高效音频放大器
高效音频放大器摘要
本设计由三个模块构成：三角波产生器，前级电压放大器和功率放大器模块。由运放组成的同相比例放大器对输入音频信号进行放大和增益调整。由三角波发生器产生50KHZ的三角波调制音频信号生成PWM调制波，通过互补放大电路驱动互补MOSFET全桥输出功率调制信号，再通过2阶Butterworth低通滤波器输出功率音频信号驱动负载。
一. 方案论证与设计
（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％，实际上电路也可以达到 80％－95％，所以我们决定采用D类功率放大器。
（2）高效D类功率放大器实现电路的选择
①脉宽调制器（PWM）
方案一：可选用专用的脉宽调制集成块，但因为电压的限制，功率输出达不到要求，所以放弃这种方案。
方案二：采用图1－1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，故选用此方案。
图1－4
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1－2所示）。电路输出载波峰－峰值要高，功率输出相对较低，达不到题目的要求。
方案二：选用H桥输出方式（电路如图1－3所示）。此方式可充分利用电源电压，能有效的提高输出功率，故选用此输出方式。
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，并存在存储时间，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。
③滤波器的选择。
采用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器。这个滤波器容易实现，而且本店路对精度的要求并不高，二阶Butterworth低通滤波器可以满足要求。
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
①SPWM基本原理
PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆 变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
㈠ PWM控制的基本原理
理论基础：
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。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图2－1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理：
分别将如图2－1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2－2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2－2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图2－2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。
图2－3 用PWM波代替正弦半波
要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
②D类放大器的工作原理
如图2－4所示，D类音频功率放大器由两部分构成。第一部分是输入比较和PWM信号形成电路，该电路中的三角波发生器产生固定频率和幅度的三角波信号作为脉宽调制的比较标准，通过比较器和输入的音频信号进行比较后输出PWM信号，该信号的脉宽是随着音频信号幅度的变化而成正比例地变化。放大器中的三角波、音频正弦信号产生的PWM波形及关系如图2－5所示。第二部分是H桥脉宽功率放大电路和输出大功率滤波电路，如图2－6所示。
图2－4 基本原理框图
图2－5 放大器中的三角波、音频正弦信号产生的PWM波形及关系
图2－6H桥及滤波电路
第一部分电路得到的PWM信号经过整形放大，驱动H桥中与高压大功率电源相连的的4只大功率CMOS开关管轮流导通，控制末级电源向负载提供的电流，从而获得大功率的PWM信号，该信号再经过负载前的LC滤波器，利用电感电容的充放电效应在负载上获得大功率的音频信号。
2．D类功放各部分电路分析及计算
⑴脉宽调制器
① 三角波产生电路。该部分我们采用了运算放大器LM318和8038、电位器等组成的多功能函数信号发生器。该电路能够产生正弦波信号、三角波信号、频率与占空比可调节的矩形波信号，其输出频率能在20Hz-500kHz范围内连续调整，达到调试简单、性能稳定、使用方便等优点。
图2－7 8038管脚图
1】8038多功能函数发生器的内部结构和工作原理如图2－8所示。
图2－88038内部工作原理图
由8038构成的函数发生器原理框图可知：他由1个恒流充放电振荡电路和1个正弦波变换器组成，恒流充放电振荡电路产生方波和三角波，三角波经正弦波变换器输出正弦波。图中2个比较器C1，C2组成1个参考电压分别设置在2/3Vcc和1/3Vcc上的窗口比较强。2个比较器的输出分别控制RS触发器的置位端和复位端。2个恒流源I1，I2担任对定时电容C的充放电，而充电和放电的转换则为RS触发器的输出通过电子开关S的通或断来进行控制。当电子开关S断开时，电路对外接电容C充电，当电子开关S接通时，电容C放电，所以，若电路参数设计恰当，可在电容C上产生良好的三角波，经缓冲器由3脚输出。为了得到在比较宽的频率范围内三角波到正弦波的转换，可用1个由电阻和晶体管组成的折线近似转换网络将三角波转换为正弦波，由2脚输出。而用于控制开关S的信号，即RS触发器的输出，就是方波，经缓冲器由9脚输出。
