D类放大器设计实例.pdfVIP

第 4 节 电子综合设计范例 3高效音频功率放大器 一、设计任务与要求 1、设计任务 设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。功率放大器的电源 电压为+5V （电路其他部分的电源电压不限），负载为 8 Ω电阻。 2 、设计要求 ⑴ 基本要求 ① 功率放大器 a ．3 dB 通频带为 300～3400Hz ，输出正弦信号无明显失真。 b ．最大不失真输出功率≥1W。 c ．输入阻抗10k Ω，电压放大倍数 1～20 连续可调。 d ．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。 e ．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 ％。 ② 设计并制作一个放大倍数为 1 的信号变换电路，将功率放大器双端输出的信号 转换为单端输出，经 RC 滤波供外接测试仪表用，如下图所示。图中，高效率功率放大器组 成框图可参见本题第 3 项“说明”。 图 1 系统组成框图 ③ 设计并制作一个测量放大器输出功率的装置，要求具有 3 位数字显示，精度优 于 5 ％。 ⑵ 发挥部分 ① 3dB 通频带扩展至 300Hz～20kHz 。 ② 输出功率保持为 200mW ，尽量提高放大器效率。 ③ 输出功率保持为 200mW ，尽量降低放大器电源电压。 ④ 增加输出短路保护功能。 ⑤ 其他。 1、说明 ⑴ 采用开关方式实现低频功率放大(即 D 类放大)是提高效率的主要途径之一，D 类放 大原理框图如下图所示。本设计中如果采用 D 类放大方式，不允许使用 D 类功率放大集成 电路。 图2 D 类放大原理框图 ⑵ 效率计算中的放大器总功耗是指功率放大器部分的总电流乘以供电电压(+5 v)，不包 括“基本要求”中第(2)、(3)项涉及的电路部分功耗。制作时要注意便于效率测试。 ⑶ 在整个测试过程中，要求输出波形无明显失真。 二、方案论证与比较 根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图 1 所示。下面对每个框内电路的设计方案 分别进行论证与比较。 1、高效率功率放大器 ⑴ 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 ％，所以我们决定采用D 类功率放大器。 ⑵ 高效 D 类功率放大器实现电路的选择 本题目的核心就是功率放大器部分，采用何 种电路形式以达到题目要求的性能指标，这是关键。 图3 脉宽调制器电路 ① 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，不利于本题发挥部 分的实现。 方案二：采用图 3 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，故选用此方案。 ② 高速开关电路 a. 输出方式 方案一：选用推挽单端输出方式( 电路如图 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。 图4 高速开关电路 方案二：选用 H 桥型输出方式( 电路如图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 10 V ，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 高速开关电路 b. 开关管的选择。为提高