光电耦合式音频功率放大器设计

JournalofAnhuiTechnicalTeachersCollege

光电耦合式音频功率放大器设计

刘纯利,左　晖

(安徽技术师范学院　工学院,安徽　凤阳　233100)

摘　要:随着数码科技的快速发展,数字视听产品不断问世,对Hi-Fi器材中的重要一环———功率放大器的要求越来越高。由于电容耦合频率范围狭小,放音效果较差。本设计采用光电耦合器隔离耦合,利用其优良特性和BTL电路大功率输出优点设计的音频功率放大器,在400W的输出功率下,几乎能不失真地重放声音。

关键词:光电耦合器;BTL音频功率放大器;高保真音响设计;EWB分析

中图分类号:TN722.1　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1672-3589(2005)02-0028-03

CircuitDesignofPhotoelectrcCouplingVoiceFrequencyPowerAmplifierLIUChun-li,ZUOHui(DepartmentofEngineeringandTechnology,AnhuiTechnicalTeachersCollege,Fengyang233100,China)Abstract:Withthefastdevelopmentofnumeralscienceandtechnology,theemergingconstantlyofdigitalaudio-visualproducts,toanimportantlinkinHi-Fiapparatus—Therequestforthepoweramplifierishigherandhigher.Becauseelectriccapacitycouplingloudrangenarrowandsmallfrequently,isitputsoundresultrelativelypoortocause.Thearticleputsforwardtheinnovativethoughtonthisquestion,usethephotoelectricalcouplertoisolatecoupling,utilizethefinecharacteristicofthephotoelectricalcouplerandadvantageofBTLcircuit’sgreatpoweroutput,undertheoutputpowerof400W,nearlyreplaythesoundundistortedly.

Keywords:Photoelectricalcoupler;AmplifierofpowerofBTLaudiofrequency;High-fidelitysounderdesign;EWBanalysis

音响技术由早期的模拟技术发展至今,已进入了激光数码技术时代,其间的每一步,都体现了人们对高保真的执着追求。目前,声音信号的传输处理技术较完善,如常见的MP3技术标准,但功率放大器技术较滞后,特别在超大功率下如何实现高保真是一个技术难题。本设计从产生失真的根本环节———前级输入回路出发,通过使用光电耦合器,使前后输入输出回路在电气上隔离,避免级间直接耦合造成的零点漂移,为后级BTL功率放大电路提供一个幅度相等、相位相反的高保真声源信号,从根本上解决了前级信号失真;利用BTL电路的超大功率输出,解决了由后级放大电路本身造成的信号失真。此外,利用BTL电路还避免了超大功率输出时功率管发热严重、需要使用大面积散热片等设计难题。

1　方案选择

1.1　确定电路形式及结构

根据设计要求,需要设计一个低噪音前置放大器、电压推动放大电路、BTL功率放大级电路等3个子电路。本设计属于高指标的功率放大电路,应充分考虑Hi-Fi功率放大器的各项技术指标。因为功率放

收稿日期:2005-02-17

作者简介:刘纯利(1962-),男,安徽省五河县人,学士,讲师,主要从事电气工程教学与研究。

　第19卷第2期　　　　　　　　　　　刘纯利,等　光电耦合式音频功率放大器设计　29

大器的性能决定于前级电路,因此,前级采用高性能的集成电路元件,以提高前级的抗干扰能力和对大信号的放大能力,由于负载阻抗低、输出功率巨大,所以,末级采用由射极跟随器组成BTL电路输出。1.2　确定放大级数

一般单级放大器的放大倍数只有几十倍,若电路需要很大的放大倍数,可采用多级放大器,这时其总增益等于各级增益的乘积。在确定放大级数时,每一级的增益不能做得太高,因为增益过高时,放大器的稳定性变差,容易产生自激。通常,在放大器中引入适量的负反馈,将电路增益限制在一定的范围,这样既可提高放大器的稳定性,又可展宽工作频带,降低波形失真。此外,电路的总增益的设定还应留有一定余量。兼顾高增益和稳定性,设计采用4级放大电路,末级采用电阻引入直流电压负反馈。

2　电路设计

2.1　光耦驱动放大级的设计

根据设计要求,选用美国国家半导体公司的音频小功率放大集成电路LM386作为前置放大器,为光耦提供推动电流和输出信号。2.2　前置差分放大级的设计

电压推动级采用差分放大电路。差分放大器属于直流放大器,它不仅具有良好的抑制零点漂移的能力,而且具有比一般放大器更为优良的线性关系。2.3　功率放大级的设计晶体管功放发展到OCL电路,技术指标已达到很高的水平,但由于两个推挽管轮流工作,输入信号在

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任一半周内只有电源电压的一半在对负载起作用,电源电压利用率低,输出功率仍偏小。由:P0=ηE/8RL可知,若想提高输出功率,只有降低负载阻抗或提高电源电压。然而扬声器的阻抗不能降得过低(不能小

Ω),否则不仅失真要增大,而且可能损坏输出管。电源电压的提高也受到晶体管耐压值和成本的限于3

制。采用桥式推挽输出(BTL)电路可较好解决这一问题。该电路由两个完全相同的OCL并联组成,信号由两个输入端反相平衡输入,两个输出端之间接负载(扬声器)。静态时,四个晶体管的参数一致,电桥平衡,扬声器中没有电流通过。设计电路如图1。

图1　电路原理图

3　功率放大器性能的总体分析

利用EWB软件对所设计的光电耦合式音频功率放大器性能仿真分析3.1　正常工作时输出波形分析

由图2可见输出波形基本没有失真,此时,输出幅度约38V。由于放大器一般在大信号输入时,会产生饱和失真,所以选择幅度从100～150mV,步进量为10mV,检测放大器的动态跟随能力。

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3.2　最大不失真输入信号幅度分析

安徽技术师范学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2005年　

由图3可以看出,此时的最大不失真输入信号幅度为126mV,输出信号的最大幅度约为39V,当负载阻

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Ω时,放大器的最大不失真输出功率为:POM=(UOM抗为4/2RL)×4=(39×39/2×4)×4=760.5(W)

图2　功率放大器输出波形图　　　　　　　　　　　　　图3　最大不失真输入信号幅度

但是BTL电路的实际输出功率不可能为OCL电路的4倍,大约为OCL电路的2～3倍,取值2.2,则实际最大不失真输出功率为:POM1=(39×39/2×4)×2.2=418.275(W),超过设计要求的400W;放大器的总效率为:η=(POM1/POZ)×100%=(418.275/576.09)×100%=72.61%。3.3　失真分析由于放大器全部采用晶体管,而晶体管是非线性元件,存在非线性失真,从失真分析图4可以直观地看出所设计的功率放大器的二次谐波失真仅为0.002%,完全符合高保真的设计要求。图4　失真分析图

4　结论

经仿真和测试放大器的各项技术指标如下:额定输出功率PO≥400W;带宽BW≥20～800KHZ;在PO

下和BW内的非线性失真系数≤0.002%;总效率η=72.61%。达到高保真技术要求指标。根据设计制作了样机,实际使用性能良好。可作为厂家生产的选用产品。

参考文献:

[1]吴文波.高保真音响设计制作[M].北京:电子工业出版社,2000.[2]孙频东.电子设计自动化[M].北京:化学工业出版社,2001.[3]刘仁谱.世界晶体管手册[M].北京:机械工业出版社,1999.[4]郭勇.EDA技术基础[M].北京:机械工业出版杜,2001.

(责任编辑:李孟良)