《模拟电路课程设计》讲义

模拟电路课程设计

电工电子实验教学中心 二〇一二年三月

项目二 音频信号放大器设计

5.3 高效率音频功率放大器设计

5.3.1 实验目的

（1）熟悉一些基本器件的应用；

（2）熟悉多功能板的焊接工艺技术和电子线路系统的装调技术； （3）熟悉D类功率放大器的工作原理；

（4）熟悉用示波器测试两个不完全同步信号的方法； （5）完成高效率音频功率放大器的设计。

5.3.2 预习内容

（1）预习各类音频功率放大器的基本工作原理； （2）分析D类功率放大器的性能特点；

（3）思考高效率音频功率放大器的设计方法和装调技术； （4）采用Multisim仿真软件对部分电路进行初步仿真。

5.3.3 实验内容

设计并制作一个高效率音频功率放大器。功率放大器的电源电压为+5V，负载为8Ω电阻。原理框图如图5.3.1所示。

三角波产生器（或锯齿波）比较器驱动电路开关功率输出低通滤波8欧音频输入信号图5.3.1 高效率音频功率放大器原理框图

5.3.4 实验原理

传统的模拟音频功放保真度高，但效率低、能耗大，且要求有良好的散热设备，适用于专业音响领域。D类功率放大器虽然保真度不及传统功放，但具有效率高、体积小、输出功率大、低EMI、具备多种工作模式等优点，逐渐成为了便携式设备(如PDA)中不可替代的产品。

经典D类功率放大器主要由脉冲宽度调制器、开关放大器和低通滤波器等三部分组成，结构如图5.3.2所示。其中，三角波发生器、比较器和音频输入信号构成脉宽调制器。

图5.3.2 脉宽调制D类功放原理框图

D类功率放大器工作波形示意图如图5.3.3所示。其中（a）为输入信号；（b）为锯齿波与输入信号进行比较的波形；（c）为调制输出的脉冲（调宽脉冲）；（d）为功率放大器放大后的调宽脉冲；（e）为低通滤波后的放大信号。

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图5.3.3 脉宽调制D类功放的工作波形示意

常用的脉宽调制器将三角波信号和输入音频信号一起送入比较器进行比较，比较产生的输出信号就是调制过的脉冲信号。进一步画图阐述。

数字功率放大器一般采用MOS场效应管构成H桥功率放大器，画图并阐述基本工作原理。 低通滤波器一般采用LC无源滤波器，进一步阐述滤波特性。

5.3.5 设计要求

（1）3dB通频带为300Hz～3400Hz，输出正弦信号无明显失真。 （2）最大不失真输出功率≥1W。 （3）输入阻抗>10k。

（4）低频噪声电压（20kHz以下）≤10mv，在电压放大倍数为10，输入端对地交流短路时测量。 （5）在输出功率500mW时测量的功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）≥50%。

5.3.6设计实例

5.3.6.1方案选择与论证

1） 高效率功放类型的选择

方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这三类功放的效率均达不到题目的要求。 方案二：采用D类功率放大器。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。理论上为100%，实际电路也可达到80%-95%。

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2） 高效D类功率放大器实现电路的选择

（a）脉宽调制器（PWM）

方案一：可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制。 方案二：采用图5.3.1所示方式来实现。三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作。

（b）高速开关电路 1 输出方式

方案一：选用推挽单端输出方式，电路如图5.3.4所示。电路输出载波峰-峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。

方案二：选用H桥型输出方式，电路如图5.3.5所示。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰-峰值可达10V，有效地提高了

输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。 图5.3.4 单端推挽输出电路

图5.3.5 H桥型输出电路

B.开关管的选择。

为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低损耗。

方案一：选用晶体三极管、IGBT管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大；IGBT管的最大缺点是导通压降太大。

方案二：选用VMOSFET管。VMOSFET管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用高速VMOSFET管。

（c）滤波器的选择

方案一：采用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器。缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。

方案二：采用两个相同的四阶Butterworth低通滤波器，在保证20kHz频带的前提下使负载

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上的高频载波电压进一步得到衰减。四阶低通滤波器如图5.3.5所示。

5.3.6.2 工作原理或系统原理

此部分省略，参见实验原理。

5.3.6.3 硬件设计

（1）音频信号前置放大器设计

如图5.3.7所示。设置前置放大器，可使整个功率的增益从1-20连续可调，而且也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8Ω上的电压VP?P=8V，此时送给比较器音频信号的

值应为2V，

则功放的最大增益约为4（实际上，功放的最大于4）。因此必须对输入的音频信号进行前

大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略

置放大，其增益应大于5。前放仍采用宽频带、低漂移、满幅运放TL062，组成增益可调的同

相宽带放大器。选择同相放大器的目的是 图5.3.7 音频信号前置放大器 容易实现输入电阻Ri?10kΩ的要求。同时，采用满幅运放可在降低电源电压时仍能正常放大，取V??Vcc/2?2.5V，要求输入电阻Ri大于10kΩ，故取R1?R2?51kΩ，则

