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高 效 音 频 功 率 放 大 器 方案论证与比较 根据设计任务的要求，下面对高效功率放大各部分的设计方案分别进行论证与比较。 高效率功率放大器 （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%，实际电路可达到80%~95%，所以我们决定采用D类功放。 高效D类功放实现电路的选择 本题目的核心是功放部分采用哪种电路 形式以达到题目要求的性能指标，这是我们成功的关键。 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：采用下图所示方式来实现。三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分功能清晰，实现灵活，便于调试。若合理选择器件参数，可使其能在较低电压下工作，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。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。 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，使用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。它具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的的开关特性，故选用高速VMOSFET管。 ③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。 二、主要电路工作原理分析与计算 1、D类放大器的工作原理 一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如下所示。 2、D类功放各部分电路分析与计算 （1）脉宽调制器 ①三角波产生电路如下图所示。 三角波产生电路 该电路我们采用满幅运放TLC4502及高速精密电压比较器LM311来实现。TLC4502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单元电源供电下，我们将运放肆脚和比较器官肢的电位用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100千欧，并忽略比较器高电平时R11上的压降，则R9的求解过程如下： 取R9为39kΩ。 选定工作频率为f=150kHz,设定R7+R6=20kΩ ,kΩ 取R9为39kΩ。 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 则电容两端最大电压值为 其中T1为半周期，T1=T/2=1/2f。Vc4的最大值为2V，则 取C4=220pF,R7=10kΩ,R6采用功20kΩ可调电位器。使振荡频率f在150kHz左右有较大的调整范围。 ②比较器如下图所示，选用LM311精密、高速比较器，电路因供电为5V单电源， 比较器电路 为给V+=V-提供2.5V的静态电位，取R12=R15、R13=R14,4个电阻均取值10kΩ。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。 （2）前置放大器，如下图所示，可使整个功放的增益从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 前置放大电路 压Vp-p=8V，此时送给比较器音频信号的Vp-p值应为2V，则功放的最大增益约为4（实际上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于4）。因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。前放仍采用宽频带、低漂移满幅运放TLC4502，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=51k