1、題目三 : 高效音頻功率放大器,第五屆全國大學生電子設計競賽 （2001年）,任 務,設計并制作一個高效率音頻功率放大器及其輸出功率測量、顯示裝置。 功率放大器的工作條件： 電源電壓：+5V（其他部分電路的工作電源不限）； 負載：8電阻。,要 求,基本要求1. 功率放大器 （1）BW=3003400Hz，輸出正弦信號無明顯失真； （2）最大不失真輸出功率1W； （3）輸入阻抗Ri 10k;電壓放大倍數(shù)120連續(xù)可調； （4）20kHz以下噪聲電壓10mV（放大倍數(shù)為10，輸入交流接地時測量）； （5）PO=500mW時測量50%。,要 求,基本要求2. 設計并制作一個Av=1的信號變換電路，將

2、功放雙端輸出的信號轉換為單端輸出，經RC濾波后供外接測試儀表用，如框圖所示。,測試系統(tǒng)框圖,要 求,基本要求3. 設計并制作一個測量放大器輸出功率的裝置，要求具有三位數(shù)字顯示，測量精度優(yōu)于5%。,要 求,發(fā)揮部分1. 通帶擴展為300Hz20kHz； 2. 輸出功率保持為200mW，盡量提高； 3. 輸出功率保持為200mW，盡量降低放大器電源電壓； 4. 增加輸出短路保護功能； 5. 其他。,評分意見,采用D類功率放大器是提高效率的途徑之一，D類功放原理框圖如下圖，不得使用D類集成功放。,說 明,效率計算時的總功耗是功放部分總電流乘以供電+5V電壓，不包括基本要求中2、3部分電路功耗，制作時

3、注意便于效率測試。 整個測試過程中，要求輸出波形無明顯失真。,課題解析,本課題歸類：信號處理； 課題的主要任務：設計制作高效功率放大器、信號傳輸方式轉換電路、功率檢測、顯示裝置； 涉及知識要點：電壓放大器的特性、參數(shù)，頻率特性（帶寬），非線性失真，功率放大器的分類、參數(shù)計算、應用；SPWM調制；集成運放的分類及應用；濾波原理；信號傳輸方式。 基本技能要求：電路的焊接制作，常用儀器設備的操作和使用（萬用表、信號源、示波器、噪聲測試、功率測量）。,課題解析,分析題目的基本要求和發(fā)揮部分要求，本系統(tǒng)的主要功能及技術參數(shù)指標如下： (1) 8負載下，不失真輸出功率要達到1W以上，輸出電壓幅值應達到4V

4、以上； (2) 使用D類功放時，需將輸入正弦信號調制成SPWM信號。調制時三角波產生電路輸出的三角波幅值設定為1V，則加給比較器的正弦信號幅值亦為1V。由此得到功放電路的增益應大于4； (3) 總的增益要求120倍連續(xù)可調，則應在功放電路之前設置一個前置電壓放大器，其增益應不小于5； 根據(jù)取樣定理，確定調制用三角波的頻率應在150kHz左右（510倍的fi(max) ），再在輸出端采用四階巴特沃斯LC濾波器濾除載波，衰減大于60dB，可以滿足要求；,課題解析,(5) 信號變換電路的工作電源不受+5V限制，故無需選用滿幅運放，而選用+12V電壓供電，低失真、寬帶運放（如NE5532等）即可。 (

5、6) 功率測量電路部分同上，選用+12V供電，同時選用高精度的真有效值轉換芯片AD637等。,方案論證,一、系統(tǒng)總體結構框圖及參數(shù)確定 本系統(tǒng)總體結構框圖:系統(tǒng)設計的主要任務是“高效率功放”部分和“信號變換”部分。,“高效功放”采用D類功放，原理框圖如下：,方案論證,一、系統(tǒng)總體結構框圖及參數(shù)確定 本系統(tǒng)設最后一級功放電路的放大倍數(shù)4，則前級電壓放大電路的放大倍數(shù)應 5。 8負載獲得1W以上功率，功放電路的輸出電壓幅值應大于4V，在此情況下，輸入信號幅值應小于200mV。 放大器輸入阻抗應大于10k，放大倍數(shù)能05連續(xù)可調。,本設計重點、難點： 低電壓、單電源條件下器件的選擇和電路的設計； 輸

6、入音頻信號的PWM調制； 功放電路的效率 濾波器的設計 噪聲的抑制,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 1. 前置放大器 +5V單電源及更低電源電壓供電時，要獲得1V以上的輸出電壓幅值，選擇寬帶、低漂移、滿幅運放（如：TLC4502）更有利于實現(xiàn)題目要求的參數(shù)指標。 采用運放組成的同相放大器更容易實現(xiàn)高輸入阻抗的要求?？紤]到輸入信號很小時也能滿足功率輸出的要求，應適當增大前置放大器的增益。 單電源供電下，集成運放應加偏置（1/2VCC）。,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 1. 前置放大器 （圖）,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 1. 電壓放大部分,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 2

7、. 信號轉換電路,正弦波轉三角波電路（一）,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 2. 信號轉換電路,正弦波轉三角波電路（二）,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 3. 功率放大電路 由整個系統(tǒng)的總電壓增益71dB，前級電壓放大部分完成了50dB左右的放大，功率放大部分還需具有20dB左右的增益。 對于音頻信號（20Hz20kHz）的功率放大，有很多的優(yōu)質集成功放模塊，如：TDA1514、LM1875等。具有外圍電路簡單，頻率特性好，保護功能完備等特點。 在集成功放模塊不易購買到的情況下，也可以采用分立元件設計構成功放電路，典型的有OCL功放和OTL功放電路。其中OTL功放輸出耦合電容在輸出功率

8、較大時，會影響低頻特性，相對來說OCL功放只要適當調整好靜態(tài)工作點，能達到較好的應用效果。,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 3. 功率放大電路,集成功放模塊構成的功放電路,選擇電路中R20和R21的相應阻值，就能夠確定功放電路部分的電壓增益。本電路的增益為20，C11為直流負反饋電容，D3、D4為保護二極管，R22和C6組成退耦電路，防止高頻自激。,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 3. 功率放大電路,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 4. 音量指示與保護電路 在發(fā)揮部分可以增加關于本課題的實用功能。如音量指示及輸出保護功能。,音量指示與功率保護電路,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 4. 音量指示與保護電路,輸出過功率保護及開機延時電路,方案論證,二、器件及單元電路的選擇 5. 直流穩(wěn)壓電源電路 按照設計要求，要達到輸出功率要求，輸出電壓幅值應在17V以上，同時考慮到電路的效率及功放管的壓降等因素，電源電壓不能太高，以雙18V