Ri?51/2?25.5kΩ，反馈电阻采用电位器R4，取R4?20kΩ，反相端电阻R3取2.4kΩ，则

前置放大器的最大增益Av为：

调整R4使其增益约为8，则整个功放的电压增益从0~32可调。

VP?Av?1?R420?1??9.3 R32.44

考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值Vom?2.5V，取Vom?2.0V，则要求输出

（Vom/Av）?2/8?250mV。超过此幅度则输出会产生削波失真。 的音频最大幅度Vim?（2）三角波发生器设计

该电路采用满幅运放TL062及高速精密电压比较器LM393来实现,电路如图5.3.8所示。TL062不仅具有较宽的频带，而且可以在较低的电压下满幅输出，既保证能产生线性良好的三角波，而且可以达到发挥部分对功放在低电压下正常工作的要求。

载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路的实现，选择150kHz的载波，使用四阶Butterworth LC滤波器，输出端对载频的衰减大于60dB，能满足题目的要求，所以我们选用载波频率为150kHz。

电路参数的计算：在5V单电源供电下，我们将运放5脚和比较器3脚的电位用R8调整为2.5V，同时设定输出的对称三角波幅度为1V（Vp?p?2V）。若选定R10为100kΩ，并忽略比较

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器高电平时R11上的压降，则R9的求解过程如下：

5?2.51100?，R9??40kΩ 100R92.5取R9为39kΩ。

图5.3.8 三角波发生器

选定工作频率为f?150kHz，并设定R7?R6?20kΩ，则电容C3的计算过程如下： 对电容的恒流充电或放电电流为： I?则电容两端最大电压值为： VC4?5?2.52.5?

R7?R6R7?R61C4?T10Idt?2.5T1

C（R?R）476其中T1为半周期，T1?T/2?1/2f。VC4的最大值为2V，则： 2?2.51

C（R?R）2f476 C4?2.52.5??208.3pF

（R7?R6）4f20?103?4?150?103取C4?220pF，R7?10kΩ，R6采用20kΩ可调电位器。使振荡频率f在150kΩ左右有较大的调整范围。 （3）PWM波产生电路设计

选用LM393精密高速比较器，电路如图5.3.9所示，由于三角波Vp?p?2V，所以要求音频信号的Vp?p不能大于2V，否则会使功放产生失真。

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图5.3.9 PWM波产生电路

（4）功率驱动电路

电路如图5.3.10所示。将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用LM393组成电压跟随器和1：1反向比例放大器以获得对称输出信号，送给由晶体三极管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保证了快速驱动。功率驱动电路晶体三极管选用2SC8050和2SC8550对管。

图5.3.10 功率驱动电路

2）H桥互补对称输出电路

对VMOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。因输出功率稍大于1W，属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRF9540和IRF540 VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。实际电路如图5.3.11所示。互补PWM开关驱动信号交替开启Q5和Q8或Q6和Q7，分别经两个4阶Butttterworth滤波器滤波后推动喇叭工作。

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图5.3.11 H桥互补对称输出电路

（5）信号变换器设计

电路要求增益为1，将双端变为单端输出，运放选用宽带运放NE5532，电路如图5.3.12所示。由于对这部分电路的电源电压不加限制，可不必采用价格较贵的满幅运放。由于功放的带负载能力很强，故对变换电路的输入阻抗要求不高，选R27?R28?R29?R30?20kΩ。其增益为

Av?R29/R27?20/20?1，其上限频率远超过20kHz的指标要求。

图5.3.12 信号变换器

5.3.6.4 数据测试与分析

（1）测试仪器

本实验所需仪器设备见表5-3-1。

序号 1 2 3 4 5

表5-3-1 实验仪器设备 名称 型号规格

VC101 数字万用表

函数信号发生器 AS101E，0.5HZ-5MHZ 模拟双踪示波器 GOS6021，20MHZ 交流毫伏表 AS2294D，5HZ-2MHZ

YB1713 直流稳压电源

数量

1 1 1 1 1

（2）测试数据与分析（略）

5.3.6.5 结束语

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附件1：高效率音频功率放大器设计材料清单

序号 名称 1 集成运放 3 比较器 4 三极管 5 三极管 6 电阻 7 电阻 8 电阻 9 电阻 10 电阻 11 功率电阻 12 电位器 13 电位器 14 电解电容 15 电解电容 16 瓷片电容 17 瓷片电容 18 独石电容 19 独石电容 20 电感 21 电感 22 场效应管 23 场效应管 24 集成块插座 25 电路板 规格型号 TL062 LM393 8050 8550 1KΩ,1/4W 2.4KΩ,1/4W 10KΩ,1/4W 51KΩ,1/4W 100KΩ,1/4W 8Ω,2W 20KΩ 50KΩ 1uF/25V 4.7uF/25V 104 220PF 105 684 22uH 47uH RF540 RF9540 8脚 10cm*10cm 每份数量 1 2 2 2 4 1 9 2 1 1 2 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 1 单位 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 块 8

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附件2：高效率音频功率放大器设计参考电路图

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