高效率PWM音頻功率放大器

1、高效率PWM音頻功率放大器本設(shè)計主要由功率放大器、信號變換電路、輸出功率顯示電路和保護電路組成。功率放大器部分采用D類功率放大器確保高效，在5V供電情況下輸出功率大于1W，且輸出波形無明顯失真，低頻輸出噪聲電壓很低(輸出頻率為20kHz以下時，低頻噪聲電壓約1mV)；信號變換部分采用差分放大電路，將雙端輸出信號變?yōu)?1的單端輸出信號；輸出功率顯1、題目分析及設(shè)計方案論證與比較根據(jù)題目要求，整個系統(tǒng)由D類PWM功率放大器、信號轉(zhuǎn)換電路及功率測量顯示裝置組成。其中核心部分為D類PWM功率放大器。之所以選擇此方案是因為D類PWM功放能夠達(dá)到更高的效率，且更好地確保波形不失真，加之以合理的濾波網(wǎng)絡(luò)又進

2、一步克服了高頻干擾，從而使系統(tǒng)成為高效率、低失真、低干擾的功率放大系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖如圖3.1所示。下面我們分別論述框圖中各部分設(shè)計方案。圖3.1 系統(tǒng)組成框圖2、總體設(shè)計思路根據(jù)題目要求，經(jīng)過認(rèn)真分析，決定采用脈寬調(diào)制方式實現(xiàn)低頻功率放大器(即D類功率放大器)。脈寬調(diào)制電路(PWM)的脈寬調(diào)制原理如圖3.2所示。圖3.2 脈寬調(diào)制原理圖一般的D類放大器電路的工作原理是用“振蕩發(fā)生器”輸出的三角波與來自外部的模擬音頻信號進行比較，在“脈寬調(diào)制比較器”輸出端產(chǎn)生一個其脈寬變化與音頻信號幅值成正比例的可變脈寬方波。此方波通過“數(shù)字邏輯電路”輸出反相的方波。在音頻信號的前半周(正電壓)，脈寬調(diào)制方波

3、的占空比小于50%，使高端MOS管飽和導(dǎo)通，輸出瞬間脈沖電壓Vec0=Vcc。在音頻信號的后半周(負(fù)電壓)，低端MOS飽和導(dǎo)通，電壓0Vec=Vcc。將輸出的脈寬調(diào)制電壓經(jīng)LC低通網(wǎng)絡(luò)濾除高頻成分，在負(fù)載端得到與輸入模擬信號相似但被放大了的電壓。D放大器雖有較大難度但可大大提高效率，且失真很小，波形放大效果良好，而且配合以較好的濾波網(wǎng)絡(luò)克服了高頻干擾。系統(tǒng)原理框圖如圖3.3所示?？刹捎肁D521實現(xiàn)雙端輸入變單端輸出的信號變換。在測試部分采用乘法器將變換電路輸出的信號電壓加以平方，經(jīng)分壓送至表頭顯示。圖3.3 系統(tǒng)原理框圖第1節(jié) PWM功率放大器實驗一三角波發(fā)生器及誤差放大器用555芯片構(gòu)成三

4、角波發(fā)生電路，如圖3.4所示。圖3.4 三角波發(fā)生電路本設(shè)計利用555組成的多諧振蕩器的C4充放電特性加以改進，實現(xiàn)C4的線性充放電獲得三角波。利用VT1、VT2和R6構(gòu)成的恒流源對C4實現(xiàn)線性充電，利用VT3、VT4和R7構(gòu)成的恒流源實現(xiàn)對C4的放電，電容C4的三角波經(jīng)VT5射極跟隨器輸出該振蕩器的震蕩頻率f=0.33/(116R7)C4。按圖中各元件的參數(shù)，我們得到了一個線性很好、頻率約為100kHz、峰峰值為2.18V的三角波，將其輸入到脈寬調(diào)制比較器的一個輸入端。該部分的作用是將輸入信號按比例放大以便與三角波比較，通過以O(shè)P-37運算放大器為核心加上相關(guān)元件形成反向比例放大電路，電路如

5、圖3.5所示。圖3.5誤差放大器電路R2、R4共同分壓將OP-37腳的電壓抬至2.5V，這樣可使放大后的波形中點在2.5V處，且是下對稱無失真，放大比例系數(shù)由R3和R1決定，即A=R3/R1，C1、C3起隔直作用，電容C2的作用是用來限制通頻帶的寬度。C2越大，頻帶越窄；C2越小，頻帶越寬。實驗二脈寬調(diào)制比較器及死區(qū)時間控制該部分的作用是將誤差放大器輸出的波形與三角波發(fā)生器輸出的波形進行比較。輸出一個脈寬與誤差放大器輸入信號幅值成比例的可變脈寬方波。三角波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸入信號頻率，相當(dāng)于對輸入信號采樣點大大增加，從而保證還原后的波形不失真。其中核心器件為LM139，該芯片為四比較器集成電路。這

6、里所要注意的是必須使三角波和音頻信號的電壓中心線重合，即LM139的、管腳的靜態(tài)電位相同，否則脈寬調(diào)制信號的占空比將不能在要求的范圍內(nèi)變化。我們通過可調(diào)電阻R12來實現(xiàn)這一要求。脈寬調(diào)制比較器電路如圖3.6所示。圖3.6 脈寬調(diào)制比較器電路提示：死區(qū)時間不應(yīng)超過調(diào)制脈沖的1/10，否則輸出的波形將出現(xiàn)明顯的失真；另外，死區(qū)時間也不可過短，否則橋路管子將會共同導(dǎo)通，在極短的時間內(nèi)大電流將從MOS1、MOS2和MOS3、MOS4同時流過，造成電能的損耗，使整體的效率下降，甚至燒毀管子。所以死區(qū)時間的建立是整個D類放大器性能提高的關(guān)鍵之一。電路如圖3.7所示。圖3.7 時間建立電路實驗三 高速門開關(guān)