2】三角波产生电路
图2－10 三角波产生电路
为了提高信号源的带负载能力，可使三角波、正弦波信号经由LM318高速运算放大器放大后输出。通过调节电位器R1的位置，既可调节函数发生器的输出振荡频率的大小，又可用来调节输出矩形脉冲波的占空比。 调节电位器Rp2，可调节输出正弦波信号失真度。调节Rp3，Rp4，可调节信号输出幅度。 图2－10中3个电位器R1，Rp2，Rp3采用精密多圈电位器。
如果要还原音频信号，载波频率要是音频信号的4～5倍比较好。因为Vmosfet管的频带问题和6N137的频带问题，我们将载波频率定在了50khz。根据8038的频率计算公式f＝0.3/取电容C1为100PF，通过调节R1来调节载波频率。
② 置放大电路。音频信号和三角波信号比较得到SPWM波形，通过话筒或者天线接受的音频信号都不过几十～几百兆伏特，要和三角波比较，二者的幅度要在一个水平上，所以要先将音频信号放大。
图2－11 前置放大电路
通过运放OP37来进行音频信号的放大，可以通过调节R104来调节幅度的大小。
③ 比较器。选用LM311精密，高速比较器，电路如图2－12所示，因供电为5V单电源，为给 = 提供2.5V的静电位，取R201＝R202＝R203＝R204，4个电阻均取11k .．因为三角波 ＝2V，所以要求音频信号的 不能大于2V，否则会使功放产生失真。比较器输出5V的SPWM波形。
图2－12 比较器
④ 驱动电路。比较器输出的SPWM波形经过74HC04的整形和反相，得到两相互补的SPWM波形，用6N137来隔离控制电路和高压电路。然后通过有8050和8550组成的互补推挽电路来驱动VMOSFET管。电路如图2－13所示。
图2－13驱动电路
6N137是高速光耦管，2脚接信号，要接一限流电阻，3脚接地，6脚输出。因为有两个Vmosfet管的S极连在一起，所以有两个驱动电路的电源可以共用一个电源，其他两路则需要独立电源。选择的Vmosfet管是耗尽型，所以电源要接+12V和－12V。
⑤ H桥及滤波电路。最大输出功率为200W，则H桥上的电压为20V，则Vmosfet管 最大承受电压为40V，所以选择IRFP450 N沟道的Vmosfet管。如图2－14所示。
图2－14 H桥及滤波电路
Vmosfet管都并列一个续流二极管，来保护电路。滤波电路取截止频率为20Khz。Lc滤波电路简单易实现，而且电路对输出精度要求不是很高，LC滤波可以达到要求。根据计算公式 ， 得出L,C的值。
⑥ 电源。主电源采用成品开关电源，输出电压20V，最大电流10A。其他部分采用变压器。
三．系统测试及数据分析
①测试仪器
8 2W喇叭 DT9205A型数字万用表
SG1643型信号发生器100MHZ数字示波器
模拟示波器
②测试数据
1】8038输出的三角波如图3－1所示。
图3－1 ICL8038产生等腰三角波波形
2】用信号发生器输出的正弦波代替音频信号和三角波比较得到的SPWM波形如图3－2所示。
图3－2 比较器输出波形
3】驱动电路中的互补SPWM波形如图3－3所示。
图3－3 驱动电路中的互补SPWM波形
4】H桥输出波形。如图3－4所示。
图3－4H桥输出未滤波前的波形
5】滤波后的波形如图3－5所示。
图3－5滤波后输出波形
6】接入音频信号后，用8 2W喇叭加小电压测试，声音基本还原，音质尚可。初步达到题目要求。
7】H桥加上开关电源后，测得输出幅值38.34V，则输出接8 喇叭，则输出最大功率可达到183.75W，
离200W还有一定距离，但是可以通过提高H桥两端的电压来提高功率。根据Vmosfet管的参数，还有提升的空间。算H桥后的电路的效率为90％，再估计前面的控制电路的功耗，则本电路的效率可以达到85％以上。
改电路可以说达到了预想的效果，本设计还是比较出色的。
四．电路的调试中的问题
①三角波产生的问题。8038的供电电压为12V，输出三角波幅值为8V左右，而进入比较器的电压幅值为2V，那么8038直接供电就不合适了。经过查阅资料，加了一个运放，但是引起了震荡，对电路造成了很大影响，最后经过查资料，加了一个电位器，效果好了很多。
②非门整形问题，因为SPWM波形中有很多窄脉冲，这些窄脉冲的幅值有可能低于2.5V，在后面的电路中可能被忽略所以要先进行整形，然后经过非门来实现两路SPWM波形的实现。但是非门有时候只出现低电平，非门大多时候是烧坏了。但是开始用的是74LS04芯片，可能是74LS04的反应时间不够，结果总是高电平或者低电平，后来换成了74HC04，效果很好。波形相对较标准。
③驱动电路问题。驱动电路虽然不是这个电路的灵魂部分，但是却很关键。开始在网上查了一个电路，但是现实实现中除了问题。场效应管的驱动电压太大，不适合用在驱动电路中。中间换了脉冲变压器，试了试效果不好，二次测没有信号输出。问过老师，怀疑是脉冲变压器的频带不够，就换成了光耦隔离器6N137，6N137是高速光耦，能达到10Mhz，输出波形标准，是高频比较理想的高电压隔离器。换上之后效果不错。但是H桥没有波形，用万用表测试发现Vmosfet管整个周期内都导通，经过老师提醒查阅了耗尽型MOSFET和增强型MOSFET的区别。将光耦的地换成了－12V，输出信号一头接光耦的6脚，一头接地。则完成了驱动电路的设计。
④滤波电路的问题。因为高频知识的不牢固，所以绕了不少弯子。咨询了老师，查阅了资料。最终确定了最高截止频率为20Khz的LC滤波电路。根据计算公式 ， 得出L,C的值。
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