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。

综合考虑，我们选择方案二，因为spwm的输出方法按照正弦规律的方法进行排布，能使功率放大更加明显。

4、桥电路模块论证与选择

方案一：单桥电路为防止栅极开路或栅极损坏时主电路加电损坏器件, 本电路在栅源间并联一个10k电阻。

方案二：全桥电路全桥驱动需要4路互补的PWM波，全桥的功率可以做得更大，效率更高。综合考虑， 由于前面的三家波电路没有使用高精度的电路，这次我们选择功率更大的全桥电路。

四、系统理论分析与计算

1、三角波产生电路分析

(1)三角波也称锯齿波，是指主要用在CRT作显示器件的扫描电路中的波形。根据模拟电路理论，ICL 8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部元件就能产生从 0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。

(2)方案选择

方案一：由文氏桥振荡产生一个正弦波信号。把文氏桥产生的正弦波通过一个过零比较器从而把正弦波转换成方波。把方波信号通过一个积分器。转换成三角波。

方案二：由滞回比较器和积分器构成方波三角波产生电路。然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号，再通方案三。

方案三：由比较器和积分器构成方波三角波产生电路。用折线法把三角波转换成正弦波，再通过一个过零比较器从而把正弦波转换成方波。过一个过零比较器从而把正弦波转换成方波。

(3) 计算

为了对降低滤波器的要求，要求三角载波频率较高，但是三角载波频率过高会增加MOS管的损耗，此题三角波频率为200KHZ。

 

2、前置放大的计算

前置放大器的作用是将输出的信号混合放大，此次使用的是同相加法器，由于话筒的输入信号一般只有5mV左右，通过话音放大器不失真地放大声音信号，其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。

驱动的计算 将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，再此选择开关型三极管减小其损耗功率，驱动后方H桥对称输出电路，同时保证了前后级之间的良好隔离，以便快速驱动。形成四路互补的驱动信号。

三、电路设计

1、电路的设计

(1)电路总体框图电路总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

(2)子电路原理图

A. 三角波产生器子系统框图与子电路原理图

图2 三角波产生器子系统框

B. 前置放大子系统框图与电路原理图

图3 前置放大子系统框图

C. 比较器子系统框图与电路原理图

图4 比较器子系统框图

D. 驱动子系统框图与电路原理图

图5 驱动子系统框图

E. 全桥子系统框图与电路原理图

图6 全桥子系统框图

F.低通滤波子系统框图与电路原理图

图7 低通滤波子系统框图

四、测试方案与测试结果

1、测试方案

(1)硬件测试我们首先在面包板上预留了一些电容的插槽，通过这种方式来改变电容大小从而调整频率，来使传输效率达到最大化。同时利用多用数字表来测量线圈电感大小。对前置放大电路进行调试，输入的正弦信号可以达到要求。对三角波电路进行调试，可以产生200kHz的三角波。将调制好的三角信号和正弦信号通过比较器能够得到SPWM波。将电路全部连接好后开始调试全桥和驱动电路，通过给全桥电路提供12V的直流电源，经过二阶滤波可以产生一个放大的正弦信号。

2、测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。

3、测试结果及分析

(1)测试结果(数据)12V档信号测试结果好下表所示：

(2)测试分析与结论根据上述测试数据，输入正弦信号幅度为 100mV，频率 20Hz-20kHz，输出信号波形较接近正弦波，用示波器观察无明显失真，符合题目要求由此可以得出以下结论：

A 输入正弦信号峰峰值为 100mV，频率 1kHz，输出电压波形应尽量接 近正弦波，用示波器观察无明显失真;

B 输入正弦信号峰峰值为 100mV，频率 1kHz，电路能正常实现功率放 大功能;

C 输入正弦信号峰峰值为 100mV，频率 1kHz，输出功率大于等于 1W;

D 在满足上述要求下，放大器的效率达到 90%以上;

E 输入正弦信号峰峰值为 100mV，频率为 20Hz。