7、和濾波網(wǎng)絡(luò)高速門開關(guān)和濾波網(wǎng)絡(luò)電路如圖3.8所示。驅(qū)動電路除注意其驅(qū)動能力外，還應(yīng)注意要使其反應(yīng)盡量快，提高對窄脈沖的反應(yīng)，以保證對波形的完整還原。在高速低耗的MOS管的D極和S極間反向并聯(lián)上高速二極管(VD1VD4)，使電感(L1、L2)上產(chǎn)生的電流在死區(qū)時間內(nèi)快速泄放，以保證下一個調(diào)制脈沖的電流正常工作，否則橋臂會出現(xiàn)電流的停滯，輸出波形將會出現(xiàn)失真、幅值過小等。濾波網(wǎng)絡(luò)的主要功能是濾除高次諧波，還原調(diào)制波中所帶載的低頻信號。濾除效果的好壞主要取決于與負(fù)載相并聯(lián)的電容的大小，電容越大，濾波效果越好，但是電容越大，放大器的頻帶寬度、放大倍數(shù)及頻率都會受到影響。通過反復(fù)實驗，我們選擇了4.7F

8、的電容，使上述三者達(dá)到了較好優(yōu)化。此外，電感大小也是影響這三者的重要因數(shù)，電感相對小時，會大大提高三者的指標(biāo)，但過小又會降低高次諧波的濾除效果，實驗證明選擇20F的電感較為合適。圖3.8 高速門開關(guān)和濾波網(wǎng)絡(luò)第2節(jié)功率測量與保護實驗四 信號變換電路及保護電路信號變換電路如圖3.9所示。精密放大器AD521有高輸入阻抗、懸浮輸入、高共模抑制比、高精度、低漂移和低噪聲的特點。聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)之前，應(yīng)首先對AD521進行調(diào)零，即輸入短路時，調(diào)整、管腳間10k的滑動變阻器，使輸出為零。接入網(wǎng)絡(luò)后，1M電阻和100k電阻的分壓比為1/10，所以放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為10才能使變換電路總的放大倍數(shù)為1。通過調(diào)整5k

9、的滑動變阻器使放大器的放大倍數(shù)為10。這樣就得到了一個放大倍數(shù)為1的信號變換電路，將功率放大器雙端輸出信號轉(zhuǎn)換為單端輸出。圖3.9 信號變換電路保護電路如圖3-10所示。用電流互感器取主電路電流，經(jīng)變換后送到滯回電壓比較器，形成短路保護信號，送至高速開關(guān)電路，鎖定脈寬調(diào)制信號輸出，達(dá)到可靠的輸出短路保護功能。圖3-10 保護電路實驗五 功率測量電路在負(fù)載一定時(8)，功率與電壓的平方成正比，所以我們將變換電路的輸出接低通網(wǎng)絡(luò)后再接入由乘法器搭成的平方電路。功率測量電路如圖3.11所示。圖3.11 功率測量電路乘法器芯片我們用的是AD533，其那邊包含了一個運放。此電路的關(guān)鍵部分在電路調(diào)零。我們

10、的調(diào)零是在、管腳短接的情況下進行的，步驟如下： 當(dāng)X=0時，調(diào)ZO使輸出為0V。 當(dāng)X=10VDC時，調(diào)增益使絲綢為+10VDC。 當(dāng)X=10VDC時，調(diào)XO使誤差減半，再調(diào)增益使誤差為零。 當(dāng)輸入接地時，檢查輸出補償。如果輸出不為零，重復(fù)上述步驟直至輸出無誤差。測試表頭是測量直流電壓的三位半表頭，所以要將交流變?yōu)橹绷?。我們將平方電路的輸出接濾波網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橹绷骱蠼尤氡眍^，使其作為功率來顯示功率放大器的輸出功率。其邊比可由乘法器AD533內(nèi)部運放的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)、管腳的電阻值，使功率表輸出的精度優(yōu)于5%。第3節(jié)調(diào)試與分析1.誤差放大器 放大倍數(shù)A=R3/R1=5；使R2=R4，則保證了輸出波形

11、上下于2.5V對稱；隨C2的減小，誤差放大器頻帶將會變寬，當(dāng)C2=180pF時，頻帶為20kHz。2.三角波調(diào)試 我們通過改變電容C4值來改變頻率。變大電容值，頻率變低；變小電容值，頻率變高。最終我們?nèi)4為4700pF，使三角波頻率約為100kHz。3.比較器調(diào)試 其關(guān)鍵操作是必須保證輸入兩信號的中心電壓相同從而才能正確比較；方法是先將誤差放大器輸出波中心電壓確定，通過調(diào)節(jié)R12來改變?nèi)遣ㄖ行碾妷骸?.死區(qū)時間 采用示波器的雙路通道，觀察兩個輸出端的波形。通過變換電阻和電容的大小，使兩個小波形的高電平部分不會出現(xiàn)重合的部分，保證死區(qū)時間不會過小。在整體調(diào)試時，采用上述方法來取得整體的最優(yōu)效果。5.高速門電路 檢測兩橋臂的輸出部分，觀察其死區(qū)時間的大小。應(yīng)盡量保證死區(qū)時間小于調(diào)制脈寬的1/10，并注意輸出電壓的峰峰值應(yīng)大于4.8V，否則，說明橋臂上的管子的速度不匹配。信號變換電路及功率測量顯示電路的調(diào)試參見總體設(shè)計部分及圖3-1所示。6.測量結(jié)果分析（