高效率音頻功率放大器設(shè)計(jì)

陳軒 楊哲 劉川

【摘 要】效率是功率放大器重要指標(biāo)，在理想情況下，D類功放的效率為100%，B類功放的效率為78.5%，A類功放的效率才50%，在小型便攜式音響設(shè)備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大功率功放場(chǎng)合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，效率極高的D類功放，因其符合綠色革命的潮流正受著各方面的重視。本文敘述了高效率音頻功率放大器設(shè)計(jì)要求及方法。FPGA是實(shí)現(xiàn)高效率音頻功率放大器功率測(cè)量的方法，設(shè)計(jì)方法新穎，具有實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】高效率音頻功率放大器 FPGA 設(shè)計(jì)

1設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)高效率音頻功率放大器及其參數(shù)的測(cè)量、顯示裝置。功率放大器的電源電壓為+5V（電路其他部分的電源電壓不限），負(fù)載為8Ω電阻。

1.1功率放大器

（1） 3dB通頻帶為300Hz～3400Hz，輸出正弦信號(hào)無(wú)明顯失真。（2）最大不失真輸出功率≥1W。（3）輸入阻抗>10kΩ，電壓放大倍數(shù)1～20連續(xù)可調(diào)。（4）低頻噪聲電壓（20kHz以下）≤10mv，在電壓放大倍數(shù)為10，輸入端對(duì)地交流短路時(shí)測(cè)量。（5）在輸出功率500mW時(shí)測(cè)量的功率放大器效率（輸出功率/放大器總功耗）≥50%。

（2）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)放大倍數(shù)為1的信號(hào)變換電路，將功率放大器雙端輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出，經(jīng)RC濾波供外接測(cè)試儀表用，高效率音頻功率放大器框圖如圖1.1所示。 圖1.1中，高效率功率放大器組成框圖可參見(jiàn)本題第4項(xiàng)“說(shuō)明”。

圖1.1 高效率音頻功率放大器框圖

（3）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測(cè)量放大器輸出功率的裝置，要求具有3位數(shù)字顯示，精度優(yōu)于5%。

（4）說(shuō)明：采用開(kāi)關(guān)方式實(shí)現(xiàn)低頻功率放大（即D類放大）是提高效率的主要途徑之一， D類放大器即高效率功率放大器組成框圖如圖1.2。本設(shè)計(jì)中要求采用D類放大方式，不允許使用D類功率放大集成電路；效率計(jì)算中的放大器總功耗是指功率放大器部分的總電流乘以供電電壓（+5V），不包括第2、3項(xiàng)涉及的電路部分功耗。制作時(shí)要注意便于效率測(cè)試；在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，要求輸出波形無(wú)明顯失真。

圖1.2 高效率功率放大器組成框圖

1.2 D類放大器的工作原理

一般的脈寬調(diào)制D類功率放大的原理框圖如圖1.3所示。D類功率放大的波形圖如圖1.4所示。

圖1.3 D類功率放大的原理框圖

圖1.4 D類功率放大的波形圖

1.3高效率音頻功率放大器硬件電路

1.3.1脈寬調(diào)制器

（1）三角波發(fā)生器。三角波發(fā)生器采用寬頻帶、低漂移、滿幅運(yùn)放TLV2464及高速精密電壓比較器LM311來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路如圖1.5所示。運(yùn)放TLV2464的滿幅放大既保證能產(chǎn)生線性良好的三角波，而且可以保證低電壓供電下輸出較大幅度。

載波頻率的選定既考慮抽樣定理，又考慮電路實(shí)現(xiàn)。選擇載波頻率為150kHz，使用四階LC濾波器，輸出端對(duì)載波頻率衰減大于60dB。

三角波發(fā)生器頻率為150kHz，C為750pF。100kΩ電位器用于調(diào)節(jié)三角波發(fā)生器頻率。（2）前置放大器。前置放大器如圖1.6所示。用于音頻信號(hào)放大，使功放電壓放大倍數(shù)1～20倍可調(diào)，也保證比較器的比較精度。

（3）比較器。比較器如圖1.7所示。輸入音頻信號(hào)和三角波輸出PWM波形。

圖1.5 三角波發(fā)生器

1.6 前置放大器

1.7 比較器

1.3.2驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路如圖1.8所示。將PWM信號(hào)整形變換成互補(bǔ)對(duì)稱的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)以獲得較大的電流，送給由晶體三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱射極跟隨輸出的電路。三極管選用8050和8550。40106供電電壓VDD是3～15V，輸入電壓0～VDD。8050和8550是NPN、PNP對(duì)管，VCEO=25V，IC=1.5A。管腳圖如圖1.9所示。

圖1.8 驅(qū)動(dòng)電路

圖1.9 40106、8050和8550管腳圖

1.3.3 H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路

H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路如圖1.10所示。IRFD9120、IRFD120是P溝道、N溝道MOS對(duì)管，VD=100V，ID=1.3A，導(dǎo)通電阻小、開(kāi)關(guān)速度快、滿足1W輸出功率要求。管腳圖如圖1.11所示。兩個(gè)四階低通濾波器。

圖1.10 H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路

圖1.11 IRFD9120、IRFD120管腳圖

1.3.4 信號(hào)變換電路

信號(hào)變換電路如圖1.12所示。信號(hào)變換電路放大倍數(shù)為1，將功放的雙端輸出變?yōu)閱味溯敵觯?jīng)RC濾波供外接測(cè)試儀表用。

圖1.12 信號(hào)變換電路

1.3.5 TLC0820模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

TLC0820模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖1.13所示。圖1.12信號(hào)變換電路的輸出OUT接到圖1.13經(jīng)二極管檢波電路TLC0820將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，TLC0820的數(shù)字量對(duì)應(yīng)輸出OUT的幅值。將TLC0820的數(shù)字量給高效率音頻功率放大器的FPGA控制的總模塊圖1.15。數(shù)碼顯示電路如圖1.14所示。圖1.14用于顯示高效率音頻功率放大器的輸出功率。

圖1.13 TLC0820模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖1.14 數(shù)碼顯示電路

1.4高效率音頻功率放大器軟件電路設(shè)計(jì)

高效率音頻功率放大器的FPGA控制的總模塊如圖1.15所示。輸入CLK接24MHz時(shí)鐘，D_IN[7..0]、INT接TLC0820。輸出WR接TLC0820，DISP_DATA[7..0]、DISP_SEL[2..0]接數(shù)碼顯示電路。

圖1.15 高效率音頻功率放大器的FPGA控制的總模塊

分頻器FEN模塊，將CLK24MHZ時(shí)鐘分頻為600Hz、40kHz、1kHz、60Hz經(jīng)O1、O2、O3、O4輸出。

TIME3模塊，用于控制圖1.13 TLC0820模數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)的寫(xiě)讀。

VCT模塊，測(cè)試輸入信號(hào)的最大值。

DDDF模塊，將VCT模塊輸出的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換四位二—十進(jìn)制數(shù)結(jié)果輸出。

DISPLAY_H模塊，使數(shù)據(jù)傳送速度變慢，數(shù)碼管顯示穩(wěn)定。CLK是60Hz時(shí)鐘，經(jīng)分頻變?yōu)镃LK2=3Hz，用此時(shí)鐘傳送數(shù)據(jù)。

DISPLAY模塊，用于數(shù)碼管顯示。

2結(jié)語(yǔ)

高效率音頻功率放大器硬件電路設(shè)計(jì)和軟件電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高效率音頻功率放大器的設(shè)計(jì)要求。

基金項(xiàng)目：2015大創(chuàng)項(xiàng)目資助。指導(dǎo)教師，王振紅。